Сушка зерна – это процесс сушки зерна с целью предотвращения его порчи при хранении . В сушке зерна, описанной в этой статье, используются процессы, работающие на топливе или электричестве, в дополнение к естественным процессам, включая валкование / укладывание в валки для сушки окружающим воздухом и солнечным светом или пропаривание перед обмолотом. [1]
Сотни миллионов тонн пшеницы , кукурузы , сои , риса и других зерновых культур, таких как сорго , семена подсолнечника , рапс / рапс , ячмень , овес и т. д., сушатся в зерносушилках. [2] В основных сельскохозяйственных странах сушка включает снижение влажности примерно с 17-30% по весу [ необходимы разъяснения ] до значений от 8 до 15% по весу, в зависимости от зерна. Конечное содержание влаги для сушки должно быть достаточным для хранения. Чем больше масла в зерне, тем ниже будет его влажность при хранении (хотя и начальная влажность для сушки тоже будет ниже). Зерновые часто сушат до 14% по весу, а масличные - до 12,5% (соевые бобы), 8% (подсолнечник) и 9% (арахис). Сушка осуществляется как необходимое условие безопасного хранения, чтобы подавить рост микробов. Тем не менее, низкие температуры при хранении также настоятельно рекомендуются во избежание реакций разложения и, особенно, роста насекомых и клещей. Оптимальная максимальная температура хранения составляет около 18 °C.
Самые большие сушилки обычно используются «вне фермы», в элеваторах, и относятся к непрерывному типу: сушилки со смешанным потоком предпочитаются в Европе, а сушилки с перекрестным потоком - в Соединенных Штатах. В Аргентине обычно встречаются оба типа. Сушилки непрерывного действия могут производить до 100 тонн сушеного зерна в час. Глубина зерна, через которую воздух должен пройти в сушилках непрерывного действия, варьируется от примерно 0,15 м в сушилках со смешанным потоком до примерно 0,30 м в сушилках с перекрестным потоком. Сушилки периодического действия в основном используются «на фермах», особенно в США и Европе. Обычно они состоят из бункера, в котором нагретый воздух проходит горизонтально из внутреннего цилиндра через внутренний перфорированный металлический лист, затем через кольцевой слой зерна толщиной около 0,50 м (соосный с внутренним цилиндром) в радиальном направлении и, наконец, через внешний. перфорированный металлический лист перед выбросом в атмосферу. Обычное время сушки составляет от 1 часа до 4 часов в зависимости от количества воды, которое необходимо удалить, типа зерна, температуры воздуха и глубины зерна. В Соединенных Штатах на фермах можно найти противоточные сушилки непрерывного действия, адаптирующие бункер для медленной сушки зерна, подаваемого сверху и удаляемого снизу бункера с помощью подметального шнека.
Сушка зерна является активной областью исследований. Рабочие характеристики сушилки можно смоделировать с помощью компьютерных программ, основанных на математических моделях, отражающих явления, связанные с сушкой: физика, физическая химия, термодинамика, а также тепло- и массоперенос. Совсем недавно компьютерные модели стали использоваться для прогнозирования качества продукции путем достижения компромисса между скоростью сушки, энергопотреблением и качеством зерна. Типичным параметром качества при сушке пшеницы является качество выпечки хлеба и процент прорастания, снижение которых при сушке в некоторой степени связано.
Сушка начинается внизу контейнера, где в первую очередь происходит контакт с воздухом. Сухой воздух поднимается вентилятором через слой влажного зерна. Сушка происходит в слое толщиной от 1 до 2 футов, который называется зоной сушки. Зона сушки перемещается от нижней части бункера к верху, и когда она достигает самого верхнего слоя, зерно становится сухим. Зерно ниже зоны сушки имеет равновесную влажность с воздухом сушки, а значит, безопасно для хранения; в то время как зерно, указанное выше, все еще нуждается в сушке. Затем воздух вытесняется из бункера через вытяжное отверстие.
