Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии и оборудованш для переработки сосновых шишек с целью извлечение семян 8
1.1. Современные технологические способы и режимы сушки сосновых шишек 8
1.2. Классификация шишкосутаилок конвективного действия 13
1.3. Сушка сосновых шишек на сушилках ярусного типа 20
1.4. Цель и задачи исследований 23
2. Механизм сушйи и раскрыла сосновых шишек 25
2.1. Характеристика сосновых шишек, семян как объектов сушки 25
2.1.1. Характеристика сосновых шишек 25
2.1.2. Характеристика семян сосны.
2.2. Механизм и основные закономерности процесса сушки сосновых шишек 34
2.3. Раскрытие сосновых шишек в процессе их сушки. 43
3. Математическое моделирование режимов сушки сосновых шишек 51
3.1. Режимы сушки сосновых шишек как объект оптимизации 51
3.2. Выбор математической модели и Факторов варьирования режимов сушки сосновых шишек 53
3.3. Методика проведения эксперимента по моделированию режимов сушки сосновых шишек 59
3.4. Построение математических моделей и определение оптимальных режимов сушки сосновых шишек - з «
3.5. Влияние отдельных Факторов режимов сушки на всхожесть и выход семян сосны 69
3.6. Исследования по выбору оптимальных режимов.сушки сосновых шишек с различной начальной влажностью 70
4. Экспериментальные исояедованш процесса раскрйгш и обоснование способа окончания сушки сосновых шишек .
4.1. Выбор характерного параметра способа определения окончания процесса сушки сосновых шишек 78
4.2. Выбор модели процесса раскрытия сосновых шишек, Факторов и уровней их варьирования 80
4.3. Методика проведения эксперимента при изучении процесса раскрытия сосновых шишек 87
4.4. Построение.уравнений регрессии, описывающих раскрытие 92
4.5. Исследование влияния отдельных Факторов процесса раскрытия сосновых шишек на выходной параметр 95
4.6. Взаимосвязь процесса раскрытия и кинетики сушки сосновых шишек 106
5. Шишкосушилка как объект контроля и регулирования тех нических параметров процесса сушки сосновых шишек
5.1. Основные требования к системам контроля и регулирования пррцесса сушки сосновых шишек
5.2. Анализ систем контроля и регулирования процесса сушки сосновых шишек 116
5.3. Экспериментальные исследования динамических характеристик стеллажной шишкосушилки 124
5.4. Синтез оптимальной по быстродействию системы управления процессом сушки сосновых шишек 134
6. Промышленные эксперименты по исследованию процесса сушки сосновых шишек на ярусной сушильной установке
6.1. Задачи экспериментальных исследований процесса сушки сосновых шишек на ярусной шишкосушилке 144
6.2. Промышленная сушильная установка, приборы и аппаратура для проведения экспериментальных исследований 144
6.3. Методика проведенш промышленных экспериментов 151
6.4. Результаты экспериментов. Выбор оптимального режима сушки сосновых шишек 157
6.5. Промышленные эксперименты по сушке сосновых шишек с различной начальной влажностью 164
6.6. Рекомендации производству по проведению процес са сушки сосновых шишек на промышленной трехстеллажиой установке 169
7. Экономическая эффективность внедренш оптимальных режимов сушки, поддерживаемых системой контроля и. Регулированы параметров технологического процесса 173
8. Выводы и рекомендации. 178
Литература
- Классификация шишкосутаилок конвективного действия
- Механизм и основные закономерности процесса сушки сосновых шишек
- Построение математических моделей и определение оптимальных режимов сушки сосновых шишек
- Построение.уравнений регрессии, описывающих раскрытие
Классификация шишкосутаилок конвективного действия
Теплопроводность семян сосны близка к теплопроводности дерева (0,1116-0,465 Вт/м . град). Она увеличивается с повыше нием влажности семян, так как теплопроводность воды (0,582 Вт/ м . град) больше, чем сухого вещества семени.
Термоустойчивость семян зависит от его строения, химического состава, влажности и продолжительности теплового воздей . ствия. Наиболее чувствительны к температуре белки, наименее -растительные жиры. Термоустойчивостью определяется максимально допустимая температура нагрева семян. Чем выше влажность семян и больше их выдержка в нагретом состоянии, тем ниже допустимая температура нагрева семян. При чрезмерном нагревании семян происходит денатурация (необратимое свертывание) белков, гибель семени сосны как живого организма.
