Совершенствование технологического процесса сушки зерна пшеницы и обоснование конструктивных параметров сушилки с псевдоожиженным слоем
На правах рукописи
ВОЛЖЕНЦЕВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
СУШКИ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ И ОБОСНОВАНИЕ
КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СУШИЛКИ С
ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского
хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
ВОРОНЕЖ – 2010
Работа выполнена на кафедре «Механизация технологических процессов в АПК» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный Университет»
кандидат технических наук, профессор
Научный руководитель:
Калашникова Нина Васильевна оппоненты: доктор технических наук, заслуженный Официальные деятель науки РФ, профессор Свиридов Леонид Тимофеевич кандидат технических наук, доцент Гиевский Алексей Михайлович ФГОУ ВПО «Курская ГСХА»
Ведущая организация:
Защита диссертации состоится «17» июня 2010 года, в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1, ауд. 319. корпус № 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки».
Автореферат разослан «17» мая 2010 г. и размещен на сайте www.vsau.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Шатохин И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Увеличение производства зерна неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования технических средств для его послеуборочной обработки.
Природно-климатические условия большинства зернопроизводящих районов нашей страны предопределяют первостепенную роль сушки в обеспечении сохранности урожая.
Своевременно и правильно проведенная сушка не только повышает стойкость зерна при хранении, но и улучшает его продовольственные и семенные достоинства. При соблюдении рациональных режимов сушки ускоряется послеуборочное дозревание зерна, происходит выравнивание зерновой массы по влажности и степени зрелости, улучшаются цвет, внешний вид и другие технологические свойства зерновок. Сегодня в России сложилась ситуация при которой зерно сосредоточено у производителя, не имеющего технической базы по его обработке. Поэтому создание малогабаритной, мобильной техники для организации первичной обработки зерна у его производителя – ближайший и наиболее эффективный резерв развития сельскохозяйственных предприятий. Проблема дальнейшего наращивания производства зерна в условиях резкого удорожания энергетических ресурсов и ужесточения санитарных требований к пищевым продуктам требует изыскания и освоения новых ресурсосберегающих, экологически чистых технологий. Решению этих вопросов и посвящена выполненная диссертационная работа.
Цель работы. Повышение эффективности технологического процесса сушки зернового вороха повышенной влажности путем совершенствования конструкции сушилки с псевдоожижением зернового слоя и обоснования основных параметров газораспределительных устройств.
Объект исследования. Технологический процесс псевдоожижения, сушки зерна продовольственного и семенного назначения в рабочей камере малогабаритной сушилки.
Предмет исследования. Закономерности процесса сушки зерна и их зависимость от конструктивных параметров газораспределительного устройства, режимов работы экспериментальной сушилки с псевдоожижением зернового слоя.
Методика исследований. Общая методика исследований предусматривает разработку теоретических предпосылок, их экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях, экономическую оценку результатов исследований.
Теоретические исследования выполняли с использованием основных положений, законов и методов классической механики, физики, математики и статистики.
Экспериментальные исследования проводили в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполняли с использованием методов статистики на ЭВМ.
Научную новизну работы составляют:
– теоретическая модель структуры псевдоожиженного слоя, позволяющая объяснить природу возникновения неоднородности ожижения;
– математические модели, описывающие влияние конструктивных параметров газораспределительного устройства на характеристики псевдоожижения.
разработана технологическая схема зерносушилки – псевдоожиженного слоя, позволяющая осуществить рециркуляцию зерна внутри сушилки с чередованием циклов нагрева–охлаждения.
Практическую ценность работы составляют:
– экспериментальные зависимости оценки количественных и качественных показателей работы экспериментальной сушилки с псевдоожижением зернового слоя от основных факторов, влияющих на ее рабочие процессы;
– методика определения качества ожижения зернового материала;
– оптимальные технологические режимы работы экспериментальной сушилки;
– конструктивно-технологическая схема и методика расчета параметров работы экспериментальной зерносушилки, исключающей перегрев и сохраняющей технологические свойства зерна.
Реализация результатов исследований. На базе проведенных исследований разработана зерносушилка псевдоожиженного слоя, усовершенствовано приемное отделение зерноочистительного комплекса ФГУП учхоз “Лавровский” ОрелГАУ.
Автором разработана лабораторная сушильная установка, которая используется в учебном процессе в ОрелГАУ.
Использование основных положений и выводов настоящих исследований подтверждены соответствующими актами внедрения и документами, приведенными в приложении к работе.
Апробация работы. Основные материалы работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско преподавательского состава и аспирантов МГАУ, Орловского ГАУ, Тамбовского ГТУ в 2006-2009 гг.