Допустимое время хранения — это оценка того, как долго зерно необходимо сушить до порчи и сохранять качество зерна во время хранения. В процессе хранения зерна грибки и плесень являются основной проблемой. На условия хранения влияют и многие другие факторы, такие как насекомые, грызуны и бактерии. Чем ниже температура зерна, тем дольше будет допустимый срок хранения. [3]
Длительное безопасное хранение возможно при влажности зерна менее 14% и вдали от насекомых, грызунов и птиц. На следующем рисунке показано рекомендуемое содержание влаги для безопасного хранения. [4]
Содержание влаги в зерне связано с относительной влажностью и температурой окружающего воздуха. Точка равновесного содержания влаги – это точка, когда зерно перестает терять и набирать воду при контакте с высушивающим воздухом. Конечная влажность зерна зависит от количества влаги в высушивающем воздухе, то есть относительной влажности. Низкая относительная влажность означает, что воздух сухой и имеет большую вероятность впитывания воды. Чем ниже относительная влажность, тем суше воздух. В целом снижение относительной влажности на половину вызвано повышением температуры воздуха на 20°. [5]
В процессе сушки зерна может использоваться нагретый воздух. Он может не только ускорить миграцию влаги внутри ядра, но также испарять влагу с поверхности. Основной проблемой, связанной с нагревом воздуха для процесса сушки, является температура ядра. Ядро зерна может быть повреждено из-за высоких температур ядра. Обычно температура ядра ниже температуры воздуха. Для разного использования кукурузы температура варьируется. Например, для семенной кукурузы максимальная температура составляет 110 °F; для кормления скота кукурузой максимальная температура составляет 180 °F.
Процесс аэрации представляет собой процесс прохождения воздуха через зерно. Воздушный поток — это измерение количества воздуха в кубических футах в минуту (CFM). В процессе сушки зерна время сушки во многом зависит от скорости аэрации. Без достаточного притока воздуха зерно может быть повреждено до завершения сушки. Вентиляторы используются для перемещения воздуха через зерно. [6]
Затраты на сушку состоят из двух частей: капитальных затрат и эксплуатационных затрат. Капитальные затраты во многом зависят от требований к скорости сушки и стоимости оборудования. Эксплуатационные затраты включают стоимость топлива, электроэнергии и рабочей силы. Количество энергии, необходимое для сушки бушеля зерна, одинаково для всех методов сушки. Некоторые методы в значительной степени зависят от природного воздуха, в то время как другие могут использовать тепло сжиженного газа или природный газ, что приводит к разнице в стоимости энергии. По сути, топливо и электроэнергия составляют основную часть эксплуатационных расходов. [7] Стоимость сушки основана на потреблении БТЕ при изменении температуры окружающей среды на желаемую.
[8]
Методы сушки при хранении подразумевают, что зерно сушат и хранят в одной и той же таре. Низкотемпературная сушка, также известная как сушка при температуре окружающей среды, является одним из методов сушки на складе. На сушку при низкой температуре влияют четыре основных фактора: изменчивость погоды, влажность урожая, поток воздуха в бункере для хранения и количество нагретого воздуха. [9] Большинство низкотемпературных сушилок созданы для максимально медленной сушки зерна и в то же время уменьшения порчи зерна. Предполагается, что низкотемпературная система сушки лучше работает, когда средняя дневная температура составляет от 30 °C до 50 °C. Вместо контроля температуры воздуха для сушки низкотемпературная сушка фокусируется на относительной влажности, чтобы достичь равновесного содержания влаги (ЭМС) во всех слоях зерна. [10] Процесс низкотемпературной сушки обычно занимает от 5 дней до нескольких месяцев и зависит от нескольких важных переменных: погоды, воздушного потока, исходного содержания влаги и количества используемого тепла. Среди которых поток воздуха является ключевым фактором. Без соответствующей скорости воздушного потока порча произойдет еще до завершения сушки. Используя нагретый воздух (НД, электрическое и солнечное тепло), можно лучше контролировать относительную влажность осушающего воздуха для достижения желаемого содержания влаги. Обычно сушилка с подогревом воздуха используется, когда относительная влажность превышает 70%. В электрических сушилках перед вентилятором обычно устанавливается электрический нагреватель для нагрева воздушного потока. В некоторых случаях для управления обогревателем используется гигростат. В сушилках с солнечным теплом воздух для сушки сначала проходит через солнечный коллектор для нагрева (обычно повышение температуры на 10–12 °F), затем поступает в бункер через вентилятор и двигатель. Преимуществами низкотемпературной сушки на складе являются быстрое заполнение, высокое качество продукта, меньшая потребность в оборудовании; в то время как недостатками являются длительное время сушки, потребность в электроэнергии при использовании электрического отопления, высокие навыки управления и неопределенная влажность урожая.
