Повышение эффективности охлаждения зерна после сушки путем совершенствования конструктивных и технологических параметров аэродинамического охладителя

На правах рукописи

Тельпук Михаил Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ

ЗЕРНА ПОСЛЕ СУШКИ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ОХЛАДИТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном уч реждении высшего профессионального образования «Великолукская государ ственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Морозов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Новиков Михаил Алексеевич кандидат технических наук, доцент Перекопский Александр Николаевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Смоленская ГСХА

Защита состоится « 7 » июля 2011 года в 900 часов на заседании диссерта ционного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении «Се веро-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрифи кации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»

по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтрорвское шоссе, 3, факс (812) 466-56-66, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии Автореферат разослан « 3 » июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Высокий уровень потерь зерна на всех этапах производства, начиная от возделывания и заканчивая послеуборочной обработкой, оказывает негативное влияние на объемы и экономику зернового хозяйства. Необходимо совершенствование использования материально технической базы на этапе послеуборочной обработки зерна, так как потери при обработке превышают в 2-3 раза потери при уборке. По имеющимся дан ным в структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30…60%, а в структуре себестоимости до 40%. Своевременная и качественная обработка зерна один из путей сокращения его потерь, улучшения семенных, продовольственных и фуражных качеств.

Одной из важных и ответственных операций послеуборочной обработки зерна является его сушка. К современному зерносушильному оборудованию предъявляются серьезные требования в отношении эффективного охлаждения зерна после сушки в целях предотвращения самовозгорания просушенного зер на и снижения его качественных показателей при дальнейшем хранении. Про веденный анализ показал, что большинство из применяемых охладительных устройств не обеспечивают охлаждение нагретого материала в соответствии с агротехническими требованиями. Поэтому исследования направленные на по иск путей повышения эффективности охлаждения зерна после сушки имеют ак туальное значение.

Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных и при оритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агро промышленного комплекса Северо-Запада РФ на 2006-2010 гг. и планом НИР ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» на 2010-2014 гг. по региональным научно техническим проектам по теме №3 «Повышение эффективности сушки и охла ждения зерна и мелкосеменных культур на очистительно сушильных комплек сах в условиях Северо-Запада РФ путем совершенствования технологических процессов и основных рабочих органов».

Цель исследований. Повышение эффективности охлаждения зерна после сушки в условиях Северо-Западного региона России путем совершенствования конструктивных и технологических параметров охладителя аэродинамического типа.

Объект исследования. Технологический процесс охлаждения зерна в ус ловиях псевдоожиженного слоя.

Предмет исследования. Аэродинамический охладитель зерна после сушки.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса охлаж дения зерна после сушки в аэродинамическом охладителе, получены математи ческие модели для производительности охладителя по зерну и удельных энер гозатрат. Определены рациональные параметры и режимы работы аэродинами ческого охладителя.

Практическая значимость. Разработана и обоснована конструктивно технологическая схема аэродинамического охладителя зерна после сушки. На основании теоретических и экспериментальных исследований определены ра циональные параметры и режимы работы охладителя. Внедрение разработан ного аэродинамического охладителя способствует повышению качества выпол няемого технологического процесса: снижению потерь зернового материала в процессе послеуборочной обработки;

снижению времени и энергозатрат тре буемых для охлаждения зерна.

Основные положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема аэродинамического охладителя;

- аналитические зависимости для определения конструктивных и техно логических параметров аэродинамического охладителя;

- математические модели процесса охлаждения зерна;

- рациональные параметры и режимы работы аэродинамического охлади теля;

- результаты испытаний аэродинамического охладителя с применением в качестве агента охлаждения искусственно охлажденного воздуха и его технико экономическая оценка.

Реализация результатов. По результатам исследований во ФГОУ ВПО «Великолукской ГСХА» был изготовлен опытный образец аэродинамического охладителя зерна производительностью по зерну до 5 т/ч с применением возду хоохладителя, который прошел испытания в СПК «Красное знамя» Новосо кольнического района Псковской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до ложены и обсуждены на 60-ой международной научно-практической конфе ренции в ФГОУ ВПО «Костромской ГСХА» (2009 г.);

международной научно практической конференции «Научное обеспечение агропромышленного произ водства» в «Курской ГСХА» (2010 г.);

V международной научно-практической конференции « Вклад молодых учных в развитие науки» в «Великолукской ГСХА» (2010 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 5 печатных ра бот.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из наименований. Диссертация изложена на 184 машинописных страницах, со держит 33 рисунка, 6 таблиц и 33 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и ос новные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен обзор и анализ существующих способов и технических средств для охлаждения зерна после сушки, рассмотрены и проанализированы пути повышения эффек тивности работы охладительных устройств.

