Повышение эффективности приёма и предварительной подработки зерна с использованием приёмников активного типа
На правах рукописи
Книга Юрий Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИЁМА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДРАБОТКИ ЗЕРНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИЁМНИКОВ АКТИВНОГО ТИПА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск – 2011
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Манасян Сергей Керопович
Официальные оппоненты: Матюшев Василий Викторович доктор технических наук, профессор Семнов Александр Викторович кандидат технических наук, доцент Ведущая организация ГНУ КНИИСХ Россельхозакадемии
Защита состоится 22 апреля 2011 г. в 1500 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государст венный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 22 марта 2011 г.
Автореферат размещен 22 марта 2011 г. на сайте www.kgau.ru
Ученый секретарь диссертационного совета Бастрон А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Производство зерна является одной из важнейших задач устойчивого развития продовольственного рынка страны, а также обеспечения ее продовольственной безопасности. Увеличение производства зерна должно решаться не только повышением валового сбора урожая зерновых, но и обеспечением качества зер на. Особое значение в улучшении качества зерна и сохранности значительного его объ ема играет технология предварительной обработки зернового материала (ПОЗ), которая в природно-климатических зонах с повышенным увлажнением является одним из про блемных звеньев.
Значительная часть зерноприемников, бункеров, машин для предварительной очистки зернового материала и вспомогательного технологического оборудования зер нопунктов в АПК устарела как физически, так и морально, имеет во многих случаях, несогласованные значения емкости, производительности, расхода энергии и других технико-экономических показателей, не удовлетворяющих существующим условиям и требуемым характеристикам.
Подавляющее большинство технологических процессов в сельском хозяйстве осуществляется с использованием приемно-накопительных устройств. Вопросы со вмещения дополнительных функций с основными (прием, размещение, компенсация неравномерности поступления) зерноочистительно-сушильных комплексов (ЗОСК) в настоящее время не изучены. Для зернопунктов, функционирующих в условиях повы шенной влажности, решение данной проблемы позволит значительно улучшить усло вия работы основных машин (зерносушилок и зерноочистительных устройств) за счет улучшения сыпучести, повышения скважистости.
Поэтому разработка научно обоснованной технологии обработки и применения зернопримников активного типа (ЗПАТ) в приемном отделении ЗОСК в качестве основы для повышения эффективности ПОЗ представляет перспективное направление экономии топливно-энергетических ресурсов и приобретает в настоящее время особую актуальность.
Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной про граммой приоритетных фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2006–2010 гг., координационным планом НИР СО РАСХН на 2006–2010 гг. и КрасГАУ на 2006–2009 гг. по проблеме совершенствования технологий и средств механизации послеуборочной обработки зерна.
Цель работы. Повышение эффективности прима и предварительной подработки зерна с использованием примников активного типа для снижения энергозатрат зерноочистительно-сушильных комплексов в условиях хозяйств Красноярского края.
Для реализации цели работы были поставлены следующие задачи:
– провести анализ современного состояния по использованию средств механизации примного отделения ЗОСК и выявить основные направления со вершенствования ПОЗ с учтом влияния природно-климатических условий Красноярского края;
– разработать структуру имитационной модели примного отделения ЗОСК сельскохозяйственного назначения и методику ее построения с учетом условий и характера функционирования ЗПАТ;
– разработать программу и методику проведения экспериментальных ис следований для идентификации модельных коэффициентов и определения оп тимальных режимных параметров зернопримника активного типа (ЗПАТ) в исследуемом диапазоне условий функционирования;
– исследовать параметры и режимы работы ЗПАТ на основе практически обоснованных имитационных моделей;
– оценить технико-экономическую эффективность применения зернопри мников активного типа.
Объект исследований. Технология прима, размещения и временного хранения зернового материала, поступающего на обработку в ЗОСК сельскохо зяйственного назначения.
Предмет исследований. Закономерности процессов поступления зерно вого материала и его предварительной подработки в примном отделении ЗОСК.
Методы исследований. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа, имитационного моделирования, математической статистики, ста тистической динамики.
При проведении экспериментальных исследований за основу были приняты ме тодики проведения опытов и испытаний зерносушилок, государственные и отраслевые стандарты, требования и нормы метрологии, контроля качества технологических про цессов, планирования экспериментов, теории подобия и моделирования.
Научную новизну представляют математические модели и результаты экс периментальных исследований процессов поступления зернового материала, предварительной подработки его в примном отделении активного типа с воз душной системой для отделения лгких примесей, подсушки и накопления пе ред сушильным отделением ЗОСК.
Практическая значимость работы. Выполнена оценка влияния конструкций примных устройств на работу ЗОСК. Предложены конструкции зернопримных уст ройств и технологическая схема предварительной обработки материала в прим ном отделении, позволяющие повысить эффективность работы основных зер ноочистительных и зерносушильных машин.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты были приняты к использованию в хозяйствах ООО «Чистые пруды» Балахтинского района Красноярского края и КООПхоз им. Кутузова Тяжинского района Кеме ровской области, а также используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «КрасГАУ» при подготовке студентов агроинженерных специальностей.
