Содержание к диссертации
Введение
І. Современное состояние процесса охлаждения зерна атмосферным воздухом 11
1.1. Охладительные устройства, применяемые в зерносушилках 11
1.2. Эффективность работы охладительных устройств зерносушилок 22
1.3. Особенности искусственного охлаждения зерна и анализ возможностей интенсификации процесса 27
1.4. Повышение эффективности процесса охлаждения зерна 37
1.5. Оценка условий послеуборочной обработки зерна на примере лесостепной зоны Сибирского региона 40
1.5.1 Характеристика производства зернового материала поступающего на послеуборочную обработку зерна в Сибири 46
1.5.20сновные свойства зерна как объекта послеуборочной обработки , 49
1.6.Основные выводы из анализа состояния вопроса, цель и задачи исследования 57
2. Аналитические исследования процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания 60
2.1 . Аэродинамикие характеристики закрученного потока 60
2.1.1 .Аэродинамические свойства однофазного закрученного потока 60
2.2.2.Аэродинамические свойства двухфазного закрученного потока 67
2.2.Время пребывания материала в аппарате 72
2.3.Исследование конвективного теплообмена в аппаратах с закрученным потоком 74
2.4.0пределение основных характеристик закрученного течения в камере вихревого охладителя 80
2.5. Методы расчета процесса охлаждения зерна 89
2.6. Математическая модель процесса охлаждения сыпучих материалов в вихревом потоке 97
2.7.Выводы аналитических и задачи экспериментальных исследований 103
3. Программа и методика экспериментальных исследований вихревого охладителя 105
3.1. Программа экспериментальных исследований 105
3.2. Описание и техническая характеристика экспериментальной установки 106
3.3. Методика исследований аэродинамики установки с закрученным воздушным потоком 109
3.4. Методика определения продолжительности пребывания зернистого материала в аппарате закрученного потока 111
3.5. Методика определения влажности сыпучих материалов в процессе охлаждения 112
3.6. Методика определения закономерности изменения температуры зерна во времени при больших скоростях обтекания его наружным воздухом 113
3.7. Методика определения степени травмирования зерна 115
3.8. Приборы и оборудование, применяемые при проведении экспериментальных исследований 117
4. Результаты экспериментальных исследований 119
4.1. Основные закономерности процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания 119
4.1.1. Температурная кривая 118
4.1.2. Продолжительность охлаждения 122
4.1.3. Зависимость коэффициента теплоотдачи 123
4.1.4. Критериальная зависимость 125
4.2. Аэродинамика рабочей камеры и воздухоподводящих коллекторов вихревого охладителя 127
4.3. Изменение влажности зерна в процессе охлаждения 132
4.4. Определение продолжительности пребывания
зернистого материала в аппарате закрученного потока 134
4.5.Травмирование зерна в вихревом охладителе 136
4.5.Основные выводы по результатам
экспериментальных исследований 137
5. Технико-экономическое обоснование вихревого охладителя ...139
5.1. Расчет оптовой цены 139
5.2. Расчет экономической эффективности 144
Общие выводы 147
Список использованной литературы 149
Приложения 166
- Охладительные устройства, применяемые в зерносушилках
- Аэродинамикие характеристики закрученного потока
- Описание и техническая характеристика экспериментальной установки
- Основные закономерности процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания
Введение к работе
В системе мероприятий, обеспечивающих сохранение качества зерна, наряду с сушкой, очисткой, активным вентилированием важную роль играет охлаждение. Оно проводится с целью замедления физиолого-биохимических процессов, которые могут привести к потерям, порче зерна и снижению качества получаемого из него продукта.
Однако применяемый в настоящее время способ искусственного охлаждения зерна в силосах элеваторов и на складах с помощью существующих установок активного вентилирования недостаточно эффективен. Охлаждение зерна в плотном неподвижном слое большой толщины неэффективно вследствие больших энергетических затрат на продувание слоя, высокой неравномерности охлаждения, значительных потерь холода, обусловленных утечками воздуха, наличия невентилируемых (застойных) зон и большой продолжительности процесса.
Перспективным является охлаждение зерна в потоке. Достоинство этого метода в сравнении с охлаждением зерна в силосах элеваторов и складах на установках активного вентилирования заключается в устойчивости технологического процесса, снижении продолжительности и неравномерности охлаждения зерна, более рациональным использовании емкости зернохранилищ.