По данным авторов Е.М. Зимина, М.С. Волхонова, В.Ф. Сорочинского, А.А. Боронцоева, И.Б. Зимина, П.В. Блохина, Е.А. Дмитрука, С.А. Полозова, Е.П. Румянцевой, Н.П. Сычугова, О.М. Тодэс, В.С. Уколова, Н.П. Черняева, А.С. Ширяева и др. охлаждение зерна предлагается проводить в подвижном или псевдоожиженном слое, интенсивность теплообмена в данном случае в раза больше, чем при прохождении газов через неподвижный слой, и в 13 раз выше, чем при внешнем омывании неподвижного слоя газами, коэффициент теплоотдачи в установках с подвижным слоем в 20…30 раз выше по сравнению с установками, работающими с плотным слоем материала.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

- выявить рациональные пути повышения эффективности охлаждения зернового материала после сушки;

- получить аналитические зависимости для определения конструктивных и технологических параметров аэродинамического охладителя;

- получить математические модели процесса охлаждения зерна после сушки;

- обосновать рациональные параметры и режимы работы аэродинамиче ского охладителя;

- провести экспериментальные испытания и дать технико-экономическую оценку полученных результатов.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к определению конструк тивных и технологических параметров аэродинамического охладителя зерна»

обоснованы рациональные параметры и режимы работы аэродинамического охладителя, получены математические модели движения и охлаждения зерна в охладителе.

Для эффективного охлаждения зерна необходимо, чтобы количество теп ла, отданного зерном за определенное время, было равно изменению энтальпии агента охлаждения за то же время. Математически отмеченное правило можно выразить в виде уравнения теплового баланса:

Q с t G с t t t аэр з з.н. з.к. в в охл.к. охл.н., (1) где Gаэр - пропускная способность аэродинамического транспортера, кг/с;

сз, св – теплоемкость соответственно охлаждаемого зерна и агента охлаж дения, ккал/ (кг °С);

tз.н., tз.к.– соответственно начальная (после сушки) и конеч ная (после охлаждения) температура зерновой массы, оС;

tохл.н., tохл.к. - темпера тура агента охлаждения соответственно на входе в зерновую массу и выходе из нее, оС;

Q – расход воздуха на охлаждение зерна в аэродинамическом транспор тере, м3/с;

в – плотность воздуха, кг/м3.

Величину пропускной способности можно определить по формуле:

Mз Mз G (2) аэр тр. охл.

, где Мз – масса зерна, подвергаемого охлаждению, кг;

тр – время транс портирования зерна, с;

охл – время охлаждения зерна, с.

Согласно методике, предложенной профессором Е.М. Зиминым, расход воздуха в аэродинамическом охладителе определяется по формуле:

L h cR г р. щ Q (3), ср 2t где ср – средняя скорость выхода воздушного потока из щели газорас пределительной решетки аэродинамического охладителя, м/с;

Lгр – длина газо распределительной решетки, м;

hщ –высота щели газораспределительной ре шетки, м;

R – радиус изгиба лопатки – жалюзи газораспределительной решетки, м;

с – коэффициент отгиба жалюзийной пластины решетки, определяемый из выражения.

Технологическая схема процесса охлаждения зерна в аэродинамическом охладителе представлена на рисунке 1.

dL 1 – нагнетательный канал;

a b 2 – газораспределительная решетка;

3 – охлаждаемый зерновой слой Рисунок 1 –Технологическая схема процесса охлаждения зерна в аэро a b динамическом охладителе.

1 Выделив на участке газораспределительной решетки аэродинамического транспортера элементарный объем, занимаемый охлаждаемым зерновым слоем и ограниченный плоскостями а-а и b-b, определим массу зерна, подвергаемого охлаждению и занимающего элементарный объем:

M L F 1 г р сл з ср (4) з, где Fсл – площадь поперечного сечения транспортного канала, занятая зерновым слоем, м2;

з – плотность зерна, кг/м3;

ср – порозность псевдоожи женного зернового слоя.

Используя положения теории аэродинамических транспортеров, введем в расчет понятие – коэффициент “живого” сечения газораспределительной ре шетки (), который представляет собой соотношение:

Fщ L h cR h c г р. щ щ, (5) tL R F t г р. г р.

