Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния теории и практики шелушения зерновых культур. Задачи исследования 13
1.1 Основные сведения о физико-механических свойствах зерна 13
1.2 Технологические свойства зерна, влияющие на процесс шелушения ... 18
1.3 Влияние гидротермической обработки (ГТО) зерна крупяных культур на процесс шелушения 21
1 .4. Классификация методов шелушения зерновых культур 24
1.5. Обзор технологического оборудования для шелушения зерновых культур 30
1.5.1. Шелушение зерна сжатием и сдвигом 30
1.5.2. Шелушение зерна однократным и многократным ударом 35
1.5.3. Шелушение зерна постепенным снятием оболочек в результате их интенсивного истирания 37
1.6. Оценка технологической эффективности шелушения 41
1.7. Краткие выводы, цели и последовательность исследований 45
Глава 2. Экспериментальные установки и методология исследований. Исследование физико-механических свойств исходного сырья 49
2.1. Описание экспериментальных установок, используемых в исследованиях 49
2.1.1. Установка для определения прочностных характеристик зерна 49
2.1.2. Установка для определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения зерна 51
2.1.3. Экспериментальная модель абразивного шелушителя с горизонтальным расположением ротора для зерновых культур 54
2.2. Методология экспериментальных исследований 57
2.2.1. Методика определения среднего усилия разрушения частиц зерна при сжатии 57
2.2.2. Методика определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения зерна 59
2.2.3. Определение числа повторностей проводимых экспериментов и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 59
2.2.4. Методика определения коэффициента шелушения зерна 62
2.2.5. Методика определения производительности шелушителя 63
2.2.6. Методика определения энергозатрат 63
2.2.7. Стандартные методики 64
2.3. Характеристики ячменя, используемого в качестве сырья при проведении экспериментов 65
2.3.1. Определение прочностных характеристик исходного ячменя 65
2.3.2. Определение коэффициента трения ячменя по абразивной поверхности 68
2.4. Выводы по главе 72
Глава 3. Аналитические исследования и разработка математических моделей рабочих процессов в шелушителе с горизонтальным расположением ротора 74
3.1. Математическое моделирование рабочих процессов в шелушителе с горизонтальным абразивным ротором 74
3.2. Анализ результате в математического моделирования 80
3.3. Компьютероное моделирование и исследование кинетики зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя и использованием САЕ (Computer Aided Engineering) — системы COSMOSFloWorks... 82
3.3.1. Анализ влияния дополнительных конструктивных элементов на кинетику зерновой смеси 85
3.3.2. Анализ поля скоростей и давления в рабочей зоне шелушителя при различных технологических параметрах 88
Глава 4. Экспериментальные исследования по определению влияния конструктивных параметров шелушителя на качественные показатели его работы 93
4.1. Исследование влияния крупности зерна абразивных кругов и производительности шелушителя на эффективность шелушения ячменя.. 93
4.2. Исследование и оптимизация эффективности процесса шелушения ячменя по длине рабочей зоны шелушителя 97
4.3. Исследование влияния длительности обработки ячменя на коэффициент шелушения 102
4.4. Исследование влияния количества пропусков зерна через шелушитель на эффективность шелушения 104
4.5. Изучение влияния дополнительных элементов, вносимых в конструкцию шелушителя, на эффективность шелушения ячменя и производительность шелушителя. 106
4.5.1. Влияние гонков на эффективность работы шелушителя 107
4.5.2. Влияние элементов, возвращающих поток зерна в рабочую зону шелушителя на эффективность шелушения 110
4.5.3. Влияние элементов, задерживающих зерновой поток в рабочей зоне шелушителя на эффективность шелушения ячменя 113
4.6. Исследование влияния частоты вращения ротора и производительности на эффективность работы шелушителя 116
4.7. Исследование влияния влажности ячменя и производительности на эффективность работы шелушителя 121
4.8. Определение удельного расхода электроэнергии на процесс шелушения ячменя 125
Глава 5. Оптимизация конструктивных параметров малогабаритного шелушителя и практическое внедрение результатов исследований 131
5.1. Постановка задачи оптимизации конструктивных параметров малогабаритного шелушителя абразивного типа 131
5.2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для решения задачи поиска оптимальных параметров работы шелушителя 133
5.3. Пример решения задачи оптимизации 136
5.4. Производственные испытания малогабаритного шелушителя горизонтального типа 137
Заключение и общие выводы 139
Библиографический список 143
Приложения 159
- Технологические свойства зерна, влияющие на процесс шелушения
- Методология экспериментальных исследований
- Анализ результате в математического моделирования
- Исследование и оптимизация эффективности процесса шелушения ячменя по длине рабочей зоны шелушителя
Введение к работе
В современных рыночных условиях в России предприятиям всех отраслей, включая комбикормовую, необходимо искать пути для выпуска конкурентоспособной , продукции - высокого качества с низкой себестоимостью. В настоящий момент сложилась такая ситуация, что в результате удорожания всех факторов производства комбикормов, а также значительного повышения транспортных тарифов, многие хозяйства, как крупные, так и тем более мелкие — фермерские или частные, просто не в состоянии приобрести качественные корма у комбикормовых заводов.
