Сушіння зерна в Україні: від БАНТИНИ – до ШАХТИни!

  

Автори:

Халін С., директор, доктор екон. наук, доцент
Гайдай Т., заступник директора, канд. техн. наук, старший дослідник
Занько М., канд. техн. наук
(ДНУ «УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого»)

Сучасні зерновиробники добре пам’ятають ті часи, коли врожай зернових культур збирали і обмолочували при повній стиглості зерна. Такої стиглості можна було досягти в польових умовах, оскільки літнє сонечко добре робило свою справу. Висушене зерно надійно зберігалося в коморі. Природне сушіння кукурудзи на пні часто ускладнюється несприятливими метеорологічними умовами осіннього періоду. Зокрема, висока вологість повітря, часті опади та зниження температури в нічний час перешкоджають ефективній вологовіддачі зерна, що зумовлює необхідність застосування методів штучного сушіння.

Історично збирання кукурудзи здійснювалося переважно ручним способом. Із упровадженням перших вітчизняних кукурудзозбиральних комбайнів механізація обмежувалася збором урожаю в качанах. Подальша післязбиральна обробка на підприємствах та елеваторах передбачала трудомістке ручне очищення качанів від обгорток для забезпечення їхнього природного сушіння. У господарствах із низьким рівнем технічного оснащення застосовувався метод підвішування частково очищених качанів на спеціальних конструкціях (жердинах), де листяна обгортка використовувалася для фіксації. Це давало змогу досягти необхідних кондицій вологості зерна за відсутності автоматизованих сушильних комплексів. Так зерно в качанах висихало і доходило за вологістю до необхідної кондиції.

На початку ХХІ століття в агропромисловому секторі США та країн Європи відбулося широке впровадження спеціалізованого обладнання для штучного сушіння зерна. В Україні цей період характеризувався поступовим переходом від традиційних методів до інтенсивних технологій обробки, що було зумовлено розвитком комбайнового збирання зернових культур, зокрема кукурудзи. Розширення посівних площ і зростання попиту на кукурудзу на зовнішніх і внутрішніх ринках вимагали швидкого технічного переоснащення господарств.

Початковий етап модернізації вітчизняної галузі супроводжувався домінуванням імпортного обладнання. Однак трансформація ринкових відносин, приватизаційні процеси та посилення конкуренції стимулювали вітчизняні машинобудівні підприємства до освоєння виробництва складних зерносушильних комплексів. Потужні українські виробники успішно адаптували технологічний цикл до сучасних вимог, що дало змогу створити конкурентоспроможне вітчизняне обладнання, яке за техніко-економічними показниками не поступається закордонним аналогам.

На сучасному ринку зерносушильного обладнання України домінують установки шахтного типу, переважна більшість яких представлена європейськими виробниками. Географічне розташування виробничих потужностей (від північних до південних регіонів Європи) суттєво впливає на конструктивні особливості обладнання, вибір матеріалів і технологічні параметри сушіння.

Зокрема, зерносушарки виробництва південно-європейських країн спроектовані для роботи в умовах низької вологості повітря та відносно невисокої початкової вологості зерна (15-17%), що характерно для тривалого та сухого збирального сезону в цих регіонах. Відповідно, такі установки комплектуються газовими пальниками, розрахованими на помірні енерговитрати.

Однак експлуатація такого обладнання у кліматичних умовах України пов’язана з певними викликами. Значна протяжність території держави (близько 900 км з півночі на південь) зумовлює суттєві амплітуди температур, вплив холодних повітряних мас і високу відносну вологість повітря в осінньо-зимовий період. Початкова вологість кукурудзи при надходженні на переробку часто сягає 35% і більше. Для досягнення кондиційної вологості (14%) необхідно забезпечити вилучення понад 20% вологи за один цикл. Такий інтенсивний («жорсткий») режим сушіння при температурах до 125ºС разом із низькими зовнішніми температурами спричиняє значні термічні напруження в металоконструкціях сушарки. Це вимагає використання спеціальних марок сталі та посиленого антикорозійного захисту, здатних витримувати екстремальні температурні перепади та агресивне волого-температурне середовище.

