Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1. Обзор и анализ методов повышения эффективности сушки зерновых колосовых культур 15
1.2. Обзор и анализ существующих средств сушки зерна и перспективы их развития. 21
1.3. Обоснование рациональной схемы зерносушилки аэрожелобного типа 36
1.4. Постановка проблемы и задачи исследования. 51
2. Исследование процесса перемеіцения зерна, отработанного агента сушки и легких примесей в сушилке аэрожелобного типа 53
2.1. Разработка математической модели смещения зерна в сушильном коробе под действием агента сушки 53
2.2. Обоснование конструктивных параметров переливного порога сушилньного короба аэрожелобной зерносушилки 60
2.2.1. Обоснование конструктивных параметров переливного порога с учетом геометрических размеров лопаток жалюзи 68
2.3. Обоснование метода оценки влияния технического состояния газоподводящей системы на изменение гидравлического сопротивления агенту сушки, на примере сушильного короба 72
2.3.1. Определение аэродинамического сопротивления газораспределительного канала сушильного короба 74
2.3.2. Аэродинамическое сопротивление газораспределительной перегородки
2.4. Динамика движения зерна в аэрожелобной зерносушилке 81
2.5. Выводы по разделу ?
3. Программа и методика исследований
3.1. Программа исследований
3.2. Описание экспериментальных и производственной установок 87
3.3. Измерительные приборы 92
3.4. Методика исследований 98
3.4.1. Методика исследования неравномерности распределения агента сушки ВРК в зависимости от высоты зернового слоя, угла наклона дна ВРК, расхода агента сушки, живого сечения грузонесущей перегородки и живого сечения дна ВРК 98
3.4.2. Методика исследования зависимости пропускной способности сушильного короба и его заполнения зерном от расхода агента сушки и коэффициента живого сечения активного переливного порога 102
3.4.3. Методика определения относительной скорости смещения слоев зерна в сушильных коробах аэрожелобной зерносушилки в зависимости от конструктивных и технологических факторов 106
3.4.4. Методика определения изменения влажности сушильного агента в процессе сушки
3.4.5. Методика определение энергетических, качественных и экономических показателей работы сушилки в 2000 - 2001гг.
3.4.6 Методика определения экономической эффективности технологии сушки зернового вороха с использованием зерносушилки СЗША-1,5
4. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Результаты исследования неравномерности распределения агента сушки ВРК в зависимости от высоты зернового слоя, угла наклона дна ВРК, расхода агента сушки, живого сечения грузонесущей перегородки и живого сечения дна ВРК 116
4.2. Результаты исследования зависимости пропускной способности сушильного короба и его заполнения зерном от расхода агента сушки и коэффициента живого сечения активного переливного порога 122
4.3. Результаты определения относительной скорости смещения слоев зерна в сушильных коробах аэрожелобной зерносушилки в зависимости от конструктивных и технологических оактороЕ 125
4.4. Результаты определения изменения влажности сушильного агента при сушке зерна пшеницы на аэрожелобной зерносушилке 131
4.5. Результаты определения энергетических и качественных показателей работы сушилки 136
4.6. Результаты определения экономической эффективности технологии сушки зернового вороха с использованием аэрожелобной зерносушилки СЗША-1,5 139
4.7. Выводы по главе 143
Общие выводы 145
Библиографический список
- Обоснование рациональной схемы зерносушилки аэрожелобного типа
- Обоснование метода оценки влияния технического состояния газоподводящей системы на изменение гидравлического сопротивления агенту сушки, на примере сушильного короба
- Методика исследования неравномерности распределения агента сушки ВРК в зависимости от высоты зернового слоя, угла наклона дна ВРК, расхода агента сушки, живого сечения грузонесущей перегородки и живого сечения дна ВРК
- Результаты исследования зависимости пропускной способности сушильного короба и его заполнения зерном от расхода агента сушки и коэффициента живого сечения активного переливного порога
Обоснование рациональной схемы зерносушилки аэрожелобного типа
По характеру взаимодействия агента сушки с зерновым слоем совокупность способов можно подразделить по таким существенным признакам: направление движения агента сушки относительно зернового слоя, скорость перемещения агента сушки и периодичность действия агента сушки на зерновой слой.