Как известно, одним из основных показателей качества комбикормов для птицы является обменная энергия. Для кукурузы этот показатель равен 328-330 ккал на 1 кг, а для ячменя - 305 ккал. Ограничением для использования ячменя служит значительное содержание клетчатки. Это не позволяет вводить в комбикорма не шелушенный ячмень в количестве, достаточном для того, чтобы выдержать показатель по обменной энергии.
Шелушение ячменя, то есть отделение лузги (пленчатость ячменя варьирует в пределах от 8 до 15 %), приводит к снижению содержания клетчатки до 2,2 %, т.е. в 2,5 раза, что позволяет увеличить количество вводимого в комбикорма ячменя. Это способствует резкому снижению потребности в кукурузе при сохранении требуемой обменной энергии. Более того, общее содержание сырой клетчатки в комбикормах для птицы с шелушенным ячменем меньше, чем в комбикормах с кукурузой.
В этой связи особо остро стоит вопрос о создании малогабаритных, не требующих сложного монтажа и обслуживания машин для шелушения зерна таких культур, как ячмень, которые можно использовать непосредственно в малых хозяйствах, как отдельно, так и в линии по производству комбикормов.
Шелушенный ячмень с успехом заменяет дефицитную кукурузу в комбикормах без ущерба для их качества комбикормов, что значительно снижает себестоимость продукции. Кроме того, излишки ячменя можно реализовывать на сторону для получения дополнительной прибыли.
В настоящий момент, на крупозаводах с целью повышения выравненное партий зерна перед шелушением производят отбор мелкой фракции и сортировку партий на несколько фракций. Практически на всех предприятиях мукомольно-крупяной и комбикормовой промышленности зерно перед шелушением подвергается гидротермической обработке. Все это требует установки дополнительного сложного оборудования, что сильно ограничивает применения данных технологии шелушения в малых хозяйствах.
На сегодняшнем этапе развития экономической ситуации в сельском хозяйстве особый интерес вызывает создание высокоэффективной малогабаритной техники и технологии для небольших хозяйств, не требующей значительных энергетических и эксплуатационных затрат. Очевидно, что оборудование крупозавода или комбикормового завода не может быть использовано в качестве типового оборудования для фермерского или частного хозяйства.
Актуальность работы. Шелушение зернового сырья при производстве комбикормов для молодняка скота и птицы является одной из важнейшей технологической операцией, в значительной мере определяющей качество готовой продукции. Степень шелушения зерновых компонентов комбикормов существенно влияет на их качество и усвояемость. В настоящее время имеется целый ряд технологических машин для шелушения зерновых культур. Однако все эти машины имеют достаточно сложную конструкцию, значительные габариты и большой удельный расход энергии на процесс шелушения, что не позволяет их использовать в мелких фермерских и частных хозяйствах.
Целю исследований является повышение эффективности процесса шелушения ячменя в условиях малого хозяйства путем совершенствования и оптимизации конструктивно-технологических параметров шелушителя горизонтального типа.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Изучить технологические свойства зерна, влияющие на эффективность шелушения;
Разработать математические модели рабочих процессов для малогабаритного шелушителя с горизонтальным ротором;
Создать экспериментальную установку на базе малогабаритного шелушителя для проведения натурных экспериментов;
Создать математические модели процесса шелушения зерна;
Провести экспериментальную проверку математических моделей и аналитических исследований шелушителя;
Сформулировать целевую функцию оптимальности процесса шелушения, поставить и решить задачу оптимальности процесса шелушения;
Разработать алгоритм расчета оптимальных параметров работы малогабаритного шелушителя, создать программу для расчета шелушителя на ПК;
Усовершенствовать конструкцию шелушителя и провести промышленную апробацию результатов исследований.
