Úvod / Informácie / Rastlinná výroba / Obilniny

Inovácie v konštrukcii a vybavení sušiarní zrnín

06-11-2017
doc. Ing. Ivan Vitázek, CSc. | ivan.vitazek@uniag.sk
Slovenská poľnohsopdárska univerzita v Nitre

Sušenie zrnín patrí v prípade ich zvýšenej vlhkosti k najdôležitejším činnostiam pozberového spracovania. Pohľad na sušenie sa postupne mení. Sušiarne boli nevyhnutné pri rozširovaní pestovania zrnín do humídnych oblastí a do vyšších polôh, boli súčasťou úsilia o dosiahnutie vyššej produkcie zrnín. V súčasnosti sa sušenie považuje za súčasť výrobného postupu najmä pri kukurici na zrno, slnečnici na zrno, repky a pri ďalších olejninách; sušenie je zásadné poistné opatrenie pre prípad zberu za nepriaznivých vlhkostných podmienok a v neposlednej miere sušenie umožňuje dosiahnutie najvyšších kvalitatívnych parametrov. Zmeny nastali v technickom riešení sušiarní a príslušenstva, v cenách týchto zariadení a taktiež v cenách energií. V ponuke sú sušiarne rôznych konštrukcií, technológii sušenia a rôznych výkonností, umožňujú presnú reguláciu a nastavenie požadovaných režimov sušenia už i diaľkovo s využitím internetu. Zdroje tepla na ohrev sušiaceho prostredia sa konštruujú aj pre obnoviteľné a netradičné palivá. Tieto zmeny sa odrazili i v ekonomike prevádzky týchto zariadení.

Pre úplnosť je potrebné poznamenať, že zrniny sa zberajú v období po dosiahnutí zrelosti, kedy vo vlhkom období môžu hodnoty vlhkosti u pšenice dosiahnuť cez 20 %, u kukurice podstatne viac (i cez 35 %). Sušením sa zníži vlhkosť na 14÷15 % a usušený produkt sa ochladí. Týmto spôsobom sa zrno uvedie do tzv. anabiózneho stavu, je obmedzená činnosť mikroorganizmov a šírenie chorôb i živočíšnych škodcov obilia.

Cieľom tohto príspevku je predstaviť stručný prehľad inovácií v riešení konštrukcie a vybavení sušiarní zrnín.

Konštrukcia sušiarní a technológie sušenia

Sušiarne zrnín môžeme podľa konštrukcie rozdeliť na sušiarne s tzv. kanálikovou vnútornou štruktúrou (strieškovité vzduchové kanáliky); sušiarne so suvnou zvislou vrstvou; sušiarne s nútene suvnou šikmou vrstvou; obežné sušiarne (s valcovým zásobníkom) a zásobníkové sušiarne.

Sušiarne s kanálikovou vnútornou štruktúrou sú tvorené vlastnou sušiacou vežou (šachtou), agregátom na ohrev sušiaceho prostredia a vzduchotechnickou sústavou. Vnútorná štruktúra sušiarne predstavuje v podstate pasívne pracovné orgány, konštrukcia ktorých má veľký vplyv na kvalitu práce (rovnomernosť toku zrna, rovnomernosť rozdeľovania sušiaceho prostredia, intenzitu premiešavania, a teda i rýchlosť sušenia). Na tomto princípe pracujú napr. francúzske sušiarne LAW, sušiarne nemeckých firiem Laxhuber (Stela), Riela Getreidetechnik, BÜHLER (Schmidt-Seeger) a PETKUS, talianske sušiarne MECMAR výrobcu Riello Deca Legnano, NECO z USA, španielske DINA, fínske ANTTI a MEPU, poľské ARAJ, českých výrobcov Kovodružstva Strážov (TS, SM) a bývalých TMS Pardubice (LSO, SUZ). Súčasťou vybavenia týchto sušiarní môže byť ohrev sušiaceho prostredia pomocou rôznych zdrojov tepla, teplovzdušný výmenník tepla, v prípade plynu tzv. kobercový horák, samozrejmosťou je recirkulácia sušiaceho prostredia, izolácia sušiarne, automatická regulácia teploty a môže byť dodané čistenie sušiaceho prostredia na výstupe s účinným aeromechanickým odlučovačom.