По характеру взаимодействия агента сушки с зерновым слоем известны способы: прямоточный, противоточный, с поперечным потоком агента сушки. На этих способах основаны процессы сушки в действующих зерносушилках.
К наиболее эффективным, но и технически сложным в зерносушилках плотного слоя относятся способы с периодическим воздействием агента сушки и холодного воздуха на зерновой слой или с периодическим изменением направления агента сушки относительно продуваемого слоя, а также с его изменяющейся ступенчато скоростью и температурой. Следует отметить, что в зерносушилках псевдоожиженного слоя реализовать указанные способы гораздо проще. Сушка зерна в прямотоке (прямоточная) /42,с.77; 76,с.25; 94,с.40/ предусматривает одноразовое прохождение зерна последовательно через сушильную и охладительные камеры, происходит при совпадении направления движения агента сушки и высушиваемого зерна. В основном может осуществляться на барабанных сушилках, где направление агента сушки и высушиваемого материала совпадают. При вращении барабана, установленного под наклоном, зерно пересыпается и увлекается агентом сушки, перемещаясь к выходу. Время сушки ограничено до 5... 10 мин, при температуре 150...200 С зерно нагревается до 50С, а влажность его уменьшается на 3...5%/94,с.40/.
Примечание. В данном разделе символы, входящие в формулы. приняты в соответствии с использованными литературными источниками. К недостаткам способа следует отнести то, что организация повторной сушки затруднена, кроме того, неравномерность по влажности исходного зерна при такой сушке превышает 2...3% /15,с.22; 42,с.77/.
Сушка зерна в противотоке /76,с.25/ наиболее благоприятна при сушке термолабильного материала, особенно растрескивающегося в процессе отдачи влаги. При температуре агента сушки 80С и снижении влажности зерна на 4% расход тепла достаточно низкий и составляет 4190 кДж на 1 кг испаренной влаги. Способ отличается высокой степенью отработки теплоносителя и равномерной влажностью высушенного материала. К недостаткам следует отнести ограничение удельной подачи теплоносителя в зерновой поток, так как при увеличении удельной подачи агента сушки резко возрастает сопротивление зернового слоя.
Сушка с изменяющимся по направлению потоком агента сушки относительно движения зернового слоя (прямоточно-противоточный способ) обеспечивает перемещение влажного зерна и агента сушки в одном направлении до достижения зерном требуемого значения влажности. Затем зерно охлаждается противотоком наружного воздуха до требуемой температуры. Способ позволяет проводить сушку на предельных температурах, не допуская перегрева зерна, но требует согласованных параметров скорости движения потоков зерна и теплоносителя, а также регулирования температуры теплоносителя/76,с.26...27/.
Сушка с реверсированием подачи агента сушки при поперечном продувании зернового слоя /42,с.65/. В результате изменения направления движения агента сушки влажность крайних пограничных слоев снижается равномерно. Недостатком способа является то, что влажность среднего слоя остается выше пограничных слоев, так как процесс сушки в этих пограничных слоях из-за подвода к ним агента сушки происходит более интенсивно.
Сушка в плотном гравитационно движущемся слое /15,с. 13/. /42,с.72/. Если движущемуся сверху вниз слою зерна создать внизу подпор с регулируемым выпуском, то образуется плотный гравитационно движущийся слой, при этом увеличивается его скважистость и активная поверхность зерен, улучшается контакт с агентом сушки. Высокая удельная подача агента сушки в сочетании с небольшой толщиной продуваемого слоя 100...300 мм обеспечивает сушку всего слоя. При сушке слоя толщиной 200 мм при температуре агента сушки П0...130С зерно нагревается до предельно допустимой температуры 50...55С за 25...30 мин. Влажность зерна при этом снижается на 5...6% /42,с.72/. Недостатком способа является низкая скорость сушки и необходимость высотного по габаритам оборудования.
Сушка в псевдоожиженном слое /61/. Исследования проводились в Казахском филиале ВНИИЗ. Слой зерна продувается потоком теплового агента с температурой 55...60С, скорость фильтрации 1.5 м/с. Процесс испарения влаги на 50...60% выше по сравнению с сушкой в плотном слое. В зависимости от температуры агента сушки зерно нагревается до предельно допустимой температуры уже за 50...200 сек. Способ отличается высокой интенсивностью тепломассообмена. Данный способ можно отнести к энергосберегающим способам сушки.