На защиту выносятся:
– имитационные математические модели процессов поступления зерново го материала на ЗОСК;
– методики исследования глубины эффективного влагосъма в неподвиж ном зерновом слое и его теплопроводности;
– конструктивно-технологическая схема зерновых примников, осущест вляющих активное вентилирование, подсушку и предварительную очистку ма териала;
– параметры и режимы работы зернопримника активного типа;
– результаты сравнительных исследований примного отделения ЗОСК, работающего по базовой и усовершенствованной технологиям.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также испытаний разработанных технологий, режимов и процессов предварительной обра ботки зерна.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на всероссийских и региональных научно-технических конференциях в Красноярском ГАУ (2006–2010);
региональных конференциях молодых ученых и аспирантов Ачин ского филиала КрасГАУ (2005–2007);
всероссийской научно-практической конферен ции в СибИМЭ (Новосибирск, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том чис ле 3 статьи в издании, рекомендованном ВАК для публикации материалов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 45 рисунков, 14 таблиц и 6 приложений. Библиографический список включа ет 104 литературных источника, в том числе 5 на иностранном языке.
Личный вклад. Результаты лабораторных и производственных исследова ний, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в обсуждениях и постановке задач на этапах научной работы, анализе и оформлении полученных результатов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана характеристика проблемы, показана ее актуальность, сформулированы цели и задачи, приведены основные выводы работы.
В главе 1 «Анализ современного состояния средств механизации при много отделения зерноочистительно-сушильных комплексов» представле на характеристика природно-климатических и технико-экономических условий хозяйств Красноярского края и их влияния на выбор параметров технологии обработки зерна;
проведн анализ конструкторско-технологических схем суще ствующих зерновых приемников.
Изучение вопроса о совершенствовании процесса обработки зерна на ос нове аналитических методов отражено в работах ученых Э.В. Жалнина, Н.М. Иванова, В.А. Резчикова, Н.В. Цугленка, А.Г. Чижикова, Э.И. Липковича, С.К. Манасяна, Г.С. Окуня, А.В. Авдеева, Н.М. Андрианова, В.И. Анискина, В.Д. Галкина, Т.Н. Бастрон, Л.В. Колесова, В.А. Кубышева, А.Б. Лурье, А.В. Лыкова, Ф.Н. Эрка и др.
При повышенных значениях исходной влажности и засорнности лгки ми примесями при современном уровне уборочно-транспортного комплекса (УТК) в условиях неравномерности поступления зернового вороха применяе мые технологические линии не предусматривают операций (рис. 1) предвари тельной подработки (подсушивания и очистки от лгких примесей) на стадии прима. Разработанная на кафедре СХиММ КрасГАУ технология активного вентилирования предусматривает использование процесса первичной очистки в зерноочистительной машине, что приводит к увеличению удельных затрат.
Главной причиной ухудшения качества и даже порчи зерна является вла га, содержащаяся в зерне сверх равновесной, – активная влага. При временном хранении материала влажностью более 21 % и засоренностью более 5 % в при емниках без перемешивания и продувки происходит перераспределение влаги с примесей имеющих, как правило, значительно большую влажность, на зернов ки, что вызывает увеличение влажности всей массы.
Рисунок 1 – Упрощенная схема послеуборочной обработки зерна Процесс предварительной очистки (до сушки) влажного материала с ис пользованием плоских решт малоэффективен при влажности 21…25 % и не эффективен при влажности 25…35 %. При этом процесс очистки тормозится наличием поверхностной влаги. Е необходимо удалять на этапе прима при совмещении технологического процесса прима и размещения зернового воро ха с его подсушиванием и предварительной очисткой. Учитывая, что посту пающий на ЗОСК материал (при современных требованиях и уровне организа ции УТП) находится в очереди на обработку в течение большого времени, ста новится очевидным, что основной и наиболее эффективный способ удаления излишней влаги из зерна – сушка – нуждается в дополнении посредством вспо могательной технологической операции – подсушивания зерна на этапе прима.
При разработке технологической схемы приемного отделения и выборе параметров приемника необходимо учитывать большое число факторов, основ ными из которых являются урожайность и число культур, обрабатываемых на зернопункте, их физико-механические свойства и т.д.
В главе 2 «Имитационное моделирование функционирования прим ного отделения зерноочистительно-сушильных комплексов» для учета ус ловий функционирования разработана логическая структура базы данных, ко торая физически была реализована для зернопунктов нескольких хозяйств Красноярского края. При этом теоретические исследования включали два эта па: 1. Имитационное моделирование условий функционирования зернопунктов.
2. Моделирование процессов вентилирования и подсушивания в ЗПАТ.
Разработана имитационная модель процесса поступления зернового во роха на ЗОСК, построены имитационные модели уборочной влажности и засо рнности зерна и зернового вороха, объмов, ритма и периодов поступления;
обоснована структура моделей условий функционирования комплекса и его приемного отделения.
Условия функционирования процессов ПОЗ задаются валовым сбором зерна Qc, продолжительностью поступления N(C), средней сезонной W(C) и су точной Wi, i=1, N(C) влажностью, средней суточной засоренностью i, интен сивностью поступления Qi, неоднородностью зерна по спелости i=(1i, 2i, 3i).
Между перечисленными характеристиками рассматриваемых процессов имеют место соотношения Q(C ) (C ) N N (C ) N (C ) 3 (C ) (C ) nQ N 3 3 N Qi ji Qi ( ji К ), ji N (C ), КinWi W ( c ),, Qi Ki (C ) n (1) Q i i 1 j 1 i 1 j 1 N i 1 j 1 i N i а также нефункциональные связи, носящие вероятностный характер. С другой стороны, нетрудно проследить временные вероятностные закономерности, на пример, для Qi. Поэтому в математическом описании были использованы слу чайные процессы и случайные величины, определена последовательность ими таций указанных величин, выделена величина, играющая роль связующего зве на, с известным законом распределения (для упрощения модели и увеличения ее достоверности).