Через нестабільність ринку традиційних енергоносіїв аграрний сектор України переорієнтовується на використання відновлюваних біоресурсів для генерації теплоносія. Для спалювання біопалива дедалі частіше впроваджуються теплогенеруючі установки вітчизняного виробництва. Слід підкреслити, що більшість зерносушарок європейського виробництва не адаптовані до інтеграції з такими системами.
Паспортна продуктивність імпортного обладнання зазвичай розрахована на кліматичні умови країни-виробника та роботу з зерном низької початкової вологості. При експлуатації в реаліях українського агровиробництва показники таких установок суттєво відхиляються від заявлених: фактична продуктивність знижується орієнтовно на 30-35%. Робота в інтенсивних температурних режимах призводить до прискореної деградації конструкційних матеріалів шахт і скорочення міжремонтного ресурсу. У результаті цього відбувається зниження загальної енергетичної та економічної ефективності використання зарубіжних сушильних комплексів порівняно з адаптованими вітчизняними аналогами.

Аналіз експлуатаційного досвіду свідчить про поступову зміну пріоритетів вітчизняних агровиробників на користь обладнання українського виробництва. Станом на 2025 рік вітчизняні машинобудівні підприємства володіють необхідною технологічною базою та конструкційними матеріалами для задоволення зростаючого попиту на адаптовані сушильні комплекси.

Релевантним прикладом є лінійка шахтних зерносушарок потокового типу серії «ТоР» (виробництва ТОВ «ТЕЗЗ», смт Гребінки), розробка яких триває з 2020 року. Модельний ряд включає модифікації СД-15, СД-20, СД-30, СД-40, СД-60 та СД-80. При зниженні вологості кукурудзи з 24% до 14% продуктивність цих установок варіюється в межах 4,0-25,0 т/год.

Високі експлуатаційні показники забезпечуються такими технічними характеристиками:
•    Місткість шахт: від 15 до 80 тонн зерна;
•    Потужність вентиляційних систем: від 40 000 до 180 000 м³/год, що гарантує інтенсивний тепломасообмін;
•    Енергозабезпечення: визначена потужність електродвигунів становить 11,75-57 кВт.

Відповідно до сучасних вимог енергоефективності установки комплектуються твердопаливними теплогенераторами потужністю 1,2-5 МВт, адаптованими для спалювання біопалива. Конструктивне рішення сушарок поєднує переваги традиційних шахтних систем із трикутними повітряними коробами та жалюзійних сушарок. Це дає змогу ефективно обробляти зернову масу з рівнем засміченості до 4%. Використання діагонального розташування коробів, на відміну від класичного горизонтального, забезпечує рівномірний розподіл теплоагента та уможливлює отримання на виході зерна з високим рівнем однорідності за вологістю.

Рисунок 1 — Шахтна зерносушарка потокового типу «ТоР» моделі «СД-30» 

Зерносушарки шахтного типу серії «ТоР» (модель СД) призначені для сушіння зерна та насіння зернових, бобових, технічних і олійних культур (кукурудзи, соняшника, ріпаку, сої, рису). Принцип роботи обладнання базується на використанні потоку нагрітого повітря (теплоносія), що проходить крізь зерновий шар. Конструктивно установки належать до шахтних сушарок вакуумного типу: за допомогою вентиляторів у секціях нагріву створюється розрідження, що забезпечує інтенсивний рух теплоносія через зернову колону. Технічні характеристики дають змогу експлуатувати обладнання в усіх кліматичних зонах України.

Конструкція завантажувального бункера та даху сушарки виконана з оцинкованої листової сталі, що забезпечує корозійну стійкість і довговічність при накопиченні вологого зерна. Завантаження сировини здійснюється через технологічний отвір діаметром 200 мм. Для автоматизації процесу наповнення бункер оснащений двома ротаційними датчиками рівня, які інтегровані в систему управління подачею зерна.

Дифузори (розподільні камери) зернової колони виготовлені з оцинкованої листової сталі та розташовані по обидва боки сушильних секцій. Конструкція передбачає двосторонню функціональність: з одного боку встановлено дифузор теплогенератора, що дозволяє інтегрувати газовий пальник або під’єднати повітропровід твердопаливної топочної установки. З протилежного боку розташований дифузор вентилятора, який забезпечує розрідження (вакуумування) всередині колони, створюючи необхідний градієнт тиску для інтенсифікації процесу вологовіддачі.

