Мировой опыт сушки сельскохозяйственной продукции.
Сушка сельскохозяйственной продукции является одним из энергоемких процессов в сельском хозяйстве. Основными энергоносителями для сушки служат жидкое топливо, газ и электроэнергия. В Германии, например, ежегодно для сушки 6-8млн. т зерна и 350-370 тыс. т кукурузы требуется 180-200 тыс. т жидкого топлива, а это составляет 0,3-0,4 % от общей потребности страны в жидком топливе. По сравнению с 1973 г. доля затрат, приходящихся на жидкое топливо в сушильном процессе, возросла к настоящему времени в 3 раза и составила 30-40% общих затрат, расходуемых на сушку зерна [112].
Использование интенсивных методов ведения сельского хозяйства приводит к необходимости сбора зерна с высоким содержанием влаги, что вызывает необходимость его искусственной сушки. Так, 70% зерна в штатах Айова и Иллинойс требуют сушки. Затраты топлива на сушку в настоящее время намного превышают затраты на его выращивание [75].
В последнее время все шире проводят исследования по применению солнечных установок для сушки зерна, трав, фруктов, овощей и другой сельскохозяйственной продукции. Технология сушки заключается в использовании нагретого солнечного воздуха в специальных коллекторах и пропускания его через высушиваемый материал. Для увеличения к. п.д. солнечных установок иногда применяют тепловой насос.
Уже существует большое количество действующих установок для сушки продукции с помощью солнечной энергии в США, СНГ, Германии, Швейцарии, Италии, Франции и др. странах [49, 68, 112, 114, 120, 126]
В США разрабатывается целая программа по изучению технической и экономической эффективности использования солнечной энергии ля сушки зерна и других сельскохозяйственных продуктов с целью экономии природного топлива и электроэнергии. В эту программу входят разработка и испытание дешевых пластиковых солнечных коллекторов для сушки зерна и бобов; исследование циклической сушки зерна при помощи солнечной энергии; разработка автоматических систем управления сушкой; изучение возможности применения фотоэлектрических батарей как источника энергии для вентиляторов, применяемых при сушке зерна.
Имеется уже достаточный опыт сушки зерна с помощью солнечной энергии. Однако существующая технология улавливания солнечной энергии еще недостаточно эффективна, а конструкции коллекторов довольно громоздкие, дорогостоящие и имеют невысокий к. п.д.
В Германии проводили исследования по использованию солнечной энергии для сушки и изысканию способов увеличения к. п.д. сушильных установок. Выявлено, что основными факторами, влияющими на величину к. п.д. коллектора, являются поглощающая способность коллектора и потери тепла. К. п.д. воздушного коллектора увеличивается с возрастанием его пропускной способности и связанным с ней охлаждением поверхности, поглощающей солнечную энергию. На величину к. п.д. существенное влияние оказывают также материалы, из которых изготовлен коллектор. Выявлено, что солнечные коллекторы с высоким к. п.д. могут успешно использоваться в сушильных установках. Стоимость коллекторов колеблется от 40 до 700 марок/м2, а их поверхность должна выбираться из расчета 4 м2 на 1 м3 высушиваемого зерна [72, 136].
Для сушки зерна применяют два типа коллекторов: с полупрозрачным экраном и поглощающим теплоизолированным основанием. В обоих случаях теплоноситель (воздух или вода) прогоняется вентилятором или насосом между экраном и основанием. Коллекторы устанавливают либо непосредственно на бункерах с зерном, либо на южной стороне крыши здания. Так, коллектор с полупрозрачным экраном, разработанный в штате Иллинойс, занимает 1/3 площади вертикального цилиндрического бункера. За 1,5 мес. влажность зерна снизилась с 25 до 15,5%. Мощность вентилятора 10л. с. Другая система представляет собой солнечный коллектор, выполненный в виде дополнительной стенки, установленной с зазором вокруг бункера. Циркуляция воздуха осуществляется под действием теплового напора. Зачернение стальной стенки повысило эффективность системы до 80%, установка окупается за 3-6 лет [126].
В Германии получили развитие пленочные коллекторы, применяемые для сушки зерна, состоящие из светопроницаемой и черной поглощающей солнечные лучи пленок, между которыми пропускается воздух. Стоимость такого коллектора 5-8 марок/м2. Недостаток пленочных коллекторов наряду с низким к. п.д. – возможность их повреждения животными, а также ветром, снегом [62].
