Обоснование и совершенствование процессов и аэрожелобных устройств для послеуборочной обработки зерна
На правах рукописи
ВОЛХОНОВ МИХАИЛ СТАНИСЛАВОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И АЭРОЖЕЛОБНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА 05.20.01- Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Чебоксары - 2008 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Костромская государственная сельскохозяйст венная академия».
Научный консультант доктор технических наук, профессор Зимин Евгений Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов Валерий Васильевич доктор технических наук, профессор Бурков Александр Иванович доктор технических наук, доцент Андрианов Николай Михайлович Ведущая организация ГНУ Северо-Западный научно - исследо вательский институт механизации и элек трификации сельского хозяйства (ГНУ СЗНИИМЭСХ)
Защита состоится 25 апреля 2008 года в 1000 на заседании диссертаци онного совета Д 220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428000, г. Чебоксары, ул. К. Мар кса, 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чу вашская государственная сельскохозяйственная академия».
Автореферат разослан «_» 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Михайлова О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Зерно злаковых культур в виде продуктов его переработки является главной составляющей продуктов питания человека.
Среднегодовое производство зерна в мире с площади около 750 млн. га со ставляет почти 2,072 млрд. тонн. Страны с благоприятными природно климатическими условиями, такие как США, Канада, Австралия, производят свыше 1000 кг зерна на душу населения и являются экспортерами его на ми ровом рынке. Такое положение позволяет им устанавливать цены на зерно на мировом рынке, а также использовать экспортируемое зерно в качестве «про довольственного оружия» для решения своих политических задач. С этих по зиций зерно не только удовлетворяет основные потребности человека в пище, но и имеет глобальное стратегическое значение.
В РФ за последние годы благодаря интенсификации производства зерна, осуществляемой на всех этапах, начиная от селекции и кончая способами уборки, переработки и хранения зерна, наблюдается рост объемов его валово го сбора. Так в 2004…2006 гг. производство зерна в России вышло на рубеж 78,1…78,5 млн. тонн и составило 455,3 кг на человека. Однако эти показатели много ниже научно обоснованной нормы и уровня производства зерна в дру гих развитых странах. А потому можно утверждать, что существует возмож ность наращивания производства зерна не только за счет более полного ис пользования площадей, пригодных для земледелия, или за счет интенсивных технологий возделывания, обработки почвы, внесения удобрений, использо вания более продуктивных сортов зерновых культур, но и за счет сокращения потерь зерна в процессе его послеуборочной обработки и хранения.
По имеющимся данным в структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30...60%, в структуре себестоимости - до 40%. Следова тельно, своевременная и качественная послеуборочная обработка - один из путей сокращения потерь зерна, улучшения его семенных и продовольственных свойств.
В увлажненной зоне главная и наиболее ответственная операция после уборочной обработки - сушка зернового материала. Отсутствие своевременной обработки может привести к большим потерям. В целом по стране необходимо подвергать сушке 40...45% собранного зерна, а проблема получения высококаче ственного семенного материала особенно остро стоит в настоящее время, по скольку сушильное хозяйство в силу сложившейся экономической ситуации в РФ пришло в упадок.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых доказано, что одним из главных направлений повышения качественных показателей семян является совершенствование технологии обработки путём сушки зерна во взвешенном со стоянии. Использование аэродинамических устройств для сушки, охлаждения и перемещения зерна показало их эффективность, однако данная тема на сего дняшний день недостаточно глубоко исследована. Необходимость решить задачу сохранения и повышения качества зерна на этапе его послеуборочной обработки и необходимость повышения надежности технологических процессов ее осуще ствляющих обусловило актуальность исследования и позволило сформулировать проблему, объект, предмет и цель исследования.
Научная проблема состоит в поиске методов повышения эффективности функционирования аэрожелобных устройств в технологических линиях по слеуборочной обработки зерна с целью получения максимального эффекта от их применения.
Объект исследования. Технологические процессы сушки, охлаждения зернового вороха в условиях его аэродинамического перемещения.
Предмет исследования. Параметры технологических процессов и аэроже лобных устройств для послеуборочной обработки зерна.
Цель исследования. Обоснование конструктивно-технологических пара метров и совершенствование процесса работы аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов.
Гипотеза исследования. Если учесть особенности обработки зерна во взвешенном состоянии в аэрожелобных устройствах, а именно особенности фор мирования зерновых слоев в аэрожелобе и особенности тепломассообменных процессов, то это может позволить увеличить надежность и эффективность функционирования аэрожелобов в технологических линиях послеуборочной об работки зерна.
Методы исследования. В исследовании использованы методы теории ве роятностей и математической статистики, теории эксперимента, теории тепло- и массопереноса, оригинальные авторские частные методики. Использование ука занных методов основывалось на применении современных технических средств и измерительных приборов.
Экспериментальные методы исследования реализованы на физических мо делях, натурных образцах и в условиях производства. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики в среде специализирован ного пакета по статистическому анализу и обработке данных STATGRAPHICS Plus для Windows. Физико-механические свойства семян и показатели их качест ва определялись в соответствии с существующими государственными стандар тами.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Костромской государст венной сельскохозяйственной академии «Совершенствование технологии и тех нических средств при послеуборочной обработке зернового вороха» в рамках общероссийской научно-технической программы, номер государственной реги страции 01-97000-72-8. Направление работы соответствует решению задачи 01:
«Обеспечить развитие научных принципов технологической политики и разрабо тать основы построения системы технологий и машин для повышения конкурен тоспособности производства сельскохозяйственной продукции, продуктивности земли и животных, экономической эффективности, ресурсосбережения и форми рования товарного производства» и ее разделу 01.01.05 «Применение аэродина мических устройств для сушки семян в плотном и псевдоожиженном слое»;
в со ответствии с заданиями департамента АПК № 16-02 Костромской области;
в со ответствии с договорами о творческом сотрудничестве с предприятиями Ива новской и Ярославской областей.
Научную новизну работы составляют: термодинамический метод расче та процесса сушки, теория эффективности и кратности использования рецирку ляции сушильного агента;
аналитическая модель смещения зерна в сушильном коробе;
теоретическое обоснование динамики движения и состояния зернового слоя в процессе обработки на аэрожелобах, конструктивных и технологических параметров газораспределительной системы аэрожелобных сушилок;
методика определения состояния движущегося зернового слоя;
полученные зависимости конструктивно-технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэроже лобного типа;
уточненная методика расчета и результаты анализа эффективности сушки зерна в различных сушилках. Новизна научных и технических решений подтверждена 9 патентами РФ.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
На основе усовершенствованных технологических схем аэрожелобных устройств для сушки, охлаждения и перемещения зерна разработаны и изготов лены:
- устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха, внедренное в эксплуатацию в СПК «Дружба» Вохомского района Костромской области;
- опытные образцы аэрожелобных сушилок с обособленными сушильны ми коробами - АС-М-6 и шахтного исполнения - СУША-4, которые внедрены в эксплуатацию на зерноочистительно-сушильных пунктах: опытного поля Кост ромской ГСХА;
СПК имени М. Горького Костромской области;
ЗАО СП «Ме ленковский» Ярославской области;
АОЗТ «Земледелец» Ивановской области;
- выгрузной рабочий орган-охладитель зерна аэродинамического типа, внедренный в технологическую линию сушки семян на зерноочистительно сушильном пункте в СПК «Красная поляна» Новосокольнического района Псковской области.
Результаты исследований и опыта внедрения рекомендованы НТС депар тамента агропромышленного комплекса Костромской области для широкого применения в хозяйствах.
Результаты диссертационной работы нашли также применение в учебном процессе Костромской, Великолукской, Ижевской и Ярославской государствен ных сельскохозяйственных академий, Санкт-Петербургского государственного университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном про ектировании студентов, обучающихся по специальностям 110301, 110303 и 110304.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доло жены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов разного уровня - межвузовских, региональных, всероссий ских и международных: Костромской ГСХА, состоявшихся в 2000...2003 гг.;
Ко стромского государственного университета в 2001 г.;
Ивановской ГСХА в гг.;
Научно - исследовательского института сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого в 2001 гг.;
Санкт - Петербургского государственного аг рарного университета в 1999 г., Ярославской ГСХА в 2001...2004 гг.;
Рязанской ГСХА имени П.А. Костычева в 2000 г.;
Вятской ГСХА в 2006 г.;
Ижевской ГСХА в 2006 г.;
на втором Всероссийском съезде работников с.х., состоявшемся в г. Костроме в 2002 г.;
на Международных научно-практических конференциях:
«Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики», состо явшейся 10-13 октября 2000 г. в Московском государственном агроинженерном университете имени В.П. Горячкина, г. Москва;
«Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России», состо явшейся 20-22 июня 2000 г. в Зональном научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, г. Киров;
«Акту альные проблемы инженерного обеспечения АПК», состоявшейся в 2003... гг. в Ярославской ГСХА, г. Ярославль;
«Совершенствование средств механи зации и технического обслуживания в АПК», состоявшейся в 2003 г. в Чуваш ской ГСХА, г. Чебоксары;
«Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», состоявшейся 5-6 февраля 2004, 2005, 2006 годах в Костромской ГСХА, г. Кострома.
Результаты работы демонстрировались: на областных выставках достиже ний науки и техники г. Костромы в 2000…2005 гг.;
на областных конкурсах на лучшее техническое решение, изобретение и рационализаторское предложение, направленное на решение актуальных проблем народного хозяйства Костром ской области. В 2000 г. работа удостоена первой премии, в 2006 - второй и треть ей премии главы администрации Костромской области;
результаты работы отме чены серебряными медалями в 2004 и 2005 гг. на Российской агропромышлен ной выставке «Золотая осень», проходившей в г. Москве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ, в том числе статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 14 публикаций в материа лах международных конференций, 7 патентов РФ на изобретения и 2 патента РФ на полезные модели.