Сушильна колона, виконана з корозійностійкої оцинкованої сталі, є робочим об’ємом для гравітаційного переміщення зернової маси. Технологічний цикл передбачає послідовне нагрівання, висушування та охолодження зерна у нижніх секціях. Колона оснащена системою підвідних та відвідних повітропроводів (коробів), що забезпечують подачу сухого теплоносія та видалення відпрацьованого вологого повітря (рис. 2). Специфічна конфігурація коробів із вертикальними елементами реалізує ефект самоочищення, що дає змогу здійснювати стабільний процес сушіння зернового матеріалу із рівнем засміченості до 4%.

Рисунок 2 — Рух повітря в сушильній шахті з діагонально розміщеними  повітряними каналами (загальна схема)

Вивантажувальний механізм (ВМ) (рис. 3) призначений для плавного дозованого відвантаження зерна. Він приводится в дію двигун-редуктором, який у свою чергу керується частотним перетворювачем, що дає змогу з високою точністю керувати продуктивністю відвантаження зерна.

Рисунок 3 — Вивантажувальна система та опорна конструкція зерносушарки типу «ТоР»

Вивантажувальний бункер, виготовлений із оцинкованої сталі, забезпечує спрямування висушеного зерна самопливом у приймальну секцію норії для подальшого транспортування. Конструкція бункера передбачає наявність інспекційного люка для проведення регламентних оглядів та очищення внутрішнього об’єму від домішок.

Опорна металоконструкція, виконана з профільного сталевого прокату (кутиків) із захисним лакофарбовим покриттям, розрахована на статичні та динамічні навантаження від повної маси зернової колони.

Вентиляційна система представлена осьовим вентилятором, інтегрованим у верхню частину дифузора. Таке розташування сприяє зниженню акустичного тиску та дає змогу доукомплектовувати установку системами аспірації (циклофенами) для мінімізації викидів пилу. Робоче колесо (крильчатка) вентилятора зафіксоване безпосередньо на валу електродвигуна, що спрощує кінематичну схему та підвищує надійність привода.

Процес тепломасообміну реалізується шляхом проходження повітряного потоку (теплоносія), нагрітого до заданих параметрів, крізь шар зерна. Рівномірний розподіл потоку забезпечується взаємодією дифузора теплогенератора та витяжного осьового вентилятора.

Автоматизація технологічного циклу здійснюється за допомогою мікропроцесорного блока керування (контролера). Система в реальному часі опрацьовує дані від датчиків температури, встановлених у зонах подачі та відведення теплоносія, що дає змогу підтримувати стабільність температурних режимів сушіння.

 

Зерно в сушарку подається норією зверху через вхідний отвір в даху і гравітаційно рівномірно розподіляється зерновою колоною. Зерно нагрівається від гарячого повітря, яке підігрівається топкою на твердому паливі або пальником на природному газі (пропані), та за допомогою вакуумного вентилятора, який знаходиться на даху зерносушарки, всмоктується в шахту сушарки. По мірі нагрівання зерна воно втрачає вологу. Той же вентилятор, створюючи розрідження в секції охолодження, забезпечує охолодження зерна до температури навколишнього середовища.

Вивантаження зерна з сушарки здійснюється за допомогою вивантажувального механізму з мотор-редуктором.

Технологічний процес розпочинається з подачі попередньо очищеного від домішок зернового матеріалу за допомогою норії до завантажувального бункера, розташованого у верхній частині установки. Заповнення здійснюється через завантажувальний патрубок діаметром 200 мм. Автоматизація циклу забезпечується двома ротаційними датчиками рівня, які регулюють роботу подавальних механізмів для підтримання стабільного об’єму сировини.