В основе предлагаемого общего подхода лежит введенный коэффициент условного накопления зерна перед сушкой К, характер распределения которого не зависит от указанных ситуаций (начальных условий модели):
К н,i 1 К in 1;
О, К Н,О 0, К н,i i 1, N. (2) К н,i 1 Кi 1, К н,i 1 К i 1.
n n Компоненты случайного вектора Кн могут быть представлены как реализация однотипных (сглаженных по сравнению с in ) явлений, происходящих в i -й день после начала сезона уборки в предприятиях ПОЗ. Поэтому можно представить:
К in N (ai, i2 ). (3) Важно отметить, что здесь, в отличие от К c, имеет место определенная тенден ция изменения параметров ai, i при изменении i от 1 до () :
1, i n NC a0 f (i ) (i 1), d (i ) (i 1), 0, i n1, n1 d 0.
( KH ) 2 (4) a sign f (i ) i i 1, i n Коэффициенты f (i ), d (i ) зависят от начальных условий (блок 0);
возможно также их табличное задание. Значения К с генерировали из обратного соотношения с исполь зованием псевдослучайной величины Р (0,1). Значения остальных характеристик данных процессов имитируются с использованием полученных К in. Например, пара метры нормальных величин Wi :
N i a (Wi ) a0W ) C(i ) (i 1) A( m) 1 E ( Kin j Kin j m ), 2 02 Bi E ( Кin ), C ( (5) m 1 j где А, В, С – коэффициенты, учитывающие влияние метеорологических условий на W, неравномерность созревания хлебов, постепенность созревания в процессе уборки для культуры в данной зоне.
Построенная имитационная модель оформлена в виде пакета программ, структу ра которых приведена на рис. 2. Полученная модель дат возможность предопределить вероятные условия функционирования объектов. В связи с созданием ЗОСК новых ти пов и построением АСУ технологическими процессами ПОЗ, возникает необходимость в численном моделировании условий функционирования. При рассмотрении процессов ПОЗ во взаимодействии, без выделения какого-либо одного из этих процессов, стохас тическая составляющая их математических моделей доминирует над детерминистиче ской, которая в этом случае выражает не основные закономерности, а их тенденции.
Таким образом, для решения задачи моделирования используются связанные между собой вероятностный и описательный методы. Другая особенность предлагаемо го подхода состоит в использовании случайных векторов.
Известные вероятностные имитационные модели функционирования ПОЗ осно ваны на представлении данных процессов и их количественных и качественных харак теристик случайными величинами. Принимают, что те или другие процессы и их харак теристики (например, поступление зернового материала, его влажность, засоренность и т.д.) распределены по нормальному закону или по какому-нибудь другому стандартно му закону (например, поступление простейшим пуассоновским потоком). В случае если среднесезонные характеристики (случайные величины) хорошо подчиняются какому нибудь стандартному закону распределения, его нельзя распространить на среднесу точные характеристики. Однако представление в виде случайной величины указанных процессов является очень сильной идеализацией действительных процессов ПОЗ.
Учитывая, что продолжительность поступления N(c) – небольшая величина (для одной культуры N=5…20, для всех культур N= 15…45), можно предложить использо вать - мерные случайные величины при математическом (вероятностном) описании данных процессов. Таким образом, детерминистические составляющие заложены в ве роятностную модель, придавая тем сами ей описательный характер.
Другими словами, нет необходимости описывать все процессы ПОЗ, а достаточ но выделить основные (или искусственно построить связующую величину), подчи няющиеся стандартным законам распределения и выявить из большого числа взаимо связей главные.
При таком подходе компоненты отдельных процессов (величин) могут оказаться как независимыми (например, i, i =1,2,..., N ), так и зависимыми между собой (напри мер, Wi ).
В качестве начальных данных задаются следующие параметры: количество об рабатываемых культур, К;
коэффициент обеспеченности хозяйств уборочной техникой, n Кy ;
средняя продолжительность уборки в данном регионе, ;
средняя дисперсия про 2(n) должительности уборки, ;
коэффициент, учитывающий влияние обеспеченно сти хозяйства уборочной техникой на продолжительность уборки, Коn;
коэффи циент, учитывающий постепенное созревание культуры в процессе уборки, Ka (мера изменения математического ожидания среднесуточной влажности);
коэффициент, ха рактеризующий неравномерность процесса созревания хлебов, К (мера изменения дис персии среднесуточной влажности);
коэффициент, учитывающий влияние метеороло гических условий, KМ.
Для имитационного моделирования основных показателей материала, посту пающего на обработку, процесс имитации представлен в виде схемы, показанной на рис. 2.
В блоке 1.1 генерируется среднесезонная влажность зерна W(с), которая может быть описана нормальным законом распределения с W=26 %, W =2,5–3,1. Значения (W) и (W) корректируются с учетом начальных данных сезона:
(W)=KM (oW ), 2(W)=К ·К2m· 2o(W). (6) а б Рисунок 2 – Схема имитации (путм генерирования случайных величин с заданием параметров) характеристик процесса поступления зернового вороха на ЗОСК: а – обоб щнная схема системы математических моделей;
б – схема имитационной модели подсис темы 1.1 – 1. В блоке 1.2 производится имитация числа N дней уборки в сезоне (продолжи тельность поступления), как реализация нормально распределенной случайной величи ны N (, 2), причем параметры и зависят от сгенерированного в блоке 1.1 значения W, а также от коэффициентов Ky и Kon:
( N ) n ( K у 1)К0n, 2( N ) 2n (K 1) K0n.