Публикации. По результатам исследований автором опубликовано печатных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций производству, списка научных источников из 103 наименований, в том числе 8 на иностранном языке и 3 приложений.
Основная часть диссертации содержит 147 страниц машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 19 таблиц, 138 формул.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведены обоснование актуальности темы диссертации, цель работы, научная и практическая значимость результатов исследований, основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены теоретические основы псевдоожижения, основные конструкции сушильных машин с псевдоожиженным зерновым слоем.
Рассмотрены технологические требования, предъявляемые к сушке зерна. Представлены существующие способы и методы сушки зерновых культур.
Проведен анализ влияния газораспределительных устройств на характеристику псевдоожижения. Выявлены преимущества и недостатки конвективной сушки зерна в псевдоожиженном слое.
В создание современной теории сушки большой вклад внесли такие ученые как А. В. Лыков, Г. К. Филоненко, И. М. Федоров, А. С. Гинзбург, П.
Д. Лебедев, П. Г. Романков, Б. М. Смольский, В. В. Красников, С.Д. Птицын и др.
Большое значение для совершенствования технологии и техники сушки зерна имеют научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы В.И. Атаназевича, В.И. Алейникова, А.П. Гержой, В.И. Жидко, М.А.
Жукова, П.Д. Лебедева, В.А. Резчикова, Б.Н. Сажина, Ю.Л. Фрегера. Среди зарубежных ученых эти проблемы изучали А. Auzelins, J. Baumgartner, M.
Bohm, V. Havelsky, P. Howard и др.
Основным фактором влияющим на качество сушки зерна в псевдоожиженном слое является степень однородности ожижения материала.
Переход неподвижного слоя зерна в псевдоожиженное состояние зависит от параметров газораспределительной решетки. Причем сложно количественно учесть все факторы, влияющие на качество ожижения. Задача тем более сложна, так как важно знать прорыв воздуха на разных уровнях слоя, знать интенсивность перемешивания материала в слое и подобные им детали.
Поэтому необходимо проведение обстоятельных исследований неоднородности псевдоожижения.
Зерновой слой имеет значение отношения плотности материала М к плотности среды С больше единицы. Такие материалы особо подвержены каналообразованию. Поэтому выбор типа газораспределительного устройства и обоснование его параметров имеет существенное практическое значение.
При сушке зерна в псевдоожиженном слое снижение влажности зерна на 3...4% сопровождается повышением его температуры до 55...60°С.
Дальнейшая сушка приводит к перегреву зерна. Поэтому псевдоожиженный слой используют в начальной фазе сушки, например на стадии предварительного нагрева зерна для повышения коэффициента диффузии и интенсификации последующего процесса сушки.
Несмотря на большое количество накопленного научно экспериментального материала, в области сушки зерна до кондиционной влажности в псевдоожиженном слое практически нет исследований, касающихся сушки псевдоожиженного зернового материала способом рециркуляции с осциллирующим режимом, позволяющим за счет чередования циклов нагрева-охлаждения зерна предотвратить его перегрев и сохранить продовольственные и посевные качества.
Осцилирующий режим, очевидно, не нашел применения при сушке в псевдоожиженном слое из-за высоких потерь теплоты, аккумулированной зерном и расходуемой на нагрев охлаждающего воздуха. В то же время данный режим способствует уменьшению градиентов температуры и влажности в зерне, предотвращает ухудшение его качества.
Это обуславливает необходимость проведения исследования процесса конвективно-контактной сушки зерна в псевдоожиженном слое с осциллирующим режимом.
В соответствии с поставленной целью задачами исследований являются:
1. Провести анализ конструкций зерносушилок и обосновать направления их совершенствования для фермерских хозяйств и научно исследовательских институтов.
Разработать математическую модель структуры 2.
псевдоожиженного слоя зерна.
Определить влияние конструктивных параметров 3.
газораспределительных устройств на качество ожижения зерновой массы.
4. Разработать методику определения степени однородности зернового слоя в рабочей камере сушилок работающих по принципу его псевдоожижения.
5. Разработать технологическую схему рециркуляционной сушилки псевдоожиженного слоя позволяющую не перегревать зерновой материал.
Исследовать влияние конструктивных параметров 6.
газораспределительного решета на индекс однородности псевдоожижения в рабочей камере сушилки.
Установить влияние технологических параметров 7.
экспериментальной сушилки на температуру нагрева зерна.
8. Разработать методику расчета конвективных зерносушилок с псевдоожижением зерновой массы.
9. Провести производственные испытания экспериментальной сушилки зерна в условиях зерноочистительного комплекса ФГУП учхоз “Лавровский” Орловской области Орловского района и дать экономическую оценку ее работы.
