, Дж/кг      (1)

C_s и C_v – коэффициенты, учитывающие, энергию на образование новых поверхностей и деформацию измельчаемых объектов;

λ – степень измельчения

Степень совершенства и эффективность процесса оцениваются его организацией с помощью коэффициента С_пр, учитывающего влияние случайных факторов, способов измельчения и особенности конструкции рабочих органов. 
Из приведённой зависимости (1) следует, что совершенствование процесса измельчения зерна, снижение энергоёмкости находится в области учёта свойств продукта (C_s и C_v), конструкции рабочих органов и его организации (С_пр) при требуемой степени измельчения λ.
Приложение этих положений и теории измельчения к конкретной геометрии и кинематике рабочих органов измельчителей, с учётом механико-технологических особенностей и характеристик продукта, требует отдельного рассмотрения.
Рабочие органы ступенчатого измельчителя представляют собой пару дисков (рисунок 1), один из которых (верхний) неподвижный, а нижний вращается на вертикальном валу; [2].

На рабочей поверхности нижнего диска (рисунок 1) имеются подающие бороздки А, площадки релаксации В и модульный пояс С, обеспечивающие циклическое воздействие на зерновку от вхождения в рабочее пространство до полного измельчения и выходa из него.

R, R_м, R₀ – радиусы, соответственно, диска, модульного пояса и приёмного окна; А – подающая бороздка; В – площадка релаксации классификатора (подающий пояс); С – модульный пояс, h_вк–высота конуса верхнего диска; h_нк–высота нижнего конуса;
Рисунок 1 –– Элементы рабочей поверхности дисковой пары нижнего подвижного и верхнего неподвижного

Апприори, согласно теории измельчения, размеры горизонтальных проекций участков диска регламентируются степенью измельчения и для равных переходов продуктов находятся в соотношении 1:: и так далее, если таких переходов более двух [1, с. 92-94].
Тогда площади бороздок и классификаторов подающего пояса, определяются по зависимостям

       (2)

Площадь F_c поверхности модульного пояса – составит

.       (3)

Тогда наружный радиус диска, соответствующий размерам подающего пояса, определится из равенства (3) в развернутом виде с учётом (2)

       (4)

для произвольного значения – переходов между элементами и поясами измельчения.
С учётом скорости ω относительной деформации зерновок и их частей в подающих бороздках (рисунок 2) от R₀ до R_м и от «а» до «в» равной

,       (5)

где ω₀ – угловая скорость диска,·с^-1;
R_i – расстояние от оси вращения диска до произвольной точки на наклонной плоскости подающей бороздки, м;
h_п – суммарная высота приёмных конусов дисков, м;
α – угол подъёма дна бороздки в оксиальном сечении, град;
δ_м – модульный зазор между дисками, м.
Угловая скорость нижнего диска ω₀ определяется из условия движения зерновок и продуктов измельчения по наклонной поверхности подающих бороздок (рисунок 2)

,       (6)

где β – угол подъема дна бороздки в радиальном направлении, град; f – коэффициент трения продуктов измельчения о дно бороздки; R₀ – радиус приемного колодца, м.

А – бороздка подоющая; В – классификатор; α – угол подъёма дна бороздки в оксиальном сечении, β – то же в радиальном сечении; σ_п – эпюры напряжений на границах подающих элементов поверхности.

Напряжения сжатия в частицах потока, с учётом упруго-вязких свойств зерновок; составят [3]

.      (7)

Здесь: H, E – мгровенный и длительный модули упругости соответственно, Па; t – время нахождения частицы в бороздке, с; n – время релаксации напряжений, с.
В модульном междисковом пространстве С (рисунок 1) напряжения сжатия, по аналогии с (6), определяются по формуле

,      (8)

где ε₀ – начальная относительная деформация, полученная частицами в подающем поясе, равная

,     (9)

где h_о – начальная высота зерновок, мм.
С учётом характера напряжений на границах бороздок и классификаторов (рисунок 2) , их размеров и коэффициентов заполнения, усилия Р дефформации сжатия потока частиц определятся зависимостями:
для бороздок

;     (10)

для классификаторов

,      (11)

где ψ_δ и ψ_к – соответственно коэффициенты заполнения подающих бороздок и площадок релаксации.
По аналогии с (11), с учётом (5) и коэффициента заполнения ψ_м модульного пространства, усилие сжатия потока в модульном поясе определится по зависимости