Защищаемые положения:
- основы теории аэрожелобных устройств для сушки зернового вороха;
- термодинамический метод расчета процесса сушки, теория эффективности и кратности использования рециркуляции сушильного агента;
- методики изучения состояния зернового слоя в процессе его обработки на аэ рожелобах;
- технологии послеуборочной обработки зерна с использованием новых рабочих органов и машин аэрожелобного типа для подсушки и сушки зернового вороха;
- результаты исследовательских, контрольных испытаний новых машин;
- результаты анализа эффективности сушки зерна в различных сушилках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов и приложений. При общем объеме 480 страниц содержит 282 страницы основного текста, 115 рисунков, 12 таблиц, 53 приложе ния. Список использованных источников включает 345 наименований, из них на иностранных языках. В приложениях приведены документы, отражающие уровень практического использования результатов исследований, данные экспе риментальных исследований, копии патентов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит краткое изложение состояния исследуемой проблемы, ее актуальность, сущность выполненной работы, цель и основные положения, выно симые на защиту.
Решение отдельных частных задач по теме диссертационной работы выпол нено автором совместно с доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РФ Е.М. Зиминым, кандидатами технических наук С.А.
Полозовым, В.С. Крутовым, Г.С. Березовским, И.Б. Зиминым.
В первом разделе «Состояние вопроса, проблемы и задачи исследова ния» представлен обзор современного состояния технологий и техники сушки зерна в сельскохозяйственном производстве, дано обоснование основных направ лений исследований.
Научные труды об изменчивости технологических свойств зерна в процессе сушки связаны с именами академиков М.Ф. Казанского, С.М. Липатова, А.В. Лы кова, П.А. Ребиндера и др., значительно расширены трудами А.С. Гинзбурга, Г.А.
Егорова, Е.Д. Кавказова, Е.П. Потаповой и др.
Создание высокопроизводительного сушильного оборудования стало воз можным благодаря широко развитым научным исследованиям, проводимым в этой сфере. Огромный вклад в развитие теории сушки внесли отечественные уче ные: А.С. Гинзбург, П.Д. Лебедев, А.В. Лыков, Н.Б. Рашковская, П.Г. Романков, Б.С. Сажин, И.М. Федоров, Г.К. Филоненко и др., а также зарубежные ученые О. Кришер, В. Мальтри, Э. Петке, Б. Шнайдер и др.
Большое значение для совершенствования технологии и технических средств сушки имеют работы И.Ф. Бородина, Р.Н. Волика, А.П. Гержоя, А.С.Гордеева, Н.И. Денисова, Г.П. Ерошенко, Е.М. Зимина, Н.В. Кармана, А.А.
Кругляка, Г.С. Окуня, С.Д. Птицына, В.А. Резчикова, В.А. Сакуна, В.Ф. Самочето ва, М.Е. Сбродова, Р.В. Ткачева, А.Г. Чижикова, Ю.Л. Фрегера и др.
Изучением влияния режимов сушки на качество зерна и параметры этого процесса занимались В.И. Анискин, И.В. Захарченко, Б.А. Карпов, О.Н. Каткова, Л.В. Колесов, В.Л. Кретович, Л.А. Трисятский, Н.Н. Ульрих и др.
Значительный вклад в реализацию рационального управления, разработку средств контроля и регулирования процесса сушки на разных этапах внесли рабо ты Н.М. Андрианова, Г.А. Гуляева, В.И. Жидко, Л.В. Колесова, И.Э. Мильмана, Н.В. Остапчука, П.Н. Платонова, Ю.П. Секанова, В.А. Смелика и др.
Результаты экспериментальных исследований зерновых сушилок содержатся в работах А.В. Авдеева, В.И. Алейникова, В.И. Анискина, А.И. Буркова, А.Д.
Галкина, Г.А. Гуляева, Ю.В. Есакова, В.И. Жидко, Е.М. Зимина, А.Е. Иванова, М.В. Киреева, Ю.К. Ковальчука, Л.В. Колесова, В.Р. Крауспа, И.Э. Мильмана, Г.С.
Окуня, С.Д. Птицына, В.А. Резчикова, Н.П. Сычугова, А.Г. Чижикова, П.Н.
Шибаева и др.
Научной основой разработки и совершенствования конструктивно технологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и пере мещения зерновых материалов являются труды Г.С. Березовского, П.В. Блохина, Б.И. Броунштейна, М.Р. Вайсмана, И.Я. Грубияна, Л.В. Дианова, Е.А. Дмитрука, Е.М. Зимина, Ф.Г. Зуева, С.В. Иванова, В.С. Крутова, В.И. Левченко, Н.А. Лот кова, И.П. Малевича, А.И. Матвеева, С.А. Подоплелова, С.А. Полозова, Е.П. Румян цевой, Н.П. Сычугова, О.М. Тодэс, В.С. Уколова, Н.П. Черняева, А.С. Ширяева и др.
Проведенный анализ существующих методов сушки, технико экономической эффективности сушилок различного типа указал на основные, дос таточно легко осуществимые на практике способы снижения энергозатрат на суш ку: повышение температуры сушильного агента и увеличение его расхода, приме нение предварительного подогрева зерна, исключение охладительных устройств из сушильных агрегатов, применение рециркуляции отработанного теплоносителя.
Указанные способы возможно реализовать при использовании аэродинамических устройств, которые находят все более широкое применение в сельскохозяйствен ном производстве. Они способны выполнять одновременно несколько функций:
транспортировку сыпучих материалов, активное вентилирование и сушку зерна, разделение на фракции компонентов зернового вороха. Аэрожелоба обладают вы сокой эксплуатационной надежностью, минимальным количеством движущихся частей, просты и компактны.
Однако существующие установки для сушки зерна в псевдоожиженном слое обладают рядом общих существенных недостатков: при контакте зерна с тепловым агентом сушки происходит быстрый нагрев материала до предельной температуры при незначительном влагосъёме, энергозатраты на сушку в 2…3 раза выше, чем в шахтных установках, из-за хаотичного движения слоя продолжительность пребы вания зёрен в сушильной камере неодинакова, что приводит к их неравномерному нагреву и сушке. Указанные недостатки являются основной причиной, сдержи вающей применение данных установок в практике сушки зерна. В связи с чем ра бота по их совершенствованию является актуальной.
Для решения проблемы повышения надежности и эффективности функ ционирования аэрожелобов в технологических линиях послеуборочной обра ботки зерна были определены следующие основные задачи исследования:
- получить математические модели для определения конструктивно технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного типа;
- разработать и обосновать технологические схемы устройств подсушки, сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов;
- разработать термодинамический метод расчета теоретического и реально го процесса сушки зерна;
- теоретически обосновать количество циклов повторного использования сушильного агента в сушилках с учетом энергозатрат на привод вентилятора;
- изучить динамику движения зернового вороха в процессе его обработки на аэрожелобных устройствах;
- разработать методику определения состояния движущегося зернового слоя;
- провести испытания разработанных аэрожелобных устройств подсуш ки, сушки и охлаждения в производственных условиях;
- уточнить методику расчета и провести анализ эффективности примене ния различных технологий сушки зерна.
Во втором разделе «Теоретические предпосылки к совершенствованию процесса работы и обоснованию конструктивно-технологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых мате риалов» исследовано состояние слоя зерна при его обработке на аэрожелобах, что позволило выявить три варианта движения зерна: первый - когда сила тяже сти, действующая на зерно больше вертикальной составляющей от действия си лы воздушного потока (рис. 1);
второй - когда она равна вертикальной состав ляющей от действия силы воздушного потока;
третий - она меньше вертикальной составляющей от силы воздушного потока.
Рис. 1. Схема сил, действующих на зерно:
G1 G1- подача материала;
Fтр.- сила Fв.п.sin трения зерновки о зерновку;
Fв.п. Fв.п. сила действия воздушного пото ка;
Pа.с., Q- соответственно напор Fтр.
и расход агента сушки;
- угол Fв.п. cos ввода агента сушки в зерновой mgsin F в.п. слой;
- угол наклона грузонесу P,Q щей перегородки к горизонту mgcos Проведенные экспери G mg ментальные исследования по казали, что в оптимальном ре жиме работы сушилки (при наименьших энергозатратах) зерно в аэрожелобе движется слоями, без его фонтанирования, при этом скорость фильтрации нахо дится в диапазоне ф. = 0,5…0,7 м/с. Для определения взаимосвязи технологиче ских и физиологических свойств были сделаны допущения: движение происхо дит слоями размером в одну зерновку;
зерновки при движении не вращаются;
направление действия воздушного потока неизменно по высоте слоя.
Учитывая, что все слои получают одинаковый импульс силы за единицу времени от воздушного потока при неизменном поперечном сечении желоба, пользуясь вторым законом Ньютона, было получено выражение для определения величины силы трения между слоями (в.п. з )2 sin ) Fтр. = f ( з. h b a i g cos k в.п. S, (1) где f- коэффициент внутреннего трения зерна;
з. - плотность зерновки, кг/м3;
h длина зерновки, м;
b- ширина зерновки, м;
a- толщина зерновки, м;
i-количество зерновок, находящихся над исследуемой зерновкой, шт.;
в.п. -плотность возду ха, кг/м3;
в.п. - скорость воздушного потока, м/с;
з. - скорость зерновки, м/с.
В результате теоретических исследований выявлено, что слои зерна при движении по сушильному коробу смещаются с различной скоростью - верхние с большей, а нижние с меньшей. Это вызвано различной величиной сил трения между слоями. Установлено, что возможные засорители зерновых колосовых культур (мелкосеменных) имеют силу трения меньшую - от 2,61·10-6Н (щетинник зеленый) до 190·10-6Н (щетинник сизый) относительно основной культуры - от 35,4·10-6Н (рожь) до 1944·10-6Н. Это приводит к тому, что примеси в аэрожелобе смещаются с большей скоростью относительно семян основной культуры.