Методы исследования. В работе использованы методы математического и натурного моделирования, метод нелинейного программирования, методы математической статистики. Математическая обработка результатов исследований, а также решение задачи оптимизации процесса шелушения проводились на ПК с использованием программы компьютерной математики MathCAD. При геометрическом моделировании шелушителя использовалась CAD — система SolidWorks, а для гидродинамического анализа - система COSMOSFloWorks.
Научная новизна исследований заключается в следующем: - в результате аналитических исследований получена и экспериментально проверена математическая модель рабочих процессов шелушителя с горизонтальным ротором; методами статистического анализа определено влияние технологических свойств зерна на количественные и качественные показатели процесса шелушения, что позволило в дальнейшем решить задачу оптимизации процесса шелушения; показана возможность использования компьютерной САЕ - системы COSMOSFloWorks для моделирования кинетики зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя; в результате статистического анализа экспериментальных данных получены эмпирические формулы зависимости эффективности шелушения ячменя от различных конструктивных и технологических параметров работы шелушителя, которые так же позволили решить задачу оптимизации процесса шелушения; доказана возможность шелушения ячменя для кормовых целей в зоне свободного воздействия на него абразивных поверхностей; сформулирована целевая функция оптимальности процесса шелушения и методами нелинейного программирования на ПК определены оптимальные конструктивные параметры и рациональные режимы работы шелушителя для ячменя.
Объектом исследований является технологический процесс шелушения зерна, его режимы и закономерности.
Предметом исследований является влияние конструктивных параметров и режимов работы шелушителя горизонтального типа на эффективность шелушения,
Практическая значимость исследований:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическую реализацию в совершенствовании оборудования для шелушения ячменя с целью оптимизации конструкции и ресурсосбережения;
Разработаны математические модели, алгоритмы и компьютерная программа «Шелушитель» для определения оптимальных технологических параметров работы малогабаритного шелушителя горизонтального типа.
Показана возможность использования современных компьютерных САЕ -систем для моделирования кинетики сыпучей зерновой среды в шелушителе с вращающимся абразивным ротором. В результате компьютерного моделирования получены значения различных физических параметров зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя, проанализировано влияние конструктивных изменений на кинетику продукта.
Разработана конструкторская документация на малогабаритный шелушитель горизонтального типа, изготовлен опытный образец шелушителя, который установлен на ЗАО «Ремонтно-механический завод». Данные промышленных испытаний подтвердили высокие технико-экономические показатели малогабаритного шелушителя.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно - практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие» (Москва, МГУПП, 1999 г.); на расширенном заседании кафедры «Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов» (Москва, МГУПП, 2005 г,).
На защиту выносятся: математическая модель шелушителя горизонтального типа с горизонтальным абразивным ротором; эмпирические зависимости влияния различных конструктивных параметров шелушителя на эффективности и энергоемкость процесса шелушения; результаты исследований физико-механических свойств исходного продукта — зерна ячменя; программные средства, разработанные на основе математической модели шелушителя для расчета оптимальных конструкционных параметров машины; многофакторные зависимости изменения степени шелушения ячменя от конструкционных параметров шелушителя, а также от технологических параметров исходного продукта; - целевая функция оптимизации процесса шелушения по технико-экономическим показателям работы шелушителя; алгоритм и программа для определения оптимальных конструктивных и технологических параметров шелушителя горизонтального типа.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ. Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 174 страницах машинописного текста, основного текста 158 стр., содержит 57 иллюстраций и 8 таблиц. Список использованной литературы включает 212 наименований, в том числе 21 иностранный источник.
В первой главе Рассмотрено анатомическое строение зерновки и приведены физико-механические и химические свойства зернового сырья, сделан обзор современного состояния теории и практики шелушения зерновых культур. Приведена классификация методов шелушения зерновых культур, представлен обзор современного оборудования, используемого для шелушения зерновых культур.