Для получения семян в нашей стране создаются участки и плантации. Однако, только этим проблемы семян не решить, так как качество их во многом зависит от режимов переработки лесо« семенного сырья и хранения семян /102/.
При сборе лесосеменного сырья семена находятся в состоянии покоя; все процессы жизнедеятельности в них замедлены. Это да-ет возможность хорошо сохранять посевные качества семян до их посева в грунт. Однако, это можно достичь лишь в том случае, если при сборе и переработке шишек, хранении семян не допускать воздействия на семена разного рода источников энергии, неблагоприятных Факторов, вызывающих выведение биологической системы семени из равновесного состояния и переход её в возбужденное состояние. Семена, находящиеся в покое, могут быть выведены из равновесного состояния и переведены в возбужденное состояние при повышении влажности семян, воздействии на них повышенными -температурами, световой энергией и т.п.
Чрезмерно высокая температура окружающей среды вызывает перестройку молекулярной структуры запасного питательного вещества, приводит к ее уплотнению и нарушению обмена веществ, затрудняет работу Ферментов при предпосевной подготовке семян, ослабляет рост зародыша и снижает энергию прорастания. Это подтверждается работами Е.П.Заборовского, который установил, что средняя продолжительность прорастания семян хвойных пород возрастает с повышением температуры нагревания. Кроме того, высокую температуру лучше переносят сухие семена, чем влажные. Так, семена со всхожестью 95 %, пролежавшие 23 часа в сухом воздухе при температуре 80С имели впоследствии всхожесть 80$. Те же семена, но во влажном воздухе при температуре 70 80С полностью теряют способность к прорастанию /42,43/. Значит на качество семян сосны оказывает большое влияние их начальная влажность и влажность сушильного агента, но в большей степени температура среды.
В настоящее время сушка сосновых шишек осуществляется конвективным способом. Основными ее признаками, характеризующими условия процесса, являются уровни параметров сушильного агента, толщина слоя шишек и его состояние. На ярусных сушилках шишки сушатся в плотном неподвижном слое различной толщины.
По уровню температуры воздуха сушка сосновых шишек относится к низкотемпературным процессам, протекающим при температуре 55-65с.
Низкотемпературная сушка шишек подобна процессу сушки древесины и проходит следующим образом /105,106/. Когда влажные шишки помещают в газообразную среду, способную испарять влагу, влажность их поверхностного слоя понижается и в слое возникает градиент влажности. Это в свою очередь вызывает перемещение влаги из внутренних (центральных) слоев шишек на поверхностные и постепенное падение влажности по всему их объему. Слои шишек, с поверхностей которых испаряется влага, имеют пониженную по сравнению с окружающей средой температуру. Поэтому одновременно с началом сушки начинается теплообмен между средой и шишками, обеспечивающий передачу им тепла, необходимого для испарения влаги.
Процесс переноса влаги из внутренних слоев на поверхностные, сопровождающийся испарением влаги и теплообменом на границе системы шишки - среда, продолжается до тех пор, пока влажность по всему объему слоя шишек не достигнет устойчивой влажности, а температура их - температуры среды.
Длительность и характер низкотемпературного процесса сушки сосновых шишек определяется в основном двумя явлениями - влаго-проводностью, то есть перемещением влаги в шишках под действием градиента влажности, и влагообменом, то есть испарением влаги с их поверхности.
Сушка сосновых шишек описывается кривыми сушки, которые являются графическими зависимостями между влагосодержанием материала и временем сушки и отражают кинетику процесса. Из параметров сушильного агента на процесс сушки шишек в плотном слое значительное влияние оказывает температура воздуха.
Механизм и основные закономерности процесса сушки сосновых шишек
Для описания режимов сушки сосновых шишек с помощью многофакторного эксперимента применим план второго порядка. Модель задавалась в виде полинома второй степени, так как влияние отдельных факторов сложного процесса сушки сосновых шишек нам заранее неизвестно.
Кроме того, было наложено жесткое ограничение на число проводимых опытов. Это обуславливалось минимальным количеством исходного лесосеменного сырья - сосновых шишек.