Теоретически определены средняя скорость разделения слоя и экспери ментально определен угол изменения скорости смещения зерновых слоев по вы соте (0,5…8,7 градусов для ячменя). С учетом изложенного пропускная способ ность аэрожелоба G, кг/с, определится как G = (1сл + сл. ср. ) H B сл., (2) где 1.сл. - скорость слоя у поверхности газораспредлительной решетки, м/с;
сл.ср. - средняя скорость разделения слоя, м/с;
Н- высота зернового слоя, м;
В ширина канала аэрожелоба, м;
сл. - плотность зернового слоя, кг/м3.
Получена область изменения значений расхода тепломассоносителя при прохождении его через слой зерновой насыпи, исследуя процессы перехода его от плотного состояния к псевдоожиженному. Порозность зернового слоя интен сивно возрастает с увеличением скорости фильтрации воздушного потока от 0 до 1,6 м/с при переходе слоя от плотного к псевдоожиженному. Обнаружено, что дальнейшее увеличение скорости воздушного потока для увеличения площади контакта поверхности зерновки с тепломассоносителем нецелесообразно, т.к.
порозность слоя приближается к 90%.
Гидравлическое сопротивление газораспределительного канала (3) выведе но на основе известного выражения Дарси-Вейсбаха l ф t щ n Р = (3), 4 hщ P, Па где - коэффициент аэродинами ческого сопротивления;
l - длина щели, м;
ф - скорость фильтра ции сушильного агента через зер новой слой, м/с;
tщ- шаг между приведенными щелями, м;
hщ 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1, высота щели, м;
n - количество hщ, мм щелей, шт.
-0,2 мм;
0 мм;
0,2 мм;
Анализ изменения потерь давления в грузонесущей перего Рис. 2. Потери давления в грузонесущей родке свидетельствует (рис. 2), перегородке в зависимости от высоты щели что отклонение геометрических размеров отверстий в пределах существующих допусков на их изготовление приводит к значительному изменению аэродинами ческого сопротивления;
перегородки с высотой щели менее 1 мм применять не целесообразно, т.к. при этом аэродинамическое сопротивление резко возрастает, по этой же причине необходимо уменьшать допуски на размер перегородок с вы сотой щели от 1 до 1,2 мм.
Динамический напор агента сушки Pд, Па, необходимый для преодоления инерции зернового слоя и для сообщения необходимой скорости материалу м был определен на основе уравнений кинетической энергии зернового потока и работы агента сушки:
з2. сл (mз k м в2. п. + mа. с. сл ) k м в.п. 2, Pд = (4) 2 H з. сл. B з.сл. сл. k м в2.п.
где kм - коэффициент массовой концентрации;
з. сл - скорость смещения зерно вого слоя, м/с;
mз и mа.с- подача зерна и агента сушки, кг/с.
При скорости смещения зернового слоя 0,1 м/с производительность аэро желоба составляет около 15 т/ч, при этом необходимо обеспечить динамическое давление в 300 Па. Для дальнейшего увеличения производительности аэрожело ба требуется значительное повышение величины динамического давления.
Общая протяжённость газораспределительной системы сушильных коро бов определена на основании выражения (5) mз.в. н к lк = К1 (1 + ) 1, (5) W1 где K1 - коэффициент, учитывающий отношение скорости перемещения зерна к скорости воздушного потока (агента сушки);
1 - скорость фильтрации агента сушки через плотный слой, м/с;
- приращение скорости воздушного потока при создании псевдоожиженного слоя, м/с;
m з.в. - масса влажного зерна в сушил ке, кг;
W1- пропускная способность сушилки по сырому зерну, кг/с;
н и к - начальная и конечная влаж ность обрабатываемого материала, %.
Графически этот процесс изобра жен в виде убывающей функции = f ( l ) на рис. 3.
Для определения функцио нальной зависимости = f ( l) при нято допущение, что скорость d снижения влажности зерна на dt пути его перемещения по сушиль ным коробам в момент времени, соответствующий этому пути, про Рис. 3. Зависимость изменения влажности зерна порциональна текущему значению от длины пройденного им пути по сушильным влажности коробам d = k, (6) dt где k - коэффициент пропорциональности, равный мгновенной относительной скорости изменения влажности.
Решение дифференциального уравнения (6) позволяет получить зависи мость для определения влажности зерна в любой момент времени при переме щении его по газораспределительным коробам l (l ) (l ) = н i.
li (7) н На основании известных данных (температуры сушильного агента от 60 до 200 С, массовой скорости м. а. с. сушильного агента от 0,7 до 10 кг/(м2с) и о удельной нагрузки зерна q от 30 до 1000 кг/м2 для псевдоожиженного слоя) вы ведена зависимость необходимого 8 расхода агента сушки для заданной l к, м Q, м3/с 7, производительности сушилки по су- 7, хому зерну, кг/с 7,4 W2 T м. а. с. 7, Q= н к. (8) 7 q 100 6, к 6, 6, 6, На рисунке 4 приведены графи- 6 ческие зависимости необходимого 33 30 27 24 21 18 расхода воздуха и длины коробов для н,% lк Q сушки зерна различной влажности, рассчитанного по данным техниче ской характеристики СУША-4 (па- Рис. 4. Зависимость необходимого расхода воздуха и длины коробов от начальной тент № 2004111949/06): ширина ко- влажности зерна роба - 0,4 м;
длина - 2 м;
количество коробов – 8 шт.;
максимальная удельная нагрузка зерна - 390,6 кг/м2. Из рисунка видно, что размеры сушильных коробов (ширина - 0,4 м, длина - 16 м) СУША- обеспечивают съем влаги из зерна влажностью до 32%.
При использовании аэродинамических установок для подсушки и сушки материала нагревательные элементы (калориферы, ТЭНы) целесообразно распо лагать внутри воздухораспределительного канала. Теоретически установлена за висимость (9) распределения температуры сушильного агента аэрожелобом при постановке нагревательных элементов внутрь его воздухораспределительного канала (рис. 5).
Для определения зависимости температуры выхода теплоносителя по дли не аэрожелоба приняты следующие допущения: вся электрическая (тепловая) энергия, подводимая к нагревательному элементу, идет на нагрев воздуха;
тепло та равномерно распределяется по поперечному сечению внутри воздухораспре делительного канала аэрожелоба;
новая порция воздуха, входящая в воздухорас пределительный канал до сечения i - i «вытесняет» предыдущую.
N y Li tщ tвых.i = + tвх, (9) в. п. cв Sщ ср ( L Li ) где tвых.i - температура воздуха в i-м сечении, град.;
Ny- удельная установ ленная мощность нагревателя, Вт/м;
св- теплоемкость воздуха, кДж/(кг·оС);
L длина воздухораспределительного канала с нагревателями, м;
S щ - площадь щели грузонесущей перегородки, м2;
W1,н,н t вх - температура входа воздушно го потока внутрь воздухораспре i делительного канала, град.
3 Анализ зависимости (9) по ср, di,Hi,ti,i 1 зволяет сделать вывод, что для Q -Q L i создания равномерного темпера з турного поля тепломассоносителя Qi d,H,t, 0 0 по длине аэрожелоба тепловую Q,P W,, мощность необходимо подводить 2 2 i Li L-Li дифференцированно.
L Установлена зависимость Рис. 5. К расчету распределения температуры коэффициента живого сечения сушильного агента:
1- воздухораспределительный канал;
2- грузоне- жалюзийного переливного порога сущая перегородка;
3- воздухоподогреватель;
4- ж,%, от положения угла наклона сушильная камера лопатки и размерных характери стик лопаток ал а а (n 1) ( hж а л sin ж а л ) + ( hж ( hж ) cos ж + л sin ж + л ) 2 2 2 100, ж = (10) n hж где n - количество лопаток, шт.;
hж- высота лопатки жалюзи, м;
aл- толщина лопат ки, м;
ж - угол постановки лопаток жалюзи, град.
Из анализа зависимости (10) следует, что толщина лопатки значительно влияет на изменение коэффициента живого сечения порога. Увеличение толщи ны лопатки на 0,5 мм приводит к его уменьшению на 1…2,5%.
Обнаружено особое значение выпускного устройства (шлюзовой затвор, клапан-мигалка или электромагнитный клапан), устанавливаемого на выпускном патрубке последнего аэрожелоба или на горловине подсушильного бункера для организации режима работы сушилки и управления динамикой движения зерна по сушильным коробам. Установлена возможность организации двух видов дви жения зернового вороха в аэрожелобе: непрерывно-периодического, непрерыв ным потоком.
Динамику движения зерна по сушильным коробам в непрерывно периодическом режиме возможно сравнить с бегущей волной в теории волн. Бы стрый сброс порции некоторым объемом Vз.сб. и закрытие отверстия направляю щего патрубка зернового потока (рис. 6) способствуют образованию свободного объема на жалюзийной перегородке в конце грузонесущего канала. Зерновки, ссыпаясь под углом естественного откоса на грузонесущую перегородку, попа дают под действие силы воздушного потока Fв.п., выходящей из щели перегород ки, и поднимаются на некоторую высоту hсл.. Свободный объем Vс «перемеща ется» последовательно вверх по сушильным коробам, начиная со стороны выхо да последнего сушильного короба, и заполняется на первом коробе, со стороны входа, новой порцией влажного зерна. Каждая зерновка в этом режиме соверша ет синусоидальное (волновое) движение, а следовательно, пройденный зерном путь по сушильным коробам значительно увеличивается. В зоне минимальной потенциальной энергии волны, где суммарное гидравлическое сопротивление грузонесущей перегородки и зернового слоя минимально, происходит перерас пределение статических давлений, интенсивное выделение легких и мелких при месей, которые уносятся с отработавшим агентом сушки и оседают в осадочных камерах циклонов. Очевидно, что зерно находится попеременно в состояниях кипения и псевдоожижения. Частота смены этих состояний соответствует часто те, с которой работает выпускной аппарат зерносушилки. Объем и время сбрасы ваемой порции влияют на заполнение сушильных камер.
