Совершенствование системы распределения теплоносителя в зерновых сушилках шахтного типа
На правах рукописи
ЖЕРЕБЦОВ
Антон Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЗЕРНОВЫХ СУШИЛКАХ ШАХТНОГО ТИПА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин – 2009 2
Работа выполнена на кафедре механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО "Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого"
Научный руководитель: доктор технических наук Андрианов Николай Михайлович
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Давидсон Евгений Иосифович доктор технических наук, профессор Галкин Василий Дмитриевич
Ведущая организация: ФГНУ Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗ НИИМЭСХ)
Защита состоится «12» мая 2009 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертаци онного совета Д 220.060.06 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, 2, ауд. 719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, а с авторефератом на сайте www.spbgau.ru.
Автореферат размещен на сайте и разослан «09» апреля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор В. А. Смелик
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В 2005…2008 гг. производство зерна в России вы шло на рубеж 78…107 млн. тонн. Обработка такого количества продукции с минимальными затратами требует переоснащения материально-технической базы на основе новых научных и технологических решений.
Сушка одна из наиболее ответственных, трудомких и энергомких операций в послеуборочной обработке зерна. Поэтому, учитывая значительные объемы производства зерна, обращение к проблеме е совершенствования име ет важное народно-хозяйственное значение.
Анализ функционирования современных сушильных агрегатов показыва ет, что в условиях сельскохозяйственного производства они обеспечивают низ кое качество выполнения рабочего процесса. Особенности эксплуатации, внут ренней структуры и низкое качество изготовления отдельных рабочих органов обусловливают значительную неравномерность нагрева и сушки зерна в су шильных камерах. Низкая надежность контроля и отсутствие автоматического регулирования основных переменных состояния процесса сушки обусловливает применение пониженных тепловых режимов и влечет уменьшение производи тельности оборудования, увеличение затрат труда и энергии. Это сдерживает технический прогресс в послеуборочной обработке зерна и подтверждает акту альность выполнения исследований, направленных на решение указанных за дач.
Интенсификация сушки, обеспечение более равномерных условий е про текания являются одним из резервов увеличения производительности сушиль ного оборудования, уменьшения удельных затрат труда и энергии на е осу ществление.
Направление исследований соответствует «Программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской федерации на 2006-2010 гг.» и ее разделу «09.01. Разработать конкурентоспособные наукоемкие машинные тех нологии и технику нового поколения для производства сельскохозяйственной продукции».
Диссертационная работа выполнена в соответствии государственными контрактами № 5171р/7465 от 01.06.2007 г. и 6254р/8844 от 12.12.08 о выпол нении НИОКР по теме «Разработка системы распределения теплоносителя для зерновых сушилок шахтного типа», заключенными Новгородским государ ственным университетом им. Ярослава Мудрого с Фондом содействия разви тию малых форм предприятий в научно-технической сфере Министерства обра зования и науки РФ.
Цель исследования: повышение эффективности функционирования зер новых сушилок шахтного типа путем совершенствования системы распределе ния теплоносителя.
Объекты исследований: шахтные зерносушилки, система распределения теплоносителя, процессы их функционирования.
Методика исследований: в исследовании использовались методы теории вероятностей и математической статистики, гидродинамики и теории потенци алов, теории эксперимента, физического и математического моделирования.
Экспериментальные исследования выполнялись на физических моделях, натурных образцах и в условиях производства. Математическое моделирование реализовали в среде специализированного математического пакета Maple. При физическом моделировании течения теплоносителя применялись методы электро- и гидродинамической аналогий. Результаты экспериментов обрабаты вались методами математической статистики в среде специализированного па кета по статистическому анализу и обработке данных STATISTICA. Физико механические свойства семян и показатели их качества определялись в соответ ствии с существующими государственными стандартами.
Научную новизну составляют:
- способы равномерного распределения теплоносителя в камере сушки и уточненная методика расчета технических средств (рабочих органов) для их ре ализации.
Практическую ценность имеют:
- технологические и технические решения, усовершенствующие систему распределения теплоносителя в зерновых сушилках шахтного типа.
Реализация результатов исследования. Предложения по усовершен ствованию технологии сушки и системы распределения теплоносителя в шахт ных зерносушилках используются в практической работе организациями, вы полняющими проектирование и изготовление сушильных агрегатов: ЗАО «СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш» (г. Брянск) и ЗАО «Агропромтехника» (г. Ки ров).
Результаты работы используются в научной и учебной работе в Новго родском государственном университете им. Ярослава Мудрого.
Достоверность основных выводов и рекомендаций подтверждена резуль татами теоретических исследований на физических и математических моделях, а также экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных и производственных условиях с использованием современных компьютерных методик исследований и методов обработки информации.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсужде ны: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского ГАУ в 2008...2009 гг.;
Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого в 2005…2009 гг.;
конференциях политех нического симпозиума «Молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона» Санкт-Петербургского государственного политехнического универси тета в 2005 и 2008 гг.;
7-й, 8-й и 9-й Международной конференции «Актуаль ные проблемы современной науки» (г. Самара) в 2006...2008 гг.;
XX-й Между народной научной конференции «Математические методы в технике и техноло гиях ММТТ-20» (г. Ярославль) в 2007 г.;
Всероссийской очно-заочной научно практической и научно-методической конференции, посвященной 55-летию КрасГАУ «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития» (г. Красноярск) в 2007 г.;
Всероссийском форуме студентов, аспи рантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах»
(г. Санкт-Петербург) в 2007 г.
Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 12 науч ных работах;
9 работ помещены в изданиях, рекомендованных ВАК для опуб ликования результатов кандидатских диссертаций, включая две статьи в веду щих рецензируемых научных журналах и положительное решение на изобрете ние.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 162 страниц состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, библиографиче ского списка, включающего 228 источников, в том числе 3 на иностранных языках, и приложений. Основная часть диссертации содержит 127 страниц ма шинописного текста, 35 рисунков, 11 таблиц. В приложение помещены резуль таты экспериментальных исследований зерновых сушилок и документы, под тверждающие апробацию и практическое использование результатов исследо вания.
На защиту выносятся:
- технологические решения по усовершенствованию технологии сушки зерна и технические решения по усовершенствованию системы распределения теплоносителя в шахтных зерносушилках.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования и сформули рованы основные положения, вынесенные на защиту.
В первом разделе «Состояние проблемы и задачи исследования» вы полнен анализ современного состояния технологии сушки в шахтных зерносу шилках и основных методов ее оптимизации, представлен обзор исследований процессов функционирования системы распределения теплоносителя.
Научные основы технологии и техники сушки разработаны в трудах П.А.
Ребиндера, С.М. Липатова, А.В. Лыкова, Ю.Л. Кавказова, М.Ф. Казанского, А.С. Гинзбурга, Г.А. Егорова Т. Шервуда, С.Д. Птицына, Г.Д. Рабиновича, М.Ю. Лурье, В.А. Шеймана, О. Кришера и др.
Обоснованию оптимальных режимов, конструкций сушилок и их систем управления посвящены работы А.В. Авдеева, В.И. Алейникова, Н.М. Андриа нова, В.И. Анискина, А.И. Буркова, М.С. Волхонова, А.Д. Галкина, В.Д. Галки на, Г.А. Гуляева, Е.И.Давидсона, В.П. Елизарова, Ю.В. Есакова, В.И. Жидко, И.В. Захарченко, Е.М. Зимина, О.Н. Катковой, М.В. Киреева, Ю.К. Ковальчука, Л.В. Колесова, В.Р. Крауспа, С.К. Манасяна, И.Э. Мильмана, В.А. Смелика, Г.С. Окуня, В.А. Резчикова, Н.П. Сычугова, А.Г. Чижикова, Ф.Н. Эрка, J.L. Par ri, H.B. Spenser, R. Suprunowicz и др.
Совершенствованию системы распределения теплоносителя в шахтных зерносушилках посвящены работы А.В. Авдеева, Н.М. Андрианова, В.Е. Боло тина, Е.И. Веремеенко, В.И. Жидко, Г.С. Окуня, П.Н. Платонова, Е.Д. Понома рева, С.Д. Птицына, Г.А. Ровного, Л.Б. Серафимовича, А.Г. Чижикова и др.
Показано, что из-за несовершенства конструкции зерновых сушилок и от сутствия надежной системы контроля и управления их рабочий процесс осу ществляется с низким качеством. Отклонения основных переменных состояния процесса превышают значения, задаваемые агротехническими требованиями.
Сушильщик, не имея надежной информации, вынужден осуществлять процесс при заниженных тепловых режимах, что снижает интенсивность сушки и уве личивает удельные затраты энергии.
Одним из резервов повышения качества и интенсивности сушки является выравнивание поля расходов теплоносителя в сушильном пространстве шахт ных сушилок. Решение этой задачи позволит не только повысить качество суш ки, но и создает предпосылки к применению более совершенных алгоритмов и систем контроля и управления, обеспечивающих оптимизацию процесса.
Для реализации цели исследования выдвигаются задачи научных иссле дований:
- по источникам информации выявить основные причины, обусловлива ющие неравномерные условия сушки в зерновых сушилках шахтного типа;
- экспериментальными методами изучить характер изменения поля ско рости теплоносителя в шахтной зерносушилке, получить оценки неравномерно сти поля скорости, температуры и влажности зерна вдоль распределительных коробов;
- экспериментальными методами изучить особенности аэродинамической структуры сушилки, оценить влияние на поле скорости теплоносителя в зерно вом слое культуры зерна, его влажности и скорости перемещения;
- экспериментальными методами изучить особенности течения теплоно сителя в зерновом слое, расположенном в начальной части подводящих коро бов (зоне пониженной фильтрации), предложить техническое решение для вы равнивания поля скорости газа;
- методами математического и физического моделирования изучить ме ханизм течения газа, вскрыть причины, объясняющие неравномерное поле его расходов вдоль распределительных коробов. Обосновать метод выравнивания поля, предложить технологическое и техническое решение задачи;
- экспериментальными методами подтвердить эффективность предлагае мых решений по усовершенствованию системы распределения теплоносителя.
Получить оценки неравномерности поля скорости теплоносителя, температуры и влажности зерна вдоль распределительных коробов;
- оценить экономическую эффективность усовершенствования системы распределения теплоносителя.
Во втором разделе «Моделирование течения газа в сушильном про странстве шахтной зерносушилки» сформулирована задача оптимизации сушки, выполнено математическое и физическое моделирование течения газа в сушильном пространстве, обоснованы методы выравнивания условий сушки.