Одним из планов второго порядка для шести факторов, удовлетворяющих указанным требованиям, является план Хартли-На. Использование плана Хартли оказывается эффективным для шести факторов, так как он требует наименьших затрат на реализацию эксперимента, обеспечивает относительную простоту вычисления коэффициентов модели, ее статистического анализа, при удовлетворительных характеристиках. /59/.
Планы Хартли в качестве ядра имеют планы ДФЭ (типа 2 при m =5 и 2 при ш 5), к которым добавляются звездные точки со звездным плечом а=1 и точка в центре области планирования. /93/. Общее число точек в плане Hag К«аП- +гт + і = 29 (3.7) Реализация этого плана позволяет найти функцию в виде ап-проксирующего полинома общего вида (3.2), представляющего собой уравнение поверхности отклика с числом членов К+1=2т+ "( - + і К-И -б-ь !- +1=29 (3-8 Результаты эксперимента по выбору оптимальных режимов сушки сосновых шишек получены путем усреднений выходных параметров по двум параллельным опытам в каждой точке плана. При прове дении опытов выполнялось условие их рондомизации. Матрица плана Хартли для шести факторов представлена в таблице П.3.1. Приложения I.
Для исследований по моделированию и определению оптимальных режимов сушки использовались сосновые шишки, собранные в бору травяно-мшистом учебно-опытного лесхоза Воронежского лесотехнического института в декабре 1978 года. Индекс типа леса - А, состав - І0С+Б, бонитет П-Ш. Подрост - средней густоты из z сосны, благонадежный. Подлесок - редкий из ракитника, дрока, крушины ломкой, рябины, березы бородавчатой. Начальная влажность сосновых шишек в лабораторных экспериментах составляла 28-31 %. Шишки отбирались зрелые, без явных признаков повреждения.
Сушка шишек производилась в лабораторной климатической камере типа ТВК. Основными ее элементами являлись - камера сушки I, вентилятор 2, нагревательные элементы 3, стеллаж 4, увлажнительное устройство 5, "сухой" термометр б, "влажный" термометр 7, сосуд с водой 8, лампа накаливания 9, блок реле 10. Схема Физического моделирования режимов сушки сосновых шишек в камере ТВК изображена на рис.3.2.
Перед началом каждого опыта в камере сушки (рис.3.3) создавался режим, согласно матрицы планирования эксперимента по плану Хартли для шести Факторов (Таблица П.3.1 Приложения I).
Необходимая температура воздуха при подсушке или сушке устанавливалась по "сухому" термометру 6.
Измерение и поддержание относительной влажности воздуха осуществлялось по психрометрическому методу. Для определения влажности этим методом определяли температуру "влажного" термометра 7, психрометрическую разность, равную -с \ Зная эти величины, по психрометрической таблице /107/ находили значение необходимой относительной влажности. Для контроля температуры "влажного" термометра служил второй ("влажный") термометр 7 , активная часть которого была обтянута хлопчато-бумажной тканью, смачиваемой водой из сосуда 8.
В качестве приборов для измерения температуры и относительной влажности воздуха использовались контактные термометры типа ТПК, с пределом измерения Ю0С, ценой деления 1С.
При регулировании температуры воздуха в камере сушки ТВК контактный термометр б отключал с помощью реле нагревательные элементы 3 при достижении заданной температуры, а при регулировании относительной влажности контактный термометр 7 с помощью соответствующих ему реле управлял работой увлажнительного устройства 5.
Для создания циркуляции воздушных потоков в камере сушки был вмонтирован вентилятор 2, который устанавливался в верхней ее части. Вентилятор работал с постоянной производительностью равной 13 м3/мин, во время всех опытов.
После установки заданного режима сушки сосновые шишки массой 2 кг помещались на решетчатый стеллаж, покрытый марлевой тканью. Марлевое покрытие предохраняло вылет выпавших из шишек во время сушки семян с крылатками на пол камеры ТВК. Решетчатый стеллаж располагался в центральной части камеры сушки. Навески шишек взвешивались на технических весах типа ВНЦ, с точностью до I г. Партия сосновых шишек, исходя из условий эксперимента, су шилась в 2 последовательные стадии. Сначала при режиме, который определялся Факторами то есть температурой, от носительной влажностью воздуха, временем при подсушке, а затем при режиме, характеризующимся Факторами (тем пературой, относительной влажностью, временем сушки шишек).