(7) В блоке 1.3 генерируются величины W1, W2,…, WN, каждая из которых распреде лена по нормальному закону с параметрами (i и i), где KMm 1 E ( K c,i j K c,i j 1 K c,i j m) K c,i, (8) i n (Wi)={o-K(i)(i-1)+ j m 0, x (Wi)= 0 K (i) E( Kc,i ), ( x ) K(i)0,. (9) 1, x В блоке 1.4 происходит последовательное вычисление значений КС1, KС2,…, KCN, коэффициента суточной неравномерности поступления зерна и Q1, Q2,…, QN – интенсивности поступления по дням на основе генерируемых в подблоках 1.4.1;
1.4.2 и 1.4.3 значений коэффициента суточного накопления КН1, КН2,..., КНN в соответствии с алгоритмом:
1.4.1. Генерация KHi:
а) вычисление i( Kh ), i (Kh ) ;
б) датчик N(i, i2 );
в) преобразование KHi=(KHi);
г) проверка условия KH,i-1-KH,i 1.
1.4.2. Вычисление Kci.
N 1.4.3. Вычисление Qi= Q, Q = Qi.
N i В блоке 1.5 имитируется значение среднесуточной засоренности по дням. Ве личины i, i=1 распределены по нормальному закону с параметрами ( i ( ), i (W ) ), за- i висящими от значений Wi, cгенерированных в блоке 1.3:
W) i ( ) К M i (W ), i ( ) K i (.
i (10) i В блоке 1.6 на основе выходных данных блоков 1.4 и 1.5 и вычисления весовых коэффициентов для различных степеней спелости P1, P2, P3 генерируется постепенное перераспределение значений 1, 2, 3.
При проведении теоретических исследований и построения модели процессов воздухораспределения были использованы основы теории, позволяющей проводить расчет значений основных параметров многофункциональных зерновых приемников и других устройств, функционирующих в составе приемного отделения зернопунктов.
В современной практике применяют достаточное количество зерноприемников различного конструктивного исполнения. Однако до настоящего времени не разработа на классификация данных устройств, за исключением работы ВИМ (авторы В.И. Ани скин и др.), в которой использован единственный классификационный признак – схема продувки.
Все приемные устройства можно классифицировать по нескольким признакам.
По назначению: для консервации зерна охлаждением;
универсальные;
аэрацион ные;
с фракционированием;
с подсушиванием;
многоцелевые.
По способу подвода воздушного потока в зерновую массу: с вертикальным одно сторонним;
с горизонтальным радиальным (одно- и двухсторонним);
с горизонтальным поперечным;
со смешанным.
По типу воздушной системы: с аэрожелобами, коробами или каналами;
с перфо рированным полом;
с жалюзийными стенками;
с перфорированными центральными и наружными цилиндрами.
По конструктивному оформлению камеры: бескамерные;
завальные ямы;
камер ные.
По типу разгрузочных устройств: саморазгружающиеся;
с пневмовыгрузными устройствами;
со шнековыми разгрузчиками.
В соответствии с родом граничных условий предложена классификация воздуш ных систем зерноприемников (см. рис. 3–5).
Схемы воздушной системы зерноприемников с перфорированными и жалюзий ными стенками могут иметь следующие виды:
– радиальные (центральная) (рис. 3);
– поперечные (рис. 4);
– активные (рис. 5).
В зависимости от схемы нами выделено два типа систем воздухораспределения:
первого типа (рис. 3–4) и второго типа (рис. 5). Несмотря на то, что каждый из этих типов может быть подразделн на подклассы, принципиальный подход к поста новке и решению задач аэродинамики и тепловлагопереноса для соответст вующих подсхем остается без существенных изменений.
Простои технологической линии ПОЗ, обусловленные зерноприемником, в основном вызваны неправильной работой его выгрузной системы, отсутстви ем или несовершенством воздушной системы, а также выбором параметров размера, угла наклона стенок, внутриконструкционных устройств и их несоот ветствием виду обрабатываемого материала.
в а б Рисунок 3 – Схемы радиального воздухораспределения: а – с двумя перфорированными цилиндрами;
б – со сплошным наружным цилиндром;
в – с аэроразгрузочной камерой в а б Рисунок 4 – Схемы поперечного воздухораспределения: а – односторонняя;
б – двухсторонняя (симметричная);
в – поперечно-продольная б в а Рисунок 5 – Схемы с активным (направленным) использованием воздушного потока: а – при фракционировании зерна;
б – при транспортировании;
в – при подсушивании До настоящего времени не существует теории, системно учитывающей все группы отрицательных факторов. При этом приемное отделение и, в част ности, зерноприемник, остается наименее технически отработанным звеном в ЗОСК. На основе принятой схемы проведения исследования на данном этапе были ис пользованы три взаимосвязанные подмодели:
– определение необходимого расхода воздуха (блок 2.1);
– определение распределения воздушного потока (блок 2.2);
– определение температурного и влажностного полей материала (блок 2.3).
Производительность и эффективность работы зерноприемника зависит от дви жения воздушных потоков в зерновых слоях;
важное значение приобретает разработка метода расчта аэродинамики (поле скоростей воздушного потока) и динамики тепло влагопереноса.
Теоретические исследования включали расчт следующих параметров: необхо димого количества воздуха;
оптимального расхода воздуха;
неравномерности распреде ления полей давления воздуха;
температуры и влажности зерна;
температуры и относи тельной влажности воздуха при вентилировании и подсушке.
Исследование основных закономерностей распределения воздуха в плотном зер новом слое дало возможность определить поле скоростей, общее аэродинамическое со противление, а также равномерность параметров зернового материала.
Для обеспечения достаточной адекватности теории (и, в частности, формулы, выражающей общее аэродинамическое сопротивление зерноприемника), а также для анализа равномерности параметров подрабатываемого материала, приходится исполь зовать значительное число опытных данных, характеризующихся сложным простран ственным движением воздуха в зерновом слое, ставить сложные аналитические задачи, использовать сложные расчты.