где Fгр – площадь рабочей части газораспределительной решетки, м2.

Представив уравнение теплового баланса в дифференциальной форме, получим:

R dL F 1 с t dL с t d t t гр. сл з ср з з.н. з.к. (6) гр. 2 ср в в охл.к. охл.н. охл.

Примем допущение - температура агента охлаждения на выходе из зерно вого слоя равна t K t (7) охл.к. з то где Кто – коэффициент определяющий влияние условий на интенсивность теплообмена.

В левой части выражения (6) обозначим разность tз.н.- tз.к.= dt, т.к. dt пред ставляет собой изменение температуры зерна за время dохл. С учетом величины dt запишем выражение (6) в виде:

На основании принятого уравнение теплового баланса преобразуется в виде:

R с 2 ср в в d dt (8) охл.

t К t з то охл.н. Fсл з 1 ср с з Полученное уравнение описывает кинетику охлаждения зерновой массы при перемещении ее в аэродинамическом охладителе.

Интегрируя данное выражение, получим уравнение температурной кри вой для процесса охлаждения зерна в аэродинамическом охладителе:

R ср.в св охл.

F 1 ср с з t К tохл.н. t з.н. tохл.н. сл. з (9) з то Введем постоянную Kз характеризующую свойства охлаждаемой культу ры в св 2 з ср 1с з Kз (10) Тогда продолжительность процесса охлаждения зерна определим как (t з К то tохл.н ) Fсл Ln (t з.н tохл.н ) (11) охл R vср К з Полученные зависимости позволяют судить о том, что процесс охлажде ния зерна на аэродинамическом транспортере подчиняется экспоненциальному закону.

В результате анализа зависимостей установлено, что с уменьшением тем пературы агента охлаждения интенсивность снижения температуры зерновок повышается. В случае использования жалюзи газораспределительной решетки криволинейной формы процесс охлаждения протекает более интенсивно.

Перемещение зерна происходит в грузонесущем канале аэродинамиче ского охладителя (рисунок 2), а так же в отводе (криволинейный участок с уг лом поворота 90). Основными конструктивными параметрами грузонесущего канала являются: длина грузонесущего канала - L, размеры поперечного сече ния грузонесущего канала, угол наклона лопатки газораспределительной - a и угол отвода -.

Б-Б b т.к.

Б А А r R Y b р.т.к Б L Рисунок 2 Схема для определения основных конструктивных параметров грузонесущего канала.

Представим зерно, находящееся в воздушном потоке, создаваемом систе мой аэрации аэрожелоба, как материальную частицу, перемещающуюся под воздействием силы воздушного потока Fв.п. и силы тяжести G.С учетом приня тых обозначений схема сил, действующих на зерновку в грузонесущем канале изображена на рисунке 3.

y Рисунок 3 - Схема сил, действую щих на зерновку в грузонесущем канале:

Wх- сила сопротивления движению частицы в воздушном потоке по оси ОХ;

Wу- сила сопротивления движению частицы в воздушном потоке по оси ОУ;

Y Fв.п.

Fтр Fв.п. – сила воздействия воздушного потока;

Fтр – сила трения при скольжении x зерна по зерну;

G G-сила тяжести зерновки.

Для математического описания процесса перемещения используем урав нения:

d x 2 vср x g sin a g (12) d тр v d y vср x y g cos a (13) g d тр v где g -ускорение силы тяжести;

x - скорость зерна вдоль длины грузоне сущего канала (вдоль оси ОХ);

y - скорость зерна, направленная перпендику лярно оси ОХ грузонесущего канала;

v ср -скорость воздушного потока;

v - ско рость воздушного потока необходимая для начала движения зерна.

Интегрирование уравнений (12) и (13) выполняем, полагая, что при тр 0, vср x vср v sin a cthmm (14) v g sin a, Arth ср х.

где m v m v Полагая при тр 0, y b, находим:

g cos a C (15) cthm b shm m b shm g cos a cthm cthm тр dy (16) y d тр shm тр m Интегрируя выражение (14) от 0 до L находим, что длина грузонесущего канала определяется по формуле:

v sin a shm тр (17) L vср тр ln shm m Полагая при тр 0, y y0, высота зернового слоя рассчитывается по формуле:

m тр g cos a shm тр tg cos a tg 1 (18) 2 cthm Y ln ln m shm m m m tg Площадь Fсл определим как b р.т.к.

R arcsin 2R )2 b2 ) (19) 3(( Rb р.т.к.