Sušiarne so suvnou zvislou vrstvou, klesajúcou medzi stenami z dierovaných plechov alebo pevných kaskád, našli uplatnenie i pri sušení drobnozrnných obilnín a repky olejnej. Na tomto princípe pracujú sušiarne z USA výrobcu Mathews Company (M-C) alebo GSI Group (GSI) a prípadne českého výrobcu J4 (NS), nástupcu TMS Pardubice. Sušiarne sú zosýpacieho typu, pozostávajú z dvoch paralelných kanálov pre sušený materiál. Majú obvykle 3 sušiace pásma (počet závisí od výkonnosti) so samostatnými horákmi, a teda s rôznymi teplotami sušiaceho prostredia a chladiace pásmo. V niektorých prípadoch sa využíva na ohrev sušiaceho prostredia slama, ktorá je spaľovaná v ohrievačoch s výmenníkom tepla spaliny-vzduch. Tieto sušiarne sú i ako vežové valcové, napr. GSI alebo MEYER, priemer do 5,5 m, výška do 23,5 m.

Obr. 1: Nová generácia sušiarní Mathews Company

Obr. 1: Nová generácia sušiarní Mathews Company

Obr. 2: Ventilátor s pohonom

Obr. 2: Ventilátor s pohonom

Obr. 3: Hladina hluku v okolí sušiarne

Obr. 3: Hladina hluku v okolí sušiarne

Sušiarne s nútene suvnou šikmou vrstvou sa od predchádzajúceho typu sušiarní odlišujú vedením vrstvy sušeného materiálu po šikmých perforovaných plechoch pomocou vodiacej reťaze. V tomto prípade sa jedná o kontinuálne sušiarne zrnín anglickej firmy Alvan Blanch s dvojprúdovým systémom sušenia.

Pri obežných sušiarňach sa vrstva materiálu nachádza v medzikruží medzi vonkajším a vnútorným dierovaným plášťom, kde cirkuláciu materiálu zabezpečuje zvislá závitovka. Tu môže pri vyšších vlhkostiach dochádzať k poškodzovaniu sušeného materiálu (vlhší materiál je citlivejší na mechanické pôsobenie), s vyšším podielom jemných častíc súvisí i zvýšená prašnosť (rieši sa odsávaním). Na tomto princípe pracujú napr. sušiarne talianskeho výrobcu Pedrotti F. LLI alebo Mecmar.

Sušiarne výrobcu Dávid Manufacturing Company (z USA) CHIEF, typ CBS alebo výrobcu Grain Systems, typ GSI TopDry sú zásobníkového typu (priemer 14 m), výška vrstvy cca 2,5 m. Vyprázdňovanie sa uskutočňuje pomocou závitovky, ktorá sa pohybuje po podlahe zásobníka. Využíva sa i nepriamy ohrev sušiaceho prostredia pomocou teplovodného kotla spaľujúceho biomasu. Tieto sušiarne môžu spájať výhody sušiarne a obilného sila v jednom celku. Na druhej strane je vhodné uviesť dve pripomienky, ktoré sa bežne nespomínajú. Prvou je, že väčšina týchto sušiarní nemá doriešené chladenie zrna v priamo v zariadení, a preto sa horúce zrno musí presunúť do externého chladiča alebo prevetrávaného zásobníka (ktorý sa nepočíta do ceny sušiarne) pomocou ďalších dopravníkov. Tým sa zvyšuje aj energetická náročnosť (spotreba el. energie) celej zostavy (sušiareň, dopravníky, chladič). Druhou je, že aj "výhoda" skladovania sa môže zrazu zmeniť na nevýhodu, ak je potrebné pri plnom "sile" z rôznych dôvodov rýchlo presušiť nejaké zrniny (napr. pri problémoch s vlhkosťou v inom sile) a nie je to zrazu kde urobiť.

Z netradičných spôsobov sušenia zrnín je možné uviesť sušenie v halovej nízkopotenciálnej sušiarni s tepelným čerpadlom. Takéto riešenie umožňuje sušenie a skladovanie obilnín, strukovín a kukurice určených hlavne pre potravinárske účely. Tepelné čerpadlo umožňuje i chladenie privádzaného vzduchu. Technológia „viacstupňového kombinovaného sušenia“ (VKS) sa zakladá na spolupráci upravenej sušiarne a technologického skladu. Ako posledný (tretí) stupeň je zaradené odležanie a riadené vetranie zrnín v špeciálnom zásobníku spojené s odvedením 3÷4 % vlhkosti zo zotrvačnej difúzie a s ochladením na skladovaciu teplotu.