Причинами того, что эти достоинства пока не реализованы, являются недостаточная изученность процесса искусственного охлаждения зерна, отсутствие надежной методики оценки эффективности установок для охлаждения зерна и небольшой опыт использования холодильной техники на хлебоприемных предприятиях.
Наиболее прогрессивным является технология обработки зерна, включая его сушку до 16-17% и последующее охлаждение до +10°С при одновременном снижении влажности до 15-15,5%. Это обеспечивает сохранение качества зерна и увеличение выхода ядра зерна при переработке в крупу за счет снижения дробленного. Внедрение такой технологии сдерживается из-за отсутствия специальных аппаратов для его осуществления. При разработке охладителей необходимо учитывать свойства зерна как объекта обработки: подверженность трещинообразованию и низкую тепло- и влагопроводность.
Исходя из современных тенденций развития техники и технологии послеуборочной обработки зерна необходимо создавать высокопроизводительные непрерывно действующие установки. Разработка и создание таких установок возможны лишь на базе теоретического и экспериментального исследования процесса охлаждения зерна, изыскания рациональных режимов охлаждения, разработки методики оценки эффективности установок, а также проведения оптимизации установок с учетом экономических показателей.
Новые экономические условия, возникшие в Российской Федерации в последние годы, поставили перед учеными и промышленностью задачу создания высокоэффективного оборудования нового класса.
Рыночные изменения в сельскохозяйственном производстве нашей страны, прошедшие за последние десять лет, требуют коренных преобразований в послеуборочной обработке зерна.
В современных экономических условиях АПК создает новую инфраструктуру - переработку сельскохозяйственного сырья в местах его производства на основе известных технологий переработки зерна
В условиях перехода экономики к рыночным отношениям от сельскохозяйственных предприятий требуют не только производство зерна, но и его переработку и реализацию.
В предыдущие годы основное внимание государством уделялось созданию высокопроизводительных специализированных предприятий по очистке и переработке зерна.
Зерно, выращенное на полях, до превращения его в готовый хлеб проходит очень длинный и сложный путь. Выращенный урожай необходимо убрать, обработать и сохранить. В Западной Сибири ежегодно зерновыми и зернобобовыми засеивается 9,3 млн. га, в Восточной Сибири ежегодно 3,2 млн. га. Валовый сбор зерна в Сибири составил за последнее время около 12,3 млн.т., т.е почти 15...18 % от общероссийского производства.
Послеуборочная обработка в себестоимости зерна составляет около 40%, а затратах труда более 50%. Поэтому послеуборочная обработка и хранение зерна являются неотъемлемой составной частью зернового производства.
Своевременная уборка и обработка зерна в Сибири затруднена неблагоприятными природно-климатическими условиями, нехваткой техники и трудовых ресурсов в уборочный период. Слабая оснащенность хозяйств Сибири поточными линиями для обработки зерна, зерносушильной техникой и средствами для временной консервации свежеубранной зерновой массы на токах резко снижают темпы уборки, растягивают её сроки и увеличивают потери урожая. Бывают условия, когда часть хлебов попадает под снег из-за ранних заморозков.
Сибирь является одним из крупных регионов по производству зерна. Её зерновое поле превышает 15 млн.га. Географическое положение Сибири обуславливает особенности её климата. В южной части, где размещены основные посевные площади, как и на большей территории региона, он резко континентальный. Разница средних температур самого холодного /января/ и наиболее теплого /июля/ месяцев колеблется от + 36 до - 68 °С.
Короткий безморозный период в зерносеющих регионах Сибири колеблется в пределах 72-120 дней, сокращаясь с запада на восток и с юга на север. Длительность вегетации основных зерновых культур у раннеспелых /ячмень, овес/ 75-30 и позднеспелой пшеницы - 80-120 дней. В некоторые годы наступление первых осенних заморозков до начала полной спелости зерновых приводит к значительным потерям и снижению качества зерна. Количество осадков в сельскохозяйственной зоне степи и лесостепи сравнительно невелико - 250-350 мм за год. Однако большая часть /около 40%/ выпадает с июля по сентябрь, то есть в период налива, созревания и уборки хлебов, что значительно ухудшает условия для равномерного достижения спелости зерна, его уборки и обработки.