Трудность при аналитическом решении данного класса задач связана с необхо димостью задания разрывных краевых условий на одной из границ контура области оп ределения искомой функции (давление, скорость;
влажность, температура;
засорен ность по отдельным группам примесей). На одной части границы задатся ее значение (граничные условия первого рода), а на другой – для производной данной функции (граничные условия второго рода). При этом возникает необходимость задания условий согласования между ними на границе между двумя участками области (эта граница со ответствует воздухопроводящему каналу устройства). Краевые задачи с такими сме шанными граничными условиями представляют значительную сложность, потому что непосредственное применение метода разделения переменных не позволяет получить их решение, так как невозможно, чтобы одна непрерывная функция удовлетворяла двум различным граничным условиям при фиксированном значении координаты.
Построение модели проводили на основе схемы, разработанной на кафедре «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» д.т.н. Н.В. Цугленком и д.т.н.
С.К. Манасяном.
Блок 2.1. Для расчта необходимого расхода воздуха используем следующие ба лансовые соотношения:
сз Gз ( 0 ) V (T T0 )cТ,V Q (11) cз G ( 0 ) 0 cТ Q T T Q,. (12) cТ (T T0 ) cз Gз На основе формулы (12) с учтом очевидного неравенства ( 0 ) (T T0 ) бы ли получены расчтные соотношения для объма и расхода воздушного потока:
c C (13) V Gз з, q з сТ сТ и для оценки изменения температуры и влажности зерна ( при W 4 %/ч) :
d dT cT Q dW k ( w), k ( w) k w w. (14), dt dt cз ( w)Gз dt Блок 2.1 дат предварительные соотношения между основными показателями состояния зерна и воздушного потока, уточнение которых возможно на основе моделей блоков 2.2 и 2.3.
Блок 2.2. Поставим задачу разработки аэродинамической модели для воз духораспределителей активного типа, реализующих схему, представленную на рис. 5, в. Математическая формулировка задачи для данной схемы воздухораспреде ления следующая: найти в прямоугольнике x x0 ;
X, y 0;
H решение уравнения:
2 Р( х, у ) 1 Р( х, у) 2 Р( х, у) 0 (15) х 2 х х у при граничных условиях:
р др 0 0.
0 р y H у y ду y y (16) р y y р0.
При выводе модели были приняты следующие допущения и предложения: зер новая масса – изотропная среда;
плотность воздуха в процессе продувки постоянная;
плотность укладки зрен одинаковая во всем объеме камеры;
между скоростью воздуха v (vr, vz) и градиентом статического давления grad P ( Р/ х, Р/ у) справедлива ли нейная зависимость, в которой в качестве коэффициента пропорциональности выступа ет коэффициент фильтрации. Разделяя переменные Рх, у Pх ( х) Pу ( у ), получим два дифференциальных уравнения:
(17) 1 Pу 1 2 Р 1 P,, r r Н у R х х х решения которых представляются посредством функций Бесселя нулевого порядка J 0,Y Pr B1J 0 х B2Y0 х. Pу C1 exp у C2 exp у, (18) где C1, C2, B1, B2 – постоянные. Введя относительные величины h / H у, х / Х х, ко торые могут рассматриваться как безразмерные критерии подобия (например, у харак теризует степень заполненности бункера зерновым материалом и определяется положе нием запорного поршня, перекрывающего часть воздухоподводящего канала высотой H h ), представим распределение воздушного потока в примном устройстве рас сматриваемого типа в виде следующей формулы:
K Х р х, у Bs K0 s х 0 s I 0 s х cos у s. (19) I 0 s Х s Все введенные критерии принимают значения в интервале от 0 до 1, причм крайние величины (0 и 1) представляют собой граничные условия (для х и у ) или пре дельные условия (для h ). Наиболее часто встречающиеся на практике значения для h лежат в пределах 0,70,9, поэтому при расчтах брали три уровня этого параметра:
h 0,75 ;
h 0,80 ;
h 0,85.
Блок 2.3. Модели воздухораспределения и тепловлагопереноса в разрабо танном приемном устройстве:
в d K K K 1 T ;
grad w c grad Д, 10 (20) dt d J, K 1 K J, T, K 1 K K T r r K ;
grad c v c v (21) dt 100c 100c 1 m K c 1 K v T, aK 1 K T ;
dT grad T c v R T cT dt (22) 10 dД J,, bK.
Д grad T (23) dt На основе полученных моделей реализованы алгоритмы и методы опре деления параметров разработанных устройств и оценки адекватности имитаци онных моделей. Проведена идентификация процессов подсушивания зерна, воздухораспределения и предварительной очистки от лгких примесей в ЗПАТ, которая позволила настроить модели Б 2.1 и Б 2.2 (см. рис. 2) на конкретные параметры зернового материала и приемного устройства путм определения значений модельных коэффициентов. Математическая композиция моделей Б 2.1–2.2 с начальными условиями в виде моделей Б 1.1–1.4 дала возможность идентифицировать многофункциональный процесс ЗПАТ в составе предлагае мой технологической схемы ПОЗ.
В главе 3 «Программа и методика экспериментальных исследований процессов подработки зерна в примниках активного типа» изложены ме тоды, задачи и основные результаты проведенных экспериментальных исследо ваний.
Целью экспериментальных исследований являлось:
– проверка применимости разработанных теоретических моделей и на стройка этих моделей для предлагаемых условий, конструкций зернопримни ков и технологических схем примного отделения;
– определение рациональной конструктивной схемы воздухораспределе ния в ЗПАТ и обоснование конструктивно-технологических параметров пред лагаемой схемы рассматриваемого устройства и технолого-эксплуатационных параметров примного отделения.