Условия оптимизации сушки в шахтной зерносушилке записаны в виде G t Gmax, (t ), (1) dW dW, dt dt T 0 (t ), VT (t ) U, VT (t, y ) min, где U доп - область допустимых значений управляющих воздействий;
у – координата пространства вдоль короба.
Согласно (1), оптимальное управление сушилкой заключается в высуши вании зерна с начальной влажностью W0(t) до кондиционной, либо любой за данной конечной влажности W, при условии достижения максимальной интен сивности сушки G(t ) Gmax. Основными условиями интенсификации сушки являются выбор оптимальной температуры теплоносителя T 0 (t ) и его массо вой подачи из области их допустимых значений VT(t) T 0 (t ), VT (t ) VT, а также равномерное распределение поля скорости теплоносителя вдоль распределительных коробов VT (t, y) min. Ограниче нием на T 0 (t ) является допустимый нагрев зерна ( (t ) ) и скорость его dW dW, а ограничением на VT(t) условия выноса зерна обезвоживания dt dt из шахты. Соблюдение ограничений обеспечивает сохранение качественных показателей зерна (всхожесть, энергия роста, качество клейковины и др.), а вы полнение условия VT (t, y) min и выбор максимально возможной темпера туры теплоносителя и его подачи достижение максимальной производитель ности сушильной камеры.
Решение общей задачи оптимизации процесса сушки (1) в первом при ближении можно заменить решением частной задачи. А именно: достижением максимума интенсивности сушки G(t ) Gmax за счет выравнивания поля ско рости теплоносителя вдоль распределительных коробов VT (t, y) min. Так как за счет увеличения массовой подачи теплоносителя в наименее продувае мые зоны сушильного пространства не только выравниваются условия сушки и ее результаты – неравномерность поля температуры зерна (t, y, z ) min и его влажности W (t, y, z ) min, но и достигается ее интенсификация.
С учетом замечаний модель функционирования сушильной камеры пред ставлена на рис. 1.
1 Модель Рис.
функционирования технологического процесса сушки в сушильной камере шахтной зерносушилки.
Типичные оценки поля скорости теплоносителя вдоль распределительных коробов шахтной зерносушилки приведены на рис. 11. Наибольшие значения скорости достигаются в начале и конце короба, наименьшие в его центральной части. Коэффициент неравномерности поля скорости достигает 1,31,8, что, безусловно, ведет к неравномерному подводу тепловой энергии в зерновой слой, обусловливает неравномерный нагрев, сушку зерна и снижает ее интен сивность в центральной части коробов сушильной камеры.
Существует объективная необходимость раскрытия механизма, объясня ющего неравномерное поле расходов теплоносителя в сушильном простран стве. Нами предпринята попытка решить эту задачу методами математического и физического моделирования.
Моделирование течения газа велось в рамках теории потенциальных те чений. Учитывая симметрию газовых потоков между коробами (рис. 2) и оди наковость условий течения вдоль них, решалась плоская задача. Модель плос кого потенциального течения записана в виде двумерного уравнения Лапласа:
2 2 2 2 0, 0, (2) x 2 y x 2 y где (х, y) - потенциал скорости;
(х, у) – функция тока;
x –координата про странства вдоль линии тока A-B;
y –координата вдоль короба.
Рис. 2 Схема течения газа в сушильном пространстве:
1 - подводящий короб;
2 - отводящий короб;
3 - линия тока Неизвестные условия течения на границах раздела сред определили методом электрогидродинамической аналогии, возможность применения которого обоснована тем, что течение электрического тока в проводящей среде также подчиняется уравнению Лапласа (2).
Физическая модель (рис. 3) изготавливалась из электропроводящей бумаги в масштабе 1:5. Область суш ки, заполненную зерном, имитировали прокалыванием отверстий. Плотность расположения отверстий и их диа метр соответствовали имитируемой скважности зерново го слоя. Протяженность области сушки выбиралась равной длине линии тока (рис. 2) между подводящим и отводящим коробами.
На рис. 3 отводящие короб и диффузор изображены в перевернутом виде по сравнению с их реальным расположением в сушилке, что соответствует раз вертке на плоскость поверхности, которой принадлежат линии тока (рис. 2).
Установлено, что значение потенциалов вдоль короба изменяется нели нейно (рис. 4). Нелинейно изменяется также разность потенциалов между гра ницами входа теплоносителя в слой зерна и выхода из него. Поскольку раз ность потенциалов – движущая сила потока частиц, то нелинейность функции разности потенциалов и есть причина неравномерности поля скорости теплоно сителя вдоль коробов в камере сушки.
Рис. 3 - Электрическая принципиальная схема физической модели течения газа: 1 - под водящий диффузор;
2 отводящий диффузор;
3 - поводящий короб;
- отводящий короб;
5 электроды;
6 - щуп;
7 область, заполненная зерном.
Значения по тенциалов на гра ницах раздела сред вдоль короба ис пользовались для расчета изолиний поля скорости (v=const). Расчеты вели численным методом в среде специализи рованного математического пакета прикладных программ MAPLE.
Рис. 4 Распределение потенциалов в слое зерна вдоль короба: 1 - на границе входа теплоносителя в слой зерна;
2 – на границе выхода из слоя;
3 - разность потенциалов между гра ницами входа и выхода.
Установлено, что в при стенных областях камеры суш ки со стороны подводящего и отводящего диффузоров поле имеет повышенную напряженность (рис. 5). В начале и конце коробов наблюдаются большие ско рости теплоносителя в их центральной части скорости меньше.
