Сушка продукции с использованием солнечного излучения. Конструкции и принцип работы гелиосушильных агрегатов.

Большинство сельскохозяйственных культур перед закладкой на хранение необходимо просушить, иначе насекомые и плесневые грибки, которые быстро размножаются в условиях повышенной влажности, сделают их непригодными к употреблению. Это касается, например, пшеницы, риса, кофе, копры (мякоти кокосового ореха) и лесоматериалов. Здесь будут рассмотрены в основном процессы в зерносушилках, так как остальные случаи аналогичны. В них происходит перенос влаги от сельскохозяйственной культуры к окружающему воздуху, поэтому необходимо прежде всего определить, какое количество влаги может содержаться в воздухе в виде водяного пара.

Водяной пар и воздух. Абсолютной влажностью, или «концентрацией водяного пара», c называется содержание водяного пара в 1 м³ воздуха. При заданной температуре Т, если пытаться повысить влажность c выше точки насыщения (например, прокачкой), жидкость начнет конденсироваться. Влажность насыщения c_S сильно зависит от температуры. Зависимость c_S (или какой-либо другой меры влажности) от Т называется психометрической диаграммой (рис. 3.3). Отношение c/c_S называется относительной влажностью и меняется от 0 (абсолютно сухой воздух) до 100% (насыщенный парами воды воздух).

Рассмотрим воздух, состав которого соответствует точке В на рис. 3.3. Если его охлаждать без изменения содержания влаги, соответствующая точка будет перемещаться горизонтально к точке А. Но воздух может быть охлажден и при испарении воды. Если это происходит в закрытой системе без теплообмена с окружающей средой (если воздух охлаждается адиабатически), то влажность его возрастает и характерная точка перемещается по диагонали вверх (ВС).

Рис. 3.3. Психрометрическая диаграмма

Содержание влаги в сельскохозяйственных культурах. Процентное содержание влаги w в пробе зерна определяется согласно формуле:

, (3.2)

где m - полная масса пробы;

m₀ - масса сухого вещества пробы (для древесины m₀ можно определить после просушивания пробы в печи при температуре 105⁰С в течение 24 ч). Будем использовать это определение содержания влаги в веществе (по «сухой массе»), являющееся стандартным в лесоводстве. В других областях сельского хозяйства может быть использовано определение содержания влаги по «сырой массе»

. (3.3)

Определение m₀ следует проводить в лабораторных условиях в соответствии со стандартными процедурами для каждой культуры или продукта. Температура и время просушивания ограничены, в частности для зерна - пересушенное зерно может потрескаться, что также приведет к его порче.

Во время просушивания зерно будет отдавать влагу окружающему воздуху до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное содержание влаги, значение которого для данного продукта зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Для риса при температуре воздуха 30⁰С относительной влажности 80% w_e » 0,16.

Процесс просушивания происходит неравномерно. Большая часть влаги содержится в сельскохозяйственных продуктах в виде жидкости, попавшей в поры, которая быстро теряется после уборки урожая. Оставшаяся часть воды, обычно 30-40%, связана на поверхности продукта химически, и поэтому удалить ее труднее. Важно, что зерно необходимо просушить достаточно быстро, в течение нескольких дней после уборки урожая, так как в сыром или даже влажном зерне быстро разрастается плесень.

Энергетический баланс и температура просушки. Если не насыщенный парами воды воздух пропускать сквозь влажный материал, воздух будет уносить с собой испаряемую влагу. Тепло, необходимое для испарения, содержится в воздухе и в просушиваемом материале. В процессе испарения воздух будет охлаждаться. В частности, если в процессе выпаривания массы m_w воды объем V воздуха охлаждается от Т₁ до Т₂, то:

(3.4)

где L - удельная теплота парообразования воды;

r и с - плотность и теплоемкость воздуха при постоянном давлении и средней температуре для умеренных разностей температур.

Основная проблема в конструировании зерносушилок, следовательно, заключается в определении Т₁ и V, необходимых для удаления данного количества жидкости m_w. Температура Т₁ не должна быть слишком высока, чтобы зерно не пересыхало.

Если содержание влаги в собранном рисе w = 0,28 при температуре воздуха 30⁰С и относительной влажности 80% для риса w_е = 0,16, тогда при температуре 45⁰С необходимо, чтобы просушить 1000 кг риса в условиях, аналогичных показанным на рис. 3.3., понадобится объём воздуха 13*10³ м³.

Можно провести более точные расчеты, но вывод будет тем же: больший объем просушиваемого продукта потребует продувки большего объема теплого сухого воздуха. Просушка с вынужденной конвекцией представляет собой сложную проблему. Просушка без обдува потоком воздуха еще более сложна, особенно если время просушки и температура ограничены.

Выбор метода сушки определяется масштабом производства, климатическими особенностями местности, видом высушиваемого материала и стоимостью дополнительных затрат. Различают два вида сушилок: конвекционные и радиационные. В первых продукт контактирует с воздухом, нагретым солнечной энергией, во вторых продукт непосредственно облучается солнцем. Температура в радиационных сушилках достигает 60-75° С. Могут использоваться комбинированные сушилки, в которых применяются оба вида теплообмена, но преобладает конвекция. Такая установка состоит из воздухонагревателя и сушильной камеры с прозрачными стенками.

Применение солнечных установок существенно повышает эффективность сушки и уменьшает потери продукции. Существенно сокращается время сушки и улучшается качество продукта, в том числе сохранность витаминов. Однако коэффициент использования гелиосушилок для сушки зерна довольно низкий. Эти установки используются всего несколько недель в году. Поэтому в России экономически целесообразно применять гелиосушилки для сушки сена, древесины, рыбы и белья в прачечных.

Рис. 3.4. Гелеосушилка с непосредственным облучением влажного материала:

1 - прозрачная изоляция; 2 - платформа для материала; 3 - стенка; 4 - теплоизоляция;

5,7 - отверстия; 6 - фундамент

Различают гелиосушилки с прямым и косвенным действием солнечной энергии. В установках первого типа солнечная энергия поглощается непосредственно самим продуктом и окрашенными в чёрный цвет внутренними стенками камеры, в которой находится высушиваемый материал (рис. 3.4). Сушильные установки второго типа содержат солнечный воздухонагреватель и сушилку камерного или туннельного типа. Циркуляция воздуха может осуществляться за счёт естественной тяги или принудительно с помощью вентилятора. В камерной сушилке (рис.3.5) воздух движется через слой высушиваемого материала, размещенного на сетчатых поддонах, снизу вверх, в то время как в туннельной сушилке материал движется на конвейерной ленте в одну сторону, а воздух движется противотоком в обратном направлении.

Рис. 3.5. Камерная гелеосушилка:

1 - пленочный воздухонагреватель; 2 - воздуховод; 3 - сушильная камера; 4 - решетка;

5 - козырек; СВ, ВВ - свежий и влажный воздух

Конструкций гелиосушилок очень большое разнообразие, но все они укладываются по принципу действия в выше рассмотренные варианты.