Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ энергозатрат в процессе сушки сырья растительного происхождения
1.1. Анализ энергозатрат в процессах сушки растительного сырья естественными методами 11
1.2. Анализ энергозатрат в процессе сушки растительного сырья неэлектрическими методами 20
1.3. Анализ энергозатрат в процессе сушки растительного сырья электрическими методами 25
1 АВыводы, цель работы, задачи исследования 39
2. Обоснование выбора режимов инфракрасного облучения в процессах сушки отходов кедровых шишек
2.1. Биотехнические условия к нагреву сырья .; 41
2.2. Методика определения постоянной времени нагрева отходов кедровых шишек 44
2.3. Теоретическое обоснование выбора режимов инфракрасного облучения < 50
2.4. Методика и техника экспериментальных исследований 76
2.5. Результаты экспериментальных исследований 87
2.6. Выводы 102
3. Разработка и исследование инфракрасной электро техники для сушки отходов кедровых шишек 103
3.1. Общие принципы проектирования инфракрасной; техники ;
3.2. Разработка и исследование эффективных инфракрасных облучателей 105
3.3. Разработка и испытание систем управления инфракрасными облучателями в процессе сушки отходов кедровых шишек 1 116
3.4. Выводы 129
4. Применение результатов исследований и их технико-экономическая оценка
4.1. Применение результатов исследований в производстве 130
4.2. Экономическая эффективность применения установки с управляемым прерывным облучением 132
4.3. Выводы » 137
Заключение 138
Литература
- Анализ энергозатрат в процессе сушки растительного сырья неэлектрическими методами
- Теоретическое обоснование выбора режимов инфракрасного облучения
- Разработка и исследование эффективных инфракрасных облучателей
- Экономическая эффективность применения установки с управляемым прерывным облучением
Анализ энергозатрат в процессе сушки растительного сырья неэлектрическими методами
Объектом исследования являются методы управления прерывным инфракрасным облучением в технологии сушки отходов кедровых шишек.
Предметом исследования являются процессы сушки отходов кедровых шишек в установке вертикального типа способом частотно-прерывного инфракрасного облучения.
При выполнении работы применялись теоретические; и экспериментальные методы исследования, способствующие решению поставленных задач. Соответствие качества кедровой муки требованиям кормовым и витаминным добавкам определялись специальной лабораторией Иркутского научно-исследовательского института сельского хозяйства и лабораторией кафедры кормления сельскохозяйственных животных зооветеринарного факультета ИрГСХА по установленным требованиям в системе ГОСТ РФ. Научная новизна исследований, изложенная в диссертации, заключается в следующем: облучателя с по времени нагрева - впервые обоснованы режимы управления прерывным инфракрасным облучением в процессе сушки отходов кедровых шишек, позволяющие экономить энергию и повышать качество готового продукта по сравнению с другими способами сушки; - впервые определены терморадиационные характеристики чешуек кедровых шишек в инфракрасном диапазоне электромагнитного излучения, позволяющие максимально согласовывать энергию излучения; глощательной способностью отходов кедровых шишек; - усовершенствован метод определения постоянной чешуек кедровых шишек по их геометрическим и теплофизическим парамет рам; обеспечивающий - выбран закон регулирования по управлению прерывным облучением, учитывающий геометрические размеры чешуек кедровых шишек и их электрофизические характеристики; - предложен комплекс электротехнических средств, реализацию режимов управления частотно-прерывным инфракрасным облучением в процессе сушки отходов кедровых шишек.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана электротехнология и оборудование для управляемого частотно-прерывного инфракрасного облучения для сушки отходов кедровых шишек. Предложенный метод управления прерывным инфракрасным облучением позволяет уменьшить энергозатраты в 1,4 раза в процессе сушки отходов кедровых шишек, получать продукт с более высоким содержанием витаминов по сравнению с другими методами сушки. Разработанные электротехнические средства по управлению прерывным инфракрасным облучением, благодаря их совместимости с широко распространенными микропроцессорами и микро-ЭВМ являются основой создания систем автоматического анализа процессов сушки сельскохозяйственного и дико-растущего сырья и получения продукта с программно заданным составом питательных веществ.
Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ИрГСХА (1997-2002г.г.). В полном объеме работа докладывалась на конференции по проблемам электроснабжения сельского хозяйства и экономии электрической энергии при Иркутском областном управлении сельского хозяйства в 2000 году; на региональной научной конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» при ИрГТУ в 2000 и 2001 годах, а также на расширенном заседании кафедры «Электротехники и автоматизации сельского хозяйства» энергетического факультета ИрГСХА в 2002 году. Результаты исследований получили высокую оценку на выставках Иркутского международного выставочного центра «Сибэкспоцентр»: урожай 99; Урожай 2000; «Наука, образование, новые технологии» 2001; Урожай 2001 (дипломы 1-3 степени); Урожай 2002(диплом и золотая медаль).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на энергетическом факультете ИрГСХА и используются в курсах «Электротехнология» и «Электрооборудование для переработки сельскохо-зяйственного сырья».
По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ. Работа состоит из четырех глав, изложена на 190 страницах, включает 37 рисунков, 16 таблиц, список литературы из наименований и приложений на 23 страницах.
Теоретическое обоснование выбора режимов инфракрасного облучения
Однако, как следует из выражения (2.5), для определения постоянной времени нагрева продукта кроме обобщённого показателя д необходимо иметь данные по его удельной теплоёмкости, плотности и теплообмену. Все эти три физических параметра зависят в основном от влагосодержания в продукте. С увеличением влагосодержания в продукте увеличивается удельная теплоёмкость, плотность и коэффициент теплообмена продукта.
Теплоёмкость материала зависит от теплоёмкости сухого вещества и воды. Удельная теплоёмкость сухих веществ растительного сырья равна (0,733...1,5)Дж/кгС.
В связи с тем, что теплоёмкость воды (с=4,1868»103Дж/(кг»С)) намного выше теплоёмкости сухих веществ, теплоёмкость растительного сырья при сушке уменьшается.
Теплоёмкость влажных материалов: где Сс.в. и Сню - соответственно теплоёмкость сухих веществ материала и воды, Дж/(кг-С); WHD- соответственно влажность и влагосодержание материала, %.
Уравнение (2.6) указывает на линейный характер зависимости теплоёмкости от влажности и влагосодержания материала. При повышении температуры материала теплоёмкость увеличивается.
Теория подобия утверждает, что все физические процессы можно описать комбинацией определённых безразмерных величин (критериев), и указывает методы их нахождения. На основе теории подобия можно приближённо моделировать процессы, тепло и массообмена [126]. :
П.Д.Лебедевым [64] предложено универсальное уравнение для определения коэффициента конвективного теплообмена, пригодного для любого способа подвода тепла к материалу, охватывающему весь процесс сушки: NJJ=A-R KmQR Vca - скорость сушильного агента, м/с; v - коэффициент кинематической вязкости м2/с; Т К = —2- - видоизменённый критерий Гухмана, определяющий увели і чение коэффициента теплоотдачи за счёт турболизации воздушного потока паром, образующимся у поверхности материала, т.е. учитывающим влияние массообмена на теплообмен; Тс, - температура сушильного агента, К; Тм - температура мокрого термометра, К; Т Q = — - параметрический критерий, определяющий увеличение коэф с фициента теплоотдачи за счёт уменьшения толщины пограничного слоя с повышением температуры поверхности при радиационной сушке; Ти - температура излучателя, К; со к - параметрический критерий, учитывающий уменьшение коэффи со циента теплообмена с понижением влажности материала в период падающей скорости сушки; о)к - критическая влажность материала; Р — - критерии, учитывающий условия теплообмена и массообмена при вакуумной сушке материалов; Р - давление окружающей среды в камере, кПа; Рь - барометрическое давление, кПа. В сушилках для растительного сырья процесс сушки протекает при ат Р мосферном давлении. Тогда Р-Р5ш критерий — = 1. Р8 Из полученного значения NUy по формуле (2.7) определяют коэффициент теплообмена: N Л а = -У-; (2.8) Коэффициент теплообмена а. характеризует интенсивность подвода теплоты, что весьма важно для ускорения процесса сушки. Полученное значение коэффициента теплообмена относится кім2 поверхности материала - Вт см2 »С). Гораздо удобнее пользоваться объёмным коэффициентом теплообмена, отнесённого к 1 м объёма сушилки:
F
а0=а — ; (2.9)
где F- площадь материала, м2; V- объём сушилки, м3. Подставляя (29) в (28) получим
«„=« (2Л0)
eV
Для практических инженерных расчётов используются!кривые скорости и температуры сушки, получаемые экспериментально.