.       (12)

Мощность на процесс деформации и классификации продуктов измельчения в рабочем пространстве дисковой пары, без учёта транспортной и вентиляционной составляющих, определится по зависимости

,       (13)

где f – коэффициент трения продуктов измельчения о рабочие поверхности дисков.
Вращающийся нижний диск обеспечивает циклические нагружения зерновок в бороздках, удержание деформации классификаторами, свободное, под действием центробежной силы, перемещение мелких частиц к периферии подающего пояса, не препятствует движению в аксиальном направлении защемлённых частиц больших размеров. Эти частицы, достигая края подающей бороздки, попадают в свободное пространство, защемляются, разрушаются, а продукт разрушения снова выносится в классификатор и так далее.
Конструкция дозатора-распределителя [2] позволяет определить скорость зерновок на входе в приемный пояс по зависимости

,     (14)

в которой R_ц – наружный радиус цилиндра дозатора, м; d_э – эквивалентный диаметр зерновки, м.
Тогда подача измельчителя составит

, кг/с       (15)

где – ψ – коэффициент заполнения кольцевого сечения (рисунок 1) приемного пояса, по результатам эксперимента равный (0,35-0,37); ρ – плотность зерновки кг/м³.
По результатам экспериментального определения удельных энергетических и технологических характеристик рабочей модели дискового измельчителя (таблица 1): удельной производительности кг/м²·ч и удельной энергоемкости кВт·ч/т, определены параметры измельчителей модельного ряда (таблица 2)

1 – мелкий помол; 2 – средний помол; 3 – крупный помол.

Содержание модульных фракций в продуктах помола, по результатам ситового анализа, составило:

Содержание фракции менее 1 мм на поддоне рассева не превышало (3-1,9-1,2) % соответственно

В настоящее время производство зерна в России достигло 103,4 миллиона тонн в чистом весе и составляет 706,7 кг на человека. По статистике на одного человека в год должна приходиться одна тонна зерна, принимая во внимание переписи населения, россиянам, чтобы нормально питаться, необходимо собирать только для себя примерно 150 млн. тонн зерна.

В России при валовом сборе зерна на уровне 80-100 млн. тонн в сушке нуждается обычно 40-45% со снижением влажности в среднем от 25 до 14%, хотя в отдельные годы количество влажного зерна увеличивалось на 60- 70%, а в некоторых регионах  всё зерно необходимо было подвергать сушке.

Сушка зернового материала является одной из самых энергоемких и дорогостоящих операций в процессе послеуборочной обработки зерна. По экспертным оценкам, из общего количества энергоресурсов, затраченных на производство зерна, прямые энергозатраты на сушку достигают 35-55%, а доля энергозатрат в себестоимости сушки составляет 70-75% [1].

Процесс сушки – это способность зерна или семян испарять влагу, когда под действием температуры внутри зерна создается давление паров, которое намного выше, чем давление паров окружающей среды. При нагревании зерна влага от центра перемещается к периферии и постепенно испаряется с поверхности зерна. При таком процессе всхожесть семян не снижается. При сушке зерна устанавливают определенный съем влаги за один пропуск. При сушке семян зерновых культур этот съем должен быть 5 – 6 %, зернобобовых и гречихи – не более 3 %. Сушка – наиболее сложный и энергоемкий процесс, на её долю приходится 2/3 всех затрат на послеуборочную обработку.

Все способы сушки зерна и семян разделяют на две группы: без специального использования тепла (без подвода тепла к высушиваемому объекту); с использованием тепла (рисунок 1).

а – конвективная сушка, б – кондуктивная сушка, в – СВЧ сушка, г – радиационная сушка, ЗМ – зерновой материал, ОО – открытый огонь, ПВ – поток воздуха, УВ – удаляемая влага, СИ – СВЧ-излучение, РИ – радиационное (оптическое) излучение

Рисунок 1. Способы сушки зернового материала

Из способов сушки, относимых к первой группе, в сельскохозяйственном производстве применяют химическую (сушку сульфатом натрия) и сушку природным воздухом с использованием для этого установок активного вентилирования зерновых масс.

Второй способ (с подводом тепла) основан на создании условий, обеспечивающих повышение влагоемкости паровоздушной среды, окружающей зерно. В этом случае агентом сушки (теплоносителем) служит воздух, влагоемкость которого значительно повышается в результате нагрева. Наиболее распространенный способ с использованием тепла – сушка в специальных устройствах – зерносушилках и сушка на солнце (воздушно-солнечная).

