Gabonaszárító gépcsalád kialakítása vertikális anyag-levegő átvezetéssel, méretezési összefüggések a töltésfok függvényében Francsics Péter Veszprémi Egyetem, Georgikon Mezőgazdaságtudományi Kar, Agrárműszaki Tanszék A hazai gyakorlatban az aknásterű, keresztlégcsatornás gabonaszárítókat alkalmazzák legnagyobb számban, amelyekben a gravitációs anyagáramra keresztirányban, akár több száz vízszintes légcsatorna – soronként fél osztással eltolva – helyezkedik el a szárító- és hűtőtérben. A légcsatornák közötti teret pedig a szárítandó anyag tölti ki. A szárító- és hűtőtérben elhelyezett keresztlégcsatornákban – kis keresztmetszetük és a terményhalmaz átáramoltatásához szükséges szárítóközeg mennyiségéből adódóan – hosszú légcsatornák alkalmazásakor a légcsatornában nagy szárítólevegő sebesség alakul ki, amely a lassan áramló terményből, a légcsatornák irányában „osztályozza” a kisebb méretű anyagrészeket. Ezen kívül a szárítólevegő eloszlásának egyenlőtlensége miatt – különösen az 1m-nél hosszabb légcsatornáknál – a kilépő oldali szárítófaltól 0,4…0,6 m távolságban változó mértékkel a termény túlszárad, a szárítófalnál kialakuló nagyobb levegőáram miatt, függetlenül a szárító kitárolószerkezetének beállításától. A szárítótérhez külön szerkezeti részként csatlakozik a meleglevegő főcsatorna vagy légkamra és a környezetkímélő szempontok miatt a kilépőoldali légkamra, amelyeknek viszonylag nagy térfogatai csökkentik a szárító töltésfokát, ezáltal csökken az egységnyi berendezés-térfogatra jutó teljesítmény és értelemszerűen növekedik a fajlagos beruházási költség. A felsorolt hátrányok megszüntetésére egy függőleges légcsatornás konstrukcióval vertikális gabona-levegő átáramoltatású berendezést alakítottunk ki. A vertikális anyag-levegő átvezetést a szárító- és hűtőtérben függőleges, zsaluelemes légcsatornák valósítják meg, amelyek az aknás tér keresztmetszetében négyzetháló mentén átlós elrendezésűek. A függőleges légcsatornás gabonaszárítóban a levegőátvezetésére szolgáló főbb szerkezeti elemeket mutatja az 1. ábra. A függőleges légcsatornák eltömődésmentes zsaluelemekből állnak, amelyeknek száma – légtechnikai méretezés alapján – a szárítótér működő magasságát határozzák meg. A terményhalmazban elhelyezkedő függőleges légcsatorna kialakítás lehetővé teszi, egyrészt a belső keresztmetszetben áramló levegővel a szárító-alapegység, mint önállóan is működőképes egység hasznos térfogatának meleg levegővel való ellátását. Másrészt, a zsalunyílások keresztmetszetein keresztül – a szárítótér teljes magasságában – a szárítólevegőnek terményhalmazba vezetését és elosztását végzi. A terményhalmaz rétegen átáramló szárítólevegőt a szintén zsalus légcsatornák – a vízgőz felvétele után – befogadják és a szárítótérből elvezetik. A függőleges légcsatornás szárító szerkezeti méreteinek meghatározása A függőleges légcsatornák elrendezésének megfelelően egy méretezést dolgoztunk ki, amelyhez kiindulási adatként a fajlagos szárítólevegő térfogatáram ( q& ; m3/s, m3) és a légcsatornák belső ( v *L ), valamint a zsalu résméret keresztmetszetében (vL) légsebességek értékének megválasztásán kívül a szárító töltésfoka és két szerkezeti méret: a légcsatornák zsaluelemének résmérete (bo), valamint a függőleges légcsatornák külső felületei közötti távolság (ao) ismeretével a berendezés összes működő méretét, – 30 –