Рисунок 4 — Сушильна колона з коробами-повітроводами (вигляд усередині колони)

 Рисунок 5 — Рух зерна в сушильній шахті з вертикальною перемичкою над трикутним коробом

Рух зернової маси в сушильній колоні відбувається гравітаційним способом (самопливом) зверху вниз. Конструкція колони (рис. 4), виготовлена з оцинкованої листової сталі, забезпечує послідовне проходження зерном зон нагрівання, інтенсивної вологовіддачі та охолодження. Ефективний тепломасообмін реалізується через систему повітропідвідних та відвідних коробів (рис. 5): крізь них у зерновий шар подається сухий теплоносій (нагріте повітря) і видаляється відпрацьований агент сушіння з високим вмістом вологи.

Зерносушарка типу «ТоР» моделі СД-30 при проведенні випробувань працювала в технологічному тандемі з твердопаливним теплогенератором із тепловою потужністю 2,0 МВт.

Система генерування та розподілу теплоносія передбачає подачу нагрітого повітря від теплогенератора (або газового пальника) через систему повітропроводів до вхідного дифузора зернової колони. Термічна обробка зернового шару здійснюється шляхом примусового проходження потоку теплоагента крізь технологічний об’єм сушарки.

Необхідний градієнт тиску для інтенсифікації тепломасообміну забезпечується витяжним осьовим вентилятором, розташованим у вихідному дифузорі з протилежного боку колони. Створення зони розрідження (вакуумування) у внутрішньому просторі сушарки дозволяє оптимізувати параметри вологовіддачі та забезпечити рівномірне прогрівання зернової маси по всьому перерізу колони.

Конфігурація коробів із вертикальними елементами забезпечує можливість сушіння зерна із засміченістю до 4% (колона з самоочисткою).
Вертикальна перемичка, розташована над трикутним коробом, розділяє шахту на вертикальні стволи, як у жалюзійних сушарках. Це не дає зерну змоги хаотично рухатися шахтою сушарки, внаслідок чого кожна зернина з кожного із стволів за однаковий час проходить шахту, і відбувається рівномірне сушіння продукту. Також вертикальна перемичка не дає змоги зерновому сміттю осідати на вершинах трикутних коробів. Так уможливлюється сушіння в колоні більш засміченого зерна (до 4%), а також зменшується пожежонебезпека зерносушарки.
Вивантажувальний механізм здійснює дозування та плавне вивантаження зерна. Вивантаження зерна виконується за допомогою вивантажувального механізма, який приводиться в дію двигун-редуктором, який у свою чергу керується частотним перетворювачем. Це дає змогу з високою точністю керувати продуктивністю вивантаження зерна з сушарки. На відміну від шахтних зерносушарок інших виробників, цей вивантажувальний механізм має легкий доступ для чищення і обслуговування та дає змогу плавно й рівномірно вивантажувати зерно.

Шахта зерносушарки може бути виготовлена у трьох варіантах залежно від потреб замовника: 1) без рекуперації тепла; 2) з рекуперацією тепла; 3) з подвійною рециркуляцією повітря в колоні (повне відшкодування тепла).

Зерносушарки «ТоР» можуть обладнуватися традиційними газовими пальниками або топками на твердому паливі залежно від економічної доцільності використання конкретного виду палива. Теплогенератор або газовий пальник, що знаходяться з одного боку колони сушарки, за допомогою приєднаного повітровода подає теплоагент до дифузора. Повітряний потік гарячого повітря пронизує зерно в колоні і виходить на протилежний бік колони в другий дифузор. З протилежного боку знаходиться дифузор осьового вентилятора, який створює вакуум у колонні, завдяки чому відбувається процес сушіння.

Додатковими опціями у складі зерносушарки можуть бути такі:
- система аспірації витяжного вентилятора;
- утеплення зерносушильної колони;
- віялка для відбору легких фракцій забруднення зерна;
- оперативні ємності – силоси з конусним дном для зберігання і охолодження зерна;
- транспортне обладнання – норії, транспортери.