Сушка во взвешенном слое /42,с.71; 92,с.60; 94,с.40/ характеризуется тем, что скорость агента сушки значительно больше скорости витания зерна, в зависимости от размера и плотности частиц ее поддерживают от 10...30 м/с. За время сушки 5...6 сек влажность зерна снижается на 1%, а его температура повышается до 35 С при температуре агента сушки 250...260С. Способ отличается высокой скоростью нагрева, однако время сушки и влагосъем незначительные, поэтому данный способ применим только лишь в комбинации с другими.
Сушка в виброожиженном слое /94,с.41;107/ заключается в том, что разрыхление зернового слоя и интенсивное перемешивание его достигается совместным воздействием воздушного потока и механических колебаний. Воздушный поток, создаваемый рабочим органом в виде генератора колебаний, оказывает благоприятное действие на процесс сушки. Недостаток способа заключается в увеличении энергозатрат и разрушительном действии вибрации на рабочие органы машины.
К энергосберегающим способам сушки зерна относятся следующие: сушка с предварительным нагревом, с использованием теплоносных установок, с использованием солнечной энергии; сушка не подогретым воздухом; сушка с рециркуляцией теплоносителя и зерна; сушка с регенерацией тепла из отработанного теплоносителя.
Способ сушки с предварительным нагревом зерна /9; 90/. Исследования проводились во ВНИИЗ. Предварительный нагрев зерна осуществлялся при конвективном теплоподводе и разрыхленном состоянии зернового слоя до температуры 26...27, 40...45 и 55...60С при температуре сушильного агента 120С. После предварительного нагрева зерно выдерживалось в термостате 20 мин. Последующая сушка зерна проводилась на установке, модернизирующей процесс в шахтных сушилках. Сушильный агент имел температуру 70, 100 и 120С. По результатам исследования был сделан вывод, что предварительный нагрев зерна до температуры 55...59С уменьшает удельный расход тепла при температуре сушильного агента 100С примерно на 10%, а при температуре 120С на 20% в сравнении с сушкой без предварительного нагрева.
Способ сушки не подогретым воздухом или активным вентилированием /58,с. 169/ производится в насыпи. Для сушки используется атмосферный воздух с температурой 20С и относительной влажностью 70%. Зерно сушат в один прием по 20...50 тонн. Условия сушки исключают повреждение зерна высокими температурами теплоносителя. Мягкие режимы сушки позволяют получать семена высокого качества. Недостатком являются
Обоснование метода оценки влияния технического состояния газоподводящей системы на изменение гидравлического сопротивления агенту сушки, на примере сушильного короба
Предложенная модель сушильной установки (рис. 2.1.) включает шахту 1 со встроенными внутрь шахты сушильными коробами 2, которые перфорированной перегородкой 3 разделены на два канала: верхний 4 - грузонесущий и нижний 5 - канал, подводящий агент сушки. В конечной части каждого верхнего 4 - грузонесущего канала поставлены активные переливные пороги. Шахта снабжена надсушильным бункером 6 и подсушильным бункером 7 с устройством 8, дозирующим выпуск зерна, в виде затвора шлюзовой выгрузки сухого зерна. С боковой стороны шахты установлены конфузоры 9 и 10, служащие для отвода отработанного агента сушки и пыли, из нижнего конфузора 10 отработанный агент сушки используется вторично, (условно на виде с боку боковая стенка шахты не показана)
Технологический процесс сушки зерна протекает следующим образом. Влажное зерно подается загрузочным устройством (норией) в надсушильный бункер. Из надсупшльного бункера под воздействием напора агента сушки и напора со стороны зернового слоя равномерно распределяется по ширине и длине сушильных коробов и происходит сушка зерна. Пересыпаясь последовательно из одного сушильного короба в последующий, зерновые слои в коробах достигают заданной толщины. При этом верхние слои в каждом коробе перемещаются с различными скоростями относительно слоя, примыкающего к перфорированной перегородке на встречу с активными переливными порогами. Высушенное зерно шлюзовым затвором выводится наружу для дальнейшей обработки. Поддержание заданного температурного режима сушки осуществляется автоматически. Предлагаемая (разработанная) схема позволяет создавать конструкции зерносушилок различных размеров и производительности /80/.