Во втором разделе разработана математическая модель структуры псевдоожиженного слоя, исследовано влияние конструктивных параметров газораспределительного устройства на степень однородности ожижения зерна.
Визуальные наблюдения и специальные измерения локальных параметров показывают, что псевдоожиженный слой взвешенных зерен непрерывно пульсирует: он неоднороден в пространстве и нестационарен во времени. Локальная порозность m не остается постоянной из-за непрерывного движения зерен, входящих и выходящих за пределы представительного объема и меняющих взаимную конфигурацию. Также возможны и крупномасштабные колебания слоя в целом. Непрерывные случайные внешние возмущения от врывающихся через газораспределительную решетку газовых струй воздействуют на резонансные частоты колебаний всего слоя.
Общепринятой модели структуры кипящего слоя в настоящее время не существует. В данной работе рассматривается модель структуры кипящего слоя, позволяющая объяснить природу возникновения колебаний слоя и определить влияние геометрических параметров газораспределительного С устройства и аппарата в целом на частоту колебаний и амплитуду колебаний слоя А, а также на качество ожижения зернового материала. Чем однороднее будет кипящий слой, без каналообразования и поршневого режима, тем качественнее и экономичнее процесс сушки.
В результате теоретических исследований было получено дифференциальное уравнение для изменения амплитуды колебаний плотности по высоте слоя:
dА k 2 А+ i А+ =0 (1) m m dz решение которого имеет вид:
() ( ), 2 zm i kz А( z ) = А0 exp exp (2) где амплитуда колебаний плотности на уровне А0 газораспределительной решетки, м;
- циклическая частота колебаний, рад/с;
z - расстояние до газораспределительного решета, м;
m - порозность слоя;
k и - положительные константы;
i - показатель неоднородности.
Таким образом, амплитуда возникших колебаний плотности экспоненциально возрастает с высотой по мере удаления от газораспределительной решетки.
Выведена система уравнений, решая которую и задаваясь различными параметрами газораспределительного решета: (диаметром отверстий d ОТВ., шагом отверстий S, отношением высоты слоя к диаметру решета (диаметру аппарата)) находим соответствующие значения частоты и амплитуды А колебаний псевдоожиженного слоя зерна:
= g 1 0, 4 k n ln 0, ) А ( 0, 6 H 0 n ( ) = g 1 0, 4 k n 2 1 12 / 2 1 0,6 H 0, (3) (M )НС [( ) ( ) ( ) ]( ) F0 0, 75 F0 1, 375 F0 2 F1 = 1 F + 1 + 1 + ТР F1 F1 F где - гравитационное ускорение, м/с2;
g - высота неподвижного слоя зерна, м;
Н - объемная плотность зерна в псевдоожиженном слое, кг/м3;
- коэффициент гидравлического сопротивления;
- плотность псевдоожижающего агента, кг/м ;
1 - скорость воздушного потока, м/с;
- плотность зерна, кг/м3;
М - зона действия аэродинамических струй, м;
Н С - коэффициент сопротивления трения;
ТР - площадь отверстий решета, м2;
F - площадь поперечного сечения рабочей камеры сушилки, м2.
F Очевидно, что качество (однородность) псевдоожижения слоя будет улучшаться с увеличением частоты и снижением амплитуды А колебаний.
Далее вводим безразмерную величину - индекс однородности:
I=, (4) С где - отклонение объемной плотности от положения равновесия, мм;
- частота колебаний, кол/сек, Гц.
С Учитывая, что а С = / 2, получим:
= А0 / 2, А I= 0. (5) По результатам расчетов построим график зависимости индекса однородности I от шага h и диаметра d отверстий газораспределительной решетки (рис. 1).
Рисунок 1 – Зависимость индекса однородности I от шага отверстий h газораспределительной решетки при различных значениях диаметра отверстий d Анализ графических зависимостей индекса однородности от шага отверстий решета показывает, что с увеличением шага отверстий решета индекс однородности снижается и достигает наименьшего значения при шаге отверстий равным 1,5 мм. Последующее увеличение шага отверстий приводит к постепенному увеличению индекса однородности при любых заданных значениях диаметра отверстий решета.
Условием удовлетворительного ожижения по всей поверхности решетки будет является:
Ро.реш.= Рз.реш.= Рреш. + Рслоя., (6) где Ро.реш. – гидравлическое сопротивление решетки в обнаженном месте, Па;
Рз.реш. – гидравлическое сопротивление решетки в загороженном месте, Па;
Рреш. – гидравлическое сопротивление решетки в закрытом материалом месте, Па;
Рслоя. – гидравлическое сопротивление слоя зерна над закрытым материалом месте, Па.
