Nedves termények szárítástechnikai tulajdonságai
A mezőgazdasági termények higroszkópikus tulajdonságúak, ami a kapillár-pórusos kolloid anyagszerkezetükből következik. Az állandó hőmérséklethez tartozó un. szorpciós izoterma segítségével vizsgálhatjuk a termény nedvességleadó, illetve -felvevő tulajdonságait és meghatározhatjuk az egyensúlyi nedvességtartalmát. Egyensúlyi nedvesség tartalomnál a termény ugyanannyi vizet ad le a környezetének, mint amit felvesz onnan, vagyis a nedvességtartalma nem változik. Az egyensúlyi nedvességtartalom az anyagjellemzőkön kívül a környezeti levegő állapotjellemzőitől (hőmérséklet és nedvességtartalom) függ.
Az egyensúlyi nedvességtartalomnál nedvesebb magvakban ill. azok felületén tárolás közben kémiai folyamatok zajlanak le, a szénhidrátok oxidálódnak: széndioxid, pára (víz) és hő keletkezik:
C6H12O6 + 6 O2 =6 CO2 + 6 H2O + 284O kJ
Mind a hőképződés, mind pedig a víz kedvez a mikroorganizmusok (baktériumok, gombák) tevékenységének, vagyis minél melegebb a halmaz és nedvesebb a gabona, annál fokozottabb az oxidáció. A keletkezett pára a gabonában felfelé halad és a halmaz felső rétegeiben - különösen alacsonyabb környezeti levegőhőmérsékletnél - lecsapódik és romlást okozhat.
A láncreakciószerűen lezajló hő- és nedvességképződés a gabona gyors felmelegedéséhez és végül öngyulladásához vezethet. Ennek megakadályozására a szemesterményeket gyakran túlszárítják, ami 1-5 %-kal alacsonyabb nedvességtartalmat jelent, mint az egyensúlyi nedvességtartalom. Ez túlzott energiaráfordítást és a minőség romlását okozza. Az egyensúlyi nedvességtartalomra szárított gabonánál - az egyenetlen szárítás miatt - a nedves gócokban beindulhat az elõbb említett oxidáció. Ennek megakadályozására ill. az egyensúlyi nedvességtartalomnál nedvesebb termény biztonságos tárolásához a halmaz szellőztetésére, átkeverésére ill. hűtésére van szükség.
Az anyagok nedvességtartalmát a nedves vagy a szárazanyagra vonatkoztatva adhatjuk meg. Gyakorlatban célszerûbb a nedves anyagra vonatkoztatott (w) nedvességtartalom, míg számítási, kutatási célokra alkalmasabb a szárazanyagra vonatkoztatott nedvességtartalom használata. Az anyagok szárazanyag tömege ugyanis a száradás során nem változik. Nedvesanyagra és szárazanyagra vonatkozó nedvességtartalom meghatározása:
w = mn / ( msz + mn)
illetve
X = mn/ msz = w / (1 - w)
Ahol:
w - nedvesanyagra vonatkozó nedvességtartalom [kg/kg]
X - szárazanyagra vonatkozó nedvességtartalom [kg/kg]
mn - a nedvesség tömeg [kg]
msz - a szárazanyag tömeg [kg].
A fenti összefüggéseket 100-zal szorozva az értékeket %-ban kapjuk.
A megtermelt szemestermények és szálastakarmányok jelentõs hányadát betakarítás után rövidebb-hosszabb ideig tárolni kell, mert elõkészítésükre, felhasználásukra csak késõbb kerül sor. A betakarításkori nedvességtartalom egyes szemesterményeknél (pl. kukorica) viszonylag magas, a szálastakarmányoknál pedig a 70-90 %-ot ér el. Ugyanakkor ezek a termények megfelelõ biztonsággal és kis veszteséggel csak az egyensúlyi nedvességtartalomnál tárolhatók atmoszférikus körülmények között.