Метод многослойной сушки подразумевает использование тепла низкого давления или природного газа для сушки кукурузы. По сравнению с низкотемпературными методами, многослойная сушка требует более высоких температур, что приводит к более короткому допустимому времени хранения. Многослойная сушка без перемешивания является основным методом многослойной сушки, при котором поток воздуха подается через нагреватель низкого давления с помощью вентилятора. Обычно повышение температуры после горелки НД остается небольшим во избежание пересушивания нижних слоев бункера. Как только кукуруза высыхает в бункере, горелка выключается и используется вентилятор, чтобы довести кукурузу до температуры окружающей среды. Преимущества многослойной сушки без перемешивания заключаются в незначительной обработке кукурузы, а бункер можно использовать как сушилку или хранилище; недостатками являются медленное наполнение и пересыхание нижних слоев (Берн и Брумм, 2010). Многослойная сушка с перемешиванием позволяет не только высушить зерновое равновесие сверху вниз, но и уменьшить сопротивление воздуха зерна. Кроме того, использование системы перемешивания позволяет избежать проблемы пересушивания нижнего слоя и обеспечить равномерную влажность зерна во всем бункере. Когда сушка завершена, горелка выключается, а вентилятор и мешалка используются для перемешивания кукурузы для достижения одинакового содержания влаги и температуры. Преимущества дополнительного перемешивания заключаются в предотвращении пересушивания и ускорении сушки, а также в допустимой скорости наполнения; Недостатками системы перемешивания являются дополнительные затраты и уменьшение емкости бункера.
При методах периодической сушки сначала помещается определенное количество зерна, обычно от 2 до 4 дюймов, затем партия высушивается и охлаждается, затем сушка прекращается и партия удаляется. Сушилки периодического действия обычно работают по этой последовательности и повторяют эту последовательность несколько раз. В методах периодической сушки в качестве сушилки используется полностью перфорированный пол. Без перемешивания доступно большое разнообразие оборудования, и партию можно использовать как в сушилке, так и в охлаждении, но может возникнуть большой градиент влажности сверху вниз, что приведет к потере времени в процессе загрузки и разгрузки. При добавлении системы перемешивания неравновесие [ правописание? ] проблема с содержанием влаги исключается, однако мешалка требует дополнительных затрат. При использовании крышной сушилки для контейнеров можно решить проблему потери времени. Под крышей бункера находится сушильный пол, а сушильный вентилятор и горелка установлены высоко на стене бункера. По завершении процесса сушки зерно укладывается в обычный пол бункера, что сокращает время разгрузки. Однако в крышных сушилках периодического действия в бункерах нет хранения влажного зерна, и затраты на машины выше.
Колонна, образуемая в сушилке такого типа, состоит из двух вертикальных перфорированных стальных листов толщиной около 12 дюймов каждый. Производительность колонных сушилок периодического действия слишком мала для хранения зерна. Преимущества колонного периодического действия: сушилка со стационарным слоем легко перемещается, а красильную машину можно использовать в качестве охладителя; недостатками же являются потери времени при охлаждении, загрузке и разгрузке и неравномерное распределение влаги по завершении сушки. При использовании колонной рециркуляционной сушилки можно избежать проблемы изменения содержания влаги, но дополнительный процесс обработки может привести к порче зерна.
