Азбука елеватора

Узагальнення знань про зерносушіння: як вибрати теплогенератор для  шахтної зерносушарки

07.04.2022

Про фізику процесу зневоднення. Що впливає на температуру нагрівання зерна?

Молекули води переходять у пар при контакті з повітряним середовищем (тобто випаровуються) при температурі, нижчій за температуру кипіння. Відбувається це швидше, якщо повітряні маси рухаються над поверхнею води. Інтенсивність випаровування підвищується зі зниженням тиску навколишнього повітря. При цьому при випаровуванні вологи з поверхні об’єкта (зерна) спостерігається ефект охолодження поверхні. Це явище наочно проявляється, коли із сушарки пара йде, а температура зерна при цьому не підвищується. Зазвичай це відбувається при нестачі об’єму агента сушіння.

Зерно – це капілярно-пористе тіло, тобто волога знаходиться в капілярах і фізично та хімічно пов’язана. Зона випаровування знаходиться на поверхні зерна, для внутрішнього переміщення вологи з тіла зерна до поверхні потрібен час. Коли волога з поверхні зерна випарувалася, зона випаровування переходить в середину тіла (зерна) і температура тіла починає підвищуватися, при цьому процес випаровування уповільнюється. Слід звернути увагу, що зерно під впливом високих температур втрачає свої технологічні характеристики.

Агент сушіння (повітря) є вологопоглиначем. Вологість повітря – це показник, який характеризує кількість водяної пари, що міститься в повітрі. Чим гарячішим є повітря, тим більше вологості воно може прийняти та утримати на додачу до вже наявної.

Проте чим вищою є температура відпрацьованого агента порівняно з необхідною для утримання наявної вологи, тим нижчою є частка (%) ефективно використаного тепла на зневоднення (тобто на нагрів зерна та випаровування вологи) – а отже вищою буде і собівартість процесу сушіння.

Теплогенераційна установка, теплогенератор для зерносушарки: на що звернути увагу при виборі?

Тепловологообмін при сушінні зерна – це швидкість зневоднення зерна, яка визначається проєктувальником/виробником зерносушарки. Виходячи з продуктивності зерносушарки (тобто з кількості випарюваної вологи), виробник розраховує витрати агента сушіння, повітря для охолодження зерна та витрату теплоти при заданих або прийнятих кліматичних вихідних даних.

Теплогенераційна установка (теплогенератор) – це виріб, який потрібно виготовляти на підставі інженерних розрахунків та експериментальних досліджень. Ефективне та економічно доцільне спалювання традиційних копалин, деревини та агропелет підлягає розрахунку!

Щоб забезпечити необхідний об’єм тепла та його густину для підбору теплогенератора, необхідно врахувати:

• теплову потужність сушарки для створення тепла;
• продуктивність вентиляторів для переміщення агента сушіння та повітря охолодження;
• рекомендовану температуру агента сушіння.

Усі ці характеристики вам має надати виробник або постачальник зерносушарки. Не заглиблюючись в науку, наведу трохи теорії, щоб ви мали змогу зробити свій вибір або  «порозумітися» з теплогенератором, який вже маєте.

Теплогенератор має топку, вона характеризується такими параметрами:

• Теплова напруга об’єму топки Qv, кВт/м³ (ккал/м³×год) характеризує умови спалювання палива. Величина Qv обернено пропорційна часу перебування частинок палива в топковому об’ємі за умови рівномірного заповнення об’єму продуктами згоряння (топковими газами).
• Теплова напруга поперечного перетину топки Qf, кВт/м² (ккал/м²×год) характеризує умови шлакування стін топкової камери (тобто надійність роботи топки). Величина Qf прямо пропорційна середній швидкості руху топкових газів у топці за умови рівномірності заповнення перетину.
• Теплова напруга (теплонапруження) дзеркала горіння Qr, кВт/м² (ккал/м²×год) – це кількість тепла, отриманого від спалювання палива на 1 м² площини.
• Іншими параметрами, які залишимо для проєктувальників теплогенераторів.

Розглянемо детальніше теплову напругу дзеркала горіння:

де В – витрата палива, кг/год;

R – площа дзеркала горіння, м².

Теплонапруження дзеркала горіння для різних видів палива надається в довідкових таблицях підручників з проєктування котельних установок та ін. або в дослідних працях науковців. Наприклад, для пелет із продуктів рослинного походження зустрічалось таке напрацювання:
Qr = 800кВт/м² = 687 876 ккал/м² *год.

Нижчу теплоту згорання беремо із сертифікатів якості паливних гранул (зазвичай цей параметр коливається від 3500 до 4100 ккал/кг). Витрати палива на зерносушіння, спираючись на досвід діючих підприємств, становлять 2–5 кг на 1 т/% вологи.

Таким чином можемо розрахувати необхідну площу дзеркала горіння та обговорювати з виробником або постачальником теплогенератора габаритні розміри установки.