Таким образом, методами моделирования подтверждено, что одной из причин, обусловливающих неравномерное поле скорости теплоносителя вдоль коробов, является неравномерное поле потенциалов (давлений).
Возможно два пути исправления аэродинамической ситуации, вытекаю щих из уравнения (3) P( y ) 2 d k v ( y ), (3) k где v ( y ) - скорость фильтрации газа;
P( y) - разность давлений между вхо дом газа в слой зерна и выходом из него;
Т – плотность газа;
– коэффициент аэродинамического сопротивления единицы толщины слоя;
k - длина канала фильтрации;
- длина линии тока;
- коэффициент извилистости ка нала;
dk – эквивалентный диаметр канала. Комплекс величин 2 dk в первом приближении можно считать постоянными.
Рис. 5 Характеристики поля скорости газа в относительных значениях v* ( x, y) v( x, y) vmin :
а - изолинии равных скоростей ( – граница входа газа в слой зерна;
2, 4 – стенки шахты со стороны отводящего и подводящего диф фузоров;
3 – граница выхода газа из зерна);
б - изменение скорости вдоль короба (1 – на границе вхо да газа в слой зерна (х=0,35 м);
– в центральном сечении (х=0, м);
3 – на границе выхода газа из зерна (х=0 м)).
Первый путь предпо лагает, что при постоянстве аэродинамического сопро тивления зернового слоя k =const выравнивание поля скорости vФ(y)=const достигается выравнивани ем поля разности давлений вдоль коробов P( y) =const.
В практике эту задачу традиционно решают изменением аэродинамиче ских характеристик коробов, для чего меняют их форму, устанавливают в них перегородки, меняют их относи тельное расположение. Принци пиальную возможность измене ния аэродинамической ситуации оценили путем сравнения трех видов коробов (рис. 6).
Рис. 6 - Изменение высоты продоль ного сечения коробов: а – традицион ной формы;
б – сушилки РД-2х25;
в – по а. с. СССР Значения разности потенциалов между границей входа теплоносителя в слой зерна и выхода из него для различных видов коробов представлены на рис.
7. Результаты моделирования подтверждают, что форма короба влияет на рас пределение потенциалов. Наименьшую неравномерность поля обеспечивают короба традиционной формы с неизменным поперечным сечением по длине. У коробов с переменным сечением неравномерность поля выше, причем, чем зна чительнее меняется сечение, тем выше неравномерность.
Таким образом, методами моделирования установлено, что изменением формы коробов, либо установкой в них перегородок невозможно выровнять поле разности давлений вдоль них.
2,2 Рис. 7 - Изменение поля разно min сти потенциалов вдоль коро бов: 1 – традиционной формы;
3 2 – сушилки РД-2х25;
3 – по а.
1, с. СССР 1,6 Второй путь реше 1, ния задачи (см. уравнение (3)) заключается в сохра 1, нении неравномерного по ля разности давлений P( y) =varia, но таком из 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 y, менении сопротивления зернового слоя вдоль коробов k ( y) =varia, при котором средние значения скорости теплоносителя вдоль них выровняются vФ(y)=const. Такой путь в практике зерносушения предлагается впервые.
Изменение аэродинамического сопротивления слоя достигается измене нием его продуваемой толщины и реализуется выполнением перфорации боко вых стенок коробов (рис. 8). Нелинейность верхней границы области перфора ции задает закон изменения длины линий тока ( y ), обеспечивающий вырав нивание продольной составляющей поля скорости теплоносителя.
Рис. 8 Устройство распределения теплоносителя в шахтной сушилке (патент RU 2269079):
а – поперечный разрез;
б – продольный разрез. 1 – сушильное пространство;
2, 3 – диффузоры;
4, 5, 6 – короб и полукороб;
7 – область перфорации;
8 – нелинейная граница перфорации.
Разработана методика расчета геометрических характеристик области перфорации, сочетающая теоретические и экспериментальные методы.
В третьем разделе «Методика экспериментальных исследований тече ния теплоносителя» приведена программа, описание экспериментальных установок, методик исследования и обработки полученных результатов.
Задачей исследований являлось получение информации, необходимой для расчета характеристик перфорации коробов. Для этого необходим представи тельный объем данных, позволяющих выявить аэродинамическую структуру камеры сушки и возможное влияние на нее факторов, определяющих условия работы сушилок (культуры зерна, его влажности, скорости перемещения и т.п.).
Исследования выполнялись на установке (рис. 9), воспроизводящей су шилку серии С. Она включала два подводящих короба 6 и четыре отводящих полукороба 9, что обеспечило в зоне контроля условия течения идентичные ре альным сушилкам. Движение воздуха побуждалось вытяжным вентилятором 1, а заслонками 3 и 5 задавались условия течения на границах исследуемой обла сти. Заслонкой 5 воздуховода 7, устанавливалась скорость воздуха в подводя щей камере 8, что позволило имитировать условия течения, соответствующие различным по высоте сушильной камеры рядам подводящих коробов. Заслон кой 3 воздуховода 2 регулировалось разрежение в отводящей камере 4, чем обеспечивалась заданная скорость воздуха на выходе из отводящих полукоро бов.
Установкой либо снятием крышки 14 изме нялось направле ние движения воз духа на входе в подводящие коро ба, имитируя условия, соответ ствующие разным типам сушилок.