Для вычисления постоянной времени нагрева необходимо знать геометрические характеристики отходов кедровых шишек, объём и площадь внешней поверхности обрабатываемого материала. Отходы кедровых ши 49 шек - чешуйки относятся к «неудобным объектам» (т.е. объектам, имеющим неправильную геометрическую форму) [55]. Расчетные данные приведены в таблице 9.
Показатели геометрических характеристик изменяются в широких пределах. Это обусловлено тем, что отходы кедровых шишек - биологическое образование, на процесс формирования которого существенно влияет большое количество разнообразных факторов: климат года, возраст кедра, условия на местности и т.д.
Разработка и исследование эффективных инфракрасных облучателей
Для проведения экспериментальных исследований по применению электротехники для сушки кедрового ореха, отходов кедровых шишек, плодов некоторых видов лекарственных растений, сельскохозяйственных продуктов при помощи инфракрасного энергоподвода, по установившейся в лаборатории «Электротехнологии дикорастущих» традиции.; нами была использована методика поэтапного проведения эксперимента. \
Первый этап - проведение предварительных лабораторных исследований на специальных установках с целью изучения взаимодействия системы «продукт-излучатель» применительно к конкретному процессу, к конкретному решению и к конкретному источнику излучения. На этом этапе тщательно проверялись теоретические предпосылки, выдвинутые научной гипотезой. Эти исследования проводились до получения положительных результатов. Полученные результаты реализовались в технических условиях и проектах.
Второй этап - проведение экспериментальных исследований на действующих моделях лабораторного типа, т.е. на уменьшенных! натуральных образцах. Исследования энергоэкономичных режимов переработки сельскохозяйственных и дикорастущих продуктов проводились на этих установках, но уже в динамике, вносились необходимые коррективы и окончательные технические условия и служили исходными данными при разработке и изготовлении экспериментальных инфракрасных установок производственного типа.
Третий этап - проведение экспериментальных исследований в производственных условиях на специальных инфракрасных \ установках производственного типа. На этом этапе уточнялись оптимальные режимы процессов термообработки и наиболее энергосберегающие схемы управления инфракрасными облучателями. Определялись пути интенсификации технологических процессов путём использования различных схем объёмного об 77 лучения. Проверялись основные технико-экономические показатели различных вариантов энергоподвода.
Экспериментальные исследования по данной теме были начаты в 1997г. Типовой метод анализа содержания влаги в отходах кедровых шишек до и после переработки заключается в высушивании навески в сушильном шкафу или в инфракрасном влагомере при температуре 105С. Для этого из массы отбирались сырые пробы (не менее 3), которые помещались в алюминиевые бюксы.
Перед отбором проб бюксы тщательно очищались от пыли, прокаливались, охлаждались и взвешивались. Взвешивание проводилось на аналитических весах типа АДВ-200М. Влажность пробы определялась по следующей формуле:
Для исследования энергоэкономичных режимов термообработки и эффективных инфракрасных облучателей в 1993 году была разработана и изготовлена экспериментальная модель инфракрасной установки горизонтального типа. Конструктивная схема установки приведена на (рис.11). Установка состоит из трёх камер для размещения инфракрасных облучателей, трёх вентиляционных систем, электропривода кассет, двух загрузочно-разгрузочных столов с дублированными пультами управления \ и контрольно-измерительными приборами. Каркасы установки и инфракрасных облучателей изготовлены из стального профиля при помощи сварки; Такое конструк 78
тивное решение позволяет очень быстро производить замену инфракрасных облучателей и регулировать расположение их по высоте относительно обрабатываемого материала.