р.т.к b р.т.к.

) R F b р.т.к. (Y arcsin сл 16 180 2R Математическая модель процесса перемещения зерна позволяет опреде лять оптимальные параметры грузонесущего канала. При численном решении полученных уравнений можно описать работу аэродинамического охладителя в переходных и стационарных режимах.

В результате теоретического исследования кинетики процесса охлажде ния зерна после сушки выявлены следующие пути интенсификации:

- снижение температуры агента охлаждения;

- использование жалюзи газораспределительной решетки криволинейной формы;

- увеличение коэффициента живого сечения газораспределительной ре шетки до допустимых значений, обусловленных размерами зерна;

- увеличение радиуса вогнутости газораспределительной решетки криво линейной формы до допустимых значений, обусловленных углом трения для зерновой массы. При значениях радиуса вогнутости свыше 350 мм возможно нарушение режимов работы аэродинамического охладителя.

Наряду с отмеченным представленная методика расчета охлаждения зер на на аэродинамическом транспортере имеет важное значение для практики, так как позволяет на этапе разработки компоновочной схемы аэродинамическо го охладителя зерна после сушки наиболее обоснованно подойти к выбору од ного из важных конструктивных параметров – длины газораспределительной решетки, от которой в значительной мере зависит обеспечение требуемой эф фективности охлаждения зерновой массы.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследова ний» изложена программа экспериментальных исследований, описана экспери ментальная установка, приведены методики проведения и обработки результа тов экспериментальных исследований. Охладитель работает следующим обра зом: нагретое зерно подается из бункера в грузонесущий канал аэрожелоба, где охлажденный кондиционированный воздух охлаждает зерно при одновремен ном его смещении к выгрузному органу (рисунок 4).

1 3 13 - отработавший воздушный поток;

- наружный воздух;

- агент охлаждения, искусственно охлажденный воздух 1 – конфузор;

2 – бункер;

3 – заслонка;

4 – нагнетательный канал;

5 – грузонесущий канал;

6 – газораспределительная решетка;

7 – конфузор;

8 – циклон;

9 – выгрузной лоток;

– дозатор зерна;

11 – холодильная машина;

12 – заслонка;

13 – вентилятор;

14 – переходной патрубок.

Рисунок 4 – Технологическая схема аэродинамического охладителя зерна.

Теоретические исследования и поисковые опыты, а также анализ научной литературы позволили сделать выбор факторов необходимых для исследования процесса охлаждения зерна:

1. Расход агента охлаждения 2. Температуру агента охлаждения 3. Частоту вращения выпускного устройства Расход агента охлаждения – это фактор, от изменения которого будет зависеть в наибольшей степени не только процесс охлаждения, но и транспор тирования зернового материала в аэродинамическом охладителе. При умень шении расхода агента охлаждения до определенного предела транспортирова ние зерна может стать неустойчивым, или прекратится вообще, а охлаждение не соответствовать агротехническим требованиям. С чрезмерным увеличением расхода агента охлаждения процесс транспортирования так же будет нарушен, а затраты на охлаждение не оправданы. Расход агента охлаждения изменялся в пределах 1…3 м3/с Так как температура агента охлаждения является одним из основных факторов, влияющим на процесс охлаждения зерна, температуру агента охлаж дения изменяли в пределах 4 … 18 °С, за счет установленного в переходном патрубке воздухоохладителя. Значение температуры определяли посредством термопреобразователей, установленных в переходном патрубке за воздухоох ладителем по ходу движения воздушного потока.

Частота вращения выпускного устройства влияет на степень заполнения зерновым материалом грузонесущего канала аэродинамического охладителя.

При большей частоте вращения зерновая насыпь не испытывает дополнитель ного сопротивления в виде выпускного устройства, как следствие высота зер нового слоя имеет меньшие значения. Частоту вращения выпускного устройст ва регулировали в пределах 5 … 25 мин-1 набором сменных шкивов клиноре менной передачи.

Полученные экспериментальные данные обрабатывались с помощью па кетов прикладных программ: Microsoft Office Excel 2007, STATGRAPHICS Plus 5.1 Enterprise Edition.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований про цесса охлаждения зерна в аэродинамическом охладителе» приведены результа ты экспериментальных исследований процесса охлаждения.

