Введение к работе
Актуальность работы. Рынок хлебопродуктов занимает одно из важнейших мест в экономике народного хозяйства. Зерно является стратегически важным продуктом, от состояния его производственной и перерабатывающей базы во многом зависит продовольственная безопасность страны. Наметившаяся в последние годы положительная динамика по сбору урожая зерновых в России позволяет ежегодно увеличивать объемы поставок зерна отечественному производителю, а также наращивать его экспорт. Если в 2005 г. валовой сбор зерна составил 78,2 млн. тонн, то в 2011 г. – 93,9 млн. тонн.
В этой связи элеваторное хозяйство должно в короткие сроки осуществлять приемку и поточную послеуборочную обработку зерна, важнейшим звеном которой является сушка, так как большая часть заготовляемого зерна поступает, как правило, с повышенной влажностью и его сохранность зависит от работы зерносушильных установок. Большинство сельскохозяйственных предприятий испытывают дефицит в зерносушильной технике и не в состоянии довести зерно до базисной товарной кондиции.
Современные тенденции в развитии теории сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих технологий сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения тепловых насосов (ТН). Эффективное замещение в системах теплоснабжения ископаемых видов топлива при сушке зерна злаковых и семян масличных культур на теплоту возобновляемых и вторичных источников посредством ТН является одним из важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды. В России установленная мощность теплонасосных установок (ТНУ) всех типов не превышает 65 МВт, тогда как тепловая мощность действующего в мире парка ТН составляет 250 ГВт, что делает их внедрение актуальным в условиях экономического курса страны, направленного на энергосбережение и энергоэффективность, скорейшее устранение имеющегося отставания в этой сфере.
Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки и хранения зерна, а также их аппаратурное оформление отражены в работах
А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, В.И. Жидко, И.Ф. Пикуса, И.Л. Любошица, В.С. Уколова, В.А Резчикова, В.Ф. Сорочинского, Б.И. Леончика, Шевцова А.А., Н.В. Остапчука, И.Т. Кретова, Г.А. Егорова, В.И. Атаназевича, А.Ю. Шаззо и др.
Однако эксплуатируемые в настоящее время сушильные установки, зачастую, не используют теплоту отработанного сушильного агента, рекуперация которой позволит существенно повысить экономичность сушилок. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности процессов сушки и хранения зерна на основе подключения ТН является актуальной проблемой.
Научная работа проводилась в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежского государственного университета инженерных технологий «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК» (ГР 01201253866), а также в рамках государственного контракта № П459 от 13.05.2010 г. на выполнение НИР по теме «Тепловая пеленгация внутренних источников теплоты в дисперсных системах и ее реализация в аппаратах с поперечной подачей теплоносителя» в рамках обобщенной проблемы: «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – развитие научно-теоретических основ ресурсосбережения в процессах сушки и хранения зерна злаковых и семян масличных культур с применением теплонасосных технологий; разработка рекомендаций по проектированию и внедрению в производство высокоэффективных сушильных установок; реализация программно-логических алгоритмов оптимального управления технологическими параметрами, направленных на минимизацию удельных теплоэнергетических потерь, повышение качества высушенного зерна и охрану окружающей среды.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
1. Разработка научно-теоретических подходов к энергосбережению за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов с применением замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, проектирование новых компоновочных решений технологии сушки зерна с использованием тепловых насосов и повышение экологической безопасности.
2. Обоснование концепции моделирования максимально прибыльных технологий сушки зерна злаковых и семян масличных культур в виде совокупности функции цели (критерия оптимизации), математического описания процесса сушки и системы ограничений. Выбор в качестве критерия оптимизации средней по времени прибыли, определение ее однозначной функциональной связи с технологическим режимом сушки, возможностью оперативного поиска наилучшего компромисса между качеством и количеством высушенного зерна, а также их соотношения с затратами ресурсов всех видов.
3. Составление структурной модели энергосберегающей технологии сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту. Выполнение процедуры анализа и синтеза технологии зерносушения как системы процессов. Разработка энергоэффективных процессов сушки зерна с применением теплонасосных технологий, обеспечивающих экологическую безопасность зернопроизводства.
3. Изучение основные кинетических закономерностей процессов конвективной сушки зерна при программированном теплоподводе и выявление рациональной области изменения режимных параметров, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества.