Ďalej sú známe rôzne technológie, kedy sušenie neprebieha v celom rozsahu v sušiarni a sú v podstate variáciou uvedeného viacstupňového kombinovaného sušenia:

  1. Dryeration - obilie usušené v sušiarni na vlhkosť 16,5÷18 % sa zahriate dopraví do bunky, kde je 6÷12 hodín prefukované cca 150÷350 m3.h-1 okolitého vzduchu na 1m3 zrna. V priebehu chladenia sa teplom akumulovaným v zrne zníži vlhkosť na 14÷15,5 %. S touto vlhkosťou je obilie uložené do vetraného sila.
  2. Dochladzovanie v zásobníku - obilie sa suší v sušiarni na vlhkosť 15÷16,5 % a potom sa teplé ukladá do vetraného zásobníka, v ktorom sa pri prefukovaní okolitým vzduchom zníži vlhkosť na 14÷15 %.
  3. Kombinované sušenie - jedná sa o dlhodobý proces používaný pri vysokej počiatočnej vlhkosti cca 25 %. V sušiarni sa zníži vlhkosť na 20÷22 % a potom sa uskladňuje obilie vo vetranom sile, kde sa prefukuje okolitým vzduchom.

Pri sušení zrnín na osivo je možné využiť i tzv. hangárové sklady osiva s dosušovaním. Celková plocha skladu je cca 1250 m2, pričom plocha na umiestnenie dosušovacích kontajnerov je cca 850 m2. Dosušovacie zariadenie tvoria tri nezávislé dosušovacie komplety, pričom v každom sa môže osivo dosušovať v desiatich kontajneroch. Teplota sušiaceho prostredia na vstupe do kontajnerov je maximálne 40 oC. Maximálne množstvo sušeného materiálu v desiatich kontajneroch je 15000 kg, doba jedného cyklu sušenia trvá 30 hodín.

Ďalšou možnosťou sušenia nielen zrnín je využitie tzv. pylónového vetrania. Systém vertikálnych pylónov s ventilátormi slúži na chladenie, vetranie a sušenie obilnín, repky, strukovín, atd. vo vrstve vysokej až 8 m. Tento systém odsáva vlhkosť z medzier medzi zrnami, nevyžaduje rovnú vrstvu a je použiteľný až do vlhkosti materiálu 20 %. Jeden ventilátor môže byť použitý pre viac pylónov, podľa zvoleného režimu. Napríklad pri vlhkosti materiálu 15 % stačí 1 prenosný ventilátor na 8 pylónov. Tento systém aktívneho pylónového vetrania je možné použiť takmer vo všetkých typoch skladov.

Prevzdušňovacie ihly s ventilátormi sú určené pre riešenie tzv. horúcich miest v uskladnenom obilí. Vysokotlaký sací ventilátor zaručuje vysokú prevádzkyschopnosť tohto zariadenia. Pre likvidáciu horúcich miest v uskladnenej repke sa dodávajú ihly v špeciálnej úprave.

Inovácie v technike sušenia

Z predchádzajúceho prehľadu vyplýva veľká variabilita konštrukčného riešenia sušiarní a technológií sušenia. V ďalšom texte budú uvedené niektoré inovácie v technike sušenia, kde i s ohľadom na rozsah článku nie je možné naraz uviesť novinky u všetkých výrobcov.

Výrobca sušiarní Mathews Company (USA) dodáva kontinuálne sušiarne od roku 1958. Sušiarne zrnín M-C sú kompaktné zariadenia s kontinuálnou prevádzkou, kde sušenie prebieha v zrnových stĺpcoch tvorených po obvode sušiarne perforovanými plechmi, jedná sa teda o zariadenia so suvnou zvislou vrstvou. Sušiarne umožňujú sušenie všetkých zrnín a olejnín už od veľkosti zrna 1,27 mm. Teplotu sušiaceho prostredia je možné regulovať v rozmedzí od 35 do 110 oC. Využívané sú tzv. Venturiho horáky a odstredivé ventilátory s dvojitým vstupom vzduchu. Bežne pracujú na zemný plyn alebo propán-bután so vstavaným splynovačom a s predohrevom. Niektoré sú vybavené ohrievačom spaľujúcim slamu.