W1,1, Xtп XT Xtпер hсл Vc P,Q VА hд.с.
п.
to,o,do,Ho Fв. VВ t1,1,d1,H VД Vc W2,2, Рис. 6. Динамика движения зерна в непрерывно-периодическом режиме работы сушильного короба В режиме непрерывной работы выпускного устройства установлены три рабочие зоны, зависящие от технологических свойств высушиваемого материала и конструктивных параметров сушилки. Первая зона характерна тем, что пропу скная способность выпускного устройства Wв.у., м3/с, соответствует величине массы призмы обрушения зерна за время обрушения, Wп.о., м3/с. Для этого режи ма теоретически определены период и скорость переноса вещества пер, в волновом движении 2,67 abc ( з в. п. ) пер = з. ср, (11) в. п. k м ab (V А + V Б ) (Wп.о. + W ) + 2,67 abc ( з в.п. ) з. ср W где a, b, c - полуоси эллипсоида зерновки, м.
Вторая зона характерна тем, что производительность выпускного устройства меньше величины массы призмы обрушения зерна за время обрушения Wв.у Wп.о.
Для этой зоны характерно пульсирующее движение зерновой массы, слой «те чет». Зерновки в процессе движения будут подниматься на меньшую высоту от носительно режима «бегущей волны» из-за отсутствия оголения грузонесущей перегородки. Заполнение зерном сушильных коробов меньше, чем в первой зоне рабочего режима.
Третья зона характерна тем, что производительность выпускного устройства больше величины массы призмы обрушения зерна за время обрушения Wв.у Wп.о происходит максимальное псевдоожижение зернового слоя по всему его попе речному сечению, заполнение сушильных камер зерном минимальное.
В силу того, что сопротивление неподвижного зернового слоя Рн.с. больше сопротивления движущегося слоя Рд.с. на величину Рс Рн.с. = Рд.с. + Рс, (12) сопротивление аэродинамической установки с n параллельно работающими аэ рожелобами в непрерывно-периодическом режиме возрастает в nРс раз отно сительно непрерывного режима работы. Если вентиляторы, с которыми работает зерносушильная установка, имеют падающую характеристику (рис. 7) зависимо сти развиваемого давления Р от расхода Q без впадин, то повышение сопротив ления аэродинамической установки в режиме непрерывно-периодического дви жения зерна неизбежно приводит к повышению давления внутри воздухорас пределительных каналов сушильных коробов на некоторую величину Р, спо собствующему увеличению наполнения сушильных камер зерном.
Рис. 7. Влияние режима ра Р,Па боты выпускного устройства k 1 Q n P аэрожелобной сушилки на Р k 2 Q n P характеристику вентиляци онной системы:
1- характеристика сети при движущемся зерновом слое;
2- характеристика сети при неподвижном зерновом слое;
3- характеристика вентиля тора Q Q, м/с Проведен графоаналитический анализ целесообразности повторного ис пользования сушильного агента на основе диаграммы тепловлажностного со стояния воздуха. Приняты следующие допущения: агент сушки насыщается до 70% влажности;
потери в окружающую среду отсутствуют (теоретический про цесс). Для каждого цикла (i) выпол нен расчет количества испаряемой влаги из сушильной камеры произ водительностью одна плановая тонна в час. Анализ проведен для 5 циклов нагрева сушильного агента до темпе ратур 40, 60, 80, 100, 120 и 140 оС. На рис. 8 изображено 5 циклов нагрева воздуха до 40оС и его насыщения влагой. По H-d диаграмме определя ли в каждом i-ом цикле входные и выходные параметры - влагосодер жание di, энтальпию Hi и по зависи мости (13) рассчитывали удельные энергозатраты Ei. на испарение уд и килограмма влаги из зерна.
Результаты расчетов свидетель ствуют о целесообразности повыше ния температуры и повторного ис пользования всего сушильного аген Рис. 8. H-d диаграмма тепловлажностного та до 3…4-х циклов. Для обеспечения состояния воздуха необходимой сушащей способности сушильного агента при увеличении циклов его повторного использования необходимо увеличивать удельные расходы сухо го воздуха, особенно при температурах его нагрева до 40 и 60 оС.
( H i2 H i0 ) Ei уд. и =. (13) d i2 d i Поэтому в исследовании учтены энергозатраты, вызванные увеличением расхода агента сушки по циклам его использования Ei уд. в, МДж/(кг исп.вл.) N iв k э E i уд.в =, (14) 1000 Wс. к.
где N iв - мощность, требуемая на привод вентилятора в i-ом цикле, кВт;
k э - ко эффициент тепловой эквивалентности, учитывающий затраты на производство и транспортировку электроэнергии к потребителю, кДж/(кВт·ч);
Wс.к. - количество испаряемой влаги из сушильной камеры, кг/ч.
Общие удельные энергозатраты складываются из энергозатрат на испаре ние влаги и привода вентилятора Ei уд = Ei уд.и + Ei уд. в. (15) Установлено, что значительной экономии энергии на сушку (до 27,9%) возможно добиться при двух- четырехкратном повторном использовании су шильного агента (рис. 9). Эконо мичность сушки и эффективность МДж/(кг.исп.вл) повторного использования возду ха улучшается с увеличением Ei уд, температуры агента сушки и мо жет достигать 52,2%. Удельные энергозатраты на сушку незначи тельно возрастают на 0,2…0, 1 2 3 4 МДж/(кг исп.вл.) при увеличении Номер цикла расхода воздуха на сушку для 40,0 60,0 80,0 100, температур его нагрева от 80 оС и 120,0 140, выше и наоборот, значительно возрастают с увеличением сопро Рис. 9. Удельные энергозатраты (суммарные) на тивления сети от 0,5 до 3 кПа на испарение влаги и привод вентилятора по циклам использования сушильного агента 0,7…1,9 МДж/(кг исп.вл.).
Разработан термодинамический метод расчета производительности, энер гозатрат и КПД сушилок. В идеальном процессе к материалу массой mз.в., кг, для удаления влаги с н до к необходимо подвести минимум энергии, E ид, Дж Eид = св k 2 Eвл, (16) где св - эмпирический коэффициент, учитывающий энергию связи влаги в зерне.
В ходе аппроксимации зависимости отношения общих удельных затрат теплоты ru при сушке пшеницы до влажности к удельной теплоте парообразования r, кДж/кг, воды со свободной поверхности (данные Отмера (США)) получено вы 0, ражение для его определения св = 2,96 к ;
k2 - коэффициент изменения производительности сушилки в зависимости от вида культуры;
Eвл - необходимая энергия для испарения влаги со свободной поверхности, Дж.
Для испарения влаги из зерна требуется энергия 0, Eвл = 2,96 к k 2 М вл r. (17) о Выражение для определения r в диапазоне температур от 0 до 50 С, с уче том того, что температура воды и зерновки tнз в начале сушки одинаковые, име ет вид r = 2501,4 e -0,001t н.з., (18) где е - основание натурального логарифма, е = 2,71828….
Тепловая мощность сушильного агента Nа.с., Вт, определена как N а.с. = Vа.с. а.с. cа.с. (t а.с.н. t а.с.к. ), (19) где Vа.с. - расход сушильного агента, м /ч;
са.с. - теплоемкость сушильного агента, Дж/(кгК);
t а.с.н., tа.с.к. - соответственно температура сушильного агента до и после выхода из зернового слоя, К.
Экспозиция сушки Тид, ч, в «идеальном» процессе определяется как (н к ) e-0,001t 0, к k н.з.
m з. в (100 к ) Eид Т ид = = 7404,1, (20) Vа.с. а.с. са.с. (tа.с.н. tа.с.к. ) N а. с.
где mз.в.- масса влажного зерна в сушилке, кг.
В результате «идеальная» производительность зерносушилки в физических тоннах Wид, т/ч, определится по зависимости Vа.с. а.с. са.с. (tа.с.н. tа. с. к. ) m Wид = з.в. = Т ид 7404,1 (н к ) e-0,001t н.з. 0,39 k. (21) к (100 к ) Полученное выражение позволяет точно оценить влияние каждого фактора на процесс сушки.
Поскольку в реальных условиях подводимая агентом сушки теплота Eр, Дж, расходуется на испарение влаги E вл, нагрев зерновки E з, на потери теплоты че рез стенки сушилки E ст и на потери теплоты в окружающую среду с отработав шим агентом сушки Eо.а.с. расчетная производительность сушилки определится как m з.в. Vа.с. а.с. с а.с. (t а.с.н. t а.с.к. ),(22) Wр = ( к ) -0,001t н.з. 0,39 (100 н ) сс (t кз t нз ) + E cт + Vо.а.с. о.а.с. c о.а.с. (t а.с. к. tо.в. ) к k2 + m з.в. 7404,1 н e (100 к ) где сс- теплоемкость сухого вещества зерновки, Дж/(кг·К);
t кз, t нз - соответствен но конечная и начальная температура зерна, К;
Vо.а.с. - расход отработавшего су шильного агента, м3/ч;
со.а.с. - теплоемкость отработавшего сушильного агента, Дж/(кгК);
tо.в. - температура окружающего воздуха, К.
С учетом вышеизложенного можно определить расчетный (23) и фактиче ский (24) КПД различного типа зерносушилок W W р = р 100, ф = ф 100, (23);
(24) Wид Wид где Wф- фактическая производительность сушилки в физических тоннах по дан ным испытаний, т/ч.
В таблице 1 приведены результаты термодинамического расчета произво дительности различного типа сушилок в сравнении с их фактической производи тельностью (на основании данных протоколов Кировской МИС), а также расчет ный КПД сушилок в различных режимах их работы. В ходе анализа данных таб лицы установлена хорошая сходимость результатов теоретических расчетов и практики. Расхождения в 17% по аэрожелобной сушилке САУ-6, по нашему мнению, связано с трудностями определения средней температуры выхода отра ботавшего агента сушки по площади сушильной камеры при испытаниях. Расче ты показывают, что ошибка с определением средней температуры агента сушки на выходе из зернового слоя ±2оС приводит к изменению отклонения расчетной производительности от фактической с 10,8 до 23,4%. Расхождения в 19,7% по конвейерной сушилке УСК-8 связаны с недостаточной точностью определения массы зерна, находящейся в сушильной камере, т.к. данные по объему сушиль ной камеры в протоколе отсутствуют и ее объем определялся косвенным путем.