Передавать тепло можно конвективным, кондуктивным, радиационным способами и электротоком.

Во всех зерносушилках, применяемых в сельском хозяйстве, тепло передаётся конвективным способом. Агент сушки служит не только для передачи тепла зерну, но и одновременно для поглощения испарившейся из него влаги.

Сушить зерно конвективным способом можно смесью топочных газов с воздухом или атмосферным воздухом, нагретым в теплообменнике. Сушка нагретым воздухом исключает попадание в сушильную камеру продуктов сгорания топлива (сернистого газа, дыма).

Конвективный способ сушки можно применять при разном состоянии зернового слоя – плотном или разрыхлённом, в пересыпающемся, падающем или взвешенном состоянии [2].

К концу 20 века были разработаны различные технические средства сушки зернового материала. К данным техническим средствам относятся различные типы зерносушилок.

Данные установки классифицируются по принципу работы, по конструкции, а так же по режиму работы. Для наглядности классификацию зерносушилок можно изобразить схематично (рисунок 2).

Рисунок 2. Классификация зерносушилок

При всем разнообразии современных зерносушилок имеется возможность группировки их по наиболее отличительным технологическим и внешним конструктивным признакам.

По способу сушки преимущественное место занимают зерносушилки с конвективным теплоподводом. Зерносушилки с другими способами теплоподвода (кондуктивным, терморадиационным, высокочастотным) составляют очень небольшую группу опытных или опытно-промышленных образцов.

В конвективных зерносушилках в качестве агента сушки используется воздух, нагреваемый в калорифере или непосредственно в топке путем смешивания с продуктами сгорания топлива.

Различие в способе нагрева воздуха обусловливает деление всех зерносушилок по этому показателю на две большие группы.

По режиму работы зерносушилки подразделяются на непрерывно действующие и периодического действия.

По технологической схеме сушки различают прямоточные и рециркуляционные зерносушилки. В прямоточных сушилках зерно проходит через сушильную камеру один раз, т. е. по схеме “идеального” вытеснения. Прямоточные и рециркуляционные зерносушилки могут иметь устройства для предварительного нагрева зерна.

Для кратковременного нагрева зерна применяют камеры шахтного типа с падающим слоем. Для механического торможения падающего слоя зерна внутри такой камеры размещают многоярусную систему стержней или решеток, гирлянд свободно висящих шаров или конусов.

Многие зарубежные фирмы в последнее время отдают предпочтение конструкциям сушильных камер с перфорированными стенками, что объясняется стремлением упростить конструкцию сушилки, снизить ее металлоемкость.

В барабанных зерносушилках сушильная камера представляет собой полый вращающийся цилиндр, внутри которого устанавливают насадку в виде лопастей, способствующих разрыхлению и пересыпанию зерна при его движении вдоль барабана. Обычно зерно и агент сушки движутся внутри барабана прямотоком, но используют и противоточные барабанные сушилки.

Камерная сушилка наиболее проста по устройству. Основной ее частью является прямоугольная или круглая камера с наклонным или горизонтальным сетчатым днищем. При горизонтальном днище разгрузка зерна осуществляется через центральное отверстие в днище вначале самотеком, а затем с помощью поворачивающегося шнека-подборщика. При наклонном днище камера разгружается самотеком.

Конвейерные сушилки представляют собой туннель, внутри которого на сетчатой ленте перемещается высушиваемое зерно.

По конструктивному исполнению различают стационарные и передвижные зерносушилки.

Стационарные сушилки встраивают в рабочие здания элеваторов или сушильно-очистительные башни (СОБ); устанавливают в отдельных зданиях, привязанных транспортными коммуникациями к элеваторам; на открытых площадках рядом с силосным корпусом; в торце силосного корпуса элеватора или в разрыве между рабочим зданием и силосным корпусом, в зданиях зерноочистительно-сушильных комплексов колхозов и совхозов [3].

Для сушки малых партий зерна на семенные и селекционные цели используются селекционные зерносушилки малой производительности [4].

Зерносушильные установки классифицируются по нескольким параметрам, одним из которых является способ сушки горячим воздухом или смесью горячих дымовых газов с наружным воздухом. При сушке зерна газовой смесью расходуется в 2–2,5 раза меньше топлива, чем при сушке нагретым воздухом, и потому этот способ получил наибольшее распространение [5].