Позднее вызревание основной зерновой культуры региона - пшеницы, удельный вес которой в посевах зерновых Сибири составляет 60-70%, выпадение большого количества осадков в период уборки, низкие темпы уборки и обработки урожая приводят к значительным и невосполнимым потерям.
В послеуборочной обработке зерна одной из важных и ответственных операций является сушка. Значение сушки возрастает в тех регионах страны, и особенно в Сибири, где большая часть зерна поступает на обработку в переувлажненном состоянии. Так, в условиях Сибири 3-4 года из десяти являются неблагоприятными для проведения уборочных работ и только раз в десять лет средняя влажность зерна при уборке достигает кондиционной величины. Поэтому становится понятной особая значимость вопросов очистки и сушки всего собранного урожая в хозяйствах Сибири. Важнейшим условием снижения потерь при обработке и качественной работе зерносушилок является обеспечение эффективного охлаждения свежеубранного и просушенного материала. По экспертным оценкам, потери зерна в России ежегодно составляют не менее 20 млн.т.
Охлаждение зерна - важнейшая завершающая операция при его сушке и хранении. Однако современные охладительные устройства, используемые в зерносушилках, не отвечают необходимым требованиям, как по производительности, так и эффективности охлаждения: зерно на обработку подается, в основном, плотным слоем, очень малы значения скорости обтекания и порозности слоя, недостаточна удельная подача охлаждающего воздуха.
Исследования последних лет в области зерносушения были направлены на интенсификацию и оптимизацию процесса сушки и нагрева зерна. Значительно меньше внимания уделялось изучению процессов охлаждения зерна после сушки и определению способов повышения эффективности этих процессов. На сегодня недостаточно изучены свойства зерна как объекта охлаждения, существует мало методов расчета и режимов процесса. До сих пор не решен вопрос о рациональной конструкции охладительных устройств.
Совершенствованием процесса охлаждения зерна занимаются многие научные учреждения страны. Их исследования показали, что интенсификация данного процесса возможна при использовании больших скоростей обдува зерна атмосферным воздухом. Однако еще недостаточно изучен процесс теплообмена при таких условиях, не предложены эффективные методы и технические средства для их обеспечения.
Значительного повышения скорости обтекания до значений, близких к скорости витания зерна и высокой порозности слоя, практически невозможно достигнуть в существующих охладительных устройствах, так как обработка зерна в них производится в плотном или малоразрыхленном слоях. Проведенный поиск возможных методов обработки и технических средств, значительно ускоряющих тепловые процессы, позволил выявить два способа, сущность которых заключается в охлаждении зерна посредством ввода его в высокоскоростной закрученный воздушный поток или же в метании его с большой начальной скоростью в неподвижную окружающую среду.
Сложившиеся обстоятельства требуют проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по изысканию путей повышения эффективности эксплуатируемых зерноочистительных машин, обоснования применения более приспособленной к региональным условиям зерносушильной и охладительной техники.
Решение этих задач является актуальной научной проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.
В главе 1 рассмотрены известные типы охладительных устройств, применяемых в современных зерносушилках, и произведен анализ эффективности их работы. Намечены пути дальнейшей интенсификации процесса охлаждения зерна за счет повышения скорости обдува и разрыхления зернового слоя. На основании проведенного обзора и анализа предыдущих работ сделаны выводы, сформулирована цель работы, заключающаяся в изыскании путей интенсификации процесса охлаждения зерна после сушки с использованием больших скоростей обтекания его наружным воздухом, поставлены общие задачи исследования.
В главе 2 изложены результаты аналитических исследований процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания его наружным воздухом.
В главе 3 приведены частные методики экспериментальных исследований по определению оптимальных конструктивных, кинематических и технологических параметров вихревого охладителя, дано описание и техническая характеристика.
В главе 4 изложены результаты экспериментальных исследований вихревого охладителя по охлаждению зерна при больших скоростях обдува, основные выводы.
В главе 5 приведены расчеты экономической эффективности применения вихревого охладителя.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
1. Результаты аналитических исследований процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания.
2. Методики определения основных показателей процесса охлаждения зерна в закрученном воздушном потоке.
3. Результаты экспериментальных исследований процесса охлаждения зерна при больших скоростях обдува.