Így a tárolás elõtt általában víztartalom csökkentésére van szükség. A mezõgazdasági terményeknél vizet természetes és mesterséges szárítási eljárással távolíthatjuk el. A természetes szárítás leginkább a szálastakarmányoknál (szénakészítés) található meg, de a csöveskukoricánál (górés tárolás) és szemes terményeknél is elõfordul. Jelen írásunkban a konvektív módon történõ mesterséges szárítással foglalkozunk. Konvektív szárítási folyamatról akkor beszélünk, ha a szárítás teljes energiaszükségletét a szárítóközeg fedezi konvekciós (áramlásos) hõközléssel és az elpárologtatott nedvesség elszállítását is elvégzi.
A konvekciós hõközléses szárításnál a szárítóközeg hõmérséklete alapján beszélhetünk:
A szárítólevegõ hõmérsékletének a megválasztásánál figyelembe kell venni a kiindulási nedvességtartalmat is, de a fõ szempontnak a beltartalmi értékcsökkenés elkerülését kell tekinteni. A szárítás jelentõs minõségvesztéssel is járhat, aminek a mértéke a szárítási technológia és a szárítási idõ mellett a szárítóközeg állapotjelzõitõl (elsõsorban annak hõmérsékletétõl) függ. Azt az adott szárítási idõtartamhoz tartozó hõmérsékleti határt, amelynél a biológiai érték károsodik, nem szabad túllépni.
A mesterséges szárításnál a mezõgazdasági terményeket konvektív módon, a környezeti levegõ felmelegítésével szárítjuk. Gyakori a direkt módon történõ szárítás, amikor is az égéstermék (füstgáz) is a szárítóközegbe kerül. Olyan esetben viszont indirekt szárítási megoldásra van szükség, amikor a termény nem érintkezhet a füstgázzal (pl. tüzelõ és fûtõolaj felhasználásakor), vagy a rendelkezésre álló hõhordozó közeg energiájának hasznosítása csak hõcserélõ közbeiktatásával valósítható meg (pl. gõz, melegvíz vagy termálvíz stb.).
Szemesterményszárító berendezések felépítése, mûködése
A szemestermények víztartalom csökkentését megvalósító szárítóberendezések nagyon változatos kialakítással készülnek. Csoportosításukat többféle szempont szerint végezhetjük el. A szárítólevegõ és a termény egymáshoz viszonyított haladási iránya szerint megkülönböztetünk egyenáramú, ellenáramú és keresztáramú szárítást megvalósító berendezéseket. A konstrukciós kialakítás szempontjából két jellemzõ változatot kell megemlíteni, melyek az anyagtovábbítás módjában különböznek: Ezek:
Továbbá kialakíthatók a szárítók telepített, konténerelemekbõl összerakható és mobil változatban. Üzemük pedig lehet folyamatos, szakaszos, illetve nyugvóágyas tételenként szárító megoldású.
Hagyományos szemesterményszárítók
Magyarországon a szemesterményszárítók használata és gyártása a nagyüzemi kukoricatermelés kialakulásával és a morzsolásos betakarítás elterjedésével vált szükségessé. A szárítógéppark gyakorlatilag két jellemzõ csoportba tartozott, melyek nagy része ma is használható állapotban van. Létesítésükre elsõsorban a nagy tömegû és viszonylag magas betakarításkori nedvességtartalmú kukorica szárítása érdekében került sor, de felhasználhatók valamennyi szemestermény (kalászos gabonafélék, ipari növények) szárítására is.
Az elsõ hazai fejlesztésû kényszertovábbításos szárítógépcsalád a Sirokkó volt, melynél megfelelõ számú, azonos felépítésû elem (szekrény) segítségével eltérõ teljesítményû berendezések alakíthatók ki. A perforált lemeztálcákon a szemesterményt folyamatos mûködésû, változtatható sebességû, kaparólánc továbbítja. Minden szekrényelem önálló vezetõlapátos axiálventillátorral rendelkezik. A ventillátorok szállítási teljesítménye a lapátok szögállításával változtatható. A szekrény mindkét oldalán a meleglevegõ kamrához szabadba vezetõ állítható nyílások csatlakoznak. Így az egyes szekrényeknél eltérõ szárítólevegõ állapotjelzõk mellett folytatható a szárítás. (1. ábra)
A gravitációs rendszerû szárítók közül Magyarországon a csörgedeztetõ rendszerû vagy toronyszárítók közé sorolható B1-15 típus terjedt el leginkább. A mezõgazdasági nagyüzemekben közel 1000 db felépítésére került sor.