После проведения многофакторного регрессионного анализа, без учета не значимых эффектов, установлена зависимость производительности охладителя по зерну от факторов Q, n:

G 0,67 + 0,08 Q + 0,49 n + 0,04 Q n + 0,02 Q2 + 0,02 n 2 (20) где G – пропускная способность аэродинамического охладителя по зерну, кг/с;

- температура охлажденного зерна, °С;

Q – расход агента охлаждения м3/с;

n – частота вращения выпускного устройства, мин-1.

Отмечаем повышение производительности охладителя по зерну с повы шением расхода агента охлаждения и частоты вращения выпускного устройст ва (рисунок 5). В большей степени на производительность оказывает влияние повышение частоты вращения выпускного устройства.

Наибольшая производительность аэродинамического охладителя по зерну наблюдается при расходе агента охлаждения 3 м3/с и частоте вращения ротора выпускного устройства 25 мин -1. При расходе агента охлаждения 1…1,5 м3/с максимальная производительность по зерну составит 1,1 кг/с при частоте вра щения ротора выпускного устройства 25 мин -1.

N · 10-4, G, кВт·ч/кг кг/с Q, м3/с Q, м3/с Рисунок 5 - Зависимость пропускной Рисунок 6 - Зависимость удельных способности от расхода агента охлаждения и энергозатрат от расхода агента охлаждения и частоты вращения выпускного устройства. частоты вращения ротора выпускного уст ройства Для оценки энергозатрат процесса перемещения зерна установлена зави симость удельных энергозатрат на транспортирование зерна от расхода агента охлаждения и частоты вращения ротора выпускного устройства:

N 1,44 10-3 + 1,54 10-3 Q - 1,83 10-3 n - 1,35 10-3 Q n + 1,2110-3 n 2 (21) где N – удельные энергозатраты на перемещение зерна, кВт·ч/кг;

t – тем пература агента охлаждения, °С.

Удельные энергозатраты увеличиваются с повышением расхода агента охлаждения (рисунок 6), что обусловлено особенностью работы вентилятора, так как с увеличением количества нагнетаемого воздуха происходит повыше ние аэродинамического сопротивления охладителя в целом, что влечет большие энергозатраты для обеспечения требуемого количества агента охлаждения. В свою очередь повышение частоты вращения ротора выпускного устройства способствует снижению энергоемкости процесса. Так при расходе агента охла ждения 3 м3/с удельные энергозатраты составляют 7,3 кВт·ч/т для частоты вра щения ротора выпускного устройства 5 мин-1, а при 25 мин-1 энергозатраты со ставят уже 1,6 кВт·ч/т. Данное влияние частоты вращения ротора выпускного устройства обусловлено повышением производительности по зерну аэродина мического охладителя, как следствие удельные энергозатраты снижаются.

После проведения многофакторного регрессионного анализа, без учета не значимых эффектов, установлена зависимость температуры отработавшего аген та охлаждения от факторов Q, t, n:

для семенного зерна охл.к. 22,53 - 2,95 Q 2,95 n + 5,43 t - 0,5 Q n + 1,65 Q t (22) + 0,27 n t + 1,39 Q2 - 0,48 n 2 + 0,17 t для фуражного охл.к. 26,76 - 4,61 Q 4,61 n + 7,68 t - 0,97 Q n + 1,65 Q t + (23) 0,27 n t + 4,72 Q2 + 1,29 n 2 + 2,42 t где охл.к. - температура отработавшего агента охлаждения, °С.

Наибольшее влияние на исследуемый параметр оказывает температура и расход агента охлаждения (рисунок 7).

охл.к., охл.к., °С °С Q, м3/с Q, м3/с а б Рисунок 7 - Зависимость температуры отработавшего агента охлаждения от расхода и температуры агента охлаждения: а – семенное зерно;

б - фуражное зерно.

С повышением начальной температуры агента охлаждения пропорцио нально возрастает и его температура после прохождения через зерновую массу.

При повышении расхода агента охлаждения температура отработавшего агента охлаждения снижается. Важно отметить то что во всем исследуемом диапазоне значений факторов температура отработавшего агента охлаждения всегда зна чительно превышала начальную температуру агента охлаждения, а при его температуре свыше 11 °С и температуру окружающего воздуха равную 17 °С.

Так при температуре агента охлаждения 18 °С при охлаждении семенного зерна температура отработавшего агента охлаждения находилась в пределах 28… °С, а при охлаждении фуражного зерна 39…44 °С. Следовательно исполь зование отработавшего агента охлаждения повторно не является целесообраз ным, как в случае с сушкой зерна. Однако такую возможность стоит иметь вви ду как один из путей снижения энергомкости при следующих параметрах:

температуре агента охлаждения ниже 5…8 °С;

расходе агента охлаждения свыше 2 м3/с. Более высокая температура агента охлаждения на выходе из зер нового слоя говорит об более эффективном использовании агента охлаждения для отвода тепла.