Рис. 9 Технологиче ская схема экспери ментальной установ ки: а - поперечный разрез сушилки;
б – продольный разрез.
Скорость зерна регулирова лась выгрузным устройством не прерывного действия, а температура теплоносителя - изменением мощности электрокалорифера на входе подводящей камеры 8.
Измерение скорости газа осуществлялось термоанемометром (АТТ-1004) 12, который вводили в область сушки 11, через направляющие трубки 10. Точки контроля скорости показаны на рис. 10.
Рис. 10 Размещение точек контроля скорости теплоносителя в сушильном пространстве.
Всего реализовано 27 опытов в четырехкратной повторности для разных видов зерна (рожь, ячмень, овес), его влажностей и скоростей перемещения.
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований системы распределения теплоносителя» приведены результаты исследования поля скорости теплоносителя, температуры зерна и его влажности в сушильном пространстве, выполнен расчет геометрических характеристик области перфо рации коробов.
Типичная оценка конфигурации поля скорости газа в контролируемой об ласти течения приведена в табл. 1. Видно, что поле скорости неравномерное как в поперечном коробу направлении, так и в продольном. Наибольших значений скорости газа достигают в начале и конце короба, наименьших в его централь ной части. Коэффициент неравномерности (Vmax/Vmin) по множеству опытов до стигает 1,71,9. Составляющая неравномерности в поперечном коробу направ лении составляет 1,251,35, а в продольном – 1,231,38.
Таблица 1 – Карта поля скорости газа в области контроля (рис. 10).
Условия опыта: культура – овес, W = 30%, VЗ = 4 мм/с Относительное значение скорости Переменная Среднее i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 i9 i10 i11 по строке j1 1,55 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,4 1,4 1,6 1,65 1,85 1, j2 1,5 1,6 1,6 1,55 1,4 1,4 1,4 1,4 1,45 1,6 1,8 1, j3 1,4 1,6 1,55 1,4 1,4 1,4 1,35 1,4 1,4 1,6 1,75 1, j4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,2 1,2 1,3 1,35 1,4 1,6 1, j5 1,4 1,4 1,4 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,4 1,55 1, j6 1,2 1,4 1,2 1,2 1,1 1,05 1,0 1,15 1,15 1,2 1,4 1, Среднее по 1,408 1,5 1,458 1,392 1,35 1,308 1,258 1,308 1,358 1,475 1, столбцу На рис. 11 показаны оценки поля скорости газа в зависимости от скорости дви жения зерна, аналогичные оценки получены для его раз личных влажностей и культу ры.
Рис. 11 Изменение поля скорости течения газа в зависимости от ско рости перемещения зернового слоя по камере сушки Установлено, что скорость перемещения зернового слоя VЗ и его влаж ность оказывают влияние на абсолютные значения скорости газа. С увеличени ем влажности и скорости движения зерна скорости газа в сушильном простран стве возрастают. Это объясняется работой сил трения между зерновками. Чем быстрее движется слой, тем больше работа сил трения. Зерновки укладываются менее компактно, слой разуплотняется, а его скважность увеличивается, что ве дет к уменьшению аэродинамического сопротивления слоя, а, следовательно, к увеличению в нем скорости движения газа. С увеличением влажности возраста ет шероховатость поверхности зерновок, что еще больше увеличивает работу сил трения.
При изменении влажности зерна от 14 до 30% скорость газа в зерновом слое возрастают в 1,08-1,19 раза, а при изменении скорости движения зерна от 0 до 8 мм/с – в 1,07-1,21 раза. Их совокупное влияние на скорость газа достига ет 1,19-1,25 раза.
Культура зерна существенно на скорость теплоносителя не влияет.
Закономерный характер изменения поля скорости обусловливает нерав номерный нагрев и сушку зерна. На рис. 12 показана динамика изменения тем пературы и влажности зерна с момента начала сушки (t = 0 мин.).
Установлено, что разброс температуры зерна вдоль короба для семенного режима сушки (при нагреве теплоносителя до Т=60С) достигает З = 6,4С, а разброс влажности W = 2,1%. Аналогичные оценки для продовольственно го режима сушки (при Т=100С) составляют по температуре зерна З = 10,5С, по влажности W = 2,3%.
Сравнение относительных значений скорости газа подтверждает, что они укладываются в достаточно узкую ленту (рис. 13), максимальная ширина кото рой не превышает 0,06 от возможного диапазона скоростей. Из этого следует, что качественный характер изменения поля скорости по длине короба опреде ляется не видом зерна, его влажностью или скоростью перемещения, а аэроди намической структурой камеры сушки.
Выявленная закономерность позволяет считать полученную оценку поля скорости теплоносителя (рис. 13) достоверной оценкой гидродинамической структуры камеры сушки. На этом основании усредненные значения скорости использовались для рас чета геометрических па раметров перфорации ко робов.
Рис. 12 Динамика изменения поля температуры и влажно сти зерна вдоль распредели тельных коробов.
Условия опыта: культура – ячмень, Т = 101С, VЗ = мм/с.
В начальной части короба (рис. 14) на отрез ке 0…0,25 м наблюдается зона с меньшими значе ниями скорости. Это следствие инерционности воздуха. В современных шахтных сушилках теп лоноситель к подводящим коробам подают снизу.