Na Slovensko sú tieto sušiarne dodávané od roku 1996 a čo do počtu a inštalovanou výkonnosťou patria medzi najrozšírenejšie. Výkonnosti sú od 4,5 t.h-1 po 75 t.h-1 (platí pre pšenicu pri znížení vlhkosti zo 17 % na 13 % a teplotu sušiaceho prostredia 70 až 77 oC). Na Slovensku sa nachádzajú aj najvýkonnejšie zariadenia tohto výrobcu v Európe (model L 5175, pôvodné označenie 3180), kedy v jednom podniku sú inštalované tri tieto sušiarne využívané na sušenie kukurice v jesennom období. Výkonnosť sušiarne od modelu L 1350 je možné zvýšiť aj dodatočným dokúpením jednotlivých sekcií.

Vzhľadom na technické riešenie sušiarní je možné systém recirkulácie a systém požiarneho zabezpečenia objednať aj dodatočne.

Sušiarne sú od modelu L 1250 delené vo vertikálnej rovine na niekoľko sekcií, pričom každá je osadená samostatným horákom a ventilátorom. Táto konštrukcia umožňuje prispôsobiť v každej sekcii teplotu sušiaceho prostredia stavu materiálu, a tým dosiahnuť vysokú výkonnosť pri súčasne „šetrnom“ pôsobení na sušený materiál (dôležité napr. pri osivách a materiáloch na potravinárske účely) a efektívnom využití tepelnej energie. Najvýkonnejší model má až osem horákov, t.z. v ôsmich sekciách môžu byť rôzne teploty sušiaceho prostredia. Toto riešenie je možné považovať za významnú vlastnosť oproti iným sušiarňam. Horák je namontovaný i v chladiacej zóne, čo umožňuje v prípade potreby zvýšiť výkonnosť sušiarne bez nutnosti opakovaného prechodu materiálu zariadením. Toto súčasne umožňuje vysušiť zrno, ktoré je v chladiacej zóne pri spúšťaní sušiarne, bez nutnosti opakovaného prechodu (netreba tzv. točiť zrno).

Povrchové panely sú vyrobené z pozinkovaného plechu a v prípade požiadavky zákazníka je možné objednať vyhotovenie z hliníkových i nerezových plechov. Súčasťou zariadenia je kompletná elektro- a plynoinštalácia, takže nie je potrebné vybudovať velín. Veľmi jednoduché a lacné sú základy, bez možnosti zatekania, všetky časti sušiarne sú ľahko prístupné. Sušiarne nepotrebujú k činnosti tlakový vzduch na pneumatické ovládanie a reguláciu výpadu zo sušiarne, čo tiež zvyšuje spotrebu el. energie a často nie je zahrnuté do základnej ceny sušiarne. Kompresor a rozvod tlakového vzduchu môže pri nízkych teplotách (pri neskorom sušení kukurice v jesennom období) spôsobovať problémy so zamŕzaním.

V roku 2011 bol použitý nový riadiaci systém. Jednalo sa o nový dotykový riadiaci panel a riadiaci systém PLC od Siemensu, ktorý umožňuje nastavovanie teplôt servopohonmi z dotykového panela, priame 4-bodové meranie teploty zrna, automatické kontinuálne odoberanie a vyhodnocovanie vzoriek sušených zrnín, ukladanie rôznych údajov do pamäti a kopírovanie na USB kľúč, prenos údajov do PC cez Excel.

Výrobca Mathews Company pripravil novú generáciu sušiarní „Next Generation Legacy Series”, ktorá prinesie veľkú inováciu hardvéru aj softvéru. Bude obmenená konštrukcia samotného telesa sušiarne (zvýši sa hrúbka sušiacej vrstvy), úplne sa zmenia horáky a ventilátory, ktoré­ budú tichšie a výkonnejšie. Horáky budú tzv. veľkoplošné so zníženým tlakom plynu a s nižšou spotrebou. Zmeny budú v ovládacom paneli a v softvérovej výbave.