Скорость истечения воздуха из свободного (обнаженного) отверстия:
2 gPO. РЕШ = 1, (7) В где - коэффициент истечения;
- коэффициент сопротивления.
Аналогично для истечения через закрытое слоем отверстие:
2 gPРЕШ = 2. (8) В Соотношение скоростей фильтрации воздуха через закрытую и обнаженную части решетки:
Ф 2 PО. РЕШ РСЛОЯ = В=, (9) ( ) Ф 1 РО. РЕШ В или Ф 2 Р (1 СЛОЯ ) =. (10) Ф 1 РО. РЕШ Скорость фильтрации возрастает при обнажении решетки в n раз, т.е.:
Ф = nФ, (11) где n1 (при обычном для установок с псевдоожиженным слоем центробежном типе воздуходувных машин).
Отсюда, считая сопротивление решетки квадратичным, определим:
=n P, (12) Р О. РЕШ РЕШ где РРЕШ - сопротивление решетки при нормальной рабочей скорости фильтрации.
Р РЕШ Обозначим еще через отношение сопротивления решетки =х РСЛОЯ при рабочей скорости фильтрации к сопротивлению собственно псевдоожиженного слоя и рассмотрим предельный случай существования псевдоожижения, т.е. условия, когда Ф = П.У., где П.У. - скорость фильтрации при пределе устойчивости.
Таким образом, в нашем случае:
П.У. 2 = (1, (13) ) n 2 х nФ откуда х=. (14) n 2 ( П.У. 1 ) Ф В случае тонкого псевдоожиженного слоя, когда сопротивление его составляет лишь небольшую долю общего сопротивления системы, Ф Ф, т.е. n1.
При работе со скоростями фильтрации П.У. для достижения Ф ожижения над отверстиями, закрытыми слоем материала, потребуется х 1, т.е. гидравлическое сопротивление решетки должно быть не меньше, чем сопротивление самого псевдоожиженного слоя. Следовательно, при R = сопротивление решетки Р РЕШЕТКИ, кг/м2, можно рассчитать по формуле:
РРЕШЕТКИ ( М С )(1 m ) Н. (15) Теоретически были предложены три условия, которые необходимо выполнить при конструировании газораспределительных решеток.
Первое условие – форма и размер отверстий перфорированной решетки должен быть таким, чтобы среднее по величине зерно определенной культуры перекрывало не только отверстие, но и часть глухой поверхности решета, чтобы случайно оголенное место не оказалось в благоприятных условиях для образования канала.
Второе условие – шаг отверстий или густота расположения должна быть такой, чтобы сила суммарного давления всех струек воздуха оказалась достаточной для расширения зазора в случайно загороженном месте решетки.
Третье условие, вытекающее из двух предыдущих – сопротивление решетки должно быть настолько велико, чтобы обнаженные или загороженные части ее не могли резко уменьшить или увеличить скорость фильтрации по всей площади газораспределительной решетки.
Для зерна пшеницы с размерами: толщина а = 1,5…3,8 мм, ширина b = 1,6…4 мм, длина l = 4,2…8,6 мм можно принять диаметр для отверстия d = 2…2,5 мм с шагом не превышающим средней длины зерна.
В третьей главе приведены программа и методика проведения экспериментальных исследований, оборудование и аппаратура для исследований.
Предложена новая конструкция рециркуляционной зерносушилки с псевдоожиженным слоем (рис. 2), которая содержит охладительную камеру с решетчатым дном 7, боковая часть которого выполнена конусной с углом наклона к центральной части решетчатого дна 7, равным максимальному углу естественного откоса влажного зерна. Сушильная камера 6 закреплена соосно внутри охладительной камеры 5 с зазором 10 в нижней части. В центральной части решетчатого дна 7 по диаметру сушильной камеры закреплена насадка 8, расширяющаяся книзу, предназначенная для увеличения скорости воздушного потока в сушильной камере 6. Внутри насадки 8 расположены нагревательные элементы 12. Воздух подается в рабочие камеры вентилятором 13 через нагнетательный патрубок 9. Влажное зерно поступает в сушилку через загрузочный патрубок 14 при открытой заслонке 2, просушенное зерно выгружается через пневмотрубу 11 при открытой заслонке 15. Отработанный агент сушки выводится из сушильной камеры 6 через патрубок 4 при открытой заслонке 3 через циклон 1.
Технологический процесс сушки работы осуществляется следующим образом.
Влажное зерно засыпается по патрубку 14 в сушильную камеру 6 и охладительную камеру 5 до уровня Н0. Создаваемый вентилятором воздушный поток после выхода из патрубка 9 разделяется на две части.