Однако главным критерием для оценки охладительных устройств является соответствие предъявляемым требованиям температуры охлажденного зерна.

После проведения многофакторного регрессионного анализа, без учета незна чимых эффектов, установлена зависимость температуры зерна после охлаждения от факторов Q, t, n:

для семенного зерна 22,53 - 2,95625 Q + 2,95 n + 5,43 t - 0,5 Q n + 1,65 Q t + (24) 0,27 n t + 1,39 Q 2 - 0,47 n 2 + 0,17 t для фуражного 25,76 - 8,58 Q + 0,4 n + 6,93 t - 0,97 Q n + 1,15 Q t + (25) 0,27 n t + 4,46 Q 2 - 1,54 n 2 - 2,16 t где - температура охлажденного зерна, °С.

Наибольшее влияние на температуру охлажденного зерна оказывают рас ход и температура агента охлаждения, как в случае охлаждения семенного, так и фуражного зерна. Установлена прямо пропорциональная зависимость темпе ратуры охлажденного зерна с температурой агента охлаждения. При повыше нии расхода агента охлаждения конечная температура охлажденного зерна так же снижается. Так при температуре наружного воздуха 17 °С в период уборки зерновых температура охлажденного зерна в соответствии с агротехническими требованиями не должна превышать 25 °С. В случае охлаждения семенного зерна (рисунок 8) при расходе агента охлаждения 1…1,5 м3/с его температура должна быть не более 4…11 °С. В случае охлаждения семенного зерна при температуре агента охлаждения равной 18 °С расход агента охлаждения не должен быть менее 2,2 м3/с. В случае охлаждения фуражного зерна при темпе ратуре агента охлаждения 18 °С охлаждаемое зерно не соответствовало агро техническим требованиям по температуре для всего диапазона расхода агента охлаждения (рисунок 8).

Рисунок 8 - Зависимость температуры, °C охлажденного фуражного зерна от расхода и температуры агента охлаждения.

Q, м3/с При расходе агента охлаждения 3 м3/с зерно соответствовало требовани ям лишь при температуре агента охлаждения не превышающей 14 °С. При сни жении расхода агента охлаждения температура зерна возрастает, так при 2 м 3/с она превысила требуемую на 4 °С, а при 1 м3/с на 16 °С. Для обеспечения тре буемой температуры зерна необходимо проводить охлаждение при расходе агента охлаждения более 1,3…1,4 м3/с.

Выявлено совместное влияние расхода агента охлаждения и частоты вращения ротора выпускного устройства. Так для обеспечения более низкой температуры охлажденного фуражного зерна при неизменном расходе и темпе ратуре агента охлаждения необходимо при расходе агента охлаждения более м3/с частоту вращения равную 13…17 мин-1, а при меньшем расходе агента ох лаждения равную 5…15 мин-1.

Данный эффект объясним тем что при меньшем расходе с повышением частоты вращения ротора выпускного устройства продолжительность охлажде ния зерна снижается, как следствие его конечная температура имеет большие значения. При значительном расходе агента охлаждения равном 2…3 м 3/с сни жение частоты вращения ротора выпускного устройства способствует увеличе нию высоты зернового слоя что очевидно приводит к снижению интенсивно сти теплообмена. Однако стоит отметить что при расходе агента охлаждения м3/с разница температуры охлажденного зерна при изменении частоты враще ния ротора выпускного устройства составляет 1…2,5 °С, при расходе 3 м3/с данная разница составляет 1…1,5 °С. Поэтому в силу значительного влияния частоты вращения ротора выпускного устройства на производительность аэро динамического охладителя, данной возможностью повышения интенсивности процесса охлаждения стоит пренебречь.

Однако для определения оптимальных параметров охладителя необходи мо рассматривать все полученные модели как единую систему. Для комплекс ного анализа эффективности рабочего процесса аэродинамического охладителя в исследуемой области факторов произведено исследование полученных мате матических моделей с помощью надстройки Microsoft Office Excel 2007 «Поиск решений». Данная надстройка позволяет находить рациональные решения для полученных математических моделей процесса.