Вторая глава посвящена методологическим аспектам экспериментальных исследований. Описаны используемые в работе приборы и экспериментальные установки, методика проведения экспериментов.
Исследованы физико-механические свойства исходного сырья - зерна ячменя.
В результате обработки экспериментальных данных методами математической статистики получены эмпирические зависимости.
Третья глава посвящена математическому моделированию рабочих процессов в шелушителе с горизонтального абразивным ротором. Полученные математические модели позволяют аналитическим путем определить оптимальные режимы движения рабочих органов, получены зависимости для определения производительности шелушителя данного типа.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по нахождению математических зависимостей между конструктивными параметрами шелушителя и показателям эффективности процесса шелушения. Построены математические модели процесса
12 шелушения ячменя на малогабаритном шелушителе абразивного типа. Получены аналитические зависимости влияния конструкционных параметров на эффективность процесса шелушения.
В пятой главе, с целью определения оптимальных конструкционных параметров шелушителя поставлена и решена задача нелинейного программирования. Сформулирована целевая функция оптимизации, найдены оптимальные значения конструктивных параметров шелушителя. Разработан алгоритм и написана программа для ПК «Шелушитель», с помощью которой можно рассчитать оптимальные параметры машины при ее проектировании. Представлены результаты промышленной апробации работы малогабаритного шелушителя.
В приложении представлены технические характеристики используемых приборов и экспериментальных установок, результаты экспериментов и их обработки на ПК с использованием программы MathCAD, листинг программы для ПК «Шелушитель», акты об использовании результатов исследований в учебном процессе и на производстве.
Технологические свойства зерна, влияющие на процесс шелушения
Многочисленные исследования показали, что шелушение двух отличающихся качеством партий зерна любой культуры на одной и той же шелушильной установке при одинаковом режиме работы может дать различные результаты. Чтобы установить правильный режим шелушения, следует учитывать следующие свойства перерабатываемой партии зерна [6, 66,67,68,98, 103, 112, 115,125, 131, 136, 189, 195,211]: - структурно-механические свойства зерна (прочность ядра, прочность связи ядра с оболочкой, прочность оболочки); v - вьшолненость, крупность и выравненность зерна; - влажность зерна и главным образом разность во влажности ядра и оболочек; - степень ГТО зерна там, где она производится; - содержание в зерне не выделенных шелушением зерен.
От свойств зерна, прочности ядра и легкости отделения его от оболочек зависят потери ядра в виде побочных продуктов, которыми являются мучка и дробленые ядра. Прочность ядра у разных сортов одной и той же культуры может колебаться в значительных пределах. Исследования, проведенные в крупяной лаборатории Московского технологического института пищевой промышленности (МТИПП), показали, что рис-зерно одного и того же сорта, но имеющий большую трещиноватость ядра, менее прочен, чем те же сорта, ядра которых имеют меньшую трещиноватость. Прочность крупяного зерна и повышенный выход крупы при шелушении связывают с его стекловидностью, т.к. стекловидные сорта (ячменя, риса, проса, и др.) при том же режиме работы по сравнению с мучнистыми сортами дают меньший процент дробленых зерен [42, 88, 100,137].
Прочность связи наружных оболочек с ядром и прочность оболочек у разных сортов одной и той же культуры различны. Технологические свойства зерна - легкость шелушения и прочность ядра - могут быть установлены в результате пробного шелушения образцов на лабораторных шелушильных установках.
Для отделения пленок у хорошо выполненного крупного зерна нужно затратить меньше энергии, чем у такого же количества мелкого зерна, т.е. при переработке партии хорошо выровненного зерна эффективность шелушения повышается. Поэтому, отдельные культуры шелушат раздельно, рассортировав их на фракции по крупности, обеспечив соответствующий режим шелушения для каждой фракции.
В шелушильных машинах наряду с зерном, поступающим из зерноочистительного отделения, перерабатывают также продукты повторного шелушения ("сходовые" продукты), в которых содержится в определенном количестве ядро, менее прочное, чем зерно, т.к. оно не предохранено оболочкой и уже подверглось действию деформирующих усилий. По этой причине, на машине, перерабатывающей зерно в смеси с ядром, надлежит устанавливать менее интенсивный режим шелушения (меньшую скорость рабочих органов, мельче наждак в абразивной поверхности и др.).