Наибольшим расчетным КПД обладают шахтные сушилки С-10 (77,9%) и М- (82,3…85,1%), аэрожелобная САУ-6 (87,8%).
Таблица 1. Сопоставимость результатов термодинамического расчета производительности различного типа сушилок с фактической производительностью (на основании данных протоколов Кировской МИС) «Реальная» тео №№ Фактическая произво- Откло- КПД,% «Идеальная» Материал ретическая Тип сушилки дительность в физиче- производитель- нение, (номер (расчет (режим сушки) производитель протокола) ских тоннах, т/ч ность, т/ч ный) % ность, т/ч УСК-2 Пшеница 1,64 1,52 2,6 7,5 58, (06-49-99) (конвейерная) (семенной) СКУ-5 Овес 3,80 3,84 6,2 1,0 61, (06-48-2000) (конвейерная) (семенной) М-819 Пшеница 10,69 8,94 13,5 16,4 66, (12-46-80) (шахтная) (семенной) М-819 Овес 5,02 4,35 6,6 13,3 66, (12-46-80) (шахтная) (семенной) СКУ-5 Пшеница 5,20 5,64 8,3 8,4 68, (06-48-2000) (конвейерная) (продовольственный) СКУ-5 Пшеница 4,30 3,87 5,6 9,9 68, (06-48-2000) (конвейерная) (семенной) УСК-8 Пшеница 2,20 1,77 2,4 19,7 73, (06-48-2002) (конвейерная) (семенной) С-10 Зерносмесь 5,20 5,17 6,9 0,5 75, (06-22-95) (шахтная) (фуражный) СБВС-5 Овес 7,74 7,16 9,4 7,5 75, (124786) (бункерная) (семенной) С-10 Пшеница 7,90 7,84 10,1 0,8 77, (06-22-95) (шахтная) (продовольственный) М-819 Ячмень 7,00 7,89 10,0 12,8 78, (12-46-80) (шахтная) (продовольственный) СТ-50 Пшеница 3,56 3,82 4,6 7,2 82, (06-11-95) (траншейная) (семенной) М-819 Пшеница 4,32 4,25 5,1 1,7 82, (124680) (шахтная) (продовольственный) М-819 Пшеница 2,92 2,63 3,1 9,9 85, (12-46-80) (шахтная) (семенной) САУ-6 Овес 0,42 0,49 0,6 17,0 87, (06-32-94) (аэрожелобная) (семенной) В третьем разделе «Особенности использования методик в экспери ментальных исследованиях. Приборы и аппаратура» описаны эксперимен тальные установки, использованные приборы и оборудование, программа экспе риментальных исследований, составленная в соответствии с поставленными за дачами, общепринятые и авторские методики. Изучение вида аэродинамической характеристики последовательно работающих аэрожелобов, динамики движения зерна и состояния зернового слоя в процессе обработки проводилось на установ ках, изготовленных по схемам, представленным на рис. 10…13.
Рис.10. Схема эксперимен тальной установки:
1- вентилятор;
2- диффузор;
3 сушильный короб;
4- ВРК су шильного короба;
5- грузоне сущий канал;
6- патрубок вы пуска отработавшего воздуха;
8 9 12 11 7- решетка системы разделе ния зерна и отработавшего воздушного потока;
8- грузоне сущая перегородка;
9- бункер;
10- нория;
11- бункер резерва;
12- зернопроводы;
13- зернос А лив;
14- шлюзовой затвор;
А место замера полного и дина мического давлений;
Б- место Б замера высоты и уровня псев А доожижения зернового слоя;
В место отбора проб зерна при 14 В определении пропускной спо собности Уровень псевдоожижения зернового слоя определяли в потоке зерна, фик сируя интенсивность светового излучения, пронизывающего зерновой слой пучка света в местах, указанных на рис. 10. Показания люксметра и изменение высоты зернового слоя записывались на видеокамеры. Видеокамеры синхронизирова лись световым потоком высокой интенсивности и малой длительности - 0,04 с.
Видеозапись обрабатана с использованием видеомагнитофона.
1 2 3 10 5 6 7 11 Рис. 11. Схема размещения приборов и обо рудования при определении высоты и степе ни псевдоожижения зернового слоя:
1- селеновый датчик;
2- светопроницаемая лопатка жалюзи;
3- воздухораспределитель ный канал сушильного короба;
7,10- видео камеры;
8- источник света;
9- лабораторный автотрансформатор;
11- люксметр Для тарирования приборов, работа которых основана на подобном прин ципе, разработан модификатор. В модификаторе вместо взвешенных переме щающихся частиц зернового слоя используется лента (рис. 12), на которой нане сены чередующиеся темные и светлые полосы, имитирующие зерно и пустоты между зёрнами. Поскольку в существующих машинах скорость движения зерна много меньше скорости электромагнитных волн, то имитационной ленте движе ния можно не придавать. Очевидно, размер и соотношение полос зависит от по розности плотного слоя (вида культуры), уровня его псевдо ожижения. Определено соотно H шение эквивалентных ширины пустот и зерна на ленточном мо дификаторе ll L lз. lп. n Рис. 12. Рабочая поверхность ленточного 1 модификатора l п. = l з. 1, (25) 1 o k где k- отношение, показывающее приращение объема псевдоожиженного слоя при увеличении скорости фильтрации (коэффициент вида слоя).
Рис. 13. Лабораторная ус тановка для исследования повернуто закономерностей в фор- мировании слоев зерново- го вороха: Go, wo 1- калорифер;
2- вентиля- тор;
3- диффузор;
4- дрос сельная заслонка;
5- пат рубок-стабилизатор;
6- to, jo, do, Ho микроманометр;
7- возду- хораспределительный ка- нал;
8- грузонесущая пере городка;
9- переливной по- 1 2 3 4 5 6 рог;
10- заслонка;
11- на- копительный бункер;
12- 15 3 нория;
13- опора канала;
14- дозирующая заслонка;
t1, j1, d1, H 15- делитель потоков;
16 емкость для зерна;
17- 8 13 «маячок»;
18- гребенка;
230 230 230 230 230 1 2 3 4 5 6 19- фиксатор;
20- замок При изменении средней порозности зернового слоя от 0,35 до 0,99 k нахо дится в пределах от 1 до 65. Полагая, например, что эквивалентная ширина зерна составляет 3 мм, а порозность плотного зернового слоя равна 0,35 (пшеница)- l п.
принимает значения от 1,65 до 297 мм.
Методика исследования скорости движения зерновых слоев заключается в следующем. Маячки 17 (прутки, окрашенные в разные цвета), устанавливают ся в гребенку и закрепляются фиксатором 19 (рис.13). Экспериментальная уста новка выводится на установившийся режим работы, после чего запускается секун домер и одновременно освобождаются маячки фиксатором 19. По достижении пер вым маячком переливного порога прекращается подача воздуха в аэрожелоб и фик сируется время, замеряется пройденное каждым маячком расстояние.
Изучение кинетики сушки зерновых колосовых культур, определение оп тимальных конструктивных и технологических параметров осуществлялось на установке, выполненной по схеме, представленной на рис.14. Государственные приемочные испытания проведены на установке со «сдвоенными» шахтами.
Рис. 14. Конструктивно Wо, н, н А-А 4 технологическая схема зер носушилки со встроенными А внутрь шахты сушильными коробами аэрожелобного типа:
1 1- шахта;
2- сушильный ко роб;
3- перфорированная d,H,t, 3 3 3 перегородка;
4- грузонесу d,H,t, 1 1 1 щий канал;
5- канал подво да агента сушки;
6- над d, H, t, 2 2 2 сушильный бункер;
7- под сушильный бункер;
8- шлю зовой затвор;
9- диффузор подачи агента сушки;
10 конфузор отвода отрабо танного агента сушки;
11 переливной порог;
Wo, н, н, 8 W,, к к Wi, i, i -подача, влажность и температура зерна на вхо де и на выходе из сушиль А ного короба;
d1, H1, t1, 1- влагосодержание, теплосодержание, температура, относительная влажность сушильного агента на входе в сушильный короб Исследование процесса охлаждения зерна аэрожелобом проведено на уста новке, выполненной по схеме, представленной на рис.15.
Рис. 15. Схема охладителя зерна аэро желобного типа:
7 6 5 3 2 А Б 1- конфузор;
2- выхлопная камера;
3, 14- жалюзийная перегородка;
4- загру * зочная горловина;
5- обратный трубо * провод;
6- переходник;
7- вентилятор;
8- опора;
9- переходной патрубок;
10 ** ** нагнетательный канал;
11- газорас * пределительная решетка;
12- стойка;
13- всасывающий короб;
15- бункер резерва;
16- выпускной лоток;
17- за слонка;
А и Б- нагнетательная и вса 8 9 10 11 12 13 сывающая зона Конструкция охладителя позволяет проводить охлаждения зерна в две ста дии: «мягкой» и «жесткой» на участках, расположенных над нагнетательным ка налом 10 установки и над всасывающим коробом 13.
В четвертом разделе «Результаты лабораторных исследований.
Обоснование конструктивно-технологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов» при ведены модели регрессии, определяющие: влияние режима работы выпускного устройства, расхода воздуха, влажности зернового вороха на высоту зернового слоя в сушильной камере, величину псевдоожижения зернового вороха, пропу скную способность, потери давления в системе и др. Установлено, что в зави симости от технологических режимов работы потери давления могут нахо диться в диапазоне 430...920 Па. Увеличение влажности зерна приводит к уменьшению потерь давления. В ходе исследований выявлено, что режимы ра боты закрытых сушильных коробов обуславливают изменение значения коэф фициента характеристики сети kс от 168,82 до 1099,98.