В современных зерносушильных установках в качестве источника тепловой энергии применяют горелки жидкого, газообразного и твердого топлива, а также электронагреватели [6, 7].

В настоящее время на рынке представлено огромное количество различных моделей зерносушилок разных производителей. Вместе с тем многие предприятия используют зерносушилки советских времен. На Юге Тюменской области наибольшее распространение получила рециркуляционная зерносушилка «Целинная».

Шахтные зерносушилки марки «С» производства компании ЗАО»Агропромтехника» г.Киров. Особенностью данных зерносушилок является высокая исходная влажность материала (до 35%). Зерносушилка может работать в трех режимах: сушка материала с рециркуляцией воздуха из зоны охлаждения, с включением его в поток теплоносителя; сушка материала с выбросом воздуха из зоны охлаждения с отработанным теплоносителем; сушка материала при неоднократном проходе через сушилку или охлаждении его в вентилируемых бункерах, зону охлаждения переводят в зону сушки. Толщина просушиваемого слоя составляет 140 мм (у аналогов 300-400 мм). Для получения агента сушки используется теплогенератор косвенного нагрева воздуха, работающий как на жидком, так и на газообразном топливе [8, 9].

Шахтные сушилки непрерывного действия со смешанным потоком Perry Великобритания. Особенностями сушилки являются: отсутствие шнеков; модульная конструкция; трехуровневые горелки, работающие на дизельном топливе, жидком и природном газу, с теплообменниками или без них [10].

Передвижные зерносушилки AGREX. Особенностями данных зерносушилок являются: возможность перемещения зерносушилки при помощи трактора; наличие встроенного ворошителя для равномерного распределения зерна; возможность привода механизмов как от электродвигателей, так и от вала отбора мощности трактора; топочное устройство, работающее на дизельном топливе, либо на газе [11].

Шахтные зерносушилки Немецкого производства фирмы PETKUS. Особенностями данных сушилок являются: возможность переключения камеры охлаждения в режим работы камеры сушки; использование различных режимов сушки материала; полная автоматизация управлением процессом сушки; использование топочных устройств, работающих на дизельном топливе/газу с теплообменником, либо без него; теплоизоляция внешних элементов корпуса [12].

При всем разнообразии зерносушилок наиболее распространенными являются шахтные зерносушилки с горелочными устройствами, работающими как на дизельном топливе, так и на газе, при этом в некоторых случаях используют теплообменники для предотвращения попадания продуктов сгорания в камеру сушки, что увеличивает расход тепловой энергии и снижает КПД зерносушилки.

Технические характеристики наиболее распространенных шахтных и барабанных зерносушилок приведены в таблицах 1 и 2 [13].

Из табличных данных видно, что зерносушилки характеризуются высоким значением энергозатрат на сушку плановой тонны зерна. Так, в среднем на сушку одной плановой тонны зерна в шахтных зерносушилках расходуется порядка 10,3 кг условного топлива и 4,9 кВт·ч, а в барабанных – 10,8 и 4,5 соответственно.

Таблица 1 – Технические характеристики шахтных зерносушилок

Таблица 2 – Технические характеристики барабанных зерносушилок

Анализ конструкций зерносушилок крупнейших производителей (Cimbria, Tornum, Petkus и др.) показал, что наиболее распространены конвективные сушильные установки с горелками на газообразном и/или жидком топливе со средним расходом 8…12,2 кг условного топлива и 3 кВт·ч электроэнергии на плановую тонну. В качестве агента сушки в установках используют смесь топочных газов с атмосферным воздухом. В редких случаях при сушке зерна дополнительно применяют теплообменник типа «труба в трубе», который предотвращает попадание топочных газов на поверхность зерновок, но увеличивает расход топлива в 2…2,5 раза [14].

В настоящее время для снижения энергозатрат на сушку зерна применяют следующие технические устройства:

-устройства перемешивания зернового вороха;

-рекуперативные теплообменники;

-осушители воздуха (холодильные машины, теплонасосные установки, силикогельсодержащие установки);

-инфракрасные облучательные установки;

-СВЧ-магнитроны.

В зерносушилках малой производительности, когда требуется сушка малых партий зерна и/или семян, широкое применение нашли ТЭНы, как источники тепловой энергии, которые, в полной мере, могут быть заменены техническим устройством тепловой насос.