Многочисленные исследования [1, 8, 16, 38, 39, 67, 78, 97, 108, 114] показали, что большое влияние на физико-механические свойства зерна оказывает его влажность. Эффект шелушения ухудшается при повышенной влажности зерна, а также при переработке пересушенного зерна (проса и риса влажностью менее 11 - 12 %, овса влажностью менее 12 % при шелушении на обоечных машинах и менее 9 % при шелушении на шелушильном поставе).
При переработке крупяного зерна особое значение имеет разность во влажности ядра и пленок. Чем суше пленки зерна, тем они более хрупкие и тем легче их отделять от ядра, а чем влажнее ядро, тем оно менее хрупко и более устойчиво против дробления [67]. При шелушении влажного зерна повышается расход энергии и снижается производительность оборудования. Известно, что у воздушно-сушеного зерна влажность оболочек ниже влажности ядра, а чем суше оболочка, тем эффективней шелушение. Необходимо, чтобы вся партия зерна была однородна по влажности.
Структурно-механические свойства зерна увязывают особенности структуры материала с его реакцией на механическое воздействие. Они определяют процессы измельчения и шелушения зерна, шлифования крупы, выход и качество продуктов измельчения, расход энергии на эти операции. Измельчение в мукомольном и комбикормовом производстве требует большой затраты энергии. Основным показателем этих свойств являются прочность и твердость составляющих зерновки (оболочки и эндосперма) [141, 149].
Прочность зерен влияет на сохранение их целостности при транспортировке и очистке, а с другой стороны на расход энергии при измельчении или шелушении. Прочность зависит от вида деформации: так, для разрушения материала сжатием требуется приложить усилие в 2...2,5 раза выше, чем при разрушении срезом. Имеет большое значение влажность: при влажности более 15... 17 % возрастает пластичность, что вызывает повышенный расход энергии на измельчение или шлифование.
Методология экспериментальных исследований
При определении среднего усилия разрушения твердых тел при статическом сжатии используется образец правильной геометрической формы и по результатам испытаний рассчитывают удельную разрушающую нагрузку для всего материала. Для зерна такой метод не может дать достаточно точный результат, так как, во-первых, зерно имеет сложное строение, и придание ему правильной геометрической формы приводит к изменению его прочности и искажению окончательного результата; во-вторых, при испытаниях зерновки расчет удельной разрушающей нагрузки на площади контакта также не имеет достаточно точного результата в связи с трудностями замера этой площади, величина которой изменяется в процессе сжатия. Поэтому, характеристика прочности зерна оценивается только средним усилием разрушения зерновки.
Среднее усилие разрушения зерна определяется как среднее арифметическое суммы усилий разрушения отдельных зерен. При этом отбор и количество зерен для испытания производится без учета их крупности и процентного содержания каждой фракции в смеси. Но зерновая смесь по крупности отдельных зерен не однородна; содержание зерен одной и той же крупности может колебаться в значительных пределах, а усилие разрушения, как показали опыты, находится в прямой зависимости от размеров зерна. Поэтому среднее усилие разрушения зерновки при статическом сжатии определяется по методике, разработанной профессором Л.А. Глебовым [48, 49]. В соответствии с этой методикой отбираются три навески по 100 г каждая, которые рассортировываются по крупности на пять фракций. Зерно, полученное сходом с сит с отверстиями размером 3,0x20; 2,8x20; 2,5x20; 2,0x20 и 1,8x20 мм относится соответственно к 1, 2 ... 5 фракции.
Среднее усилие разрушения зерна каждой фракции РсрЛ (/ = 1, 2 ... 5) определяется как среднее арифметическое усилие разрушения 10, 15 или 20 зерен одной крупности. В случае если в данной фракции содержится до 10 % зерен по массе, то испытаниям подвергались 10 зерен данной фракции, при содержании от 10 до 30 % испытывалось 15 зерен, а при содержании свыше 30 % зерен по массе, испытывалось 20 зерен данной фракции.