Realizované zmeny je možné zhrnúť do nasledovných bodov:

  • Úplne nové horáky, jedná sa o veľkoplošné horáky od firmy MIDCO, z hliníkovej zliatiny, prinesú zníženú spotreba paliva na jednotku výkonnosti;
  • Nové tzv. in-line ventilátory, ktoré spájajú výhody radiálnych a axiálnych ventilátorov, naviac so zníženou hlučnosťou (viď diagram);
  • Nové zjednodušenia pri usporiadaní horáka a motora ventilátora, zjednodušená výmena remeňov ventilátora, jednoduchá obsluha a prístupnosť;
  • Pri použití LPG zjednodušené nastavovanie splynovača zvonka (aj za prevádzky);
  • Inštalácia novej obslužnej plošiny (lávky) a čistiacej plošiny, nových rebríkov;
  • Nový systém dvojobrazovkovej  komunikácie na ovládacom paneli (obr.). Jedná sa o dva nezávislé dotykové panely s tým, že pri poruche jedného z nich ten druhý preberá na seba aj funkciu prvého (riešené softvérovo);
  • Nový sotvér Pinnacle 20/20 s veľmi širokými možnosťami prispôsobenia. Pre používateľov, ktorí graficky interpretujú historické údaje, je k dispozícii niekoľko trendových grafov, ktoré umožňujú skontrolovať predchádzajúcu výkonnosť zariadenia; 3-hodinová história výkonnosti sušiarne aktualizovaná každých 10 minút; interaktívne trendy, až 24-hodinová história priamo na telefóne; možnosť prijímať textové správy a e-mailové upozornenia zo zariadenia.

Obr. 4: Ovládací panel sušiarne (dvojobrazovková komunikácia)

Obr. 4: Ovládací panel sušiarne (dvojobrazovková komunikácia)

Obr. 5: Trendové grafy umožňujú skontrolovať predchádzajúcu výkonnosť zariadenia

Obr. 5: Trendové grafy umožňujú skontrolovať predchádzajúcu výkonnosť zariadenia

Nemecký výrobca sušiarní Laxhuber vyrába ako mobilné, tak aj stacionárne zariadenia. K najznámejším patria stacionárne sušiarne STELA GDB a MDB. Stacionárne sušiarne predstavujú stavebnicový systém, ktorý môže dosahovať výkonnosť od 120 do 3600 t/24 h. Sušiace a chladiace sekcie (moduly) sú vyrobené z legovaného hliníka. Z jednotlivých modulov sú postavené zvislé šachty, v ktorých sa nachádzajú vodorovné strieškovité vzduchové kanáliky. Uvedené typy sušiarní využívajú vo väčšine prípadov kobercové horáky na priamy ohrev sušiaceho prostredia. Sušiarne na kukuricu (najmä MDB) sú vybavené dvoma ventilátormi pre aktívnu rekuperáciu tepla. Vďaka pneumaticky riadenému rázovému vypúšťaniu a diferenciácii pracovného priestoru šachty dokážu usušiť kukuricu s až 35 % vlhkosťou jedným priechodom. K stacionárnym sušiarňam patrí i rad VARIO. Tieto sušiarne sú určené pre nižšie výkonnosti a môžu pracovať kontinuálne i dávkovo.

Nová technológia sušenia BiTurbo využíva dva horáky, pričom každý je možné nastaviť na inú teplotu ohrevu. Veža sušiarne je rozdelená do dvoch častí, rozdielne teploty umožňujú dvojfázové sušenie (v hornej časti 90 až 100 oC, v spodnej časti 130 až 150 oC). Každá sekcia sušiarne má tiež vlastný ventilátor a použitý je nový systém dvojstupňového odlúčenia prachu Combi Air Clean (zníženie podielu prachových častíc o 30 % oproti klasickému spôsobu).