áramlási keresztmetszetét és a szárító különböző részegységeinek (előtárolóelőmelegítő zóna, temperáló zónák, levegővel átáramoltatott szárító- és hűtőterek) hasznos térfogatát határozhatjuk meg. A függőleges légcsatornás gabonaszárító levegőátvezetésére szolgáló légtechnikai alapelemeket és azok jellemző méreteit mutatja a 2. ábra: c) alapján. A szárító- és hűtőtérben a zsalus légcsatornák közötti átlagos anyagréteg vastagság a 2. ábra alapján: a = ao + bo, ahol ao = az egymás mellett elhelyezkedő zsalus oldalfületek külső éle közötti távolság, bo = a függőleges síkkal α szöget bezáró zsaluelem vízszintes síkban mért legnagyobb résmérete. A függőleges légcsatornák keresztmetszetének közepes mérete: b = bo + b, ahol b = a négyzet keresztmetszetű zsalus légcsatorna belső mérete. A szerkezeti méretek meghatározásának kiindulási összefüggése a levegővel átáramoltatott, azonos szerkezeti kialakítású, szárító- és hűtőtér töltésfoka. A töltésfok megmutatja a geometriai elrendezésre jellemző hasznos – szemcsés anyaggal kitöltött – térfogat hogyan aránylik a szárító- vagy hűtőtér teljes térfogatához. A töltésfok felírásakor a térfogat arányok helyett a megfelelő keresztmetszetek arányát is használhatjuk: Ao = a szárító-alapegység teljes keresztmetszete, A L = a zsalus függőleges légcsatorna közepes méretének keresztmetszete. Ao = 2( a + b ) 2 ; AL = b 2 összefüggések behelyettesítése és az egyszerűsítés elvégzése után – a jellemző méretarányokkal – a töltésfok: −1 −2 −2 a o bo bo a λ = 1 − 1 + = 1 − (1 + 1 + 1 + b b b bo A töltésfok összefüggéséből kifejezhetjük a szárítótér jellemző méretarányait:
a bo ao b b ao = X λ 1 + o − X λ ; = 1 + − X λ X λ−1 ; = X λ + ( X λ − 1) o b bo bo b b bo −o ,5 ahol X λ = (1 − λ ) − 1 A töltésfok értékének felvételével meghatározhatjuk a zsaluelemes légcsatorna belső méretét: o,5 b = (ao + bo (1 − X λ )) X λ−1 = (ao + bo ) 1 + (1 − λ ) λ−1 − 1 − bo A szárítótér működő (levegővel átáramoltatott) magasságának (HSzL)meghatározása: - a szárítólevegő fajlagos térfogatárama felírható: AL1 v*L &q L = (m3/s, m3); Am1 . H SzL AL1 = a zsalus légcsatorna belső keresztmetszete, Am1 = 1 db zsalus légcsatornához tartozó anyagátömlési keresztmetszet, −1
((
)
)
v L* = légsebesség a zsalus légcsatorna belső keresztmetszetében.
Az AL1 és Am1 összefüggéseinek behelyettesítése és az egyszerűsítés elvégzése után a jellemző méretarányokkal a szárítótér hasznos magassága:
– 31 –
a a b v*L a o + bo ao + bo b H SzL = 2 + 2 = 2 + 21 + o b q& L b b b bb a + bo a o + bo b ahol 2 o + 21 + o = Am* (m 2 / m 2 ) b b b −1
−1
v*L q& L
Am* = fajlagos (egységnyi zsalus légcsatorna belső keresztmetszetre jutó)
anyagátömlési keresztmetszet, és v *L = Vm* m 3 / m 2 = egységnyi zsalus légcsatorna keresztmetszethez tartozó q& L hasznos szárítótér térfogat,
(
)
tehát H SzL = Vm* (A * m )
−1
A függőleges légcsatorna zsaluelemeinek száma, (ZSz): A szárítólevegő térfogatárama felírható a v L* és v L légsebességekkel: V&L1 = b 2 v L = bo K . Z Sz v L és K = 4 (bo + b ) A zsaluelemek száma a jellemző méretarányokkal:
bo bo v*L b b Z Sz = 4 1 + ; ahol 4 o 1 + o = A * LZ m 2 / m 2 = fajlagos (1 b vL b b b 2 m zsalus légcsatorna belső keresztmetszetre jutó) zsalunyílás átömlési keresztmetszet. −1
(
A zsalunyílás hajlásszögének ellenőrzése: a + bo q& L bZ tgα = o Sz = (a o + bo ) 1 + o ; ( ) 2 H SzL b + b o vL
α = arctg
)
bo Z Sz ≤ 30 o H SzL
A szárítólevegő térfogatáramának ellenőrzése (a légellenállás figyelembevétele nélkül): 2 V& = b 2 v * = 2λ (a + 2b + b ) H q& = 4b Z (b + b )v m 3 / s L1
L
o
o
SzL
L
A szárító-alapegység hasznos térfogata: v* v VmSz1 = b 2 L = 4bo (bo + b )Z Sz L q& L q& L
o
sz
o
L
(
)
(m ) 3