Охладительные устройства, применяемые в зерносушилках
Важнейшим условием качественной работы зерносушилок является обеспечение эффективного охлаждения просушенного зерна. От надежной работы охладительных устройств сушилок зависит качество просушенного зерна /22/.
В настоящее время для охлаждения зерна после сушки используются следующие охладительные устройства: - шахтные, являющиеся продолжением сушильной части шахтных сушилок; - колонковые с цилиндрическими перфорированными стенками; - барабанные, аналогичные по своей конструкции сушильным барабанам.
Шахтные охладительные камеры встроены в шахтные сушилки и расположены ниже сушильных частей шахты. Охлаждение просушенного зерна в них осуществляется в плотном слое при порозности 0,37 и скорости фильтрации наружного воздуха 0,3-0,6 м/с.
На рис. 1.1 представлена шахтная сушилка Т-662, Сушилка состоит из трубопровода отработавшего воздуха 1, загрузочного бункера 2, трубопровода теплоносителя 3, вентилятора теплоносителя 4, клапан 5, воздухоподогревателя 6, термометра 7, разгрузочной секции 8, охладительной секции 9, запорного приспособления 10, вентилятора охлаждения 11, сушильной секции 12, заслонок 13,14, 15,21, дымовой трубы 16, калорифера 17, камеры сгорания 18, рычага 19, колосника 20.
Нижняя секция сушилки образует охладительную камеру. Между сушильной и охладительной камерами имеется отделительная зона, представляющая собой прямоугольную секцию с одним рядом горизонтальных треугольных коробов. Щели между коробами закрываются и открываются при помощи жалюзи. Через эти щели просушенное зерно проходит в охладительную секцию и охлаждается наружным воздухом, который всасывается осевым вентилятором. Охлажденное зерно поступает в разгрузочную секцию, а оттуда удаляется наружу. Все шахтные охладительные устройства работают периодически.
В последние годы более широко стали использоваться выносные охладительные устройства, позволяющие снизить габариты и металлоемкость зерносушилок. К такому типу устройств можно отнести охладительную колонку, представленную на рис. 1.2. Охлаждение зерна в ней производится в плотном слое при тех же параметрах, что и в шахтных охладителях. Колонка включает в себя станину 1, накопительный бункер 2, мотор-редуктор 3, шлюзовой затвор 4, заслонку При работе ее пространство между перфорированными цилиндрами заполняется нагретым зерном. В результате работы вентилятора во внутренней полости малого цилиндра создается разрежение, под действием которого наружный воздух проходит через отверстия стенок наружного цилиндра в слой зерна, охлаждая его, поступает во внутренний цилиндр и далее вентилятором выбрасывается наружу. Если уровень зерна будет выше допустимого, то избыток его будет сбрасываться не охлажденным по трубе контрольной сыпи. Поэтому на колонке установлены два датчика — верхнего и нижнего уровней зерна. Мотор-редуктор, приводящий во вращение шлюзовый затвор, включается и выключается автоматически при срабатывании, соответственно, верхнего или нижнего датчика. Охлажденное зерно периодически удаляется через шлюзовый затвор. Охладительные колонки просты в эксплуатации и требуют значительно меньше времени на монтаж. Поэтому они получили наибольшее применение в сельскохозяйственных зерносушилках, устанавливаемых в зерноочистительно-сушильных комплексах.
Более прогрессивным приемом по сравнению с охлаждением зерна в плотном слое можно считать обработку его в разрыхленном слое. Теория и практика тепловых процессов доказывают, что переход от плотного слоя к разрыхленному ведет к ускорению процесса за счет повышения скорости обтекания. Направление развития конструкции охладительных устройств, в которых обработка зерна производится в разрыхленном слое, является перспективным. Для разрыхления зернового слоя в охладителях применяют вращающийся барабан с лопатками на внутренней поверхности, вибрацию и воздух.
Рассмотрим барабанный охладитель, применяющийся в передвижной барабанной зерносушилке СЗПБ-2,0. Сушилка (рис. 1.3.) состоит из загрузочного шнека, регулируемого впуска наружного воздуха 2,
Аэродинамикие характеристики закрученного потока
Изучение механики потоков с поперечной циркуляцией представляет большой научный и практический интерес.
Под циркуляционными потоками понимают потоки, движущиеся по винтовой траектории. Решающая роль в формировании таких потоков принадлежит инерционным, центробежным силам.