Obr. 6: Sušiareň STELA s technológiou BiTurbo

Obr. 6: Sušiareň STELA s technológiou BiTurbo

Čerstvý vzduch (1) je nasávaný do spodnej časti sušiarne, ohrievaný plynovým horákom (2) a privádzaný spolu s predhriatym vzduchom z oblasti chladiacej zóny (3) do spodnej časti sušiarne (4). Vzduch na výstupe zo spodnej zóny (5) privádza do hornej časti sušiarne pomocou ventilátora (6). Zmiešaním so vzduchom zohriatym pomocou horáka (7) sa vytvára sušiace prostredie pre hornú časť sušiarne (8). Využité sušiace prostredie je odvádzané do okolia ventilátorom (9).

Uvádzané je zníženie spotreby tepla až o 15 %. Tieto sušiarne sú určené pre veľké firmy.

V oblasti ohrevu sušiaceho prostredia sú využívané rôzne zdroje tepla. Sušiarne patria medzi významné spotrebiče tepla, a preto je snaha využívať miestne zdroje. Jedná sa najmä o slamu a inú biomasu. Ako zvláštnosť môžeme uviesť inštaláciu výmenníka tepla, kedy na ohrev vzduchu sa využíva teplá voda z chladiaceho okruhu kogeneračnej jednotky bioplynovej stanice. Vzduch je následne na požadovanú teplotu dohrievaný pomocou elektrických ohrievačov. Výmenník s dohrievačom sú riadené automatickým systémom. Tento spôsob ohrevu sušiaceho prostredia bol realizovaný na sušiarni PETKUS. Pre sušiarne M-C sa dokončuje druhá aplikácia na predohrev sušiaceho prostredia pomocou odpadového tepla z bioplynovej stanice (BPS). Vo všeobecnosti situáciu komplikuje relatívne nízka teplota privádzanej vody (z pohľadu požadovanej teploty sušiaceho prostredia) a teplotný spád na výmenníku tepla (požadovaná teplota vratnej vody do bioplynovej stanice), preto je potrebný doohrev sušiaceho prostredia. Nevyhnutné je riešenie minimalizácie tepelných strát na prívodnom potrubí i samotnom výmenníku tepla. Z pohľadu činnosti BPS pre využitie odpadového tepla je problematická krátka ročná prevádzka sušiarní (reálne cca 1 až 3 mesiace), kedy je treba riešiť vo zvyšnom čase využitie tohto tepla pre iné účely. Pri kogeneračných jednotkách je to zaistenie využitia elektrickej energie mimo sušiacej sezóny.

Obr. 7: Pohľad na výmenník tepla – sušiareň PETKUS

Obr. 7: Pohľad na výmenník tepla – sušiareň PETKUS

Sušiarne GSI ovládané riadiacim systémom Vision je možné doplniť monitorovacím systémom WatchDog. Tento systém umožňuje operatívny dohľad nad zariadením či už z domova, počítača v kancelárii, alebo ak ste na cestách. Systém WatchDog umožňuje kontrolovať parametre počas činnosti sušiarne, ako je vlhkosť a teplota zrna, teplota sušiaceho prostredia, dobu zadržania sušenej zrniny a ďalšie parametre. Umožňuje priamu kontrolu nad sušením, obsluha sa môže krátkodobo vzdialiť. Výhodou je i vzdialený prístup servisného pracovníka (kvalifikované poradenstvo) a z toho vyplývajúce zníženie zbytočných výjazdov a neproduktívnych časov, t.j. zníženie nákladov a zvýšenie výkonnosti zariadenia.

Obr. 8: Monitorovací systém WatchDog

Obr. 8: Monitorovací systém WatchDog

Ako vyplýva z prehľadu, výrobcovia sušiarenskej techniky venujú pozornosť inováciám v oblasti konštrukcie zariadení, technológie sušenia, regulácie a ovládania s využitím súčasných trendov diaľkového pripojenia a taktiež možnostiam využitia dostupných zdrojov tepla v danej lokalite. Budúci investor musí kvalifikovane zvážiť jednotlivé možnosti pre daný stav. Súčasný prevádzkovateľ by mal sledovať možnosti modernizácie svojho zariadenia a zabezpečiť tak prevádzku zariadení pri plnej funkčnosti a energetickej a ekonomickej výhodnosti. V každom prípade by samozrejmosťou mala byť vyškolená obsluha.

Údaje sú publikované z dostupných firemných materiálov, v prípade výrobcu Mathews Company s láskavým dovolením a poskytnutím doteraz nepublikovaného obrazového materiálu dovozcom týchto zariadení.