Программа проведения экспериментальных исследований включала два этапа. Первый этап предусматривал проведение пассивных и активных наблю дений процессов поступления, прима и ПОЗ. На втором этапе проводились ак тивные опыты на лабораторной установке (рис. 6). План опытов по схеме ПФЭ 24 представлен на рис. 7.
Многократная прогонка моделей Б1 с использованием независимых дат чиков нормальных случайных величин и результатами первого этапа экспери ментов, сопоставление результатов с идентичными характеристиками за 2007– 2010 годы показали, что предложенная модель достаточно хорошо имитирует действительные процессы ПОЗ. Значения среднеквадратичных абсолютных по грешностей (W=3,2 %, = 2,4 %, Q=21,7 т, = 0,7= i ) соизмеримы со значе i ниями среднеквадратичных отклонений соответствующих нормальных случайных ве личин A3 Эm, A где A – среднеквадратическое отклонение экспериментального значения соот Эm ветствующей характеристики условий функционирования ЗОСК в течение сезона.
Сравнение полученных результатов с реальными показало, что при ис пользовании в блоке начальных данных массивов характеристик для конкрет ного предприятия за предыдущие годы могут быть уточнены значения коэффи циентов модели kM, kз, ky, соответствие данной зоне и обеспеченность хозяйст ва оборудованием и техникой для решения задачи прогнозирования характери стик исследуемых процессов.
Во второй группе первого этапа производилось измерение следующих параметров: температура, влажность и засорнность зернового материала на входе и выходе ЗПАТ, давление, скорость и влагосодержание воздушного по тока;
температура и относительная влажность наружного воздуха, влагосъм.
Полученные данные по распределению давления по вертикальным и горизон тальным сечениям примного устройства статистически несущественно отли чаются (с доверительной вероятностью 0,9) от расчтных теоретических значе ний.
В первой группе второго этапа проводили активные эксперименты по плану ПФЭ 24 (рис. 7) на лабораторной установке, представленной на рис. 6, результаты которых приведены на рис. 8.
Программа проведения экспериментальных исследований предусматри вала реализацию сочетаний четырх факторов, каждый из которых варьировал ся на двух уровнях (минимальный, максимальный), – засорнность зерна (х1), температура теплоносителя на входе (х2), влажность зерна (х3), температура зерна (х4).
Во второй группе второго этапа экспериментов проводили определение теплопроводности зернового слоя с целью обоснования величины допустимого теплого потока с использованием цилиндрического зонда нестационарного теп лового потока и на основе закона Фурье: q grad.
Лабораторная установка содержит следующую аппаратуру: прибор ИТФХЗВ, погрешность которого не превышает 5 %. Время теплового воздейст вия 4–5 мин, чувствительность прибора по температуре 1°С. Измерительный блок объединяет стабилизированные источники мостовой измерительной сис темы и подогревной обмотки зонда. Кроме того, в состав прибора входят изме рительная схема и усилитель. Для проведения опытов по были взяты 6 образцов по каждой культуре с влажностью от 10 до 35 %. По каждой культуре пригото вили по одиннадцать образцов с влажностью от 10 до 35 %. Некоторые резуль таты представлены на рис. 9–10.
Рисунок 6 – Схема лабораторной установки:
1 – электродвигатель;
2 – центробежный вентилятор;
3 – анемометр крыльчатый АСО -3;
4 – термометр;
5 – электрический нагреватель;
6 – мкость с зерном;
7 – термоизолированный гибкий патрубок;
8 – ручная лебдка;
9 – направляющая штанга Рисунок 7 – Схематическое представление плана ПФЭ а б в г Рисунок 8 – Графики распределения температуры, влажности зерна и давления воз душного потока: а – распределение температуры и влажности в поперечном вертикальном направлении;
б – распределение давления в продольном направлении;
в – распределение температуры и влажности зерна в продольном направлении;
г – распределение давления в поперечном направлении Характер изменения теплопроводности можно объяснить различными формами связи влаги с материалом. При влажности зерна до 30 % влага запол няет мелкие поры и после их насыщения переходит в межзерновое пространст во;
при этом и меньше, так как в поры материала вместо воды входит воздух, теплопроводность которого значительно меньше, чем жидкости. У материала с высокой влажностью при наличии активной влаги на поверхности зерновок происходит резкое увеличение за счет поверхностной влаги, так как влага вы ступает на поверхность отдельных зерен и образует водяные тепловые «мости ки» в местах контакта частиц материала (верхняя правая часть кривой 2 на рис.10), а в случае, когда зерно отлежалось и влага перешла в более связанное состояние, происходит уменьшение теплопроводности (кривая 2 нижняя правая часть кривой).
Рисунок 9 – Зависимость величины влагосъма от характеристик теплоносителя и зернового вороха: 1 – w= 1 %;
2 – w=1,5 %;
3 – w=2 %;
4 – w=2,5 %;
5 – w=3 %;
6 – w=3,5 %;
7 – w=4 %;
8 – w=4,5 %;
9 – w=5 % Вследствие низкой теплопроводности теплота в зерновой массе задержи вается в тонком слое, контактирующем с агентом сушки. При этом зерно быст ро перегревается, что приводит к ухудшению его качеств. Это обстоятельство сильно затрудняет основной процесс высокотемпературной сушилки, поэтому ещ более повышается актуальность, целесообразность и эффективность под сушивания в зерновых примниках.