При входе в короб под действием разности ста тических давлений части цы газового потока долж ны изменить траекторию движения на угол от 90 до 180о. Под действием инерционных сил частицы в начальной части короба определенное время сохраняют вертикальную со ставляющую скорости и движутся по искривленной траектории вглубь него.
Искривлению траектории способствует соударение частиц между собой и верх ними гранями короба, в результате чего динамическое давление (скоростной напор) переходит в статиче ское и в верней начальной ча сти короба образуется зона повышенного статического давления. В нижней началь ной части короба (в результа те «облта») образуется зона разрежения, в которой наблюдается пониженная фильтрация газа.
Рис. 13 Относительные значения скорости газа вдоль короба, полученные по множеству опытов: 1 граница максимальных значений, 2 средние значения, 3 граница минимальных значений.
Оценки скорости фильтрации газа (рис. 14) получены для различных зна чений вертикальной составляющей скорости VВ в подводящей камере (табл. 2).
Рис. 14 Усредненные оценки поля скорости газа в сушильном пространстве: 1 – VВ = 0 м/с;
– VВ = 4 м/с;
3 – VВ = 8 м/с.
Установлено, что с увеличением VB протяженность зоны пониженной филь трации возрастает, что является след ствием действия на частицы газового по тока больших инерционных сил. Протя женность зоны может достигать 0, длины короба и более.
Таблица 2 Зависимость размеров зоны пониженной фильтрации от скорости газа Переменная Значение Вертикальная составляющая скорости, VВ м/с 0 4,0 8, Размеры зоны от начала короба, м 0,07 0,16 0, Равномерность условий сушки в нижних зонах сушильной камеры хуже, чем в верхних, так как вертикальная составляющая скорости VВ на входе ниж них рядов коробов выше. Увеличение высоты сушильной камеры также ведет к ухудшению равномерности сушки, поскольку вертикальная составляющая ско рости VВ возрастает. Улучшение равномерности сушки можно обеспечить ми нимизировав влияние вертикальной составляющей скорости газа VВ.
В пятом разделе «Совершенствование системы распределения тепло носителя и ее эффективность» представлены результаты испытания зерносу шилки с усовершенствованной системой распределения теплоносителя, оцене на экономическая эффективность от ее применения.
Уменьшить зону пониженной фильтрации можно изменением направле ния подвода газа. Установлено, что в сушилках при подводе газа сбоку (в торец короба) зона пониженной фильтрации в начальной части короба минимальна (см. табл. 2 при VВ = 0 м/с). Однако такое решение требует сложных конструк тивных изменений подводящей камеры.
Эту задачу можно решить проще установкой на каждый короб со сто роны подводящей камеры специальной насадки (рис. 15).
Продольный профиль насадки имеет форму поперечного сечения короба, ее боковые грани газонепроницаемы, а торцевые открыты. Она закрепляется на стенке камеры сушки так, чтобы одна из е торцевых поверхностей плотно прилегала к торцевой поверхности короба, а вторая бала открыта для поступле ния газа. Газ, движущийся по подводящей камере снизу (с вертикальной скоро стью VВ), попадает в подводящий короб только через насадку. Место входа газа в открытую торцевую поверхность насадки отстоит от открытой торцевой по верхности короба на расстоянии L, равном длине нижней грани насадки. В насадке направление движения газа изменяется с вертикального на горизон тальное, при котором VВ = 0 м/с. Длина L выбирается такой, чтобы обеспечить устранение вертикальной составляющей скорости газа.
Рис. 15 Схема уста новки насадки на под водящий короб. По ложительное решение на изобретение по за явке RU от 05.02.2009 г.
Типичная оценка конфигура ции поля скорости газа в сушилке с перфорированны ми коробами при ведена в табл. 3.
Видно, что в обла сти контроля поле скорости газа вы ровнялось по срав нению с данными табл. 1. Коэффициент неравномерности (Vмах/Vmin) по множе ству опытов уменьшился до 1,351,43.
Таблица 3 – Карта поля скорости газа в области контроля (рис. 10) сушилки с перфорированными коробами. Условия опыта: культура – рожь, W = 14%, VЗ = 4 мм/с Относительное значение скорости Переменная Среднее i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 i9 i10 i по строке j1 1,22 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 1,35 1,39 1,39 1, 1, j2 1,22 1,22 1,26 1,22 1,22 1,22 1,26 1,26 1,26 1,26 1,22 1, j3 1,13 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1, j4 1,09 1,13 1,13 1,13 1,17 1,13 1,09 1,04 1,13 1,22 1,22 1, j5 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1,04 1, j6 1,04 1,04 1,04 1,04 1,0 1,04 1,0 1,04 1,04 1,04 1, 1, Среднее по 1,12 1,17 1,18 1,17 1,17 1,17 1,17 1,15 1,18 1,19 1, столбцу Неравномерность поля в поперечном коробу направлении не изменилась, но значительно выровнялось поле в продольном коробу направлении. Коэффи циент неравномерности уменьшился до 1,04 – 1,06.
Сравнение относительных значений скорости газа подтверждает, что по множеству опытов они укладываются в достаточно узкую ленту (рис. 16), мак симальная ширина которой не превышает 0,04 от возможного диапазона скоро стей. Протекание зависимостей указывает на положительное изменение аэро динамической структуры сушильной камеры по сравнению с рис. 13.
Рис. 16 Относительные значения скорости газа, полученные по множеству опытов, в сушилке с перфорированными коробами: граница максимальных значений, средние значения, 3 граница минимальных значений.