Експлуатаційне оцінювання сушарки моделі «СД-30», представника зерносушарок типу «ТоР», проведено в складі зерносушильного комплексу (рис. 6), побудованого на її базі (на території ФОП Куцаєв В.О., Кіровоградська область, м. Олександрія). Зерносушарку і теплогенератор в її складі доставлено з місця виготовлення – смт Гребінки, Київська обл. до місця монтування і експлуатації в повному комплекті, в демонтованому стані. Її монтування на зерновому складі проводилося силами сервісної служби ТОВ «ТЕЗЗ». За результатами технічної експертизи встановлено, що якість виготовлення зерносушарки – хороша і відповідає вимогам технічних умов ТУ У 28.9-37944893-001: 2025 «Зерносушарки шахтного типу «ТоР» модель СД». Зерносушарка типу «ТоР» моделі «СД-30» при проведенні випробувань працювала в технологічному тандемі з твердопаливним теплогенератором потужністю 2,0 МВт (розробки і виробництва ТОВ «ТЕЗЗ»).

Рисунок 6 — Шахтна зерносушарка потокового типу «ТоР» моделі «СД-30» (загальний вигляд у складі зерносушильного комплексу господарства)

Природні умови, які значно впливають на теплову ефективність використання теплової енергії теплогенераторного  комплексу і продуктивність сушіння зерна – температура оточуючого середовища, вологість повітря, атмосферний тиск загалом були задовільними: температура навколишнього повітря становила +4°С. Температура теплоагента, який подавався з теплообмінника теплогенератора в сушарку, становила 117ºС, що відповідає вимогам до умов сушіння зерна кукурудзи продуктового та фуражного призначення. Посушливі умови при вистиганні зерна у вересні-жовтні 2024 р. обумовили незначну вологість зерна на рівні 22%. Тому сушіння зерна до нормованих 14% виконувалося в режимі зйому вологи всього на 8% (з 22% до 14%) за один прохід через сушарку.

У висушеному зерні не виявлено сторонніх запахів. Теплоагент у сушарку подавав вентилятор твердопаливного теплогенератора, який спалював пелети, виготовлені з відходів соняшника – з лушпиння насіння. Теплотворна здатність такого палива знаходиться на рівні 4 кВт/кг. При проектних витратах біопалива (деревних трісок) у топці теплогенератора в 900 кг/год фактичні витрати пелет становили 530 кг/год, а питомі витрати – 5,1 кг/т%. Теплогенератор при спалюванні такої кількості соняшникових пелет розвиває теплову потужність 2 МВт. Осьові вентилятори забезпечують подачу теплоагента та переміщення холодного повітря в сушарку з продуктивністю 75 000 м³/год. Продуктивність сушіння зерна кукурудзи при такому режимі зниження вологи становила 13,0 т/год. Номінальна потужність електродвигунів сушарки, норій і теплогенератора становить 47,7 кВт, споживана – 46,0 кВт. Питомі витрати електроенергії зерносушарки при зазначеній продуктивності сушіння становили 0,44 кВт×год/т%.

Економічні показники сушарки «СД-30» визначені згідно з ДСТУ 4397: 2005 «Сільськогосподарська техніка. Методи економічного оцінювання техніки на етапі випробування». Установлено, що затрати праці під час експлуатації сушарки та сушіння зерна становлять 0,01 люд.-год./ (т%). Прямі експлуатаційні витрати на 1т% становили 18,65 грн. Уструктурі прямих експлуатаційних витрат 74% займають витрати на теплову та електричну енергії.

Якість виготовлення зерносушарки типу «ТоР» моделі «СД-30» перевірялася на відповідність вимогам технічних умов ТУ У 28.9-37944893-001: 2025 «Зерносушарки шахтного типу «ТоР» модель «СД». За результатами технічної експертизи встановлено, що механічна обробка комплектуючих деталей і вузлів відповідає вимогам конструкторських документів. У конструкції сушарки використано термоміцну оцинковану сталь. Якість і параметри антикорозійного металевого покриття – за допомогою цинку – відповідає вимогам технічних умов на зерносушарку. Елементи конструкції, виготовлені з листового та профільованого прокату, гострих країв не мають.

Контроль якості зварювальних з’єднань проведено візуально-оптичним методом. Зварні з’єднання виконані з урахуванням режиму зварювання для кожного типу з’єднання і поєднання товщини металу. Поверхня зварних швів є гладкою або дрібнолускатою і має плавний перехід до основного металлу. Наплавлений метал є щільним всією довжиною шва, не має тріщин, скупчень і ланцюжків, поверхневих пор.

Болтові з’єднання затянуті рівномірно, з необхідним зусиллям, перекоси і деформації з’єднаних деталей – відсутні.