С целью реализации и проверки основных теоретических предположений по повышению энергоэкономичности сушки продуктов растительного происхождения путём применения повторно-кратковременного режима инфракрасного облучения в производственных условиях была разработана, изготовлена и исследована производственно-экспериментальная инфракрасная установка вертикального типа. Конструктивно-технологическая схема и общий вид установки приведены на (рис.12). Её каркас изготовлен из уголковой стали, обшивка выполнена из листовой стали с применением современных теплоизоляционных материалов. В нижней части установки расположен центробежный вентилятор ЦЧ-70д. Аппаратура и пульт управления смонтированы в отдельном отсеке. В квадратной камере термообработки установки размещены инфракрасные излучатели. Максимальная мощность всех излучателей - 30 кВт. Максимальная производительность по удалению влаги - 30 кг/ч. В промежутке между двумя плоскими излучателями можно размещать от одной до пяти кассет с сырьём, а в камере от трёх до пятнадцати кассет. Методика определения толщины слоя сырья в кассете и послойного перемешивания кассеты с сырьем в зависимости от начальной влажности изложена в трудах В.Н.Карпова с позиции закона Бугера. [49].
Экономическая эффективность применения установки с управляемым прерывным облучением
Эффективное управление быстропротекающими процессами сушки невозможно без применения автоматического управления и регулирования.
Автоматизация управления повышает к.п.д. сушильной установки, увеличивает производительность, улучшает качество сушки, повышает надёжность работы установки, облегчает условия труда.
На основании этих принципов осуществлялась разработка систем управления различными сушильными установками. В 1993 году была разработана и изготовлена экспериментальная модель ИК установки горизонтального типа. и напряжения,
Управление инфракрасными облучателями и электродвигателями вентиляторов осуществлялась при помощи нереверсивных магнитных пускателей. Управление электродвигателем привода цепочного транспортера осуществлялось при помощи реверсивного магнитного пускателя. С целью регулирования плотности мощности инфракрасных излучателей при различных режимах облучения сырья управление тиристорами осуществляется от регулятора напряжения с устройством вертикального управления. Оно заключается в том, что на выходе генератора импульсов производится сравнение постоянного напряжения изменяющегося по величине [64]. В момент равенства этих напряжений генерируется импульс управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синусоидальную, треугольную или пилообразную форму. Изменения момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг фазы, может производиться тремя различными способами: изменением скорости нарастания переменного напряжения, изменением его начального уровня и изменением величины постоянного напряжения [22].
На (рис.30) показана структурная схема устройства, реализующая вертикальный метод управления тиристорами. Как и любое другое устройство фазоимпульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства (ФСУ) и генератора импульсов (ГИ). Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство (ВУ), воспринимающее напряжение управление Vy, генератор переменного (по величине) напряжения (ГПН) и сравнивающее устройство (СУ). В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.
На (рис.31) приведена принципиальная схема устройства управления тиристором VS5, включенным последовательно с мостовым выпрямителем VDI-VD4. Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором VTI, триггера Шлистта VT2, УТЗ и выходного ключевого усилителя VT4. Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора TV1, транзистор VT1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R2 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2 см, рис.32). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе VT3 меньше, чем напряжение на стабилитроне VD10, поэтому транзистор VT4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С І достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор VT2 открывается, a VT3 закрывается. Транзистор VT4 при этом открывается и на резисторе R 10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор VS5. В конце каждого полупериода напряжение цепи транзистора VT1 возрастает и он открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через ноль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется. Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменить ток заряда конденсатора С1, т.е. скорость нарастания на нём, а значит и момент появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов. [Следующим этапом в разработке сушильных установок и систем управления ими стала разработанная и изготовленная в лаборатории «Электротехнологии дикорастущих» установка вертикального типа.