В общем случае поле скоростей циркуляционного потока определяется тремя компонентами вектора скорости Wj, W2, W3 в некоторой криволинейной системе координат qi, Ц2, дз При этом для стационарного потока
Поток, в котором все три компоненты скорости являются функциями двух координат (q} и q2) и не зависят от третьей q3, называют двухпараметрическим. Тогда система (2.1) представляется следующим образом:
Двухпараметрические потоки принципиально отличаются от двумерных потоков, последние характеризуются равенством нулю одной компоненты скорости.
Введение представления о двухпараметрических потоках представляет особый интерес при изучении циркуляционных потоков. К двухпараметрическим задачам относятся большинство практически разрешимых граничных задач теории циркуляционных потоков ( в их число входят все осесимметричные задачи). Начало теории циркуляционных или винтовых потоков положил в 1881 году профессор Казанского университета И.С. Громека /64/. Автор проводил свои исследования опираясь на только появившееся тогда работы Н. Ламба и Н.Е.Жуковского. Он преобразует уравнения Ламба, выражая их в ортогональной криволинейной системе координат, исследует в этой системе координат поток жидкости, компоненты скорости которого W\, W2, Wi , а также сумма потенциала внешних объемных сил V в отношении давления Р к плотности p(V+P/p) зависят только от двух координат q} и д2. При этом на систему координатных поверхностей были наложены условия: Интересной особенностью осесимметричных потоков, подчиняющихся приведенным уравнениям, является выполнение закона площадей для окружной скорости: Wv-r = const. (2.14) На каждой поверхности y/=const, как это видно из уравнения.
Экспериментальные исследования аэродинамики вихревых потоков в реальных условиях, особенно в кольцевом пространстве (циклонные камеры), выявили сложный профиль распределения составляющих скорости газового потока.
Исходя из опытных данных большинства исследователей в этой области /78, 89, 128, 179/, можно указать на существование трех основных зон изменения тангенциальной (окружной) скорости по радиусу аппарата {w9=wty. 1. Зона квазитвердого вращения потока, что аналогично вращению твердого тела вокруг оси аппарата: W Wt = со-г или — = т = const. (2.15) г Здесь (о - угловая скорость вращения потока; г- текущий радиус, отсчитанный от оси вращения потока. 2. Зона потенциального вращения потока, где изменение тангенциальной скорости происходит по закону:
Изменение радиальной и осевой скорости ( WT и Wz) по радиусу аппарата также имеет профиль и может иметь несколько максимумов и минимумов, что указывает на существование токов вдоль оси по радиусу циклонных аппаратов /115/.
Существует ряд зависимостей для определения составляющих вектора скорости потока, основанных на тех или иных представлениях механизма движения потока /36, 78/ и включающих в себя ряд коэффициентов, определяемых опытным путем.
Характерной особенностью аэродинамики циклонных потоков является их автомодельность. Расположение и протяженность характерных зон потока могут быть описаны безразмерными характеристиками:
Автомодельность потока подтверждается рядом работ /14, 43, 75, 78, 120/.
Таким образом, можно считать установленным, что имеются общие закономерности характера изменил скоростного поля потока в циклонных аппаратах, причем абсолютные значения составляющих вектора скорости зависят главным образом от геометрических соотношений камеры и ее конструкции. Автомодельность потока дает возможность распространить данные аэродинамических исследований модели на образец.
Экспериментальные исследования распределения тангенциальной скорости по вертикали аппарата показали, что происходит ее уменьшение по мере удаления от решетки, и это указывает на затухание закрутки газового потока /62/. В результате обработки экспериментальных данных предложена следующая зависимость:
Описание и техническая характеристика экспериментальной установки
Поскольку предметом экспериментальных исследований является установление закономерностей процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания, а объектом служит вихревой охладитель, то программой исследований предусмотрено следующее: 1. Создание лабораторной установки вихревого охладителя. 2. Определение основных конструктивных, кинематических и технологических параметров установки. 3. Экспериментальное обоснование возможности интенсификации процесса охлаждения зерна при больших скоростях обдува его наружным воздухом.