При этом способе слои зерна в сушильном коробе постепенно с заданными скоростями спускаются в низ к активному переливному порогу.
Агент сушки, пронизывая все слои под некоторым углом а к направлению движения зерна, ожижает их и практически полностью отдает им тепло. В средние и нижние короба зерно поступает предварительно подогретое, частично подсушенное, что позволяет повысить температурные характеристики, без снижения качественных показателей /52/.
Как показали наши исследования, с целью повышения экономичности сушки целесообразно для регулирования высоты зернового слоя в сушилке использовать активный жалюзийный переливной порог, который в совокупности с меняющимися технологическими и конструктивными параметрами, такими как расход агента сушки, угол наклона грузонесущей перегородки оказывает влияние на характер смещения зерновых слоев по высоте.
На рисунке 2.2. схематично показан рабочий процесс сушильного короба. Зерно поступает в короб с подачей W0 с начальной влажностью сон и начальной температурой т3 зерна. Агент сушки, поступающий в воздухораспределительный канал рассекается, грузонесущей перегородкой на множество струй. В транспортирующем канале аэрожелоба происходит разрыхление зернового вороха и его смещение из зоны действия одной струи в зону действия следующей. Для выявления взаимосвязи агента сушки и положения отдельно взятой зерновки относительно слоя зерна рассмотрим зерновку, лежащую в середине слоя зерна. Однородный поток агента сушки, движущийся с некоторой скоростью За с, м/с, обтекая зерновку, будет действовать на нее с некоторой силой Ра,а, Н, совпадающей с направлением скорости Зас Одновременно на частицу будет действовать сила трения зерновки о зерновку Fmp, Н и вес зерновки mg,
Теоретические и экспериментальные исследования выявили, что возможны три варианта движения зерна: Первый - когда вес тела mg больше вертикальной составляющей от напора агента сушки Ра,с, в математическом выражении это запишется так mg Pa,c, -sina. Второй - вес тела равен вертикальной составляющей от напора агента сушки - mg = Рас. since. Третий - вес тела меньше вертикальной составляющей от напора агента сушки - mg Рах. since. Наши исследования показали, что в оптимальном режиме работы сушилки (при наименьших энергозатратах) зерно в аэрожелобе движется слоями, без его фонтанирования, при этом скорость фильтрации находилась в диапазоне Эф =0,5... 0,7 м/с, а объемный расход агента сушки составлял Q = 2,7 м с-т.
Для определения взаимосвязи технологических параметров короба и физиологических свойств зерна сделаем некоторые допущения: 1. Движение происходит слоями размером в одну зерновку. 2. Зерновки при движении не вращаются Направление действия агента сушки неизменно по высоте слоя, динамическое воздействие снижается.
Динамический напор агента сушки, необходимый для преодоления инерции зернового слоя и для сообщения необходимой скорости материала &и и скорости агента сушки За с, определим из уравнений кинетической энергии зернового потока и работы агента сушки:
Методика исследования неравномерности распределения агента сушки ВРК в зависимости от высоты зернового слоя, угла наклона дна ВРК, расхода агента сушки, живого сечения грузонесущей перегородки и живого сечения дна ВРК
Для измерения атмосферного давления использовали барометр - анероид метеорологический БАММ-1.
Температуру агента сушки на входе в сушильные короба и выходе из зернового слоя измеряли ртутными термометрами типа ТПК (рис.3.8). Относительную влажность агента сушки измеряли психрометром аспирационным МВ-4М Влияние окружающих условий на рабочую точку сети и изменение расхода воздуха в отверстии учитывали с помощью расчетной зависимости где Q - расход воздуха в патрубке - стабилизаторе, м /с; Р - динамическое давление в патрубке - стабилизаторе, Па; S - площадь поперечного сечения патрубка, м2;
Б0 - барометрическое давление соответствующее нормальным условиям, Па; Бх - барометрическое давление на момент проведения опыта, Па; Т0 - температура окружающего воздуха, соответствующая нормальным условиям, К; Тх - температура окружающего воздуха на момент проведения опыта, К; р0 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м . Для определения давлений воздушного потока на входе в сушильный короб использовали многопредельный микроманометр с наклонной трубкой ММН-240. Полное давление замеряли в нескольких точках сечения по методике /18,с.41/ (рис. 3.8).