Большая часть воздушного потока попадает в насадку 8, проходит через нагревательные элементы 12, нагревается до необходимой температуры и, пронизывая центральную часть решетчатого дна 7, попадает в сушильную камеру 6. Остальная часть воздушного потока, проходя через боковую конусную часть решетчатого дна 7, попадает в охладительную камеру 5.
1 – циклон;
2, 3, 15 – заслонки;
4 – патрубок;
5 – охладительная камера;
6 – сушильная камера;
7 – решетчатое дно;
8 – насадка;
9 – нагнетательный патрубок;
10 – кольцевой зазор;
11 – пневмотруба;
12 – нагревательный элемент;
13 – вентилятор;
14 – загрузочный патрубок Рисунок 2 – Зерносушилка псевдоожиженного слоя Расширяющаяся книзу насадка 8 увеличивает скорость воздушного потока до критической, при которой плотный слой зерна в сушильной камере 6 переходит в разрыхленное, псевдоожиженное состояние и достигает высоты Н, большей, чем высота сушильной камеры 6.
Часть подсушенного зерна, нагретого до предельной температуры, неизбежно попадает в охладительную камеру 5, где происходит его охлаждение за счет продувки холодным воздухом и контактного теплообмена с охлажденным зерном. Одновременно с этим примерно такое же количество охлажденного зерна попадает через кольцевой зазор 10 в сушильную камеру 6 и смешивается с циркуляционными потоками нагретого зерна. Процесс повторяется. Отработанный агент сушки, легкие примеси и продувочный воздух из охладительной камеры поступают через патрубок 4 в циклон 1, где происходит отделение воздуха от примесей. Очищенный воздух выходит в атмосферу.
Продувка холодным воздухом охладительной камеры 5 увеличивает порозность слоя над решетчатым дном 7 и исключает образование застойных зон в кольцевом зазоре 10. Для достижения зерном кондиционной влажности оно должно многократно пройти вышеописанный процесс. После окончания сушки закрываются заслонки 2 и 3, открывается заслонка 15, отключаются нагревательные элементы 12, зерно охлаждается и транспортируется воздушным потоком по пневмотрубе 11 в хранилище.
Исследования проводили в научно-учебной лаборатории кафедры “Механизация технологических процессов в АПК” факультета “Агротехники и энергообеспечения” ОрелГАУ. В исследованиях использовали зерно пшеницы Мироновская 808.
У зерна, предназначенного для исследований, определяли исходные базовые качественные показатели:
– засорённость зерна в соответствии с ГОСТ 30483–97 с использованием электронных весов В - 134;
– исходную влажность зерна влагомером Фауна-М в автоматическом режиме;
– массу зерна предназначенного для эксперимента с использованием весов ВНЦ мод. ВТЦ - 10;
– технологические свойства зерна при помощи сконструированного в отделе механизации ВНИИ зернобобовых культур прибора, дающего три измерения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с точностью 0, мм.
Параметры окружающего воздуха:
температуру и относительную влажность окружающего – воздуха измеряли психрометром аспирационным МВ-4М ГОСТ 6353 в соответствии с техническим описанием к прибору;
– атмосферное давление измеряли мембранным метеорологическим барометром-анероидом мод. БАММ-1. в соответствии с техническим описанием к прибору.
Параметры сушильной установки:
– давление воздушного потока на входе и выходе из зернового слоя регулировали посредством изменения проходного сечения напорного вентилятора ВЦ14-46-2,5-01А и измеряли цифровым дифференциальным манометром ДМЦ-01М;
– скорость потока воздуха в сушильной камере измеряли цифровым дифференциальным манометром ДМЦ-01М, при этом скорость потока агента сушки измеряли в 9 точках: 6 точек вдоль стенок сушильной камеры и точки вдоль оси симметрии рабочей зоны, проходящей от загрузочного окна до выходных жалюзи;
– температуру агента сушки в нижнем поворотном колене и в сушильной камере контролировали по показаниям цифрового дифференциального манометра ДМЦ-01М, необходимую температуру агента сушки обеспечивали путём периодического отключения одной или нескольких секций электрокалорифера;
– время выхода установки на рабочий режим эксперимента и продолжительность работы по периодам фиксировали двухстрелочным секундомером прерываемого действия “С-II-1б” с часовым механизмом;
– интенсивность светового потока при определении индекса однородности зернового слоя определяли люксметром Ю-116, показания которого записывались на видеокамеру Panasonic NV-GS80EE-S.
– потребляемую установкой мощность измеряли комплектом измерительным К505.
Нами предложен метод определения однородности псевдоожижения, заключающийся в определении интенсивности светового излучения пучка света, пронизывающего зерновой слой. Экспериментальные исследования проводили на разработанной и изготовленной установке, представленной на рисунке 3.