Рисунок 10 – Зависимость теплопроводности зернового слоя от влажности (при темпера туре 250С):
1 – пшеница;
2– ячмень (с отлживанием);
3 – овс;
4 – рожь Рисунок 11 – Схема воздухораспределения в предлагаемом устройстве В результате реализации плана эксперимента ПФЭ для разработанного комбинированного зерноприемника активного типа (рис. 11) была построена вход-выходная модель предварительной обработки зернового вороха в ЗПАТ.
Статистическая оценка результатов моделирования показала, что значимыми с доверительной вероятностью 0,95 являются факторные переменные x1, х2, х3, х4, в то время как эффекты парных взаимодействий факторов х1 и х2, х1 и х3, х2 и х3, х1 и х4 – значимы только на уровне 0,80;
результаты взаимодействия (совмест ного действия) всех остальных пар факторов статистически незначимы. Поэто му была принята линейная регрессия:
(24) Y1 = - 0,661 x1 + 0,327 x2 + 1,296 x3 + 0,302 x4 + 2,115;
(25) Y2 = - 0,238 x1 + 0,167 x2 + 1,641 x3 + 0,490 x4 + 3,319.
С учтом того, что расчтные значения критерия Фишера (с вероятностью 0,95) меньше табличного при числе степеней свободы K=N-m (N=16, m=9), F расч 2,49;
F0крит ;
9 3,09 ;
F расч F0крит.
,95;
16, Полученные регрессионные уравнение адекватно представляет рабочий про цесс подсушивания в ЗПАТ.
Наибольшее влияние на интенсивность влагосъма оказывают засорн ность зерна на входе, влажность зерна на входе и температура теплоносителя на входе.
В главе 4 «Практическое обоснование имитационных моделей и результаты исследования процессов предварительной обработки зернового материала» при ведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обос нованию режимов подработки зерна в ЗПАТ, дана оценка адекватности предла гаемых имитационных моделей, обоснована технологическая схема ЗОСК (рис. 12), использующего предложенные конструкции.
Обработка результатов экспериментальных исследований позволила идентифицировать математическую модель для предлагаемой конструкции ЗПАТ и представить е в следующем виде:
d dT dW 0,27 w.
0,24( w), (26) dt dt dt В современных комплексах для ПОЗ очистка, сушка и сортирование производят ся в виде раздельных технологических процессов, объединенных в единую поточную многомашинную систему.
На рисунке 13 представлена схема работы предлагаемого многофункционального примника. Данное устройство позволяет производить сортирование зернового во роха по аэродинамическим свойствам совместно с удалением поверхностной влаги.
В главе 5 «Технико-экономическая эффективность применения зер нопримников активного типа» получены сравнительные показатели техно логической эффективности комплекса КЗС-20Ш для ПОЗ с существующими (пассивными) и предлагаемым ЗПА (см. рис. 13).
При подработке зернового вороха на этапе прима повысилась эффектив ность предварительной очистки (рис. 14), произошло снижение энергозатрат при сушке за счт уменьшения содержания сорных примесей и числа пропусков через зерносушилку;
производительность ЗОСК была приближена к номиналь ной при поступлении зернового вороха высокой влажности и засорнности.
Экономический эффект от предлагаемых технологий предварительной обработки зерна составляет 150–170 руб. на 1 пл. т обработанного материала (средневзвешенный показатель для семенного, продовольственного и фуражно го зерна).
Рисунок 12 – Предлагаемая функционально-технологическая схема работы ЗОСК: I – уборочно-транспортный комплекс;
II – примное отделение;
III – сушильное отделение;
IV – очистительное отделение;
V – склад;
VI – отделение химического консервирования: 1 – транспорт;
2 – предлагаемый примник;
3 – ворохоочиститель;
4 – компенсирующие бункеы;
5,7 – зерносушилки;
6 – машины для вторичной очистки;
8 – бункер отходов;
9,10 – зернохранилища;
11 – установка для химического консервирования Рисунок 13 – Схема разработанного примного устройства с использованием теплообменника (Заявка № 2009136527/12 от 15.11.2009): 1 – корпус примного устройства;
2 – жалюзийные стенки;
3 – вентилятор;
4 – пластина распределительная;
5 – заслонка выпускного окна;
6 – датчик положения заслонки выпускного окна;
7 – привод заслонки выпускного окна;
8 – примный транспортр;
9 – датчики угловых скоростей;
10 – первичный датчик температуры;
11 – электронагревательный элемент;
12 – теплообменник;
13 – контрольный датчик температуры;
14, 15 – электрозадвижки;
16 – зерновой ворох;
17 – датчик температуры окружающей среды;
18 – охлажднный отработанный агент сушки и конденсат;
19 – отработанный теплоноситель от зерносушилки Результаты технико-экономического анализа предлагаемых конструкций зерноприемников и технологий их использования в составе приемных отделе ний ЗОСК показали, что они позволяют улучшить показатели их по удельному расходу топлива на 25–27 %.
а б Рисунок 14 – Влияние зернопримника активного типа на производительность отде лений ЗОСК: а – на предварительную очистку;
б – на сушку зерна;
----- – базовый вариант;
– модернизированный вариант.
Автор выражает благодарность руководителю проблемы профессору Н.В. Цугленку и руководителю диссертационной работы С.К. Манасяну.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Анализ современного состояния средств механизации примного отделения зерноочистительно-сушильных комплексов выявил несовершенство конструкций зер нопримников и их несоответствие природно-климатическим условиям Красноярского края.
