ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЗЕРНА РИСА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

АННОТАЦИЯ

Охлаждение зерна риса после сушки является обязательной технологической стадией, обеспечивающей стабилизацию температурного и влажностного состояния зерна перед хранением. В работе исследованы процессы теплообмена при охлаждении зерна риса в псевдоожиженном слое с использованием основного и дополнительного низкотемпературного воздушного потока. Экспериментально установлено влияние скорости фильтрации воздуха и высоты слоя на коэффициент теплоотдачи и продолжительность охлаждения. На основе полученных данных разработана инженерная методика расчёта охладителя зерна риса, позволяющая повысить интенсивность теплообмена и снизить энергозатраты процесса.

ABSTRACT

Cooling of rice grain after drying is a mandatory technological stage that ensures stabilization of the thermal and moisture state of the grain prior to storage. This study investigates heat transfer processes during the cooling of rice grain in a fluidized bed using both the main and an additional low-temperature air flow. The influence of air filtration velocity and bed height on the heat transfer coefficient and cooling duration was experimentally determined. Based on the obtained results, an engineering calculation method for a rice grain cooler was developed, allowing intensification of heat transfer and reduction of energy consumption.

Ключевые слова: зерно риса, охлаждение, псевдоожиженный слой, теплообмен, коэффициент теплоотдачи.

Keywords: rice grain, cooling, fluidized bed, heat transfer, heat transfer coefficient.

Введение. Процессы сушки и охлаждения зерна занимают ключевое место в технологии послеуборочной обработки и оказывают определяющее влияние на сохранность и качество продукции при хранении [1]. Для зерна риса данные процессы имеют особое значение вследствие его биологической структуры, высокой чувствительности к температурным воздействиям и склонности к образованию трещин при неравномерном охлаждении [2].

Известно, что зерно, выходящее из сушильных установок, имеет температуру на 10–20 °C выше температуры окружающего воздуха. При отсутствии эффективного охлаждения это приводит к интенсификации процессов дыхания, самосогреванию и развитию микрофлоры, что существенно снижает качество зерна при хранении [3]. По данным ряда исследований, понижение температуры зерна до 8–10 °C позволяет резко снизить интенсивность биохимических процессов и увеличить сроки хранения в несколько раз [4].

Традиционные способы охлаждения зерна в плотном неподвижном или медленно движущемся слое характеризуются низкой интенсивностью теплообмена вследствие ограниченного контакта зерна с охлаждающим агентом и слабого перемешивания слоя [5]. Аналогичные проблемы интенсификации теплообмена и неравномерности фазового распределения отмечаются и в холодильных системах. Как показано в работе Zhang et al. [6], неравномерное газожидкостное распределение в сухих испарителях может приводить к снижению эффективности теплообмена до 30 % и создавать риск жидкостного удара компрессора. В обоих случаях это приводит к неравномерному протеканию процессов теплообмена и сопровождается значительными временными и энергетическими затратами.

Перспективным направлением интенсификации теплообмена является применение псевдоожиженного слоя, в котором достигается высокая степень перемешивания частиц и увеличивается поверхность теплообмена между зерном и газовой фазой [7, 8]. Однако вопросы охлаждения зерна риса в псевдоожиженном слое с использованием дополнительного низкотем-пературного воздушного потока остаются недостаточно изученными.

Целью настоящей работы является исследование процессов теплообмена при охлаждении зерна риса в псевдоожиженном слое и разработка инженерной методики расчёта эффективного охладителя.

Материалы и методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке с псевдоожиженным слоем. Объектом исследования являлось зерно риса с начальной влажностью 9,9–29,2%, подлежащее кондиционированию для хранения.

Псевдоожижение слоя осуществлялось при скоростях фильтрации воздуха, превышающих критическую скорость, которая определялась с использованием критерия Архимеда:

где d — эквивалентный диаметр зерна, ρ_т и ρ_г — плотности твёрдой и газовой фаз, ν  — кинематическая вязкость воздуха.