При воздействии нагретого эл. тэнами 8 воздушного потока, создаваемого вентилятором 9 на зерновой слой 5 расположенный на решетке 7 при определенных условиях происходит ослабление контактов между зернами, порозность слоя увеличивается, а структура его разрушается.
Плотный слой зерна в рабочей камере 4 переходит в состояние, напоминающее кипящую жидкость, т. е. в состояние псевдоожижения. При этом на качество сушки основное влияние оказывает степень однородности псевдоожиженного зернового слоя.
Интенсивность светового излучения создаваемого источником направленного света принимались селеновым датчиком 6 2, регистрировались люксметром 1 и записывались на видеокамеру 3.
1 – люксметр;
2 – селеновый датчик;
3 – видеокамера;
4 – сушильная камера;
5 – зерновой слой;
6 – источник света;
7 – газораспределительное устройство;
8 – эл.
тэны;
9 – вентилятор Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки и размещение приборов для определения степени однородности псевдоожижения Изменения интенсивности светового излучения регистрировались через определенные промежутки времени, как показано на рисунке 4, и определялся индекс однородности I как отношение среднего отклонения ср, % к частоте колебаний t, кол./сек: I = ср / t.
На рисунке 4 абсцисса – продолжительность опыта, сек;
ордината – световой поток, люкс. При этом 0 люкс соответствует плотности неподвижного слоя зерна, 30 люкс – нулевой плотности, 15 люкс – средней плотности.
Согласно эксперименту индексы однородности I были связаны с качеством псевдоожижения следующим образом: I = 7 – высокая степень однородности, I = 7…15 – удовлетворительная, I = 15…32 – низкая, с нарастающим поршневым режимом. Очевидно, что при полной однородности индекс равен нулю. Индекс 7 – предельно возможный для зернового материала.
Рисунок 4 – Определение индекса однородности Основные конструктивные узлы сушильной установки представлены на рисунке 5.
1 – рабочая камера;
2 – заслонка;
3 – выгрузной патрубок;
4 - электрокалорифер;
5 – диффузор;
6 – рама;
7 – вентилятор;
8 – рама электродвигателя;
9 – загрузочный патрубок;
10 – заглушка технологического отверстия для проведения измерений;
11 – пульт управления;
12 – измерительные приборы;
13 - электродвигатель;
14 – охладительная камера;
15 – сушильная камера;
16 - крепление.
Рисунок 5 – Конструктивные узлы сушильной установки Пульт управления сушильной установкой позволяет включать и выключать подводимое электропитание, предотвращать подключение электропитания к калориферу без подключения напорного вентилятора, регулировать температуру агента сушки посредством подключения или отключения части нагревательных элементов калорифера.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию конструктивно-технологических параметров экспериментальной зерносушилки на однородность ожижения и качество сушки зернового материала.
В результате экспериментальных исследований установлено, что на индекс однородности I наибольшее влияние оказывают: диаметр d и шаг h отверстий газораспределительного решета, отношение высоты к диаметру зернового слоя q.
Для получения математической модели технологического процесса псевдоожижения зерна реализован полный факторный эксперимент 33, произведен расчет по алгоритму Иейтса, после выделения значимых эффектов получили уравнение регрессии в раскодированном виде:
I = 432,741-240,586d-35,178h+57,468dq-200,766q+ +39,252d2+72,912q2+11,1h2-21,552dq2 (16) После подстановки соответствующих значений основных факторов, графически построим факторную зависимость изменения индекса однородности ожижения I зерносушилкой (рис. 6).
Рисунок 6 – Факторная зависимость индекса однородности псевдоожижения экспериментальной зерносушилкой В результате сопоставления всех полученных данных по исследованию влияния конструктивно-технологических параметров экспериментальной зерносушилки на качество ожижения зернового материала установлено, что: диаметр отверстий газораспределительного решета должен находиться в пределах 2,5…3 мм;
оптимальный шаг отверстий 1,5…2 мм;
отношение высоты слоя к его диаметру 1,5.
Выявлено, что на температуру прогрева зерна наибольшее влияние оказывают: температура агента сушки t и продолжительность сушки, скорость фильтрации.
Для получения математической модели технологического процесса псевдоожижения зерна реализован полный факторный эксперимент 33, произведен расчет по алгоритму Иейтса, после выделения значимых эффектов получили уравнение регрессии в раскодированном виде:
=47,729-0,899t+0,0033-8,624+0,0045t2 0,000042+0,1423t+0,0003t+0,0122 (17) После подстановки соответствующих значений основных факторов, графически построим факторную зависимость изменения температуры зерна в экспериментальной зерносушилке (рис. 7).