Построение математических моделей и определение оптимальных режимов сушки сосновых шишек
Влияние массы партии Исходя из отрицательного коэффициента при факторе X-j , с уменьшением массы партии шишек значение отношения объемов увеличивается. Влияние фактора х3 на выходной параметр У$ , отражено на графиках рис. 4,5. При сушке мелких шишек массой 300 г, 400 г, 500 г через 4 часа выходной параметр имел соответственно значения: 2,375; 2,108; 1,825, Такое, явление мож-но объяснить сцеплением раскрывающихся в процессе сушки сосновых шишек. При сушке шишек на промышленной стеллажной шишко сушилке, где происходит последовательное перебрасывание шишек со стеллажа на стеллаж, то есть их механическое ворошение, масса партии практически не будет оказывать влияние на выходной показатель У{ =-— VK
Особенно важно выяснить процесс раскрытия средних по размеру шишек. С этой целью строились и изучались одномерные сечения поверхности отклика по уравнению регрессии (4.21).
Методика этих исследований аналогична описанной выше в главе 3 при выяснении влияния отдельных факторов на выходные параметры режимов сушки сосновых шишек. Результаты проведенного анализа отражены на графиках 4,6 и в таблице 4.4. Из них видно, что с увеличением времени сушки показатель раскрытия у - р- увеличивается, а с увеличением массы партии шишек он уменьшается, причем значения показателя раскрытия при фиксации других факторов на оптимальном уровне больше, чем при их фиксации на нулевом уровне.
Исследования раскрытия средних по размеру шишек еще раз подтверждают правильность полученного уравнения регрессии
Во время эксперимента, целью которого было изучение процесса раскрытия сосновых шишек путем построения и анализа его математической модели, одновременно собирались данные, характерные для пассивного эксперимента. Так, значения выходного параметра У определялись не только в моменты времени, которые соответствовали трем уровням фактора, то есть в 3,4 часа, 5 часов, но и через каждые 15 минут сушки сосновых шишек. Это позволило более детально изучить процесс раскрытия шишек во времени в зависимости от конкретных условий сушки. Кривые изменения показателя раскрытия шишек У во времени были построены для всех 14 опытов. При анализе кривых У г = f (Л) было сделано предположение о том, что можно подобрать для них относительно простую аппроксимирующую функцию, которая с достаточной для практических целей точ А ностью описывала процесс. Наилучшее совпадение экспериментальных данных с расчетными было получено, когда процесс раскрытия сосновых шишек описывался дифференциальным уравнением вида: т to t) +у(і)=Х -«С0) (4.23) Решая его, получим выражение: где: \ - время, мин.; «С0 время запаздывания, мин.; Т - постоянная времени, мин,; К - коэффициент усиления; J(lo)- единичная функция 3li-«CD) = 0 при 0 \ 0 Ш- 0) = I при t ТГо чія кривых, описывающихся выражением вида (4.23), разработаны различные графические и графоаналитические методы обработки /15/. Эти же методы были использованы при обработке зависимостей Vf = f(t) процесса раскрытия сосновых шишек.
Рассмотрим конкретный пример. При сушке средних по размеру шишек массой партии 400 г получена кривая зависимости показателя раскрытия У от времени, которая изображена на рис. 4.7.
Определим коэффициенты и время запаздывания процесса раскрытия, используя графоаналитический метод.
Коэффициент К равен максимальному приращению у во времени. Из графика рис. 4,7. коэффициент К = 0,96. Последовательность определения «С0,Т следующая. По кривой yf=f [\) находили время Ъц. при ц = 0,33 К и i7
Построение.уравнений регрессии, описывающих раскрытие
Ввиду ограниченного количества перерабатываемых шишек повторность опытов п равнялась двум ( п =2). Чтобы исключить влияние систематических ошибок, вызванных внешними условиями, опыты рандомизировались.
Остальные задачи, позволяющие выявить технологические особенности процесса сушки сосновых шишек, решались в ходе проведения многоФакторного эксперимента. Проведение экспериментальных исследований Выполнение промышленных исследований по сушке сосновых шишек начиналось с подготовки аппаратуры, необходимой для опытов. Приборы контроля и регулирования параметров режима сушки подключались к щитам управления, производилась необходимая настройка, проверка правильности их показаний, наличия диаграмм, чернил и т.п.
Затем приступали к осуществлению эксперимента.