Влажность зернового материала определяли с использованием сушильных шкафов по методике ГОСТ 3040-55 /36,с.242/. Температуру нагрева зерна измеряли ртутными термометрами типа ТПК(рис. 3.9). Засоренность и жизнеспособность зерна во время проведения производственных испытаний определяли в Государственной семенной инспекции «Ярославская». Скорость отработавшего агента сушки на выходе из сушильного короба определяли с помощью чашечного анемометра МС-13. Высоту зернового слоя определяли по линейке ГОСТ 427-75. Пропускную способность установки определяли по выгрузке зернового материала методом отсечек по 10 секунд каждая (рис. 3.15). Число отсечек принималось в соответствии с рекомендациями /18,с.22/ равным 6. Массу контрольных проб зерна определяли на весах типа ВЛКТ-500 иРП-150МГ. Время определяли по секундомеру электронных часов «Casio ВР-100». Частоту вращения ротора шлюзового затвора контролировали тахометром ТЧ 10-Р 1, учитывая передаточные отношения редуктора. Угол наклона грузонесущей перегородки к горизонту определяли при помощи угломера КЛ -11874 и уровня.
Методика исследования неравномерности распределения агента сушки ВРК в зависимости от высоты зернового слоя, угла наклона дна ВРК, расхода воздуха, живого сечения грузонесущей перегородки и живого сечения дна ВРК Одним из важнейших показателей работы сушилки является неравномерность влажности отдельных зерновок после сушки. Из практики и теоретических предпосылок известно, что на неравномерность по влажности зерна после сушки существенное влияние оказывает устройство сушильного короба и его рабочий процесс.
Поэтому необходимо тщательно обосновывать конструктивно-технологические характеристики сушильного рабочего органа, влияющие на распределение и ввод в зерновой слой сушильного агента. К ним необходимо отнести следующие факторы: - конструктивные: коэффициент живого сечения верхней (Xi) и нижней (Х2) газораспределительных перегородок; угол наклона нижней газораспределительной перегородки (а); - технологические: подача агента сушки (Q) в сушильный короб; высота зернового слоя (Нз.сл) на перегородке.
Для выявления характера влияния указанных факторов на равномерность выхода агента сушки из верхней и нижней перегородок (оценивали коэффициентами вариации расхода воздуха по длине перегородок: соответственно Vv и Vn), а также с целью определения рациональных технологических параметров был проведен полный пятифакторный, двухуровневый эксперимент Vv = f(H3c„;Xx;X2;Q;a), (3.2) Vn = f(H3c„;XA;X2;Q;a). (3.3) Кодирование факторов представлено в таблице П 2.1. Коэффициенты вариации определялись как Qcp.H.n., Qcp.e.n. - среднее арифметическое значение расхода воздуха по длине перегородки соответственно у верхней и нижней перегородок м /с; Проведенные поисковые опыты (методом однофакторных экспериментов) показали то, что при ширине грузонесущей перегородки сушильного короба до 600 мм неравномерность выхода воздуха по ширине перегородки находится в пределах погрешности измерений.
Расход воздуха в сечении определяли по динамическому давлению в отверстии (рис. 3.11), находящемся на оси перегородки, с учетом изменяющихся параметров окружающей среды и количества ячеек в сечении. Устанавливали и контролировали расход сушильного агента по динамическому давлению в патрубке — стабилизаторе 2 (рис. 3.12). Замеряли полное давление. Также в ходе поисковых опытов выявлены места установки трубок Пито (на рис.3.6 - показаны сечениями) и интервалы варьирования факторов (П 2.1). Опыты проводили в соответствии с принятым планом (П 2.2) и порядком их проведения. Рандомизацию проведения опытов не осуществляли в целях экономии времени. Поэтому проводили все серии опытов, которые запланированы с определенным КЖС перегородок в плане матрице эксперимента (табл. П.2.2), затем меняли перегородки и т.д.. Повторность проведения опытов изменяли от 3 до 7, чтобы относительная гарантийная ошибка опыта не превышала 10 %. Температура окружающего воздуха находилась в пределах 21,6...23,8 С, относительная влажность воздуха - 29...50 %, барометрическое давление - 101,0...102,3 кПа. Среднее значение влажности проб зерна, взятых в соответствии с ГОСТ 10839-64, составило 13,95%, коэффициент вариации 0,93 %.