Для анализа использовались математические модели энергозатрат про цесса, температуры охлажденного зерна, коэффициента эффективности охлаж дения для фуражного и семенного зерна. При поиске оптимальных значений факторов были заданы ограничения: температура охлажденного зерна не долж на превышать более чем на 8 °С температуру окружающего воздуха равную °С;

необходимая производительность по зерну 4 т/ч. В качестве определяющего параметра было определено отношение удельных энергозатрат к коэффициенту эффективности охлаждения. Математическая модель исследовалась для полу чения минимально возможного значения целевого параметра.

В результате исследования кинетики охлаждения зерна установлена зави симость коэффициента Kто от средней скорости агента охлаждения и его на чальной температуры. После проведения многофакторного регрессионного ана лиза, без учета незначимых эффектов, были получены уравнения регрессии:

для семенного зерна Кто 1,03 - 0,008 t ox 0,058 vcp - 0,002 t ox vcp 0,0004 t ox - 0,003 vcp 2 (26) для фуражного К то 0,96 - 0,003 t ox 0,096 v cp - 0,002 t ox v cp 0,0002 t ox - 0,006 v cp 2 (27) где t ox - начальная температура агента охлаждения, °С;

vср – средняя скорость выхода агента охлаждения из щели газораспреде лительной решетки, м/с.

Анализируя полученные математические модели делаем вывод о наибольшем влиянии на процесс охлаждения температуры агента охлаждения.

С повышением его температуры различия между фактической температурой зерна и теоритической снижаются (рисунок 9). При увеличении скорости фильтрации агента охлаждения погрешность так же возрастает, так при температуре агента охлаждения 18 °С при увеличении скорости фильтрации с 0,56 м/с до 1 м/с погрешность возрастает с 5 до 10 %. При дальнейшем увеличении скорости агента охлаждения погрешность остается на том же уровне. При снижении температуры агента охлаждения до 4 °С при скорости агента охлаждения 0,56 м/с погрешность составит 12 %, а при скорости 1,73 м/с составит 25 %.

Рисунок 9 - Зависимость коэффици ента Kто от средней скорости фильтрации агента охлаждения и его начальной темпе Кто ратуры при охлаждении фуражного зерна.

1, 1, 0,56 Vф, м/с tохл.н., °С Полученные уравнения возможно использовать для определеения коэфициента Кто., определяющего влияние условий теплообмена, при расчете температуры зерна в зависмоти от технологических и конструктивных параметров аэродинамического охладителя.

Главной целью механизированных комплексов и поточных линий в про цессе послеуборочной подработки является доведение зерна до требуемых кон диций в зависимости от его назначения. Более жесткие требования предъявля ются, естественно, к семенному материалу, который подразделяется на три класса. Семена 1 и 2 класса предназначены для семенных и общих посевов, а семена 3 класса рекомендуются использовать только для общих посевов. На этапе производственных исследований, нами были проведены дополнительные исследования, направленные на изучение влияния режимных параметров экс периментальной установки на качественные показатели семян: всхожесть и энергию прорастания. Результаты, полученные после проведения анализов по определению качественных показателей семян указывают на отсутствие сни жения качественных показателей вследствие интенсивного охлаждения зерна, а так же снижение качественных показателей при отсутствии охлаждения просу шенного зерна. Качественные показатели всхожести и энергии прорастания при от сутствии операции охлаждения снизились по сравнению с охлажденным зерном в ряде случаев до 15 %. Часть зерна, не подвергнутого охлаждению после сушки соот ветствует требованиям предъявляемым к семенному материалу 3 класса, а следова тельно может быть использовано лишь для посевов общего назначения. Качество охлажденного зерна по всхожести и влажности соответствует ГОСТ Р - 52328 - по Псковской области.

Так же проведенные исследования показали, что процесс охлаждения зерно вок, при их транспортировании в рассматриваемом агрегате, сопровождается допол нительным съемом влаги с зерновок в пределах 0,7…1,7 % и выравниванием по влажности отдельных зерновок в объеме слоя, что так же благотворно влияет на срок хранения зерна.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность охлаждения зер на после сушки с использованием аэродинамического охладителя» приведены расчеты экономической эффективности от применения разработанного аэроди намического охладителя в сравнении с колонковым охладителем.