Сушилки с поперечным потоком являются одними из наиболее широко используемых сушилок с непрерывным потоком. В сушилке с поперечным потоком поток воздуха перпендикулярен потоку зерна. Тогда зерно вблизи сушильного воздуха пересушивается, а с другой стороны зерно недосушивается. Градиент влажности существует после завершения высыхания. В действительности, чем ниже скорость воздушного потока, тем выше разница содержания влаги в зерне между двумя сторонами колонны. [11]
В сушилке с прямоточным потоком и зерно, и воздух движутся в одном направлении, что означает, что самое влажное зерно подвергается воздействию самого горячего сушильного воздуха. Ядра покидают зону сушки при одинаковой температуре и одинаковой влажности. Энергоэффективность на 40% выше по сравнению с сушилкой с перекрестным потоком. Однако глубина слоя должна быть больше 12 дюймов, чем у типа с поперечным потоком. Таким образом, требования к мощности вентилятора для этого типа сушилки высоки.
В противоточной сушилке зерно и воздух движутся в противоположных направлениях, что означает, что самое сухое зерно подвергается воздействию самого горячего сушильного воздуха. Ядра покидают зону сушки при той же температуре и той же влажности, что и в прямоточных сушилках. Рекомендуемая температура воздуха составляет менее 180 °F, поскольку самые сухие зерна с большей вероятностью будут повреждены горячим воздухом.
Для разных видов подсолнечника влажность консервации различна. Масличный подсолнечник лучше сушится до 9-процентной влажности, а птичий подсолнечник — до 10-процентной влажности. По сравнению с сушкой кукурузы, подсолнечник легче сушить и хранить в безопасном месте. Более того, высокая температура может не оказывать вредного воздействия на ядра подсолнечника, что может быть связано с составом жирных кислот. Не было никаких признаков повреждения, когда воздух при сушке нагревался до 220 °F. Однако тонкие волоски и волокна на семенной кожуре подсолнечника могут стать причиной пожара. При нагревании подсолнухов рекомендуется сначала удалять горящие частицы.
Семенная кожура бобов довольно хрупкая и легко повреждается в результате растрескивания и раскалывания, что может нанести ущерб производителю. Некоторые исследования бобов показали, что во избежание растрескивания лучше поддерживать относительную влажность воздуха выше 40 процентов. [12]
При сушке кукурузных зерен важно помнить, что трещины и изломы кукурузы могут привести к множеству проблем как при хранении, так и при переработке. Основная проблема, возникающая при высокотемпературной сушке и последующем быстром охлаждении зерна, — это растрескивание под напряжением. Растрескивание под напряжением – это когда в эндосперме кукурузы появляются трещины. Ядра, растрескавшиеся под напряжением, часто слишком быстро впитывают воду, с большей вероятностью разрушаются и становятся все более восприимчивыми к повреждению насекомыми и плесенью во время сухого хранения. Чтобы уменьшить количество зерна, которое теряется из-за растрескивания под напряжением, следует использовать методы сушки при средней температуре и медленном охлаждении или естественном воздухе и при низкой температуре. [13]
Эпоха, когда миллионы тонн зерна сушатся в промышленных масштабах с помощью топливных или электрических сушилок, конечно, началась только в послевоенное время после Второй мировой войны. Ее появление было необходимо для появления повсеместной комбайновой уборки во всех регионах, даже влажных и высокоширотных, более прохладных, так как комбайнирование не предполагает временного интервала между жатвой и обмолотом, в отличие от традиционной уборки зерновых культур, предполагавшей тряску ( копчение ) зерна. зерно и дать ему высохнуть на воздухе в течение нескольких недель на промежуточном этапе перед обмолотом. Совсем недавно, в 1930-х годах, когда Сайрус Маккормик III написал свою основополагающую историю механизации уборки зерна (« Век Жнеца »), механическое мастерство конструкции комбайнов уже значительно продвинулось вперед, но влажность зерна все еще представляла собой огромную проблему. барьер на пути распространения объединения на повсеместное распространение. Общий размах развития механизированной обработки сыпучих материалов , произошедший в середине 20-го века, был частью других взаимосвязанных аспектов новых систем, включая очень продвинутые грузовые перевозки , энергетическое оборудование, дорожное строительство , электрификацию , инфраструктуру распределения сжиженного нефтяного газа и топлива. масло и так далее. Все эти факторы, действовавшие вместе, были необходимы, чтобы сделать возможной эпоху, в которой люди будут производить зерно в доступном количестве с использованием обширной механизации и очень небольшого количества рабочей силы на тонну.