Результаты исследования зависимости пропускной способности сушильного короба и его заполнения зерном от расхода агента сушки и коэффициента живого сечения активного переливного порога
Исследования проводились на ЗОСП ЗАО СП «Меленковский» Ярославской области Ярославского района в 2000...2001гг. Технологическая линия (рис. 4.15) включала в себя: приемное отделение с аэрожелобами; нории зерновые НЗ-10; ворохоочиститель ОВС-25; сушилку зерновую шахтно-аэрожелобную (выполненную по патенту № 2151983) СЗША - 1,5; машину зерноочистительную ЗВС-20А; триерный блок ЗАВ-10.90.000; бункера; топочный агрегат универсальный ТАУ-0,75; циклон.
При работе выявилось значительное количество отказов, причиной которых служило подсыпание зерна с верхней на нижнюю газораспределительную решетку сушильного короба и его «зависание» в ВРК. Удельные энергозатраты при сушке зерна пшеницы находятся в диапазоне от 39,3 до 200,9 МДж/кгисп.Вл /53/.
Анализ причин высоких удельных энергозатрат указал на газораспределительную систему сушилки. Большое количество неиспользованной теплоты агента сушки выводится из шахты вместе с сушильным агентом через нижнюю газораспределительную решетку 8 встроенных аэрожелобов (рис. 3.22), оказывая при этом слабое воздействие. Поэтому вместо указанных решеток в 2001 г. нами были установлены глухие перегородки, а для удаления просыпавшегося зерна через перфорацию 7 в 1- автомобильный разгрузчик ГУАР-15Н (П); 2- приемное отделение с аэрожелобом; 3,5,8,13- нории НЦ-10; 4- ворохоочиститель ОВС-25; 6-аэрожелобная зерносушилка СЗША -1,5; 7-машина зерноочистительная ЗВС-20А; 9-три-ерный блок ЗАВ - 10.90.000; 10-бункера; 11-топочный агрегат ТАУ-0,75; 12-циклон; 14-делитель потока. конце каждого аэрожелоба между перегородками 7 и 8 . был сделан технологический зазор - 15 мм. Вместо перфорированных стенок шахты, с целью уменьшения аэродинамического сопротивления системы были сделаны газоотводящие короба. Эти конструктивные изменения позволили значительно повысить надежность протекания технологического процесса и значительно уменьшить удельные энергозатраты. Наименьшие энергозатраты (табл. 4.1) -4,1 МДж/кгиспвл соответствуют следующим режимным параметрам: расход агента сушки Q = 1,09 м3/с; температура агента сушки t = 80 С, при пропускной способности сушилки W = 630 кг/ч. Всхожесть зерна в этом режиме составила 75%.
Наименьшие энергозатраты 4,72 МДж/ кгиспвл, при которых снижение всхожести зерна не происходит, наблюдаются при следующих параметрах процесса Q = 2,76 м3/с; ta.c. = 80 С; W = 850 кг/ч. Наилучшие качественные показатели - всхожесть - 96 % (при всхожести зерна, поступающего в сушилку - 95%) достигаются при Q - 1,18 м /с; t = 60 С; пропускной способности сушилки W = 630 кг/ч. При этом удельные энергозатраты возрастают в 1,59 раза.
Результаты определения экономической эффективности технологии сушки зернового вороха с использованием аэрожелобной зерносушилки СЗША-1,5 Экономический эффект от использования аэрожелобной зерносушилки может быть достигнут главным образом за счет снижения удельных энергозатрат на испарение одного килограмма влаги при сохранении качественных показателей высушиваемого материала.
Проведем сравнительный анализ экономической эффективности работы аэрожелобной зерносушилки с лучшими на данный момент по технико-экономическим показателям (табл. 4.2) карусельной сушилкой «Тверца» и шахтной зерносушилкой С-10. Расчет экономической эффективности проводили с использованием известных методик и рекомендаций /35; 39; 70/.