A gravitációs rendszeru szárítók ezen csoportjánál a szárítandó termény a nehézségi ero hatására csörgedezve halad lefelé a szárítótorony (akna) belsejében. Sebességét a legalul elhelyezett kitároló berendezés beállított teljesítménye határozza meg. A szárítólevego be- és kivezetésére alul nyitott háromszögu vagy ötszögu csatornák szolgálnak (2. ábra b. részlet). Az egyes csatornasorok fél osztással eltoltan helyezkednek el. A bevezeto csatornák végei a meleglevego elosztókamra felé nyitottak, a kivezeto oldalon zártak. A kivezeto csatornáknál ez fordítottan alakul. Így a szárítóközeg kényszerítve van arra, hogy mintegy 15-30 cm-es terményrétegen áthaladjon, mielott a szabadba távozik (2. ábra, c. részlet). A csatornák keresztmetszete lehet állandó, vagy az áramlás irányában változó.
A B1-15 típusú szárítót egyszerû felépítés nagyfokú üzembiztonság jellemzi. Névleges vízelpárologtató teljesítménye 3000 kg/h. Ez azt jelenti, hogy pl. kukoricánál w1=30 %-ról w2=15 %-ra történõ szárításnál a tömegteljesítmény 14 t/h-ra adódik. Az üzemeltetõ gyakorlatilag három helyen tud beavatkozni: beállíthatja a szárítóközeg térfogatáramát és hõmérsékletét (ezek elsõsorban a szárítandó terménytõl függnek), valamint a kitároló berendezés segítségével a szárító tömegteljesítményét. Ez utóbbi függ a szárítóközeg paraméterein kívül a termény nedvességtartalmától is. A B1-15 típusú - és a hasonló rendszerû - hagyományos csörgedeztetõ rendszerû szárítók hátrányai: a túl magas fajlagos energiaigény (q=5000-5500 kJ/kg víz); a szárított termény nedvességtartalom eltérése jelentõs és fõként túlszárítás esetén fennáll a termény túlmelegedése, ami minõségkárosodással jár.
Korszerû szemestermény-szárítók kiválasztásának szempontjai, fejlesztési irányok
A szemestermény-szárítók korszerûségét számos kívánalom, minél teljesebb körû kielégítése jelenti. Ezek közül a legfontosabbak a következõk:
A környezetvédelmi elvárások közé soroljuk a szennyezõanyag kibocsátáson túl a zajhatást is. Mindinkább elõtérbe kerül továbbá a termény égéstermékkel történõ szennyezésének az elkerülése, még takarmánynak termesztett szemesterménynél is. Így az indirekt szárítási megoldást csak a biomassza tüzelésû szárítóknál és olaj tüzelés esetén használják, ugyanis a hõcserélõ közbeiktatása miatt 15-30 %-kal növekedhet a fajlagos energiafelhasználás. Célszerûbb az energiaellátást amennyiben mód van rá, földgázra vagy PB gázra alapozni, mert így direkt szárítás valósítható meg.
A mesterséges szemestermény szárítás korszerûsítése a meglévõ géppark rekonstrukciós átalakításával, illetve új fejlesztésû, korszerû szárítók üzembe állításával valósítható meg. Hazánkban mind a két törekvés megfigyelhetõ volt.
Az üzemelõ szárítóberendezések rekonstrukciós átalakítása
Az üzemelõ szárítóberendezések rekonstrukciós átalakítására elsõsorban az energiaár növekedés következtében került sor. Cél elsõsorban a szárítási energiaigény csökkentése volt, de egyes változatoknál a terménykímélõ szárítás is megvalósult egyben. Néhány esetben a fosszilis energiahordozók kiváltására is sor került.