Рисунок 7 – Факторная зависимость температуры нагрева зерна экспериментальной зерносушилкой Анализ графических зависимостей показывает, что температура прогрева зерна увеличивается с увеличением температуры и скорости агента сушки. Предельно возможные их значения составляют t = 100 0C, = 3 м/с, при этом максимальное время сушки при данных значениях при съеме влаги 6 % составляет = 600 с. Дальнейшее увеличение рассматриваемых факторов приведет к перегреву зерна и снижению его качеств.
В пятой главе разработана методика расчета и проектирования сушилок с псевдоожижением зернового слоя. Составлена расчетная схема, произведен тепловой и гидравлический расчёт экспериментальной зерносушилки, позволивший определить ее оптимальные геометрические параметры, подобрать вентилятор.
В шестой главе определены теплотехнические характеристики экспериментальной сушилки, приведены результаты производственной проверки предложенной технологии сушки зерна, разработаны рекомендации по эксплуатации сушилки.
Проведен расчет экономической эффективности предлагаемой технологии сушки в соответствии с ГОСТ Р 53056-2008 “Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки”.
В результате данного расчета установлено, что потребность в электроэнергии при сушке зерна с помощью разработанной сушилки с “кипящим слоем” на 20% ниже, чем при использовании традиционных конструкций в условиях мелкотоварного производства. Внедрение разработанной технологии вместо традиционной позволит получить годовой экономический эффект 30 тыс. рублей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 1. На основании анализа литературных и патентных источников конструкций зерносушилок считаем целесообразным в фермерских хозяйствах и научно-исследовательских институтах селекции применять сушку с псевдоожиженнием зернового материала способом рециркуляции с осциллирующим режимом, позволяющим за счет чередования циклов нагрева-охлаждения зерна предотвратить его перегрев и сохранить продовольственные и посевные качества. Перспективным направлением совершенствования сушилок с псевдоожиженным слоем считаем оптимизацию геометрических параметров газораспределительного устройства и сушильной камеры с учетом их влияния на качество псевдоожижения.
2. Разработана математическая модель структуры псевдоожиженного слоя, позволяющая объяснить природу возникновения колебаний слоя зерна и определить зависимость качества псевдоожижения от частоты и амплитуды этих колебаний. Данная модель доказывает возможность и целесообразность применения предложенного метода сушки и технического решения.
3. Выведена система уравнений, позволяющая определить влияние конструктивных параметров газораспределительного устройства (диаметром отверстий dОТВ., шагом отверстий S, отношением высоты слоя L к диаметру решета D (диаметру сушильной камеры)) на частоту и амплитуду А колебаний псевдоожиженного слоя зерна. Установлено, что качество (однородность) псевдоожижения слоя будет улучшаться с увеличением частоты и снижением амплитуды А колебаний.
4. Разработан метод определения однородности псевдоожижения, заключающийся в определении интенсивности излучения пучка света, пронизывающего зерновой слой. Высокой степени однородности соответствует индекс 7;
удовлетворительной – индекс от 7 до 15;
низкой, с нарастающим поршневым режимом – индекс от 15 до 32.
5. Разработана сушилка с псевдоожиженным зерновым слоем, которая позволяет:
– осуществить рециркуляцию зерна с чередованием циклов нагрева– охлаждения, что дает возможность подавать в сушильную камеру агент сушки с высокой температурой без риска перегрева и ухудшения качества зерна, обеспечивая тем самым увеличение скорости сушки;
– разделить холодный воздушный поток от нагретого и достигнуть критической скорости последнего, при которой плотный слой зерна в сушильной камере переходит в разрыхленное, псевдоожиженное состояние и достигает высоты большей, чем высота сушильной камеры.
– исключить образование застойных зон в кольцевом зазоре;
– сократить габариты, металлоемкость конструкции, а также энергоемкость за счет сокращения загрузочно-выгрузных операций, количества норий, вентиляторов и электродвигателей по сравнению с существующими сушильными агрегатами подобного типа.
– предложенная зерносушилка не требует подбора партий зерна по влажности и засоренности, благодаря контактному влагообмену в охладительной камере и многократной, скоростной циркуляции зерна происходит выравнивание его влажности и частичная очистка.
Установлены зависимости индекса однородности 6.
псевдоожиженного слоя зерна от диаметра d, шага h отверстий газораспределительного устройства, отношения высоты слоя к его диаметру L/D. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические предпосылки и позволили объективно установить значения основных факторов, влияющих на качество ожижения зернового материала: диаметр d = 2,5…3 мм, шаг h = 1,5…2 мм отверстий газораспределительного устройства, отношение высоты слоя к его диаметру L/D = 1,5, что способствует лучшему распределению воздушного потока в псевдоожиженном слое зерна, повышает его однородность.