A vízszintes légcsatornához tartozó szárító-alapegységek száma: a) rombusz keresztmetszetű (hT = 0) légcsatornáknál 2 2 bo bo 3 (2bo + b ) bo n1 = = 3 4 1 + + 1 = 3 1 + 2 b b b b2 b) hatszögkeresztmetszetű (függőleges oldalak: hT>0) légcsatornáknál
b b h n1 = n1 + 2 1 + 2 o T ; hT = ∆n.b . 2 1 + 2 o b b b Az összes szárító-alapegységek száma a teljes szárító keresztmetszetben: −1
ι
– 32 –
n = n1 . n* ; ahol n* = az egymás mellett elhelyezkedő szárítóegységek (vízszintes légcsatornák) száma. A méretezéshez használt jellemző mennyiségek közötti függvénykapcsolatokat nomogramban ábrázoltuk a műszaki paraméterek változásának bemutatása és egy adott töltséfokhoz a főbb méretek meghatározása céljából (3. és 4. ábra). A berendezés keresztmetszetében a függőleges légcsatornák geometriai elrendezése szárító-alapegységekre osztja a szárító- és hűtőteret, amelynek az építőkocka elv alkalmazásával, méretlépcső szerint – az alapegységek soros elrendezésével – szárítóegységek, ezek további összeépítésével szárítógépcsalád kialakítását teszi lehetővé. A gabonaszárító gépcsalád alapegységek szárítóterének fő méreteit és soros elrendezését (n1) mutatja a töltséfok (λ) függvényében az 5. ábra. A szárító-alapegységek számától és azok elrendezésétől függően lehetséges nagyobb szerkezeti magassággal szabadtéri torony- vagy hosszanti – a szárítóalapegységek soros elrendezésével – kisebb szerkezeti magasságú berendezést kialakítani. A soros elrendezésű szárítók – a kisebb magasság, valamint a szárító- és hűtőtér zárt oldalfalai miatt – épületbe is telepíthetők. Az új konstrukciót, a meleglevegő betáplálásától függően három alapváltozatban alakítottuk ki: alsó-, középső- és felső szárítólevegő bevezetéssel. A gravitációs anyagmozgás irányában a vertikális anyag-levegő átvezetésű gabonaszárító funkcionális egységeit és a szárító-, hűtőlevegő átvezetését mutatja a 6. ábra. Az alsó légbevezetésű szárító (6. ábra: a.) funkcionális egységei: előtárolóelőmelegítő zóna, levegő-átáramoltatásos szárítótér, temperáló (levegő átáramlás nélküli) zóna alsó szárítólevegő bevezetéssel, hűtőzóna (környezeti levegő átáramoltatásával, hűtőlevegő bevezetésre szolgáló hőmérséklet kiegyenlítő zóna és terményürítő szerkezet. A középső légbevezetésű szárító (6. ábra: b.) funkcionális egységei: előtárolóelőmelegítő zóna, felső levegő-átáramoltatásos szárító zóna, 1. temperáló (levegőáramlás nélküli) zóna középső szárítólevegő bevezetéssel, (az 1. temperáló zónában a hőmérséklet kiegyenlítődés mellett kedvező nedvességmozgás valósul meg a mag belsejében), alsó levegő-átáramlásos szárító zóna, 2. temperáló zóna a szárítólevegő egy részének és a felmelegedett hűtőlevegő elvezetésére a recirkulációhoz, hűtő zóna (környezeti levegő átáramoltatásával), hűtőlevegő bevezetésére szolgáló hőmérséklet kiegyenlítő zóna és terményürítő szerkezet. A felső légbevezetésű szárító (6. ábra: c.) A funkcionális egységek azonosak, egyrészt az alsó légbevezetésnél alkalmazottakkal, pl. azonos berendezés magasság és mindkettő 1 db alsó temperáló zónával rendelkezik, másrészt a középső légbevezetésű szárítóval, pl. a szárítólevegő külső recirkulációja és két egymásra merőlegesen áramló levegőáram egységesítésére szolgáló légtechnikai elem alkalmazása. A meleg szárítólevegő bevezetése és a páradús levegő elvezetése egyaránt az előtároló-előmelegítő zónában elhelyezett légcsatornákban valósul meg. A felső légbevezetés nagyobb terményelőmelegítést, és emiatt a szárítás kezdő fázisában intenzívebb nedvességleadást eredményez.