A rekonstrukciós átalakításokkal a magas fajlagos energiafelhasználást igyekeztek csökkenteni, elsõsorban a nagy számú B1-15 típusú keresztáramú szárítónál. Több olyan légvezetés módosítás és egyéb változtatás valósult meg, melyekkel 15-35 %-kal sikerült a fajlagos hõfelhasználást mérsékelni. A fontosabb átalakítási megoldások felsorolásszerûen a következõk voltak:
Új korszerû energiatakarékos szárítóberendezések
A rekonstrukciós átalakításokkal párhuzamosan megkezdõdött az új szárítógép típusok hazai kifejlesztése, licenc alapján történõ gyártása.
Az új regenerációs rendszerû energiatakarékos szárítók (pl. B2-15, Sirokko-2000) is csörgedeztetõ rendszerû, keresztáramú toronyszárítók voltak. Jellemzõjük hogy a szárítótér két külön részre van osztva és mindegyikhez önálló tûztér és meleglevegõ ventillátor tartozik. A hûtõlevegõ hasznosítására az alsó szárítózónánál kerül sor. Az alsó szárítózónából kilépõ szárítóközeg teljes mértékben visszavezetésre kerül, felmelegítés (regenerálás) után a felsõ szárítózónába juttatják. Mód van eltérõ hõmérsékletek beállítására a két szárítózónánál, ezzel a kíméletesebb szárítás is megvalósítható.
Ezeknél a változatoknál fontos a léha és egyéb éghetõ porszennyezõdés kiválasztása a visszavezetésre kerülõ légáramokból, mert ezzel a tûzveszély csökkenthetõ. A tûzveszély elsõsorban az alsó szárítózónánál lép fel, mert itt már alacsonyabb a termény nedvességtartalma. Ezt figyelembe véve alakították ki az olyan változatokat, melyeknél az alsó szárítózónát ellátó légfûtõ berendezéshez és meleglevegõ ventillátorhoz csak környezeti levegõ kerülhetett. A felsõ szárítózónát ellátó fûtõberendezéshez történt, a hûtõ- és a recirkuláltatott levegõáram visszavezetése (pl. továbbfejlesztett B2-15 és B3-21 típus).
Az utóbbi idõben jelentkezõ nagyszámú hazai és külföldi szárítógépkínálat néhány jellemzõje a következõ:
Ez utóbbi cél a szívott rendszerû szárítóknál könnyebben megvalósítható. Több típust kiegészítettek porleválasztóval (pl. Cimbria, Riela, Stela stb.). A direkt átszívásos rendszerûeknél továbbá megvalósítható az egyes szárítózónák eltérõ szárítási paraméterekkel történõ üzemeltetése is.
Egy erõgéppel mûködtethetõ mobil szárítóberendezést mutat a 3. ábra. A szárítóba a terményt a vízszintes és függõleges csigák juttatják. A meleg levegõt a ventillátor és tüzelõberendezés biztosítja. A leszáradt tételt a függõleges csiga juttatja az ürítõ csõbe.
Hasonló elven mûködnek a gyûrûaknás toronyszárítók. Itt két perforált gyûrû henger között áramlik a termény felülrõl lefelé. A szárítólevegõ pedig belülrõl kifelé, klasszikus keresztáramú berendezés. Hátránya, hogy nem teljesen univerzális. A vásárlásnál a perforáció (lyukak) méretét a szárítandó termény (szemtermés) mérete szerint kell megválasztani.
Beruházási költségkímélést jelenthet, hogy egyes forgalmazók bérelhetõ, könnyen mobilizálható, helyszínen könnyen üzembe helyezhetõ szárítóberendezéseket is kínálnak a felhasználók részére.
A szárítók megfelelõ üzembiztonsági üzemeltetésének elõfeltétele a termény tisztasága. A szárítókat ezért kiegészítik minden esetben elõtisztító berendezésekkel is. Itt ügyelni kell a teljesítmények összehangolására.
Szemesterményszárítók üzemeltetési jellemzõi
A szemesterményszárítók üzemeltetését végzõ szakembereknek általában a következõ jellemzõk ismeretére illetve azok meghatározására lehet szüksége: a szárított végtermék tömege, a vízelpárologtató teljesítmény, a fajlagos hõfelhasználás értéke és a szárító tömegteljesítménye.