Наиболее простой конструкцией гелиосушилки является низкотемпературная гелиоустановка типа «горячий ящик». Она состоит из деревянной или бетонной рамы с хорошо изолированным дном, которая сверху покрывается одним или несколькими слоями герметически установленного оконного стекла или пленки. В торцевых стенках ящика сделаны отверстия с задвижкой для подачи и регулирования скорости воздуха. Гелиосушилки устанавливают под углом к горизонту и поверхностью, направленной на юг. Воздух, поступая в установку, нагревается и через верхние отверстия выходит наружу. Сравнительные испытания гелиоустановок с покрытием из стекла и пленки показали, что процесс сушки в обеих сушилках проходит одинаково [24].
В штате Иллинойс для сушки зерна в хранилище размером 30,4х12,1 м и вместимостью 211,3 т применили солнечный коллектор площадью около 360 м2, выполненный из нескольких слоев различных материалов. Нагретый воздух из коллектора тремя вентиляторами, мощностью 20 л. с. каждый, по змеевидным воздуховодам диаметром 45,7 см, равномерно уложенным по всей площади пола здания, подается в массу зерна. Стоимость сушки зерна снизились в 1,6 раза. Там же действует установка для сушки зерна в бункерах объемом 264 м3. Коллектор солнечной энергии расположен с южной стороны на крыше. Вентиляторы прогоняют горячий воздух через бункеры. Установка позволила высушить зерно без дополнительной энергии от влажности 26% до влажности 15% за 3 недели [75].
В университете штата Айова проводили исследование по использованию солнечной установки с тепловым насосом для сушки зерна. Размер коллектора 1,2х9,6 м. Потребление электроэнергии на сушку снизились на 37%, но это недостаточно, чтобы окупить затраты на коллектор и тепловой насос. Тогда применили новую технологию сушки. Сначала зерно высушивали до 10%-ной влажности, затем его смешивали с зерном влажностью 24%, в результате получалась смесь влажностью 20%, которую сушили при более низкой температуре. Такой метод позволяет более эффективно использовать коллектор (от 30-60 дн. до 6 мес.). Однако опыты показали, что сушка зерна солнечной энергией таким способом не является экономичнее традиционных способов сушки. В отдельных штатах США в октябре и ноябре успешно используется солнечная энергия для сушки кукурузы активным вентилированием. Это объясняется низкой влажностью зерна кукурузы (22-25%) и высоким солнечным излучением в осенние месяцы [127].
Применяют солнечные установки для сушки установки зеленых кормов и сена. В Германии ежегодно высушивают на них около 14 тыс. т. Одна из установок состоит из 20 солнечных коллекторов общей площадью 1500 м2, имеющих наклон 300 к горизонтали и сориентированных в южном направлении. Перед каждым рядом коллекторов установлены параболистические рефлекторы, усиливающие солнечное излучение. От всех коллекторов теплый воздух поступает в середину установки в изолированный главный воздуховод. Воздух, нагретый до 650, направляется в сушильную установку. Производительность коллекторов от 35 тыс. до 70 тыс. м3 воздуха в час. Зеленый корм насыпают на ленту транспортера длиной 18 м и шириной 3,5 м. Подогретый воздух, подаваемый снизу ленты, высушивает корм и испаряет 17% влаги, затем подсушенный корм направляется в сушильный барабан, где происходит заключительная стадия сушки. Применение солнечных коллекторов позволяет экономить около 180 тыс. л жидкого топлива. В хорошую солнечную погоду максимальная теплопроизводительность установки около 1000 кВт при к. п.д. 70%. При сильной облачности температура в коллекторе повышается всего на 50, поэтому такие установки целесообразно использовать для сушки сельскохозяйственной продукции в районах с интенсивным солнечным излучением [105].
В одном из хозяйств Германии для сушки сена применяют гелиосушилки с пленочными коллекторами, встроенными в здания. Воздух, нагретый до 350, поступает в сушилку, представляющую собой ящик, наверху которого имеются отверстия диаметром 80 см. Кипы сена ставят вертикально на отверстия. После сушки 4 кип массой по 500-600 кг в течение 2-3 дн. влажность сена уменьшилась с 25-30 до 22%. Если для сушки сена использовать воздух температурой 40-500, то процесс сушки длится 10-20ч. При сушке сена способом активного вентилирования воздух достаточно подогреть на 5-100, но по сравнению с высокотемпературным режимом процесс сушки удлиняется [120].
Во Франции построена опытная гелиоустановка подогрева воздуха для сушки сена и семян. Система содержит коллектор, выполненный в виде надувной оболочки длиной 290 м, шириной 1,9 м из окрашенной полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм. Воздух нагнетается в коллектор вентилятором производительностью 38 тыс. м3/ч. В солнечные дни установка дает в среднем 133,6 кВт и подогревает воздух на 100. При отсутствии солнца коллектор поглощает рассеянную солнечную энергию и повышает температуру воздуха на 2-30. Производительность установки составила 15 т влажного фуража за 4 дня со снижением влажности от 50 до 15%. Подсчитано, что система окупится менее чем за два года при производительности 60 т сухого продукта в год и с учетом только расходов на топливо для обычной системы [81].