Определены рациональные режимы работы последовательно работающих аэрожелобов. В непрерывно-периодическом режиме им соответствует частота вращения ротора шлюзового затвора механизма выпуска зерна nш.к.=45...50 мин- и расход воздуха, подаваемый вентилятором внутрь ВРК сушильного короба Q=1,13...1,20 м3/с. В непрерывном режиме рациональным параметрам соответ ствуют nш.к. = 8...15 мин-1;
Q = 1,40...1,42 м3/с.
Установлено, что скорости движения верхнего и нижнего слоев в аэроже лобе в непрерывном режиме движения зернового слоя колеблются от 1 до 8 мм/с.
Неравномерность смещения слоев в большей степени обуславливается из менением расхода воздушного потока. Факторы - угол наклона перегородки и КЖС жалюзи переливного порога оказались незначительными. Поэтому, при ус тановлении режимов работы сушилок с аэрожелобными коробами необходимо выбирать наибольшие значения расхода агента сушки из рекомендуемого диапа зона. Отсюда следует, что аэрожелобная сушилка должна иметь несколько су шильных коробов и камер падающего слоя, в которых зерновые слои меняют свое положение, что реализовано нами при разработке и изготовлении производ ственных аэрожелобных сушилок.
Установлено, что существенное увеличение толщины слоя зерна происхо дит при угле наклона грузонесущей перегородки к горизонту 6 градусов и с рос том расхода воздушного потока. Живое сечение переливного порога на заполне ние коробов зерном оказывает влияние в меньшей степени. Следовательно, в конструкции аэрожелобных сушилок для изменения толщины продуваемого слоя необходимо предусматривать возможность изменения угла наклона грузонесу щей перегородки.
Изучено влияние величины подачи зерна в сушильный короб на характе ристики зернового слоя, профиль его поверхности. Полное заполнение зерном площади газораспределительной решётки достигается при подаче зерна 2,5 кг/с.
Волнистость поверхности зернового слоя по длине сушильного короба незначи тельна и не оказывает существенного влияния на равномерность сушки.
Разработана методика определения порозности слоя в потоке, с помощью которой проанализирована внутренняя структура случайных процессов (рис.16, 17).
0, 1 0, o(T) С -0, -0, - T, с 24 0 12 а) б) Q=1,06 м /с;
=30%;
nш=34 мин-1;
Q=1,24 м /с;
=30%;
nш=60 мин-1.
Рис. 16. Нормированные корреляционные функции а - о(T) и спектральные плотности б - o(к) процессов 0, 0, o(T) С -0, -0, - 16 T, с 0 4 8 а) б) Q=1,06 м /с;
=22%;
nш=60 мин-1;
Q=1,24 м /с;
=14%;
nш=60 мин-1.
3 Рис. 17. Нормированные корреляционные функции а - о(T) и спектральные плотности б - o(к) процессов Сравнительный анализ вида корреляционных функций указывает на значи тельное увеличение времени корреляционной связи с 1 до 24 секунд, при увели чении влажности зерна от 22 до 30% и расхода воздуха, следовательно, умень шаются беспорядочные пульсации - процесс псевдоожижения высоковлажного зернового слоя аэрожелобом стабилен, зерновки более равномерно распределены в воздушном потоке. Процесс псевдоожижения зернового слоя низкочастотный с максимумами дисперсий 0,01…0,2 с-1. Частота среза достигает с=0,02…0,5 с-1.
Наибольшее влияние на псевдоожижение зернового слоя оказывают работа шлюзового затвора выпускного устройства и влажность зерна, расход воздуха имеет сложное влияние.
Определено влияние влажности зерновки на ее аэродинамические свойст ва. В ходе корреляционного анализа полученных данных установлено, что име ется сильная корреляционная связь между влажностью и скоростью витания ко эффициент корреляции равен 0,95. У геометрических размеров и скорости вита ния коэффициенты корреляции следующие: между длинной и скоростью витания - 0,93, шириной и скоростью витания - 0,82, толщиной и скоростью витания 0,77. Анализ частных коэффициентов корреляции свидетельствует о том, что наибольшее влияние на скорость витания при постоянной влажности зерновки оказывает длина зерновки.
В пятом разделе «Результаты производственной проверки технологи ческих линий послеуборочной обработки зерна с использованием разрабо танного оборудования» приведены результаты ведомственных испытаний уст ройства для вентилирования и транспортирования зернового вороха (рис. 18, па тент RU № 2140143).
Рис. 18. Схема устройства для вен А тилирования и транспортирования зернового вороха:
10 18 а- продольный разрез;
б- попереч ный разрез: 1- вентилятор;
2 и 3 воздухоподводящие патрубки;
4 Г воздухораспределительный канал;
В 5- короб;
6- подвижный клапан;
7 Д трособлочная система;
8- стойки;
9 боковины;
10- перфорированные Б стенки;
11- основание;
12- заслонки;
13- тяга;
14- транспортный канал;
15- выпускной лоток;
16- заслонка;
6А 1 2 9 17- выводной патрубок;
18- заслонка а) Применение предлагаемого устройства позволило:
- выровнять время воздействия воздушного потока на зерновую В В массу;
- интенсифицировать процесс Д подсушки зернового вороха. При 9 Б температуре подогретого воздуха (подогрев от КВ-300ТМ посред ством калориферов, установлен б) ных в воздухоподводящем пат о рубке) 27 С и экспозиции подсушки 6 часов съем влаги составляет 1,3%;
- увеличить производительность аэрожелоба на 3…4% в процессе выгрузки зерна из приемного отделения;
- предотвратить порчу зерна и повысить качество активного вентилирования всхожесть и энергию прорастания зерна;
- повысить производительность машин предварительной очистки и сушилки.
В разделе также приведены результаты ведомственных испытаний эффек тивности сушки зерна на аэрожелобной сушилке. Режимы работы шахтной аэ рожелобной сушилки для сушки семенного, продовольственного и фуражного зерна определены графоаналитическим методом. Для этого полученные с помо щью ПЭВМ двумерные сечения поверхностей отклика, характеризующие изме нения фактических удельных энергозатрат и всхожести зерна от технологических факторов: расхода агента сушки;
его температуры;
частоты вращения ротора шлюзового затвора выпускного устройства kiуд. = f(·Q;
t;
n), Vs= f(Q;
t;
n) «накла дывали» друг на друга в соответствующем масштабе и осях (рис.19).
15 17 -22,5 19 -20 21 -17,5 23 -17,5 31 29,1 27,2 25, Q,м /с 1, о t, С 90,0 - -40 0, 83,6 23, -30 0, 77,2 - -20 -12, 21, -0, 70,8 - - -7, - 0, 64,4 - 19, 0, 58, - 2,92 3,2 n,мин 0,98 1,03 Q,м /с 0,76 0,81 -0,87 0,92 1,8 2,08 2,36 2, изменение всхожести зерна, %;
удельные энергозатртаты, МДж/кгисп.вл.
-“Продовольственный” режим -“Семенной” режим;
Рис. 19. Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение фактических удельных энергозатрат, всхожести зерна от технологических факторов При определении граничных значений технологических факторов семенно го режима руководствовались требованиями ГОСТа на посевные качества семян основных культур (всхожесть и влажность). Для пшеницы мягкой (озимой и яро вой) снижение всхожести допускается до уровня 90%, влажность должна быть 14…17%. Этим требованиям удовлетворяют следущие значения факторов (рис.
): Q=0,76…0,82 м/с;
t=58,0…64,4 оС;
n=2,5…3,2 мин-1. В этих ре 19, зона жимах параметры работы одной шахты следующие: фактические удельные за траты - kiуд.=18…22 МДж/кгисп.в.;
возможное изменение всхожести - Vs=0…-10%;
плановая производительность составляет 0,6…0,7 пл.т/ч.
Режим сушки продовольственного (фуражного) зерна следующий: (рис. 19, ): Q=0,97…1,03 м/с;
t=58,0…64,4 оС;
n=1,8…2,08 мин-1. В этих режи зона мах параметры работы одной шахты следующие: фактические удельные затраты (наименьшие) kiуд.=14…18 МДж/кгисп.в.;
возможное изменение всхожести Vs=0…-15%;
плановая производительность составляет 0,70…1,1 пл.т/ч. Обна ружено, что качество клейковины при сушке зерна в указанных режимах не сни жается, т.к. зерно не нагревается выше 70 оС.
Установлено, что характер влияния режимных параметров на насыщение сушильного агента влагой резко отличается по зонам (каналам) сушки. Насы щение агента сушки влагой повышается на первом сушильном коробе с ростом расхода агента сушки. На остальных сушильных коробах процесс обратный. Темпе ратура агента сушки в меньшей степени оказывает влияние на степень насыщения его влагой, чем его расход Q и частота вращения ротора шлюзового затвора nш.к..
Наилучшая отработка сушильного агента получена при частоте вращения рото ра шлюзового затвора nш=2,5 мин-1 и температуре сушильного агента t = 90оС.
Повторное использование сушильного агента возможно и необходимо для сни жения энергоемкости процесса из всех сушильных коробов (патент №2004111949/06).
Установлены значения технологических факторов для охладителя зерна аэрожелобного типа, при которых достигается наилучший эффект охлаждения:
угол поворота заслонки всасывающего окна вентилятора - 34о;
угол наклона жа люзийных пластин выхлопной камеры - 45о и всасывающего короба - 90о. Эф фективность снижения температуры зерна обеспечивается агрегатом на 31…48,2%. Неравномерность распределения температуры между отдельными зерновками, после их охлаждения, снизилась с ±6,0 до ±2,3 оС.