Для всесторонней проверки теоретических предпосылок, изложенных во второй главе настоящей работы, и в строгом соответствии с намеченной программой нами были разработаны частные методики экспериментальных исследований, к которым предъявляются следующие требования. 1. Метод должен отвечать поставленной цели, а сформулированные задачи должны решаться простым и коротким путем. 2. Метод должен соответствовать современным представлениям о механизме явления, так как формальные методы, не учитывающие требований теорий, легко могут привести к ошибочным результатам. З.Метод должен давать возможности строгого контроля всех факторов для обеспечения воспроизводимости результатов эксперимента.
На основании проведенных ранее рядом авторов /13, 42, 56, 79, 122,126, 130, 171, 172, 176/ исследований процесса охлаждения зерна в закрученном воздушном потоке нами была разработана и изготовлена экспериментальная установка с закрученным воздушным потоком (рис.3.1). Новизна её конструкции защищена патентом /6/. Экспериментальная установка вихревого охладителя для сыпучих материалов (рис.3.2) содержит приемный бункер 1, расположенный на верхнем воздухоподающем коллекторе 2, для подачи нагретого зернистого материала. Охлаждающий наружный воздух нагнетается по нижнему воздухоподающему коллектору 3, связанному с газоподающим устройством 4. Между воздухоподающими коллекторами 2 и 3 расположена верхняя часть 5 рабочей камеры, имеющая форму усеченного конуса с высотой, равной 1/3 общей высоты рабочей камеры, и углом при вершине, равным 60. Под нижним воздухоподающим коллектором 3 расположена нижняя часть 6 рабочей камеры, имеющая форму параболоида вращения, причем дно камеры выполнено вогнутым внутрь в виде торовой поверхности, вследствие чего внутри камеры образован выступ 7 с плавно сужающимся концом. Вихревая камера содержит расположенный на её оси газоотвод 8, нижняя часть которого выполнена в виде усеченного конуса 9 для более полного выхода отработанного материала с отработанным воздухом. Диаметр нижнего основания конуса 9 составляет 2,0-2,5 диаметра газоотвода 8. По внутренней стенке верхней 5 и нижней 6 частей рабочей 107 камеры установлена спираль 10 под углом 25-35 , ширина которой составляет 0,1 диаметра нижней части рабочей камеры. Аппарат также содержит разгрузочное устройство 11 в виде осадочной камеры с перфорированной крышкой, расположенной над газоотводом 8.
Вихревой аппарат работает следующим образом. Нагретый зернистый материал подают воздушным потоком из бункера 1 через верхний воздухоподающий коллектор 2 в верхнюю часть 5 рабочей камеры на спираль 10 навстречу вихревому воздушному потоку, образованному газоподающим устройством 4, куда нагнетается по нижнему воздухоподающему коллектору 3 охлаждающий наружный воздух.
В верхней части 5 рабочей камеры происходит интенсивное охлаждение нагретого зернистого материала за счет высоких скоростей обдува, возникающих при встречном движении вихревого потока и зернистого материала. При дальнейшем движении частиц материала вниз по спирали 10 в верхней части 5 рабочей камеры навстречу воздушному потоку происходит их торможение до состояния покоя, а затем зерна увлекаются воздушным потоком и направление их движения по спирали 10 в нижней части 6 камеры совпадает с направлением вращения вихревого потока, где и осуществляется окончательное охлаждение зернистого материала. Охлажденные частицы материала постепенно опускаются на дно рабочей камеры 6, где под действием аэродинамической силы поднимаются наверх, скользя по выступу 7, и увлекаются потоком отработанного воздуха, поступающего в конусную часть 9 газоотвода 8 вихревого аппарата. По газоотводу 8 отработанный материал поднимается с отработанным воздухом до разгрузочного устройства 11, выполненного в виде осадочной камеры, посредством пневмотранспортирования, где материал оседает и удаляется наружу. Тем самым обеспечивается подача охлажденного материала для дальнейшей обработки.
Основные закономерности процесса охлаждения зерна при больших скоростях обтекания
При исследовании процесса теплообмена, происходящего в вихревом охладителе, очень важно знать аэродинамику его рабочей камеры. Изучение аэродинамики различных вихревых аппаратов и циклонных камер, выполненное ранее другими исследователями /56, 57, 90, 103, 115, 129, 139/, показало, что значение тангенциальной составляющей абсолютной скорости закрученных потоков на порядок больше, чем осевой и радиальной. Причем она показывает решающее влияние на ход теплового процесса, происходящего в таких аппаратах, по сравнению с остальными составляющими. Воздействие последних на данный процесс ничтожно мало, к тому же ещё их очень трудно учесть, и поэтому многие авторы не учитывали их при исследовании аэродинамики закрученных потоков.