4. Разработка математических моделей тепломассообменных процессов на основе топологического принципа формализации сложной технологической системы, повышение качества экспериментов и точности расчетов, необходимых для оптимизации и управления технологическими параметрами процессов сушки и хранения зерна.
5. Выполнение комплексных экспериментальных и теоретических исследований кинетических, гидродинамических и тепломассообменных закономерностей процесса сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах с циклическим вводом антиоксиданта. Изучение влияния антиоксиданта на активность жирных кислот в процессе сушки семян по симметричной и несимметричной схемах осцилляции, разработка способа стабилизации термовлажностных характеристик семян при сушке и хранении.
6. Разработка новых конструктивных решений сушильных установок, повышающих эффективность технологии зерносушения.
7. Создание информационного обеспечения для реализации новых способов сушки и управления технологическими параметрами, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
8. Решение задачи оптимизации процесса сушки зерна по технико-экономическому показателю.
9. Разработка способа тепловой пеленгации локальных очагов самосогревания зернового сырья при силосном хранении.
10. Определение условий рационального сопряжения тепловых объектов с различными температурными потенциалами для повышения эффективности утилизации и рекуперации тепла вторичных источников в процессах сушки и хранения зерна.
11. Производственная апробация предлагаемых способов сушки и управления с оценкой качества высушенной продукции и эффективностью предлагаемых технологий по рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов.
Научная концепция: разработка и научное обеспечение подходов и методов ресурсосбережения в процессах сушки и хранения зерна злаковых и семян масличных культур с применением теплонасосных технологий; создание высокоэффективных, экологически безопасных процессов сушки с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа основных гидродинамических, кинетических, тепломассообменных закономерностей и математического моделирования; разработка способов управления технологическими параметрами, обеспечивающих экономию энергетических ресурсов, высокое качество высушиваемого зерна и охрану окружающей среды.
Научные положения, выносимые на защиту:
- комплекс проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающих структуризацию тепломассообменных процессов в технологии зерносушения злаковых и семян масличных культур с использованием тепловых насосов;
- концептуальный подход к созданию инновационных технологий, техники и способов управления процессами конвективной сушки зерна при комбинированных режимах теплоподвода;
- научно обоснованные способы энергосбережения за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов и замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам;
- алгоритмы и результаты моделирования процессов сушки зерна злаковых и семян масличных культур;
- принципы выбора рациональных режимов процессов сушки, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности сушильных установок и качества высушенного зерна;
- методологический подход к созданию системы автоматической оптимизации технологии зерносушения по технико-экономическому показателю, обеспечивающей экономию материальных и энергетических ресурсов;
- концепцию тепловой пеленгации локальных очагов самосогревания зерновой массы при силосном хранении для своевременно активного вентилирования зерна при его долгосрочном хранении.
Научная новизна. 1. Разработан концептуальный подход в создании энергоэффективных технологий сушки и хранения зерна на основе развития принципов энергосбережения по утилизации и рекуперации вторичных ресурсов, направленных на рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, охрану окружающей среды, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций зерносушильных установок с применением тепловых насосов.
2. Выявлены и математически описаны закономерности кинетики сушки зерна злаковых культур при различных температурных режимах применительно к реальным условиям сушки гравитационно движущегося слоя зерна; получены уравнения кинетики сушки; изучена нестационарность полей температуры в зерносушилках шахтного типа; определены численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик.
3. Решена математическая модель процесса сушки зерна при перекрестном движении агента сушки через слой зерновой массы, учитывающая связь температуры и влагосодержания дисперсного материала, движущегося непрерывным потоком. Модель позволяет определять поля температур и влагосодержаний зернового слоя.
4. Получено в аналитической форме решение системы уравнений А.В. Лыкова для нестационарного процесса сушки зерна методом разложения в модифицированные ряды Фурье. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составило не более 4 %.
5. Разработана математическая модель процесса сушки зерновых культур при переменном теплоподводе, учитывающая связь температуры, влагосодержания и удельной нагрузки зерна на решетку. Модель позволяет определять температурные поля зернового слоя. Применение модели в задачах управления процессом сушки обеспечивает оперативную стабилизацию термовлажностных характеристик зерна в области допустимых технологических свойств.