Новая аэродинамиче ская структура камеры сушки с перфорированными коробами обеспечивает не только выравнивание скоро стей газа, но и их значительное увеличение в центральной части короба (рис.
17) по сравнению с данными рис. 11. Скорости в центральной части коробов увеличились в 1,17 – 1,34 раза, а их среднее значение вдоль короба в 1,09 – 1, раза. Это свидетельствует об увеличении удельной подачи теплоносителя в зерновой слой.
Сравнение расходов газа, измеренных на входе в подводящий короб, под тверждает, что в сушилке с перфорированными коробами удельная подача теп лоносителя в зерновой слой увеличилась в 1,1 – 1,24 раза. С увеличением пода чи возрастает количество теплоты, подведенной в зерновой слой, что обеспечи вает условия интенсификации процесса сушки.
Рис. 17 Изменение поля скорости газа в зависимости от культуры зерна в сушилке с перфорирован ными коробами.
На рис. 18 показана ди намика изменения температу ры и влажности зерна с мо мента начала сушки (t = мин.). Сравнение зависимо стей с данными рис. 12 под тверждает, что перфорация коробов обеспечивает выравнивание поля температуры и влажности зерна.
Наибольший разброс температуры зерна вдоль короба как для семенного (при Т = 60С), так и для продовольственного (при Т = 100С) режимов сушки не превышает З = 0,4С, а разброс влажностей W = 0,5%.
При той же температуре теплоносителя нагрев зерна в центральной части коробов значительно выше, а влажность зерна ниже. Это объясняется увеличе нием расходов теплоносителя, а, следовательно, увеличением количества теп ловой энергии, подве денной им в зерновой слой.
Рис. 18 Динамика измене ния поля температуры и влажности зерна в шахтной зерносушилке с перфориро ванными коробами. Условия опыта: культура – ячмень, VЗ = 0 мм/с, Т = 102С.
Время, в течении которого зерно после начала сушки достигает средней влажности W=15%, в сушилке с перфорированными ко робами сокращается на 1525%.
Сравнительные испытания сушилки с усовершенствованной системой распределения теплоносителя подтвер дили интенсификацию и улучшение качества сушки. По сравнению с сушилкой, оснащенной традиционными коробами, в нижнем горизонтальном сечении разброс влажности зерна уменьшился с 3,2% до 1,4%, а разброс темпе ратуры зерна – с 9,0С до 4,7С, что удовлетворяет агротехническим требова ниям.
Годовой экономический эффект (в ценах 2009 года) от использования зерносушилки С-20 с усовершенствованной системой распределения теплоно сителя составляет 5048 руб. при ее сезонной загрузке 300 часов, срок окупаемо сти дополнительных капитальных вложений – 3,6 года.
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1 В шахтных сушилках наблюдается неравномерный нагрев и сушка зер на. Разброс температуры зерна в нижнем горизонтальном сечении достигает З = 4 22С, его влажности W = 4 5%, что превышает агротехнические требования. Одной из причин этого является неравномерное распределение теплоносителя в сушильном пространстве.
2 Экспериментально подтверждено, что вдоль коробов поле расходов теплоносителя в зерновом слое неравномерное. Наибольших значений скорости теплоносителя (газа) достигают в начале и конце короба, наименьших в его центральной части. Кратность изменения скорости вдоль короба Vmax/Vmin= 1,231,38.
Закономерный характер изменения поля скорости обусловливает нерав номерный нагрев и сушку зерна. Разброс температуры зерна вдоль короба для семенного режима сушки достигает З = 6,4С, а разброс влажности W = 2,1%. Аналогичные оценки для продовольственного режима сушки составляют по температуре зерна З = 10,5С, по влажности W = 2,3%.
3 Установлено, что качественный (закономерный) характер изменения поля скорости теплоносителя по длине короба определяется не видом зерна, его влажностью или скоростью перемещения, а аэродинамической структурой ка меры сушки.
Тем не менее, влажность W и скорость перемещения зерна VЗ влияют на абсолютные значения скорости теплоносителя в зерновом слое. При изменении влажности W от 30 до 14% скорость теплоносителя уменьшается в 1,081,19 ра за, а при изменении скорости зерна VЗ от 8 до 0 мм/с скорость теплоносителя уменьшается в 1,071,21 раза. Их совокупное влияние может приводить к из менению скорости в 1,191,25 раза. Культура зерна существенного влияния на скорость теплоносителя не оказывает.
4 В начальной части подводящих коробов на отрезке 00,25 м наблюдает ся зона пониженной фильтрации теплоносителя в зерновом слое. Ее протяжен ность тем больше, чем выше вертикальная составляющая скорости газа VВ при его входе в подводящий короб. Уменьшить зону пониженной фильтрации мож но минимизировав влияние вертикальной составляющей скорости VВ, что до стигается либо изменением направления подвода теплоносителя в подводящие короба (его следует подавать не снизу, а сбоку в торец короба), либо установ кой на каждый короб специальной насадки, гасящей вертикальную составляю щую скорости VВ.
5 Методами математического и физического моделирования установлено, что поле разности потенциалов (давлений газа) между границами входа тепло носителя в слой зерна и выхода из него неравномерное. Наибольших значений разность потенциалов достигает в начале и конце коробов, наименьших – в их центральной части. Поскольку разность потенциалов движущая сила потока частиц, ее неравномерность и является причиной неравномерного поля расхо дов газа вдоль коробов.