Следовательно, нами было изучено распределение только тангенциальной составляющей абсолютной скорости закрученного потока в рабочей камере охладителя по методике, изложенной в разделе 3. Результаты экспериментальных исследований оформлены в виде графиков и представлены на рис.4.7- 4.14.
Среднее значение тангенциальной составляющей в целом по всей камере при рабочем режиме работы снизилось на 0,8 м/с, а динамическое давление на 14 Па. Такое снижение вызвано затратой части кинетической энергии закрученного потока на транспортировку обрабатываемого материала в рабочей камере.
Как видно из рисунков при выпускном патрубке диаметром 110 мм и при неизменном наружном диаметре рабочей камеры 440 мм не наблюдается унос полноценного зерна в отходы, и удельная подача охлаждающего воздуха, равная 11-12 кг/кг-ч, очень близки к оптимальному значению 11,3 кг/кг-ч.
Продолжительность времени пребывания зернового материала проводилось на экспериментальной установке следующим образом. В аппарат загружали некоторое количество материала, включали вентилятор и устанавливали расход воздуха, соответствующий устойчивой работе аппарата. Подача и выгрузка материала осуществлялись непрерывно, для чего установка была оснащена загрузочным бункером.
После установления стационарного режима (о чем судили по равенству весов проб, отбиравшихся в течение равных промежутков времени) в аппарат импульсно вводили определенную порцию меченных частиц, одновременно включали секундомер и через 15, 30, 60 и 120 секунд отбирали пробы.
Кривые распределения материала в аппарате по времени N-I.XN, _ , N _Л г \TCPJ представлены на рис.4.17, на рис.4.18 приведена кривая, соответствующая полному перемещению. Видно, что в исследуемом аппарате имеет место отклонение режима N — J\xN полного перемешивания. - = X - представляет собой долю материала, N оставшуюся в аппарате после времени от количества материала, загруженного в аппарат в момент х—0. Из рисунков 4.17 и 4.18 видно, что полученные опытные точки довольно хорошо ложились на кривую, соответствующую уравнению:
С целью исключения травмирования зерна нами был создан вихревой охладитель, конструкция которого защищена патентом 161. Результаты исследования травмирования зерна охладителем представлены на рис.4.19.
Как следует из рисунка 4.19, при больших скоростях обтекания от 8 до 12 м/с зерно не повреждается охладителем, а при дальнейшем её повышении её наблюдается увеличение микротравм от 0,05 до 3%.
На основании проведенных экспериментальных исследований охладительного устройства и процесса теплообмена, совершаемого при больших скоростях обтекания, нами сделаны следующие выводы:
1. Полученные экспериментальные зависимости температурной кривой, продолжительности охлаждения, коэффициента теплоотдачи и критериальной зависимости подтверждают теоретические предпосылки о возможности существенной интенсификации процесса охлаждения зерна при больших скоростях обдува, равных скорости витания зерна. Так, продолжительность охлаждения зерна составила 10-20 с, что на порядок меньше, чем при обработке его в кипящем, и в 30 раз - в плотном слоях. Темп охлаждения стал 45-60 С/мин, что в 5 раз превышает скорость обработки зерна в кипящем и в 10 раз — в плотном слоях. Коэффициент теплоотдачи достиг 116-222 Вт/м С, что в 1,5-2 раза больше, чем в кипящем, и в 3-6 раз в плотном слоях. Число Нуссельта, характеризующее интенсивность теплообмена, равно 20, что в 2-3 раза больше, чем в кипящем, и в 10 раз - в плотном слоях.
2. Из всех параметров, таких, как приведенный диаметр зерновки, скорость обтекания, температура, теплопроводность и кинематическая вязкость наружного воздуха, влияющих на длительность теплообменного процесса, наибольшее воздействие оказывает скорость обдува зерна наружным воздухом.
3. Рациональными конструктивными, кинематическими и технологическими параметрами охладителя являются: - удельная подача охлаждающего воздуха в рабочую камеру вихревого охладителя, равная 11-12 кг/кг ч; - диаметр выпускного патрубка, равный 110 мм при наружном диаметре рабочей камеры вихревого охладителя 440 мм.