6. Предложен графо-аналитический метод моделирования кинетических закономерностей процесса сушки зернистого слоя при программированном энергоподводе и подход к проектированию зерносушилок.
7. Предложена математическая модель процесса самосогревания зернового сырья в виде системы дифференциальных уравнений для полуограниченной пластины с источником теплоты на поверхности очага самосогревания, позволяющая проводить систематические расчеты параметров процесса распространения тепла в силосе. Результаты моделирования сопоставимы с данными экспериментальных исследований и не превышают 11,5 %. Полученная информация использована при выборе оптимальных режимов активного вентилирования и охлаждения зернового сырья в процессе его хранения в силосах.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Предложены новые способы конвективной сушки и активного вентилирования зерна злаковых и семян масличных культур (Пат. РФ № № 2303213, 2406340, № 2416919, № 2410884, № 2425304) с применением тепловых насосов, обеспечивающие максимальную реализацию неиспользованных резервов энергосбережения.
2. Разработан способ сушки зерна с энергосберегающей схемой подключения парокомпрессионного теплового насоса к зерносушилке и алгоритм управления параметрами одновременно протекающих процессов сушки зерна, осушения отработанного воздуха, регенерации рабочих поверхностей теплообменных устройств, рекуперативного теплообмена между теплоносителями разного температурного потенциала (Пат. № 2303213).
3. Разработана схема подключения пароэжекторного теплового насоса (ПЭТН) к зерносушилке, обеспечивающего эффективную подготовку сушильного агента, рациональное использование вторичных энергоресурсов, стабильное качество высушенного зерна и экологически безопасные условия эксплуатации теплового оборудования (положит. решение о выдаче патента РФ по заявке № 2011145615/13 от 09.12.2012).
4. Предложены способы сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах с циклическим вводом антиоксиданта и установка для их осуществления (Пат. РФ №№ 2110884, 2416063).
5. Предложена стратегия управления процессами сушки зерна в шахтных рециркуляционных сушилках и длительного хранении в зернохранилищах силосного типа. Разработан способ стабилизации термовлажностных характеристик зерна при его сушке и хранении, предусматривающий оперативное предупреждение самосогревания зерновой массы (Пат. РФ №№ 2303213, 2425304).
6. Разработан метод экспресс-анализа качества зерна злаковых и семян масличных культур с помощью детектирующего устройства «пьезоэлектронный нос» (Пат. РФ № 2466528).
8. Разработаны конструкции сушильных установок (Пат. РФ №№ 2377488, 2416063, 2418249), зернохранилища силосного типа (Пат. № 2301518) и методики их расчета.
9. Разработаны программы для ЭВМ (свид. Роспатента о гос. регистрации № 2010613333 и № 2011618172) и программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления процессами сушки и хранения зерна злаковых и семян масличных культур (Пат. РФ № 2303213, 2425304), позволяющие эффективно использовать низко- и высокотемпературный потенциал сушильного агента; снизить затраты энергии в калорифере и тепловые нагрузки на конденсатор и испаритель теплового насоса, и как следствие, обеспечить снижение удельных энергозатрат на 10…15 %.
10. Научная новизна предложенных технических решений отражена в 15 патентах РФ на изобретения. Проданы лицензии ООО «Воронежский Промзернопроект» на патент № 2301518, ООО «Агромаш» на патент № 2416919, ООО «Проектно-технологический институт экологии, промышленной безопасности и строительства» на патент № 2418249, ООО «ПромСтройПроект» на патенты РФ № 2416063 и 2425304 и свидетельство № 2011618172.
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Москва, 1998 г., 2011 г.); (Могилев, 2005 г.); (Одесса, 2006 г.); (Воронеж, 2006 г., 2009 г., 2010 г.); (Пловдив, 2010 г.); (Махачкала, 2010 г.); отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006 – 2012 г.).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках «Центрагромаш» (Воронеж, 2006 г.), «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2005 г.), «Продторг» (Воронеж, 2007 г., 2011 г.), на конкурсе инновационных проектов «Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 2009 г.), по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.
Публикации. По материалам работы опубликовано 67 научных работ, в т. ч. 1 монография, 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на полезную модель, 14 патентов РФ на изобретения, 2 свидетельства Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 332 страницах машинописного текста, содержит 123 рисунка и 35 таблиц. Список литературы включает 268 наименований. Приложения к диссертации представлены на 95 страницах.