7. Определены зависимости температуры нагрева зерна от времени сушки, температуры агента сушки t и скорости воздушного потока.
Экспериментальные исследования позволили установить рациональные значения основных факторов, позволяющие не перегреть зерно выше предельно допустимой температуры: температура агента сушки t = 100 0C, скорость воздушного потока = 2,6…3 м/с и максимальное время сушки при данных значениях при съеме влаги 6 % составляет = 600 с.
8. По разработанной методике произведен тепловой и гидравлический расчет зерносушилки псевдоожиженного слоя, позволяющей применять ее для проектирования производственных сушилок.
9. Проведённые испытания сушильной установки в ФГУП учхоз “Лавровский” Орловской области Орловского района показали возможность её использования в небольших хозяйствах производящих как первичную обработку, так и переработку зерна. Выявлено, что потребность в электроэнергии при сушке зерна с помощью разработанной сушилки с “псевдоожиженным слоем” на 20% ниже, чем при использовании традиционных конструкций в условиях мелкотоварного производства с производительностью сушилки 180...250 кг/час. Технико-экономическая оценка работы экспериментальной сушильной установки показала ее эффективность по сравнению с аналогичной по габаритам и области применения ромбической сушилкой. Внедрение разработанной технологии вместо традиционной позволяет получить годовой экономический эффект тыс. рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Волженцев, А.В. Оптимальные конструктивные параметры сушилок с псевдоожижением зернового материала [Текст] / А.В. Волженцев, Н.В. Калашникова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – №3. – С. 6-7. – ISSN 0206-572Х.
2. Пат. 2365840 Российская Федерация, МПК F26B 17/10.
Зерносушилка псевдоожиженного слоя [Текст] / Калашникова Н.В., Волженцев А.В. ;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОрелГАУ. – № 2008121053/06 ;
заявл. 26.05.08 ;
опубл. 27.08.09, Бюл. № 24 – 6 с. : ил.
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций 3. Волженцев, А.В. Сушка зерна в псевдоожиженном слое с применением электростатики [Текст] / А.В. Волженцев // Мат. науч.-практ.
конф. молодых ученых Орловского ГАУ. – Орел, 2002. – С. 28-31.
4. Волженцев, А.В. Интенсификация процесса сушки зерна повышенной влажности [Текст] / А.В. Волженцев // Механизация интенсивных технологий в АПК: Мат. междунар науч.-практ. конф., посвященной 30-летию ОрелГАУ. – Орел, 2006. – С. 190-193.
5. Волженцев, А.В. Совершенствование технологического процесса сушки зерна пшеницы с обоснованием параметров сушилки с псевдоожиженным слоем [Текст] / А.В. Волженцев, Н.В. Калашникова // Вестник ФГОУ ВПО ОрелГАУ. – 2009. – №1(16). – С. 44-45. – ISSN 1990 3618.
6. Волженцев, А.В. Теоретические исследования интенсификации сушки зерна в сушилках с псевдоожиженным зерновым слоем [Текст] / А.В.
Волженцев, Н.В. Калашникова // Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК: Материалы междунар. науч.-практ.
конф. Орловского ГАУ. – Орел, 2009. – С. 67-72.
7. Волженцев, А.В. Метод определения качества ожижения зерна в сушилках [Текст] / А.В. Волженцев, Н.В. Калашникова // Перспективы развития агропромышленного комплекса России: Материалы Всеросс. науч. практ. конф. МГАУ – Москва, 2008. – Часть 1. – С. 53-57. – ISВN 978-5 86785-239-9.
8. Волженцев, А.В. Зерносушилка псевдоожиженного слоя [Текст] / А.В. Волженцев, Н.В. Калашникова // Составляющие научно технического прогресса: Материалы 5-ой междунар. науч.-практ. конф. Тамбовского ГТУ.
– Тамбов, 2009. – С. 52-54. – ISSN 1997-9347.
9. Волженцев, А.В. Интенсификация сушки зерна в сушилках с кипящим зерновым слоем [Текст] / А.В. Волженцев, Н.В. Калашникова, // Составляющие научно технического прогресса: Материалы 5-ой междунар.
науч.-практ. конф. Тамбовского ГТУ. – Тамбов, 2009. – С. 94-96. – ISSN 1997-9347.
10. Волженцев, А.В. Энергосберегающая сушка зерна [Текст] / А.В.
Волженцев // Энергообеспечение и строительство: Сборник материалов III международной выставки-интернет-конференции. – Орел, 2009. – Часть 2 – С. 31-34.
Подписано в печать 13.05.2010г.
Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. 1,5. Заказ 229. Тираж 100 экз.
Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2010, Орел, Бульвар Победы,