Первоначально, загружались шишками, массой 180 кг или 360 кг, три стеллажа камеры сушки и осуществлялась их подсушка при температуре 35-40С в течение 4 часов. Затем с помощью задатчика прибора КСМЗ-ПИ (поз.1 рис. 6.5) устанавливалась температура сушки согласно матрицы планирования (табл. П.6.1. Приложение 23) и шишки сушились еще 20 часов.
Во время последующей работы сушильной установки шишки находились на одном стеллаже 7-8 часов, а общий цикл сушки составлял 21-24 часа. Шишки сушились до полного их раскрытия.
При подсушке и сушке сосновых шишек одновременно проводились измерения следующих параметров: - температуры воздуха, слоя сосновых шишек на верхнем стеллаже камеры; - влажности воздуха на верхнем стеллаже. Через каждый час после начала сушки производился отбор семян с крылатками в бункере камеры сушки. Очищенные и взвешенные семена после эксперимента отправлялись на зональную лесосеменную станцию п. Сомово г.Воронежа для определения их всхожести. По окончании процесса сушки выполнялась перегрузка шишек на нижние стеллажи и бункер камеры. Раскрывшиеся сосновые шишки из бункера небольшими партиями направлялись в отбивоч-ннй барабан, где происходило отделение их от семян с крылатками, а отработанные сухие шишки с помощью транспортера удалялись из сушильного помещения. На верхний стеллаж загружались со склада свежие шишки.
После загрузки и выгрузки, измерялись объемы, занимаемые соответственно свежими и сухими шишками, для определения значений показателя окончания процесса сушки С Уі " у ).
Эксперименты проводились при одновременной загрузке всех стеллажей камеры сушки по 180 или 360 кг шишек на стеллаж. Максимальной была загрузка камеры сушки массой партии 360 кг шишек на стеллаж. Единичным считался опыт, при котором партия сосновых шишек последовательно проходила сушку с верхнего стеллажа до нижнего. При этом температура воздуха на входе в камеру и масса, загружаемой на стеллаж партии шишек устанавливалась по матрице планирования. Промежуточные стеллажи загружались шишками с той же массой партии. Для всех опытов подсушка шишек, происходящая в камере на верхнем стеллаже, проводилась в течении одинакового промежутка времени.
Все измеряемые в процессе сушки величины, а именно: тем 157 пература воздуха и слоя шишек, влажность воздуха на верхнем стеллаже; объемы, занимаемые свежими и сухими шишками и т. д#, регистрировались в специальных протоколах наблюдений.
Определение оптимального режима сушки сосновых шишек невозможно без предварительного изучения технологических особенностей процесса подсушки, происходящего на верхнем стеллаже исследуемой шишкосушилки, так как именно подсушка главным образом влияет на качество получаемых семян. Результаты исследований процесса подсушки на промышленной сушильной установке приведены в таблице 6.2. Таблица 6.2
При изучении температурного режима в камере сушки было установлено, что в ней наблюдается перепад температур воздуха, который не всегда достаточен для проведения оптимальной подсушки шишек на верхнем ее стеллаже.
Небольшой перепад температурпо стеллажам возникает при загрузке маленьких партий шишек, что обеспечивает создание неблагоприятного теплового режима в камере сушки. Поэтому на верхнем стеллаже достигаются высокие температуры воздуха -свыше 40С, а это может привести к ухудшению качества получаемых семян. С увеличением загружаемой массы партии шишек условия, при которых осуществляется подсушка, улучшаются за счет понижения температуры воздуха. Если при загрузках 180 кг шишек на стеллаж температура воздуха через 2 часа подсушки равнялась 42С, то для загрузок в 360 кг шишек на стеллаж -38С. Кривые изменения температуры воздуха на верхнем стеллаже при различной загрузке стеллажей и температуре сушки 55С показаны на рис. 6.6 а.
Аналогичным образом влияет загружаемая масса партии на нагрев слоя шишек, находящегося на верхнем стеллаже камеры. При загрузке 180 кг на стеллаж наблюдается прогрев слоя до температуры 51С, при партиях в 360 кг - до температуры 48С (рис. 6.6 б).
Кроме того, анализ графиков рис. 6.6 позволяет отметить тот Факт, что температура слоя шишек выше температуры окружающего воздуха и для партии массой 360 кг на стеллаж через 2 часа подсушки соответственно составляет: Тсл = 45С и Тв = 38С.