Находят применение солнечные установки для сушки фруктов, овощей, орехов. Сушка плодов и овощей в этих установках исключает влияние атмосферных осадков и различного рода загрязнений. Обычно продукты размещают в сушильном устройстве на стеллажах в полностью закрытой камере с двойным остеклением сверху и снизу. Иногда установки еще дополнительно имеют рефлекторы для отражения солнечных лучей, что увеличивает эффективность использования солнечной энергии в 2-3 раза.
При недостаточной солнечной радиации устройство работает с использованием теплового дублера [107].
В лаборатории цитрусовых и субтропических растений (штат Флорида) разработана и построена сушилка в форме шкафа, максимально использующая как прямые солнечные лучи, проходящие сквозь прозрачную крышу, так и отраженные и собранные коллектором [68].
В нашей стране с помощью солнечной энергии сушат фрукты, овощи, табак в южных районах, где сезон их сушки совпадает с периодом наибольшего поступления солнечной энергии. Сушку осуществляют в камерных и радиационных сушилках.
В Ташкентской области в аграрно-промышленном объединении для сушки плодов и винограда действует промышленная установка по принципу «камерной сушилки». Нагретый воздух поступает в камеру, где размещается продукт. Продолжительность сушки, по сравнению с естественной, сокращается в 2-3 раза.
На Центральной экспериментальной базе института садоводства, виноградарства и виноделия им. Р. Р. Шредера САО ВАСХНИЛ построены и эксплуатируются радиационные фруктосушилки двух типов: с принудительной циркуляцией воздуха и естественной. Сушилка с принудительной вентиляцией воздуха состоит из деревянного короба длиной 12 м и шириной 0,85 м, изолированной сверху прозрачным материалом (стеклом и пленкой). Сушилка имеет южную ориентацию. Высушиваемый продукт укладывают на 32 сетчатых подноса и располагают в два яруса. Мощность вентилятора 0,5 кВт. В результате экспериментов по сушке винограда установлено, что наименьшая продолжительность сушки достигается при комбинированном использовании двух типов солнечных сушилок. Производительность гелиосушилки в день на 1 м2 лучевоспринимающей поверхности составляет для яблок 3,3 кг, чернослива – 1,1, винограда – 1,5, абрикосов – 1,8 кг [49].
В Молдавии для сушки продукции применяют различные типы камерных гелиосушилок, располагаемых с углом наклона 33-570. Сменная производительность простейшей конвекционной сушилки с площадью коллектора 6-10 м2 равноценна плодоконвейерной установке ПКН-10, не требует затрат электроэнергии, квалифицированного технического персонала и специальных производственных площадей [32].
В южных районах страны гелиосушилки нашли применение для сушки табака. Так, в районе г. Ташкента в летнее время энергия солнечного излучения обеспечивает сушку табака без дополнительных источников энергии. Разработана установка длиной 25 м. Сушильный процесс табачных листьев состоит из двух фаз: томление и окончательная сушка. Требуемая температура воздуха при томлении 25-350, а относительная влажность воздуха 75-85%. За время томления табачные листья теряют 25-38 % воды. Результаты опытов показали, что томление осуществляется за 9 ч, а окончательная сушка – за 14 ч, включая ночное время [5].
В Карширском пединституте (Узбекистан) разработана конструкция солнечной табакосушилки круглогодичного действия. Установка имеет 3 застекленные поверхности, ориентированные на юг: первая – вертикальная, на ней установлены вентиляционные форточки, вторая и третья – основные приемники солнечной энергии. Эти поверхности наклонены под углом 390 и 200 [43].
На Киргизской зональной станции и Угрутском опорном пункте ВНИИ табака и махорки созданы экспериментальные поточные линии для сушки табака комбинированным способом и гелиосушилка туннельного типа с пленочным покрытием. Воздух, проходя через теплоприемник типа «горячий ящик», а в ночное время через электрокалорифер, нагревается и подается в канал-воздуховод, расположенный на полу камеры. Сверху канал-воздуховод закрыт деревянной решеткой. Из канала воздух подается в массу табака, затем с помощью воздуховодов, расположенных в верхней части камеры, выбрасывается наружу и поступает на рециркуляцию.
Гелиосушилка туннельного типа представляет собой камеру объемом 36 м3, поверхностью 15 м2, покрытую сверху и с боков полиэтиленовой пленкой.