Оцінювання конструкції зерносушарки моделі «СД-30» типу «ТоР» на відповідність вимогам Технічного регламенту з безпеки машин та ергономіки проведено згідно з державним стандарту ДСТУ EN 614-1:2018 «Безпечність машин. Ергономічні принципи проектування. Частина 1», який є одною із складових доказової нормативно-законодавчої бази відповідності зазначеному регламенту (в частині пунктів, вимоги яких поширюються на зерносушарку «СД-30»). Управління зерносушаркою відбувається в автоматичному режимі. Весь процес сушіння регулює електронний блок (контролер) управління процесом. Електронний блок управління постійно отримує дані з датчиків температури на вході та виході агента сушіння. Шафа керування зерносушаркою розміщена в операторській кімнаті, що забезпечує задовільні умови для роботи оператора.

За результатами тестувань зроблено оцінку конструкції зерносушарки «СД-30» і констатовано, що вона:
- має всі позитивні особливості, характерні для сушарок шахтного типу: здатність сушити зерно всіх видів зернових, олійних і бобових культур і за різними технологіями, при цьому забезпечуєтьтся продуктивність сушіння в значному діапазоні;
- адаптована, продуктивно сушить зерно в технологічному тандемі твердопавливним теплогенератором;
- має хороший рівень енергоефективності й енергозбереження, оскільки може працювати в режимі одно- та подвійної рециркуляції повітря в колоні (повне відшкодування тепла);
- може сушити зерно із засміченістю до 4% (тобто колона з самоочищенням) завдяки конфігурації коробів із вертикальними елементами (рис. 4);
- має задовільний рівень автоматизації технологічних режимів. Це дає змогу контролювати процес сушіння зерна, спалювання біопалива, вироблення теплоагента з необхідною температурою та його подачу в сушарку;
- задовільно адаптована до проведення технічного обслуговування;
- характеризується хорошим рівнем проектно-конструкторських робіт та якості виготовлення з боку виробника – ТОВ «ТЕЗЗ;
- високий рівень адаптивності конструкції спрощує процес монтажу та забезпечує повну технологічну сумісність сушарки з іншим обладнанням у складі зерноочисних комплексів. Це гарантує високу експлуатаційну надійність установки в умовах реального виробничого циклу;
- в умовах сухої осені в зоні Степу України сушарка при сушінні зерна кукурудзи забезпечує продуктивність на рівні 312 тонн на добу, що відповідає вимогам Технічних умов на зерносушарку – не менше 240 тонн/добу. Досягнення заявлених показників продуктивності забезпечується стабільним генеруванням і подачею теплоносія від твердопаливного теплогенератора, що працює на біопаливі.

Використання зерносушарки типу «ТоР» моделі «СД-30» та твердопаливного теплогенератора з використанням біопалива (пелети) в технологіях сушіння зерна в сучасних умовах забезпечення іншими енергоносіями (природний газ, електроенергія, дизельне паливо) відповідає сучасним тенденціям при сушінні зерна в Україні. Практика їхньогог використання в Україні свідчить, що основними замовниками зерносушарок є сільськогосподарські підприємства різних форм власності та зернопереробники, які займаються зберіганням і переробкою урожаю зернових і олійних культур і кукурудзи.

Реалізація зерносушарок типу «ТоР» підприємством-виробником ТОВ «ТЕЗЗ» засвідчила, що основними замовниками є сільськогосподарські підприємства різних форм власності або переробники, які займаються зберіганням і переробкою зернових культур. Згідно з основною технічною комплектацією і використанням додаткових опцій зерносушарка успішно експлуатується в усіх кліматичних зонах України. Зерносушарка типу «ТоР» моделі «СД-30» в комплектації з твердопаливним теплогенератором засвідчила свою економічність та ефективність застосування в підприємстві-власнику, яке займається зерновиробництвом і сушінням зерна. 

За результатами державних випробувань, проведених ДНУ «УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого», зерносушарку шахтного типу «ТоР» (модифікація «СД-30») у комплектації з твердопаливним теплогенератором рекомендовано до серійного виробництва та широкого впровадження в агропромисловому секторі України.