Критическая скорость псевдоожижения определялась по известной зависимости [6]:

Интенсивность теплообмена оценивалась по коэффициенту теплоотдачи α\alphaα, определяемому из уравнения Ньютона:

q=α(T_з−T_в),

где q — плотность теплового потока, T_з ​ — температура зерна, T_в ​ — темпера-тура охлаждающего воздуха.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывался через число Нуссельта:

где λ — коэффициент теплопроводности воздуха.

Эксперименты проводились при высоте слоя 150 мм и скоростях воздуха 0,5–1,8 м/с.

Результаты и их обсуждение. Результаты экспериментов показали, что увеличение скорости фильтрации воздуха приводит к существенному росту коэффициента теплоотдачи и сокращению продолжительности охлаждения зерна риса. Это связано с интенсификацией конвективного теплообмена и более равномерным распределением температуры в псевдоожиженном слое.

Таблица 1

Влияние скорости воздуха на параметры охлаждения зерна риса

Как видно из таблицы 1, при увеличении скорости воздуха с 0,5 до 1,8 м/с коэффициент теплоотдачи возрастает более чем в 2,4 раза, а время охлаждения сокращается примерно в 2,6 раза. Аналогичные тенденции отмечены в работах [8, 9], посвящённых теплообмену в псевдоожиженных слоях зернистых материалов.

Зависимость продолжительности охлаждения зерна риса от скорости фильтрации воздуха представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость времени охлаждения зерна риса от скорости фильтрации воздуха при высоте слоя 150 мм

Рост коэффициента теплоотдачи при увеличении скорости воздушного потока показан на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи α от скорости фильтрации воздуха в псевдоожиженном слое

Суммарный тепловой поток, отводимый от слоя зерна, может быть представлен в виде:

Q_Σ=Q_к+Q_д,

где:

Q_к  — тепловой поток, отводимый основным воздушным потоком,
Q_д  — дополнительный тепловой поток за счёт введения низкотемпературных струй.

Экспериментально установлено, что доля дополнительного теплового потока Q_д достигает 30–40% от общего теплового баланса, что подтверждает эффективность предложенного способа интенсификации теплообмена.

 Выводы. Охлаждение зерна риса в псевдоожиженном слое обеспечивает высокую интенсивность теплообмена и равномерное распределение температуры по объёму слоя, что является важным условием сохранения качества зерна перед хранением. Установлено, что увеличение скорости фильтрации воздуха приводит к росту коэффициента теплоотдачи и существенному сокращению продолжительности процесса охлаждения. Показано, что использование дополнительного низкотемпературного воздушного потока позволяет увеличить суммарный тепловой поток на 30–40%, тем самым повышая энергетическую эффективность процесса. Разработанная инженерная методика расчёта может быть использована при проектировании и модернизации энергоэффективных охладителей зерна риса в системах послеуборочной обработки.

Список литературы:

1. Лыков А.В. Теория сушки. — М.: Энергия, 1968.
2. Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. — М.: Колос, 1981.
3. Скопинцев В.А. Хранение и послеуборочная обработка зерна. — М.: Агропромиздат, 1985.
4. Brooker D.B., Bakker-Arkema F.W., Hall C.W. Drying and Storage of Grains and Oilseeds. — New York: Van Nostrand Reinhold, 1992.
5. Мельников С.В. Машины для послеуборочной обработки зерна. — М.: Машиностроение, 1990.
6. Zhang W., Sun Z., Chen J., Zhang Y., Xu H., Zhang W., Lyu X., Wang J., Wang K., Elsabahy M.M., Mansour T.M., Safarov J., Jumaev B. Enhancing refrigeration system efficiency via mist flow and critical nozzle: Experimental and CFD analysis of an atomizing distributor for dry evaporators. Applied Thermal Engineering, 2025.
7. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. — Л.: Химия, 1968.
8. Zabrodsky S.S. Hydrodynamics and Heat Transfer in Fluidized Beds. — MIT Press, 1966.
9. Kunii D., Levenspiel O. Fluidization Engineering. — Boston: Butterworth-Heinemann, 1991.
10. B. M. Dzhumaev, M. I. Mavlonov. Development of a Project of a Moulding Machine for Fermented Dairy Product. (2025).  American Journal of Engineering , Mechanics and Architecture (2993-2637), 3(1), 112-116. https://grnjournal.us/index.php/AJEMA/article/view/6702