Шестой раздел «Реализация результатов исследований и их эконо мическая эффективность» посвящен рассмотрению результативности исследо ваний. В нем проведена оценка эффективности применяемых технологий сушки зерна в РФ. Эффективность применения результатов исследований с непосредст венным участием автора определена по объектам исследования.
Последовательность нового технологического цикла приема зернового во роха в ТОО «Дружба» Костромской области заключается в том, что ворох от зерноуборочных комбайнов сбрасывается в приемное отделение, оборудованное системой аэрожелобов, где происходит его подсушка и частичная очистка от легкой примеси. В результате расход топлива при работе зерносушилки СЗСБ- снизился с 9,3…10,7 кг/(т·ч) до 8,1…8,7 кг/(т·ч) при начальной влажности вороха 21,5…23%. Применение приемного отделения с аэрожелобами и рассекателем в технологической линии послеуборочной обработки зерна позволило повысить всхожесть и энергию прорастания зерна на 1,5…2%, ускорить сроки уборки на 5…10 дней, а также снизить себестоимость его обработки.
Экономическая эффективность от применения аэрожелобных сушилок:
1. В 1995-1996 гг. разработана и внедрена технология послеуборочной об работки семян зерновых культур в АОЗТ «Земледелец» Ивановской области. При непосредственном участии автора было смонтировано следующее оборудование:
приемное отделение с аэрожелобами вместимостью 50 т;
ворохоочиститель ОВП-20;
зерносушилка аэрожелобного типа с обособленными сушильными ко робами (патент № 2135916 F 26 B 17/26);
машина первичной очистки СМ-4;
сис тема вентиляции и освещения зернотока. Проведены пусконаладочные работы всей технологической линии. В результате проведенной работы предприятие по лучило возможность проводить послеуборочную обработку на своем зерноочи стительно-сушильном пункте, а также повысить всхожесть и энергию прораста ния зерна по сравнению с предыдущими годами на 3% (с 87 до 90%).
2. Внедрение односекционной универсальной сушилки, выполненной по патенту РФ № 2151983 F 26, в зерночистительно-сушильный комплекс ЗАО СП «Меленковский» Ярославской области позволило предприятию снизить удель ные энергозатраты на сушку (по зерну) на 10...15% по сравнению с сушкой на имеющейся в хозяйстве шахтной сушилке СЗШ-16;
снизить засоренность зерно вого вороха на 3...4% при начальной засоренности 6...7% и повысить качество семян на 1,0...1,5%. Дополнительная прибыль при использовании шахтной аэро желобной сушилки от экономии топлива составляет - 14,7 руб/(пл. т), от повы шения качественных показателей зерна - 3,1 руб/(пл. т).
3. На внедренной шахтной аэрожелобной сушилке СУША-4 (патент №2004111949/06) в СПК имени М. Горького Костромской области за три убо рочных сезона было высушено более 850 тонн семян различных культур: пшени цы, ржи, ячменя, овса, рапса. По отзывам специалистов, сушилка работает ста бильно, без нарушений технологического процесса, эффективно работает систе ма очистки воздушного потока сушилки от легких примесей. Снижения качест венных показателей семян в процессе сушки не наблюдается, имеет место повы шение всхожести семян до 2% по окончании периода послеуборочного дозрева ния.
Экономическая эффективность от применения охладителя зерна аэроже лобного типа (патент 2249967 С2) достигается за счет реконструкции охладитель ных камер сушильных агрегатов - перевода их в сушильные камеры и сохранения ка чественных показателей зернового вороха после его сушки. При охлаждении зер новок, в процессе их транспортирования после сушки охладителем зерна аэрожелобно го типа происходит выравнивание по влажности отдельных зерновок в объеме слоя и дополнительный съем влаги с зерновой массы, составляющий 0,2…0,4%, что является важным резервом в повышении пропускной способности зерносушильных агрегатов.
Воздействие воздушного потока (агента охлаждения) на транспортируемый после суш ки зерновой ворох оказывает благотворное влияние на качественные показатели семян увеличение всхожести достигает 1%, энергия прорастания - 1…2%. Пропускная спо собность шахтных зерносушилок (например, М-819) может быть увеличена до 38%.
Оценка эффективности применения различных технологий сушки зерна проведена по двум методикам: с помощью энергетического анализа - в соответ ствии с методическим пособием по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части РФ (таблица 2) и с помощью экономического анализа по методике опре деления экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной тех ники, а также с использованием стандарта отрасли ОСТ 10 2.18-2001 – «Методы экономической оценки».
Исходные данные для расчета взяты из протоколов государственных, приемочных испытаний сушилок Кировской, Сибирской, Поволжской, Цен трально-Черноземной МИС.
Системный анализ показал, что приводящиеся в литературе и в отчетах МИС данные по расходу топлива (кг/пл.т) не могут быть использованы при срав нительной оценке технических характеристик различного типа сушилок, т.к.
данные приводятся без перерасчета к «нормальным» условиям - температуре + о С и давлении 99,085 кПа (требования СТО АИСТ 10.1-2004). Поэтому удельное количество топлива, затрачиваемое на сушку зерна Gп.т., кг·ч/пл.т, рассчитано по выражениям (26-28):
Qп mв Е n. т. =, (26) W где Е n.т. - прямые удельные затраты энергии топлива, МДж·ч/пл. т;
Qп - приведенный расход теплоты на испарение 1 кг влаги, МДж/кг;
mв - масса испаренной влаги в сушилке, кг.
Масса испаренной влаги в сушилке определена по следующей зависимости mв = W mв. уд., (27) где mв. уд. - количество испаряемой влаги в час с плановой тонны, mв. уд. =69,8 кг·ч/пл.т.
Удельный расход печного топлива Gп.т. определен как Еп. т.
Gп.т. =, (28) Еп.топл.
где Е п.топл. - теплотворная способность печного топлива, МДж/кг.
В ходе сравнительного энергетического анализа установлено, что наи меньшие общие удельные затраты на сушку зерна в продовольственном режиме работы у конвейерной сушилки УСК-8 (производитель ООО «Посейдон», г. Мо сква). Разработанная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е ме сто, уменьшение затрат при ее эксплуатации по сравнению с другими сушилками составляет 9,4…17,4%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 91,1до 184,5 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
На семенном режиме наименьшие общие удельные затраты на сушку зерна обеспечивает аэрожелобная сушилка САУ-6 (разработчик - малое предприятие «Содействие», г. Киров) и шахтная С-10 (разработчик - ПО «Кировагропромтех ника»), уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 1,3…10,5%, а годовая экономия совокупных затрат энер гии от 15,6 до 138,1 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
В ходе сравнительного экономического анализа установлено, что наи меньшая удельная себестоимость сушки зерна в продовольственном режиме ра боты у барабанной сушилки СЗБ-10. Разработанная аэрожелобная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е место, уменьшение удельной себе стоимости сушки зерна по сравнению с другими сушилками составляет 4,7…11,7%, а годовая экономия себестоимости сушки - от 23,7 до 63,8 тыс. руб.
при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
Таблица 2. Результаты сравнительного энергетического анализа сушки зерна в сушилках Годовая эко- Прямые Режим Степень изме- Общая Прямые Энерго номия сово- удельные Энергоем- Энергоем- Энергоем- Энергоем П- продо- нения затрат удельная удельные затраты купных затрат затраты кость кость элек- кость кость вольс- при эксплуа- энергоем- затраты элек- живого №№ Тип сушилки энергии при энергии топлива, троэнергии зданий сушилки твенный, тации в срав- кость про- троэнергии труда использовании топлива Еот, Еоэ, Езд, Ем, С - се- нении с цесса Е, Еnэ, Еж, СУША-4, Еnт, МДж/пл.т МДж/пл.т МДж/ч МДж/ч менной СУША-4 МДж/пл.т МДж/пл.т МДж/ч ГДж/год МДж/пл.т УСК-8 (конвейерная) П 1 -92,8 -11,8 490,7 300,1 13,3 70,3 32,2 1,3 39,2 662, СУША-4 (шахтная аэрожелобная) П 2 - - 548,7 329,1 25,4 77,1 61,3 1,3 4,4 211, С-10 (шахтная) П 3 91,1 9,4 605,6 319,8 15,3 74,9 37,0 1,3 0,0 1839, СКУ-10 (карусельная) П 4 100,3 10,2 611,3 404,8 16,9 94,8 40,9 1,3 22,1 407, СЗБ-10 (барабанная) П 5 123,6 12,3 625,9 409,0 16,5 95,8 39,9 1,3 21,4 699, СЗТ-5 (колонковая) П 6 123,9 12,4 626,1 363,7 30,7 85,2 74,1 1,3 0,0 375, СКУ-5 (конвейерная) П 7 163,0 15,7 650,6 407,8 25,2 95,5 60,9 1,3 10,4 331, СоСС-6 (сотовая) П 8 184,5 17,4 664,0 405,2 12,5 94,9 30,1 1,3 0,0 1030, САУ-6 (аэрожелобная) С 9 -110,7 -10,4 664,8 475,8 8,3 111,4 20,0 1,3 5,7 102, С-10 (шахтная) С 10 -54,8 -4,9 699,7 301,2 20,1 70,5 48,6 1,3 0,0 1839, СУША-4 (шахтная аэрожелобная) С 11 - - 734,0 390,3 44,6 91,4 107,9 1,3 4,4 211, УСК-8 (конвейерная) С 12 15,6 1,3 743,7 462,8 18,4 108,4 44,4 1,3 39,2 662, СЗТ-5 (колонковая) С 46,2 3, 13 762,9 425,6 42,1 99,7 101,8 1,3 0,0 375, СЗК (карусельная) С 66,8 5, 14 775,7 392,6 33,8 91,9 81,8 1,3 69,1 1155, УСК-2 (конвейерная) С 102,6 8, 15 798,1 520,1 13,3 121,8 32,2 1,3 10,8 441, СКУ-10 (карусельная) С 16 134,3 10,3 817,9 520,5 26,6 121,9 64,4 1,3 22,1 407, СБВС-5 (бункерная) С 135,1 10, 17 818,4 414,8 51,9 97,1 125,5 1,3 35,2 1269, СТ-50 (траншейная) С 18 138,1 10,5 820,3 519,8 36,0 121,7 87,0 1,3 27,5 206, На семенном режиме наименьшая удельная себестоимость сушки зерна в сушилках СБВС-5, С-10, СЗТ-5, СТ-50. Уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 0,1…17,8%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 1 до 150,8 тыс. руб. при годовом объ еме продукции 1600 пл. т.