2. Разработанная имитационная модель функционирования зерноприемников в составе приемных отделений зернопунктов и построенная модель воздухораспределе ния и тепловлагопереноса в ЗПАТ позволили выявить направления модернизации при много отделения ЗОСК (применение комбинированных многофункциональных зер нопримников, производящих подсушивание и фракционирование) и определить ра циональные параметры их работы (время экспозиции = 1…3 ч в диапазоне темпера тур теплоносителя Т = 30…60 0С).
3. В результате реализации разработанной программы и методики эксперимен тальных исследований определены максимальные (эффективные) значения модель ных коэффициентов тепло- и влагообмена: k 0,28...0,31;
kW 0,25...0,28.
4. На основе построенных моделей установлены оптимальные значения темпера туры теплоносителя в виде логистической функции от времени экспозиции процесса подработки в ЗПАТ (при = 1 ч: для семенного зерна Т=300С, для продовольственного зерна Т=400С, для фуражного Т=50 0С). Сопоставление расчетных характеристик с экспериментальными показывает, что рассогласование не превышает 15 %.
5. Предложенная схема приемного отделения ЗОСК с использованием предла гаемого ЗПАТ позволила обосновать конструкции многофункциональных приемни ков, отличающихся равномерностью распределения влажности и температуры в слое зерна при влагосьме (при W= 3…4 %, равномерность повышается на 65–75 % по сравнению с системами воздухораспределения первого типа), способствующих уменьшению числа циклов транспортировки и пропусков материала через основные машины сушильного и очистительного отделений, повышением качества зерна.
6. Результаты технико-экономического анализа предлагаемых конструкций зер ноприемников показали, что наблюдается незначительный рост потреблнной элек троэнергии (на 3,9 % в среднем), однако при этом снижается потребление дизельного топлива в среднем на 27 %. Полученные значения оценочных показателей доказыва ют, что предлагаемый ЗПАТ способствует повышению эффективности и интенсифи кации последующих технологических процессов предварительной очистки и сушки на 18–27 %.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
а) в рекомендованных ВАК изданиях 1. Цугленок, Н.В. Имитационная модель функционирования сушильных установок [Текст] / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Н.В. Демский, Ю.А. Книга // Вестник КрасГАУ. – Красноярск, 2007. – Вып. 3. – С. 196–200.
2. Книга, Ю.А. Математическое моделирование процесса воздухораспределения в примно-сушильно-вентиляционных устройствах бункерного типа / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Ю.А. Книга [и др.] // Вестник КрасГАУ. – Красноярск, 2009. – Вып. 10. – С. 116–123.
3. Книга, Ю.А. Подход к повышению эффективности комплексов послеуборочной обработки зерна / Н.В. Цугленок, О.Г. Дьяченко, С.К. Манасян, Ю.А. Книга // Вестник КрасГАУ. – Красноярск, 2009. – Вып. 4. – С. 193–197.
4. Манасян, С.К. Методика определения теплофизических характеристик зернового материала [Текст] / С.К. Манасян, Н.В. Демский, Ю.А. Книга // Машинно технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири : мат-лы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения акаде мика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова. – Новосибирск: СибИМЭ, 2008. – С. 61–65.
б) в других изданиях 5. Книга, Ю.А. К обоснованию исходных требований на проектирование предприятий послеуборочной обработки зерна / С.К. Манасян, Ю.А. Книга, Н.В. Демский [и др.] // Аг рарная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2006. – C. 263–266.
6. Книга, Ю.А. Методика лабораторных исследований по определению теплофизиче ских характеристик зернового материала / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Ю.А. Книга [и др.] // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Краснояр. гос.
аграр. ун-т. – Красноярск, 2007. – C. 226–228.
7. Книга, Ю.А. Методика обоснования и расчета средств технической оснащенности предприятий для послеуборочной обработки семян пшеницы / Н.В. Цугленок, С.К. Мана сян, Ю.А. Книга // Инновации в науке и образовании: мат-лы Всерос. очно-заочной науч. практ. и науч.-метод. конф., посвящ. 55-летию КрасГАУ. – Красноярск, 2007. – Ч. 2. – С. 159–161.
8. Книга, Ю.А. Место сушки в поточной комплексной организации послеуборочной обработки зерна / Н.В. Цугленок, Т.Н. Бастрон, С.К. Манасян, Ю.А. Книга //Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2007.
– C. 235–237.
9. Книга, Ю.А. Условия функционирования зерносушилок сельскохозяйственного на значения / С.К. Манасян, А.В. Корепанов, Ю.А. Книга [и др.] //Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2007. – C. 228–229.
10. Книга, Ю.А. Модель функционирования сушильных установок сельскохозяйст венного назначения /С.К. Манасян, Н.В. Демский, А.В. Корепанов, Ю.А. Книга // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красно ярск, 2007. – C. 232–235.
11. Книга, Ю.А. Виброустойчивость сельскохозяйственных машин / С.К. Манасян, Н.В. Демский, О.В. Пиляева, Ю.А. Книга // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестн. КрасГАУ». – Красноярск, 2007. – C. 86.
12. Книга, Ю.А. Классификация зерносушилок сельскохозяйственного назначения/ Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Н.В. Демский, Ю.А. Книга // Проблемы современной аграр ной науки. – Красноярск, 2008. – С. 90–92.
13. Книга, Ю.А. Конструктивные особенности сушильных камер зерносушилок сель скохозяйственного назначения и тенденции их развития /С.К. Манасян, Н.В. Демский, Ю.А. Книга [и др.] // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. / Красно яр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2007. – C. 229–232.
14. Книга, Ю.А. Примное устройство зерноочистительно-сушильного комплекса сельскохозяйственного назначения: заявка на пат. № 2009136527/12 от 15.11.2009.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г.
Подписано в печать 21.03.2011. Формат 60х84/16. Бумага тип. № 1.