A szárított végtermék tömegét (m2) gyakran számítással kell meghatározni a behozott nedves termény tömegének (m1) és nedvességtartalmának (w1), valamint a szárítóból kijövõ termény nedvességtartalmának (w2)) ismeretében. Miután a szárazanyag tömege a szárítás során nem változik, felírható:
m1* (1 - w1) = m2 * (1 - w2) illetve
m2= m1 * (1 - w1) / (1 - w2 )
A konkrét számítást végezhetjük tömegértékek (kg vagy t) illetve tömegáramok (kg/h vagy t/h) felhasználásával is.
Az idõegység alatt a szárítóban elpárologtatott víz tömegét (melp.)a következõ módon határozhatjuk meg:
melp. = m1 - m2 = m 1 - m1 * (1 - w1) / (1 - w2) = m1 * (w1 - w2) / (1 - w1) [kg/h]
illetve
melp. = m2 * (w1 - w2) / (1 - w1) [kg/h]
A szárítóberendezés fajlagos hõfelhasználásán az 1 kg víz elpárologtatására fordított hõmennyiséget értjük. Meghatározása tüzelõanyagfogyasztás és a vízelpárologtató teljesítmény ismeretében a következõképpen történik:
q = (mta * H) / melp. [kJ / (kg * víz)]
Ahol:
q - fajlagos hõfelhasználás [kJ/kg víz]
mta - tüzelõanyag fogyasztás [kg/h]
H - tüzelõanyag fûtõértéke [kJ/kg]
A fajlagos hõfelhasználás mértéke a szárítóberendezés üzemeltetésének energetikai színvonalát határozza meg. Gyakorlati értéke - mint látható volt - a hagyományos szárítóknál eléri az 5000-5500 kJ/kg víz értéket is. A korszerû energiatakarékos szemesterményszárítóknál ez az érték 3600-4200 kJ/kg víz, amit a környezeti levegõ hõmérséklete is jelentõsen befolyásol.
Elsõsorban önköltségszámítási célokra használják még a gyakorlatban az 1 t szárított terményre jutó un. fajlagos tüzelõanyagfogyasztást. Meghatározása:
qta = mta / m2 [kg / t]
Ahol:
qta - fajlagos tüzelõanyagfogyasztás [kg/t]
m2- szárított termény tömegárama [t/h]
A szárító tömegteljesítménye vonatkozhat a nedves- és a szárított terményre is (m1 illetve m2). Meghatározására az adott szárító vízelpárologtató képességének (melp) és a várható nedvességtartalmaknak (w1 és w2) ismeretében elõkalkuláció jelleggel is szükség lehet (pl. betakarítás ütemezésének tervezése, szárítóberendezés kiválasztása stb.). A tömegteljesítmények a fentiekben ismertetett vízelpárologtatási képletekbõl kifejezhetõk, és így számíthatók:
m2 = melp. * (1 - w1) / (w1 - w2) és m1 = melp. * (1 - w2) / (w1 - w2)
Szemesterménytárolók kialakítása
Szemesterménytárolókat alapvetõen három csoportba oszthatjuk, ezek:
Az egyensúlyi nedvességtartalomra leszárított termény hosszú idejû tárolásakor is szükség lehet szellõztetésre a minõség megõrzése érdekében. Ezért a korszerû horizontális és vertikális tárolóknál újabban biztosítják a szellõztetés lehetõségét. A szellõztetési rendszer megléte viszont felveti annak a szárításra történõ felhasználását. Így a meleglevegõs szárítóknál elhagyható a magas energiaigényû végsõ szakasz, a szárítást 18-22 % nedvességtartalomnál abba lehet hagyni. A fennmaradó víztartalom a tárolás során a szellõztetõlevegõvel távozik. A szellõztetõ levegõ hõmérséklete és az alkalmazott légcsereszám a termény nedvessségtartalmától és a céltól függõen eltérõ lehet. Továbbiakban a vertikális tárolókkal (tárolósilók, tárolótornyok) foglalkozunk.