Наразі я впевнений, що постачальник теплогенератора буде наводити пояснення про різні технології та обладнання для спалювання біомаси (шарові, вихрові/циклонні, псевдорозрідженні, способом розпилення та ін.) І це правда. Але якісне спалювання твердого палива в теплогенераторі можливо за таких умов:

• Необхідної температури в камері спалювання, щоб допалити горючі гази.
• Необхідного об’єму топки, щоб забезпечити перемішування горючих газів та час перебування палива для повного його спалювання.
• Надлишку кисню, що необхідний для повного спалювання твердого палива.
• Важливою також є швидкість подачі повітря в топку, аби частки палива не виносило в сушарку.

Обов’язково враховуйте, що потужність котла теплогенератора може впасти на 25–30% при використанні менш калорійного палива (за умови, що вологість палива – в допустимих нормах) або на 30–40% при підвищеній вологості палива.

Додаткові організаційно-технічні питання використання твердого палива при зерносушінні: зола, очищення димових газів/канцерогени

Окремо слід звернути увагу, що будь-який твердий вид палива після себе залишає золу.

• Для агропромислової пелети прийнятним (або ж нормованим) є залишок 0,5–3,0% від об’єму палива.
• Проте відповідно до сертифікату виробника цей показник може сягати 10% і навіть більше.
• Якщо при експлуатації теплогенератора золи взагалі немає – тобто і одного відсотка від об’єму – поміркуйте над питанням, куди вона поділась…

 Зберігання та утилізація золи мають бути темою окремого матеріалу, залишимо це питання поза дужками цієї серії публікацій.

Акцентую увагу, що всі види паливної біомаси містять в собі важкі метали, що залишаються в золі або випаровуються, і в такому вигляді можуть бути токсичними, навіть канцерогенами.

Також окремою темою є газоочисне обладнання, адже при згорянні формуються «побочні продукти», котрі випаровуються в агент сушіння: такі як оксиди азоту, аміак, хлор, оксиди сірки, бенз(а)пирен та інші. Зверніть увагу, що циклони не очищують від «шкідливих газів» та згадуваних домішок.

Чи потрібен теплообмінник при використанні теплогенератора?

Виключити потрапляння шкідливих газів у зерно при сушіння можливо за допомогою теплообмінника. Наразі є пропозиції застосування рідинних теплообмінників (водо-повітряних, масло-повітряних) або повітро-повітряних теплообмінників. Найпростішим рішенням здається застосування повітро-повітряного теплообмінника.

Сформулювати стисло критерії візуального визначення ефективного теплообмінника складно через те, що у виробників можуть істотно відрізнятися конструктивні характеристики: кількість каналів (труб), кількість ходів, відстань між перегородками тощо.

Для початку розмови щодо теплообмінника із постачальником треба знати, що тепловий розрахунок починається з визначення теплового навантаження.

• Теплове навантаження є кількістю теплоти, яка передається від гарячого теплоносія до холодного.
• Коефіцієнт теплопередачі є кількісною величиною, що характеризує складний теплообмін.
• Коефіцієнт теплопередачі залежить від коефіцієнтів тепловіддачі, термічного опору стіни та забруднень.

Теплообмінник має бути чистим. Найпростішим прикладом, щоб це довести без вимірювань, є автомобільний радіатор. Зрозуміло, що чим більше ребер – тим більшою є площа теплознімання. А чим більше він забруднений – тим гіршою є ефективність його роботи. Зауважте, що теплообмінник має також власний опір.

Які експлуатаційні питання потрібно поставити проєктувальнику/постачальнику рішення із теплообмінником:

1. Як реалізується процес чищення теплообмінника?
   На мій погляд, можливість чищення має бути з обох боків перегородки, розташованої між потоками, що нагріває та нагрівається. Адже з одного боку перегородки може утворитися відкладення (нагар, сажа, попіл), а з іншого – зерновий та органічний пил, іржа (в повітро-повітряному теплообміннику будь-якого типу може утворюватися конденсат).
2. Скільки часу необхідно витратити на підготовку до чищення?
3. Скільки часу триває безпосередньо чищення теплообмінника?
4. Яким є гарантований термін використання теплообмінника до капітального ремонту?
5. Як буде подолано власний опір теплообмінника? Можливі два рішення: встановлення власних вентиляторів (окремих, саме для теплообмінника) або узгодження з  постачальником  зерносушарки встановлення  більш  потужних вентиляторів порівняно з базовими.
6. Який досвід експлуатації, та чи є можливість особистого   спілкування з експлуатантами?

Більш  складним, і тому більш відповідальним, є процес експлуатації рідинних теплообмінників із паровими або водо- та маслогрійними котельними установками. Їх використання є доцільним, якщо окрім  зневоднення зернових або олійних культур маєте намір здійснювати глибоку переробку культур або виробляти електричну енергію та тепло на  постійній основі. До початку пошуку постачальника рішень обов’язково ознайомтеся з діючими Правилами технічної експлуатації теплових установок і мереж. За потреби особливості вибору та експлуатації такого устаткування розглянемо окремо.

Автор – Роман Штельмах, директор департаменту клієнтського сервісу KMZ Industries (Facebook, Linkedin)