Среднее усилие разрушения зерна с учетом его состава по крупности определяется по формуле: где Рсрі - среднее усилие разрушения /-той фракции по крупности; G, - масса / - той фракции. Предельная относительная ошибка определяется (пренебрегая ошибкой ситового анализа) по формуле: где Д,- - абсолютная ошибка или предельное отклонение среднего арифметического значения усилия разрушения зерен одной фракции малой выборки от среднего усилия разрушения всех зерен этой крупности в смеси. Величина Д,- определяется по формуле: где п — количество зерен одной крупности, отобранных для испытаний; ґа - коэффициент Стьюдента. Во всех опытах относительная ошибка Рср_ разр. при надежности 0,95 не превышает 10%.
Для определения коэффициентов сопротивления сдвигу слоев применена методика В.В. Гортинского [51, 52], сущность которой заключается в измерении перемещения меченых слоев в сыпучем теле относительно горизонтальной опорной поверхности после ее торможения от известной скорости V до полной остановки. При этом, кинетическая энергия каждого элементарного слоя превращается в работу сил трения на измеренном перемещении этого слоя iS/. В этом случае, коэффициент сопротивления сдвигу слоев можно определить по формуле: где Sp - путь, пройденный тележкой до момента соприкосновения с тормозом; t — время, за которое пройден этот путь; aSi — перемещение /-того слоя относительно тележки, которое рассчитывается по формуле: где Sji и S2i - начальная и конечная координаты исследуемого слоя, измеренные с помощью неподвижного штангенциркуля при одинаковом положении тележки.
Анализ результате в математического моделирования
Для того чтобы оценить порядок таких параметров как производительность и мощность привода условно полагаем, что R = 0,108 - 0,115 м, а = 0,086 м, р = 698 кг/м3 , т = 0,75, W=2-W0 = 0,016-0,028 м/с, п = 1200- -2000 об/мин, L = 0,446 м. Динамическая вязкость зерносмеси зависит от различных параметров сырья [52, 168]: высоты слоя продукта, скорости сдвига слоев, объемной массы, влажности продукта и пр., и может находиться в пределах 1 - 20 Пас
Проведенные на ПК расчеты выявили возрастающий характер зависимости производительности от приведенной осевой скорости потока продукта Я7 (рис. 23). При этом, как видно из рисунка, для значений Д=0,108 м и У? 0Д15 м получены различающиеся кривые производительности. На рис. 24 представлена зависимость мощности Np привода, при различных скоростях вращения абразивного ротора, от параметра вязкости X продукта. Из рисунка видно, что затрачиваемая мощность зависит от скорости вращения абразивного ротора шелушителя и возрастает с увеличением вязкости продукта.
В рамках принятой постановки решена так называемая внутренняя задача гидродинамики, когда рассматриваемая среда считается некоторым континуумом, независимо от включенных в него частиц. После этого на базе рассчитанного поля скоростей и давления среды может быть решена и так называемая внешняя задача гидродинамики, когда анализируется проблема взаимодействия выделенной частицы со сплошной средой. Для чего должны быть использованы дополнительные кинетические соотношения в виде, например, закона сопротивления Стокса и др. Однако, естественно, взаимодействие выделенной частицы со сплошной средой может быть проанализировано лишь в том случае, если физико-механические параметры частицы и среды такие, например, как плотность, будут различными.
При исследовании процесса шелушения зерна в рабочей зоне шелушителя выделяют два взаимосвязанных явления - процесс движения зерносмеси как сыпучей сплошной среды в рабочей зоне, которая ограничена внутренним пространством шелушителя (корпусом, валом и абразивными дисками), а также процесс абразивного истирания зерна дисками и стенками шелушителя [169].
Движение потока зерна в шелушителе обусловлено совместным действием на него силы тяжести зерновок, подпора вновь поступающего продукта (разницей давления на входе и выходе шелушителя), силы трения абразивных дисков и стенок шелушителя.
В качестве приближенной физической модели движения сыпучего слоя продукта может быть принята основанная на реологическом законе сопротивления Ньютона модель вязкой несжимаемой жидкости.
Уровень современного развития компьютерной техники и программного обеспечения позволяет моделировать сложные гидродинамические процессы на персональном компьютере. В последние годы получили стремительное развитие прикладные САЕ (Computer Aided Engineering) — системы, в том числе и для анализа гидродинамических процессов, которые являются расчетными приложениями для систем геометрического моделирования CAD (Computer Aided Design).