Установлено, что себестоимость сушки семенного зерна выше в 1,2…1, раза, чем продовольственного. Основные статьи затрат в себестоимости сушки зерна при его обработке в различных сушилках следующие: 43…73% - себе стоимость топлива, 12…30% - амортизационные отчисления, 8…17% - затраты на техническое обслуживание и ремонт.
Проведенный анализ использования различных технологий сушки зерна свидетельствует, что доля затрат на сушку в себестоимости производства зерна составляет от 8 до 9% на продовольственном режиме и от 9 до 14 % на семен ном (при себестоимости производства зерна в Костромской области в 2006 г.
3,81 руб/кг).
Вместе с тем результаты энергетического и экономического анализа от личаются. Например, сушилка СБВС-5 при энергетическом анализе занимает предпоследнюю строчку в рейтинге, а при экономическом - первую. Причина различный подход предприятий-изготовителей к определению стоимости суши лок. По этой причине, эффективность, технический уровень машины более объ ективно оценивается в ходе энергетического анализа.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Установлено, что снизить потери урожая, сохранить качественные пока затели зерна и повысить надежность технологических процессов послеуборочной обработки зерна возможно путем применения в технологических линиях аэроди намических устройств, обладающих высокой эксплуатационной надежностью, минимальным количеством движущихся частей, простотой конструкции и ком пактностью. Вместе с тем, существующим конструкциям аэрожелобных уст ройств присущи общие недостатки: неодинаковое время воздействия воздушно го потока на зерновой ворох, поступающий на обработку в приемные отделения;
быстрый нагрев материала до предельной температуры при незначительном вла госъёме;
энергозатраты на сушку в 2-3 раза выше, чем в шахтных установках;
хаотичное движение зерна в камерах, приводящее к его неравномерному нагреву (охлаждению) и сушке.
2. Разработан термодинамический метод расчета производительности, энергозатрат и КПД различных сушилок, исключающий применение диаграммы тепловлажностного состояния воздуха и четко объясняющий роль каждого фак тора процесса, позволяющий оперативно проводить сравнительные исследова ния различных технологий сушки, проверять результаты проведения испытаний сушилок и др. Теоретические расчеты показали, что наибольшим КПД облада ют шахтные сушилки - 78…85% (С-10, М-819) и аэрожелобные - 88% (САУ-6).
3. Значительной экономии энергии на сушку возможно достичь при двух четырехкратном повторном использовании сушильного агента. Экономичность сушки и эффективность повторного использования воздуха улучшается с увели чением температуры агента сушки и может достигать 52%.
Удельные энергозатраты на сушку незначительно растут при увеличении расхода воздуха на сушку - на 0,2…0,4 МДж/(кг исп. вл.) для температур его на грева от 80 оС и выше. При изменении сопротивления сети с 0,5 до 3 кПа энерго затраты значительно возрастают - на 0,7…1,9 МДж/(кг исп. вл.).
4. Установлены зависимости изменения геометрических размеров зерна от его влажности, им присущ нелинейный характер. При увеличении влажности зерна с 15 до 25% его эквивалентный диаметр увеличивается до 3,5% при даль нейшем увеличении влажности до 30% - на 7,5%. Скорость витания зерна воз растает с увеличением его влажности. Изменение влажности пшеницы с 14 до 34% приводит к увеличению скорости витания зерна до 2 м/с.
Установлено, что зерно при непрерывном перемещении в аэрожелобе смещается послойно с различной скоростью - от 1 до 8 мм/с, возрастающей от нижнего слоя к его поверхности. Угол изменения скорости смещения зерновых слоев по высоте в этом режиме изменяется в диапазоне от 0,5 до 8,7 градусов.
Скорости перемещения компонентов зернового вороха неодинаковые.
Основное влияние на неравномерность смещения слоев оказывает расход воздушного потока и динамика движения зерна. Аэрожелоба должны работать в области наибольших значений рекомендуемых диапазонов расхода агента сушки в непрерывно-периодическом режиме работы выпускного устройства. Аэроже лобные сушилки должны иметь несколько сушильных коробов и камер падаю щего слоя для смены положений зерновых слоев.
5. Разработана методика определения порозности слоя в потоке (патент 65629 РФ, МПК F 26 B 9/06), с помощью которой проанализирована внутренняя структура случайных процессов при работе аэрожелобного сушильного короба.
Сравнительный анализ вида корреляционных функций указывает на значитель ное увеличение времени корреляционной связи (с 1,2 до 24 секунд), при увели чении влажности зерна с 22 до 30% и расхода воздуха, что указывает на умень шение беспорядочных пульсаций – процесс псевдоожижения высоковлажного зернового слоя аэрожелобом стабилен, зерновки более равномерно распределены в воздушном потоке. Процесс псевдоожижения зернового слоя низкочастотный с максимумами дисперсий 0,01…0,2 с-1. Частота среза достигает с=0,02…0,5 с-1.
6. На основании теоретических и экспериментальных исследований рабо чего процесса аэрожелоба получены математические модели (2…5, 8…11, 22…24) для определения конструктивно-технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного типа, учитывающие физико-механические свойства зернового вороха.
7. Разработано и внедрено в производство устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха (патент № 2140143 С1 А01 F 25/08), по зволяющее увеличить производительность аэрожелоба на 3…4% в процессе вы грузки зерна из приемного отделения, выровнять время воздействия воздушного потока на зерновую массу, исключить образование застойных зон и слёживае мость зернового вороха, интенсифицировать процесс подсушки зернового вороха - увеличить съем влаги до 0,22 %/ч при средней температуре воздуха 27 оС.
Разработаны и внедрены в производство аэрожелобные сушилки: с обо собленными сушильными коробами (патент № 2135916 F 26 B 17/26), односек ционная универсальная сушилка (патент РФ № 2151983 F 26), шахтная аэроже лобная сушилка СУША-4 (патент №2004111949/06), для которых определены основные конструктивно-технологические параметры. Граничные значения тех нологических факторов семенного режима шахтных сушилок следующие: расход сушильного агента Q=0,76…0,82 м3/с;
температура сушильного агента t=58,0…64,4оС;
частота вращения ротора шлюзового затвора nш=2,5…3,2 мин-1.
На продовольственном режиме: Q=0,97…1,03 м/с;
t=58,0…64,4оС;
nш=1,8…2,08 мин-1.
Установлено, что повторное использование сушильного агента возможно из всех сушильных коробов, наилучшая отработка сушильного агента достига ется при частоте вращения ротора шлюзового затвора nш=2,5 мин-1 и темпера туре сушильного агента t = 90оС.
8. Разработан, изготовлен и внедрен в производство выгрузной рабочий ор ган - охладитель зерна аэродинамического типа (патент № 2249967 С2), для ко торого определены значения основных технологических факторов: угол поворота заслонки всасывающего окна вентилятора - 34о;
угол наклона жалюзийных пла стин выхлопной камеры - 45о, всасывающего короба - 90о. Установлено, что эф фективность снижения температуры зерна обеспечивается агрегатом на 31…48,2%. Неравномерность распределения температуры между отдельными зерновками после их охлаждения снижается с ±6,0 до ±2,3 оС.
9. Обнаружено, что приводящиеся в литературе и в отчетах МИС данные по расходу топлива (кг/пл. т) не могут быть использованы при сравнительной оценке технических характеристик различного типа сушилок, т.к. они приводят ся без перерасчета к «нормальным» условиям. С этой целью данный показатель необходимо определять по приведенному расходу теплоты на сушку с учетом количества испаряемой влаги в час с плановой тонны и теплотворной способно сти топлива.
В ходе сравнительного энергетического анализа установлено, что наи меньшие общие удельные затраты на сушку в продовольственном режиме рабо ты у конвейерной сушилки УСК-8 (производитель ООО «Посейдон» г. Москва).
Разработанная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е место, уменьшение затрат при ее эксплуатации по сравнению с другими сушилками со ставляет 9,4…17,4%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 91,1до 184,5 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл.т. На семенном режиме наименьшие общие удельные затраты на сушку зерна обеспечивает аэрожелоб ная сушилка САУ-6 (разработчик - малое предприятие «Содействие», г. Киров) и шахтная С-10 (разработчик - ПО «Кировагропромтехника»), уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 1,3…10,5%, а годовая экономия совокупных затрат энергии от 15,6 до 138, ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
10. Установлено, что в себестоимости производства зерна затраты на суш ку при использовании различных технологий сушки составляют от 8 до 9% на продовольственном режиме и от 9 до 14% на семенном (для Костромской облас ти). Отсюда вытекает, что затраты на сушку зерна при использовании различных сушилок, выпускаемых в нашей стране отличаются незначительно. Себестои мость сушки семенного зерна выше в 1,2…1,55 раза, чем продовольственного.
11. Обнаружено, что результаты проведенного энергетического и экономи ческого анализа применения различных технологий сушки зерна отличаются вследствие различного подхода предприятий-изготовителей к определению стоимости сушилок. По этой причине эффективность, технический уровень ма шины более объективно оценивается в ходе энергетического анализа.
Сельскохозяйственным предприятиям при выборе сушильной техники предпочтения следует отдавать сушилкам, качественно выполняющим процесс сушки, удобным в эксплуатации (имеющим наилучшую автоматизацию процес са), простым в монтаже.
Разработанные с участием автора технические средства представлены в за вершенном виде, пригодном для практического использования в производстве, прошли производственную проверку, ведомственные, приемочные испытания.