Технико-экономическую эффективность использования предлагаемого аэродинамического охладителя при послеуборочной обработке зерна определя ли на основании разности приведнных затрат на 1 т зерна при работе базового и предлагаемого охладителя. Экономический эффект от применения аэродина мического охладителя при послеуборочной обработке семенного и продоволь ственного зерна составил 250 руб./т, что позволяет окупить капиталовложения за 3,66 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведенные аналитические и экспериментальные исследования процес са охлаждения зерна в подвижном слое на аэродинамическом охладителе по зволяют сделать следующие выводы:

1. В Северо-западной зоне Российской Федерации при послеуборочной обработке зерна аэродинамический охладитель, позволяющий проводить охла ждение зерна в псевдоожиженном слое с использованием в качестве агента ох лаждения охлажденный наружный воздух, расширяет возможности использо вания оборудования КЗС. Для повышения эффективности процесса охлаждения зерна рекомендуется использовать аэродинамический охладитель в качестве выносного охладительного устройства зерносушилок.

2. Для обоснования конструктивных и технологических параметров аэро динамического охладителя целесообразно использовать разработанные матема тические модели охлаждения зерна в псевдоожиженном слое, позволяющие оп ределить продолжительность охлаждения (11), минимально необходимые зна чения высоты (18) и длины (17) грузонесущего канала.

3. Для охлаждения зерна после сушки в аэродинамическом охладителе для более рационального использования агента охлаждения целесообразно ис пользовать газораспределительную решетку с радиусом вогнутости 350 мм, максимальной высотой щели 4 мм с шагом по пластинам не более 50 мм. Реко мендуемый диапазон скорости фильтрации агента охлаждения при этом 1…1, м/с.

4. Теплоту отработавшего агента сушки более рационально использовать повторно при сушке зерна, нежели для питания теплоиспользующей холодиль ной машины при охлаждении воздушного потока, поэтому в качестве источни ка искусственного холода рекомендуется использовать парокомпрессионную холодильную машину, что так же обусловлено е относительно высоким КПД.

5. Наиболее существенное влияние на процессы перемещения и охлажде ния зерна оказывают технологические и конструктивные параметры, рацио нальные значения которых находятся в следующих пределах: расход агента ох лаждения 1,8…2,34 м3/с;

температура агента охлаждения 14,5…15,6 °С;

частота вращения выпускного устройства 23…25 мин-1. На основании эксперименталь ных данных получены математические модели процесса охлаждения зерна (20)…(29).

6. Для снижения энергомкости процесса сушки зерна целесообразно ис пользовать аэродинамический охладитель в качестве выносного охладительно го устройства зерносушилок, так как при охлаждении зерна после сушки про исходит снижение влажности зерна на 0,7…1,7 %. Так же охлаждение зерна по зволяет повысить качественные показатели зерна: всхожесть и энергию прорас тания до 15 %.

7. Применение аэродинамического охладителя для охлаждения фуражно го и семенного зерна в условиях Северо-западной зоны РФ позволяет снизить эксплуатационные затраты на 68 %, срок окупаемости капитальных вложений составляет 3,66 года при экономическом эффекте 250,5 руб./т для охлаждения зерна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Морозов В.В. Перспективы повышения эффективности охлаждения зерна после сушки / В.В. Морозов, И.Б. Зимин, М.Б. Тельпук // Научное обес печение агропромышленного производства (материалы Международной науч но-практической конференции, 20-22 января 2010г., г. Курск ч.3). - Курск: Изд во Курск. гос. с.-х. ак., 2010. - С. 127- 2. Зимин И.Б. Кинетика охлаждения зерновой массы при перемещении е на аэродинамическом транспортре / И.Б. Зимин, М.Б. Тельпук // Техника в сельском хозяйстве. – 2010. - №6. – С. 9-11.

3. Морозов В.В. Повышение эффективности охлаждения фуражного зер на после сушки / В.В. Морозов, И.Б. Зимин, М.Б. Тельпук // Вклад молодых учных в развитие науки (материалы V международной научно-практической конференции, 8-9 апреля 2010г., г. Великие Луки). – Великие Луки: Изд-во Ве ликолукской гос. с.-х. ак., 2010.. - С. 184- 4. Морозов. В.В. Охлаждение зерна в аэродинамическом охладителе / В.В. Морозов, М.Б. Тельпук // Сельский механизатор. – 2011. - №5. – С. 10-11.

5. Морозов. В.В. Аэродинамический охладитель / В.В. Морозов, М.Б.

Тельпук // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2011. - №5. – С. 10-11.

Лицензия ЛР № 040831 Подписано к печати 26.05.2011 г.

Формат 60 х 90/ Усл. печ. 1,3 п.л. Тираж 100 экз.

Заказ Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО «ВГСХА»

182100, г. Великие Луки, пл. Ленина,