Система COSMOSFloWorks является разработкой немецкой фирмы NIKA GmbH и предназначена для газо- и гидродинамического анализа [б]. Система базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, стационарные и нестационарные течения многокомпонентных текучих сред в каналах и/или вокруг тел, с учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок; течения через пористые среды как через рассредоточенные сопротивления; ламинарные течения неньютоновских жидкостей; течения сжимаемых жидкостей; двухфазные течения как движение жидких или твердых частиц в потоке текучей среды и пр. [6].
В COSMOSFloWorks движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды [б]. При этом используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Кроме того, неньютоновские жидкости задаются зависимостью их коэффициента вязкости от скорости сдвиговых деформаций и температуры; сжимаемые жидкости задаются зависимостью их плотности от давления. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения.
Поскольку используемые в математической модели системы дифференциальных и/или интегральных уравнений обычно не имеют аналитического решения, они приводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной сетке. Для нахождения искомого численного решения задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов, используемая в COSMOSFloWorks, дискретизируется как по пространству, так и по времени [б].
Исследование и оптимизация эффективности процесса шелушения ячменя по длине рабочей зоны шелушителя
Интерес представляет информация о распределении интенсивности процесса шелушения по длине рабочей зоны шелушителя. Для подобных исследований специально изготовлен короб, который внутри разделен на пять независимых отсеков, пропорционально длине рабочей зоны (рис. 17). Снизу каждый отсек закрывается откидывающимся днищем, что позволяет беспрепятственно удалять из него продукты, прошедшие в процессе шелушения ячменя через ситовую обечайку (оболочка, эндосперм, мучка и т.д. - в дальнейшем «проходовые продукты»).
Короб крепится в нижней части шелушителя непосредственно под ситовой обечайкой и может быть легко установлен или снят в процессе проведения экспериментов (рис. 34).
Исследования проводились при частоте вращения ротора шелушителя 1600 и 2000 об/мин. Ячмень, используемый при проведении экспериментов, имел влажность 12 %. В процессе шелушения ячменя, проходовые продукты собирались в отсеки короба, а затем извлекались из каждого отсека для оценки распределения проходовой фракции по длине рабочей зоны шелушителя. Результаты исследований представлены на рис. 35 в виде гистограммы.
Из рис. 35 видно, что наиболее интенсивному истиранию зерно подвергается в начале, и особенно в конце рабочей зоны. К середине рабочей зоны интенсивность воздействия снижается. Это объясняется, во-первых, более интенсивным процессом перемешивания продукта в зоне загрузки и выпуска продукта из шелушителя, а во-вторых, интенсивным выкрашиванием эндосперма у уже шелушенных зерен.
Кроме этого, из рис. 35 и 36 видно, что при частоте вращения ротора шелушителя 1600 об/мин наблюдается более равномерное распределение отходов шелушения по длине рабочей зоны шелушителя, что говорит о более равномерном распределении зернового потока в рабочей зоне шелушителя в процессе обработки зерна при меньших скоростях воздействия рабочих органов,
Особый интерес представляет распределение относительного содержания эндосперма в продукте шелушения по длине рабочего органа шелушителя. Так, на рис. 36. представлена гистограмма распределения коэффициента при использовании абразивных кругов с крупностью зерна у. = 125 мкм. Різ рис. 36 видно, что содержание эндосперма в IV и V зонах шелушения значительно выше, чем в первых трех зонах. Это объясняется тем, что происходит интенсивное выкрашивание эндосперма на тех участках зерна, где оболочка снята с поверхности зерновки. Логично предположить, что для снижения данного процесса необходимо уменьшить крупность абразивов в конце рабочей зоне шелушителя. В результате, три последних абразивных круга на горизонтальном роторе заменены кругами с крупностью абразивных зерен 100 мкм. Это привело к существенному снижению выкрашивания эндосперма в процессе шелушения. Гистограмма распределения коэффициента , при использовании пяти первых абразивных кругов (по ходу продукта) с крупностью зерен 125 мкм, и трех последующих с крупностью зерен 100 мкм, представлена на рис. 37. Такое конструктивное решение позволило значительно стабилизировать процесс шелушения по длине рабочей зоны шелушителя. Все дальнейшие эксперименты проведены с использованием ротора с вышеназванным расположением абразивных дисков.