– 33 –
Összefoglalás A bemutatott függőleges légcsatornás gabonaszárítókat a szárítólevegő lehető legjobb hőhasznosítása – a légcsatorna méretétől függő – nagy töltésfok, valamint külső légkamrák nélkül, a berendezés teljes magasságában zárt oldalfalakkal, környezetkímélő üzemmód jellemzi. Az új rendszerű szárító- és hűtőlevegő átvezetés a zsalus oldalfalú – zsalukazetta elemekből felépített – függőleges légcsatornás gabonaszárítóban (*) a légcsatornák geometriai elrendezése lehetővé teszi a szárítólevegő egyenletes elosztását a berendezés keresztmetszetében, egyszerű áramlástechnikai elemekkel a szárítólevegő meghatározott térfogatáramának kétszeres, váltakozó irányú átvezetését, és a hűtőtér felmelegedett levegőjének összekapcsolását a szárítótérrel, (* szabadalmi eljárás alatt, P 03 00438 sz. szabadalmi bejelentés). Ábrajegyzék 1. ábra: Függőleges légcsatornás gabonaszárító (nóvum) szárítótere: a) szárítólevegőt bevezető szerkezeti elemek, b) páradús levegőt elvezető szerkezeti elemek.
1- szárítólevegőt bevezető légcsatorna a temperáló zónában, 2- szárítólevegőt bevezető és elosztó zsaluelemes légcsatornák a szárítótérben, 3- páradús levegőt befogadó és elvezető zsaluelemes légcsatornák, 4- terményterelő és légcsatornát lezáró gúlák, 5- páradús levegőt elvezető légcsatorna az előmelegítő (előtároló) zónában. (-az a és b) szerkezeti részek a nyilak irányába a terményréteg méretének megfelelően egymáshoz illeszkednek)
2. ábra: Légtechnikai alapelemek aknásterű gabonaszárítókban: a) keresztlégcsatorna (vízszintes elrendezés, hagyományos konstrukció); b) zsalukazetta-elem (függőleges elrendezés, új konstrukció, Zsz = zsalukazetta-elemek száma, Am1 = gabona átömlési keresztmetszet);
c) függőleges zsaluelemes légcsatornák zsaluelrendezése. 3. ábra: Tervezési nomogram I. 4. ábra: Tervezési nomogram II. 5. ábra: Függőleges légcsatornás gabonaszárító gépcsalád alapegységek szárítóterének fő méretei a töltésfok (λ) függvényében. 6. ábra: Függőleges légcsatornás gabonaszárító működő egységeiben a szárító- és hűtőlevegő átvezetése: a) alsó légbevezetés, b) középső légbevezetés, c) felső légbevezetés
1- termény betároló-adagoló, 2- kontakt előmelegítő-(előtároló) zóna, 3- temperáló zóna, 4automatikusan vezérelt kitároló, 5- légvezeték külső recirkulációhoz, 6- légtechnikai elem levegőáramok egységesítésére.
– 34 –