A tárolósilókat egyesével vagy csoportosan általában tetõ alatt helyezik el, négyszög és kör keresztmetszettel készülnek. A nagyobb befogadóképességû, kör keresztmetszetû tárolósilók zárófedéllel ellátva szabadban is felépíthetõk. Elhelyezhetõk beton padozaton, vasbeton tartószerkezeten ill. acéllábakon. (4. ábra) Egyes típusoknál a gabonahalmaz szellõztetéses szárítása ill. állagmegóvó tárolása is megvalósítható. Anyaguk leggyakrabban acéllemez. A termény betárolása felülrõl mechanikus v. pneumatikus szállítóberendezéssel történik. Ürítésük nagyrészt gravítációs úton valósítható meg. A sík fenékkialakítású változatoknál a visszamaradó tétel eltávolítása kézi úton ill. csigás, vagy pneumatikus kitárolókkal történik.
A szellõztetéses szárításra és állagmegóvó tárolásra alkalmas körkeresztmetszetû tárolósilók egyik csoportjánál középen elhelyezett légelosztócsatorna található. Az átszellõztetés sugárirányban történik (5. ábra). A külsõ palástfelületen perforáció biztosítja a levegõ távozását.
A körkeresztmetszetû tárolósilók másik csoportja légátvezetõ fenékráccsal rendelkezik. Az átszellõztetés függõleges irányban egyenletes rétegvastagság mellett történik. A szellõztetéses szárításra is alkalmas változatok 6-8 m átmérõvel és kis szerkezeti magassággal készülnek. Betárolást teritõszerkezet, a kitárolást körbeforgó csiga segíti. Egyes típusoknál az egyenletes szárítás érdekében a halmaz átkeverhetõ (6 ábra). A keverés megoldható a kitárolószerkezet felhasználásával is.
Nagyobb szárító-tárolókapacítás igény esetén egy vagy két szárításra és több állagmegóvó tárolásra alkalmas silót szerelnek fel. A szellõztetéses szárítás után a termény átkerül az állagmegóvó szellõztetést biztosító vagy szellõztetõberendezés nélküli tárolósilókba. Az állagmegóvás biztosítható az egyik silóból a másikba történõ átforgatással is.
A tárolótornyoknak az olyan körkeresztmetszetû tárolósilókat nevezik, melyek magassága meghaladja az átmérõjük másfélszeresét és általában 6-8 m (ritkábban 15-18 m) átmérõvel készülnek. Magasságuk max. 25 m. Nagyobb tárolókapacitást igénylõ üzemekben több, egyenként 500-3000 t befogadóképességû toronyból alakítják ki a telepet. A toronytárolók palástja sima v. hullámosított acéllemez táblákból v. sajtolt lemez tálcákból csavarozott összeerősítéssel készül, de összeállítható a helyszínen is a gégecsőhöz hasonlóan, lemezcsíkból folyamatos tekerés közbeni peremezéssel. Gyakori a tüzihorganyzott kivitel. Belső felületüket festéssel, műanyag v. üvegzománc védőréteggel látják el. A tárolótornyok készülhetnek továbbá vasbetonból csúszózsaluzással.
Magyarországon elõnybe részesítették az olyan elõregyártott vasbeton alépítménnyel készült acéltornyokat, ahol kúpos fenék alkalmazásával biztosítható kezelõszint fölött a teljes kiürítés gravitációs úton (7.a. ábra). Befogadóképességük 1000-2500 t. Készültek sík fenékkialakítású tornyok is, oldalsó és alsó kiürítõnyílásokkal egyaránt (7.b. ábra). Kedvezõbb az alsó kiürítõnyílás alkalmazása, ugyanis a torony alá benyúló szállítóberendezéssel a kiürítés tökéletesebben elvégezhetõ, mint az oldalsó ürítõnyílás esetén.
A kúpos és síkfenekû tárolótornyokhoz is kialakították a szellõztetéses állagmegóvó tárolást biztosító légelosztó rendszert. Ennek hiányában ugyanis a bemelegedés csak a termény tornyok közötti átforgatásával szüntethetõ meg. Az átforgatás nagyobb energiafelhasználást igényel mint a szellõztetés és ugyanakkor a szemtörés következtében minõségromlással is jár. Általános szabály minden tárolási rendszernél, hogy ne forgatásos átszellõztetést alkalmazzanak ott, ahol környezeti vagy mesterségesen hûtött levegõvel is meg lehet szüntetni a bemelegedést.