Выровнять поле потенциалов (давлений) изменением формы коробов, ли бо установкой в них перегородок невозможно. Методами моделирования под тверждено, что чем больше форма короба отличается от традиционной, тем выше неравномерность поля. Наименьшую неравномерность поля обеспечива ют короба традиционной формы с неизменной площадью поперечного сечения по длине.
Выровнять поле расходов теплоносителя при неравномерном поле давле ний можно изменением толщины продуваемого зернового слоя вдоль коробов, что технически реализуется выполнением перфорации их боковых стенок. Раз работана методика расчета геометрических параметров области перфорации, сочетающая теоретические и экспериментальные методы.
6 Экспериментально подтверждено, что выполнение перфорации коробов позволяет благоприятным образом изменить аэродинамическую структуру ка меры сушки.
В сушилке с перфорированными коробами:
- обеспечивается более равномерное поле скорости теплоносителя в зер новом слое. Кратность изменения скорости газа вдоль короба составляет Vmax/Vmin = 1,041,06;
- повышается равномерность нагрева и сушки зерна. Разброс температу ры и влажности зерна вдоль короба для семенного и продовольственного ре жимов сушки уменьшается до значений З = 0,4С, W = 0,5%;
- увеличивается интенсивность сушки. Абсолютные значения скорости теплоносителя в центральной части коробов увеличиваются в 1,171,34 раза, а их среднее значение вдоль коробов возрастает в 1,091,2 раза. Удельная подача теплоносителя в зерновой слой увеличивается в 1,11,24 раза.
Испытание в производственных условиях подтвердило интенсификацию и улучшение качества сушки, что подтверждается пребыванием абсолютных значений температуры и влажности зерна в нижнем сечении камеры сушки в интервале агротехнических требований.
7 Годовой экономический эффект (в ценах 2009 года) от использования зерносушилки С-20 с усовершенствованной системой распределения теплоно сителя составляет 5048 руб. при ее сезонной загрузке 300 часов, срок окупаемо сти дополнительных капитальных вложений – 3,6 года.
Основное содержание исследований опубликовано в следующих работах:
1 Жеребцов, А.А. Совершенствование системы распределения теплоно сителя в шахтной зерносушилке [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов и др.
// Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Материалы семинаров политехнического симпозиума. Декабрь 2005 года. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005. С. 55.
2 Жеребцов, А.А. Особенности аэродинамики шахтных зерносушилок [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, А. Б. Иванов // Ученые записки ин ститута сельского хозяйства и природных ресурсов НовГУ. Т. 14, вып. 3. Вел.
Новгород: Изд-во НРЦРО, 2006. 3 Жеребцов, А.А. Совершенствование распределения теплоносителя в шахтных зерносушилках [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов // Актуаль ные проблемы современной науки: Тр. 2-го Междун. форума (7-й Междун.
конф.) молодых ученых и студентов. Естественные науки. Части 21 – 23. – Са мара: СГТУ, 2006. – 4 Жеребцов, А.А. Моделирование аэродинамики шахтных зерносушилок [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, А. Б. Иванов // Математические ме тоды в технике и технологиях – ММТТ-20: Сб. трудов ХX Международ. науч.
конф. В 10 т. Т. 5. Секция 11 / - Ярославль: изд-во Яросл. гос. техн. ун-та, 2007.
– 5 Жеребцов, А.А. Оптимизация шахтных зерносушилок [Текст] // Н.М.
Андрианов, А.А. Жеребцов, А.Б. Иванов. Материалы Всерос. Форума студен тов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических универ ситетах». СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2007. – С. 6 Жеребцов, А.А. Модернизация системы распределения теплоносителя шахтных зерносушилок [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, А. В. Чувы гин // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы разви тия: мат-лы Всерос. очно-заочной науч.-практич. и науч.-метод. конф., посвя щенной 55-летию КрасГАУ. Ч. 2. Научная, научно-практическая и инновацион ная деятельность / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2007. – 7 Жеребцов, А.А. Исследование аэродинамики шахтных зерносушилок [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, В.С. Иванов // Труды 3-го Межд.
форума «Актуальные проблемы современной науки». Естественные науки. Ч.
15. Самара: СГТУ, 2007. – 8 Жеребцов, А.А. Экспериментальная оценка неравномерности распре деления теплоносителя в шахтной зерносушилке [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, С. Н. Мокин // Молодые ученые - промышленности Северо Западного региона: Материалы конференций политехнического симпозиума.
СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 9 Жеребцов, А.А. Исследование системы распределения теплоносителя шахтной зерносушилки [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов, В.С. Иванов // Труды 4-го Межд. форума «Актуальные проблемы современной науки».
Естественные науки. Ч. 13. Самара, 2008. – 10 Жеребцов, А.А. Как улучшить сушку зерна [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов // Сельский механизатор. 2008. № 9. – С. 7,20.
11 Жеребцов, А.А. Оптимизация системы распределения теплоносителя шахтных зерносушилок [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов // Известия СПбГАУ. 2008. № 10. – C. 160-164.
12 Устройство распределения газа в шахтной зерносушилке [Текст] / Н.М. Андрианов, А.А. Жеребцов. / Положительное решение на изобретение по заявке RU 2008107654 от 05.02.2009 г.