В камере установлены вентиляторы производительностью 2000 м3/ч, используемые для рециркуляции воздуха. Для регулирования влажности воздуха в сушильной камере отработанный воздух частично выбрасывается. Общая продолжительность сушки сокращается в 4-5 раз. Применение солнечной энергии для сушки табака позволяет повышать выход светлых сортов табака до 70-90% (на открытом воздухе 55%).
Результаты технико-экономической оценки поточной линии показали, что ее сезонная производительность 60-67 т. Поточная линия позволяет сократить трудовые затраты на сушке 1 т готовой продукции до 380 чел/ч и уменьшить на 30-33% энергозатраты за счет эффективного использования солнечной энергии. Расчетный годовой экономический эффект за счет снижения потерь сырья, повышения его качества и механизации трудоемких процессов составляет 28 тыс. руб [24].
Технология сушки травы на гелиоустановках в СНГ еще не получила широкого распространения. Однако в отдельных опытах они выявили экономическую эффективность. Так, в Северо-Кавказском филиале ВИМа разработан способ и установка для сушки травы (или сечки) с использованием солнечного коллектора площадью 2,8 м2, обеспечивающего в безоблачные и малооблачные дни июля подогрев воздуха до 50-600. При средней скорости проходящего воздуха 1 м/с коллектор давал примерно 3 МДж тепловой энергии в час с каждого квадратного метра площади. Этой теплоты было достаточно для подсушивания 1,5 кг травяной сечки от 70%-ной до 15%-ной влажности.
Расчетами установлено, что использование такой установки снизит себестоимость заготовки 1000 корм. ед. на 8-10 руб. На северном Кавказе с 15 мая по 15 сентября, т. е. в течение всего периода вегетации трав, ¾ дней солнечные, с высокой температурой воздуха. В таких условиях в среднем на каждую затраченную единицу жидкого топлива можно заготовить 5-10 ед. энергии корма, т. е. в 2-5 раз больше, чем в настоящее время.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Артыков С.,Макауров Т. М. Гелиосушилка для табака. – Гелиотехника, 1978, №1, с. 72-74.
2. Исмаилова А. А., Бектенов Л. Б. Экспериментальный анализ по применению прозрачной пленки и стекла для гелиосушилок.- Тр. «Вопросы теории и экпериментальной физики». Алма-Ата, 1979, с. 96-100.
3. Крепис И. Солнечные сушилки, теплицы, парники. – Сельское хозяйство Молдавии, 1979, №8, с. 47-49.
4. Монтаков В. А., Дупенко Н. В. Использование солнечной энергии для сушки травы. – Механизация и электрификация соц. сельского хозяйства, 1978, № 8, с. 17-18.
5. Умаров Г. Я., Авезов Р. Р., Икрамов А. И. Использование солнечной энергии для сушки фруктов и овощей. – Консервная и овощная промышленность, 1978, № 10, с. 22-23.
6. Bahrns D. Solar grain drying.- Crops and soils magaz., 1978, v.30, N 4, p. 15-16.
7. Bryan William. Direct solar drying of fruits and vegetables in the southeastern united states. – Energy Use Manag. Proc. Int. Conf. Tucson, Ariz., 1977, v. 3-4 New York, e. a. 1978, p. 521-525.
8. Dernedde W., Peters H. Wirkungsgrade von Solar-Luftkollektoren fur Trocknungsanlagen.- Landtechnik, 1978, Bd. 1, H. 33, S. 29-30.
9. Eckstein A. L. Solar energy dries their grain.- Farmers Digest, v. 42, N 4, h. 41-44.
10. Fenilloley P. Le sechage des fourrages et des semences par des capteurs solaires gonflables. Agriculture (France), N 435, p. 415-416.
11. Lehmann W. Grunfuttertrocknung mit Sonnenenergie .- Agrartechn. Internat. 1978. Bd. 57, H. 3, S. 14.
12. Muhlbauer W. Getreide und Maistrocknung mit Sonnenenergie.- Agrartechn. Internat. 1977, Bd. 57, H. 5, S. 8-10.
13. Pfister T. Heubeluftung und Sonnenenergie in der Ladwirtschaftlihe Schule Flawill.- Schweiz. Landtechn. 1979. Bd. 41, H.1, S. 22-23.
14. Schulz H. Sonnenenergie in Haus Hof. H. Teil, Top agrar. 1977. H.7, S. 64-68.
15. Solar grain drying studies continue.- Feedstuffs, 1977, N 49, v. 53, p. 4.
16. Solar grain drying in Jowa.- Wallaces Farmer, 1978, N 19, p. 118-119.
17. Trocken mit Sonnenenergie?- Topagrar.1978, Bd. H, S. 70-71.
