Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ 18
1.1. Агротехнические и технологические требования,
предъявляемые к сушке зерна как биологическому объекту 18
1.2. Анализ исследований структуры, физико-механических свойств
зерна и зернового вороха 20
Анализ исследований структуры зерна и зернового вороха 20
Анализ исследований теплофизических свойств зерна и зернового вороха 25
Взаимодействие воздуха с зерном .....29
Аэродинамическое сопротивление зернового вороха 31
Способы сушки зерна 35
Анализ существующих технологий сушки зерна 42
Пути интенсификации процесса сушки зернового вороха 54
Анализ существующих конструкций охладительных устройств зерносушилок и пути интенсификации процесса охлаждения зерна
после сушки 64
2. ТЕОЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПСЫЛКИ К СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
ПРОЦЕССА РАБОТЫ И ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЖЕЛОБНЫХ
УСТРОЙСТВ СУШКИ, ОХЛАЖДЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 72
2.1. Разработка модели смещения зерна в сушильном коробе под
действием агента сушки 72
Состояние слоя зерна при сушке на аэродинамических установках....74
Теоретическое обоснование разделения зернового вороха по фракциям агентом сушки 77
2.1.3. Теоретические предпосылки к определению средней порозности
кипящего слоя 87
2.2. Теоретическое обоснование конструктивных и технологических
параметров газораспределительной системы аэрожелобной сушилки 91
Определение аэродинамического сопротивления газораспределительного канала и газораспределительной перегородки сушильного короба 91
Определение необходимого динамического напора агента сушки 98
Обоснование общей протяжённости газораспределительной
системы сушильных коробов 100
Обоснование метода оценки влияния технического состояния газоподводящеи системы на изменение гидравлического сопротивления агенту сушки 107
Теоретическое определение распределения температуры сушильного агента при постановке нагревательных элементов внутрь воздухораспределительного канала сушильного короба 108
Теоретическое обоснование конструктивных параметров переливного порога сушильного короба аэрожелобной зерносушилки 112
Режим работы выпускного устройства и его влияние на технологические показатели работы сушильного короба 119
Теоретическое обоснование эффективности применения рециркуляции сушильного агента и количества циклов его использования 130
Термодинамический метод расчета производительности,
энергозатрат и КПД сушилок 139
3. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДИК В
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ. ПРИБОРЫ И
АППАРАТУРА 148
Программа и общие положения методики 148
Методика исследований 150
Методика определения влияния влажности зерновки на ее аэродинамические свойства 151
Методика планирования эксперимента по определению влияния основных технологических и конструктивных параметров на аэродинамическую характеристику сети последовательно работающих аэрожелобов 152
Методика исследования влияния режима работы выпускного устройства, расхода воздуха, поступающего в сушильные короба, влажности зернового вороха на: высоту зернового слоя; степень ожижения зерна в сушильных коробах; потери давления в системе; производительность установки по выгрузке материала 156
Методика определения рационального сочетания параметров аэродинамической установки с последовательно работающими сушильными коробами в непрерывно-периодическом и непрерывном режимах ее работы 160
Экспресс - метод определения степени ожижения зернового слоя
в потоке 160
Методика управления влажностью зерна 169
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 сушильного короба 170
Исследование влияния высоты сплошного переливного порога на распределение зернового слоя в аэрожёлобном сушильном коробе 172
Методика исследования зависимости пропускной способности сушильного короба и его заполнения зерном от расхода агента сушки и коэффициента живого сечения активного переливного порога 175
3.2.10. Методика определения относительной скорости смещения слоев
зерна в сушильных коробах аэрожелобной зерносушилки в зависимости
от конструктивных и технологических факторов 178
Исследование влияния живого сечения жалюзийного переливного порога на распределение зернового слоя в сушильном коробе 182
Исследование влияния режима подачи зерна в аэрожёлобньш сушильный короб на характеристику и состояние зернового слоя в коробе 183
Описание экспериментальной установки охладителя зерна 188
Порядок проведения экспериментальных исследований охлаждения зерна аэрожелобом 192
Определение температурного перепада в зерновой массе при ее охлаждении в процессе транспортирования 194
Методика проведения ведомственных испытаний обработки зернового вороха на аэродинамической установке с последовательно работающими сушильными коробами в периодическом режиме ее
работы 197
3.2.17. Методика проведения ведомственных испытаний шахтной
аэрожелобной сушилки с последовательно работающими сушильными
коробами 201
3.2.17.1. Методика определения изменения влажности сушильного
агента в процессе сушки 208
3.2.17.2. Методика определения энергетических, качественных и
экономических показателей работы модуля шахтной аэрожелобной
сушилки 210
3.2.18. Методика проведения ведомственных испытаний охладителя
зерна аэрожелобного типа 212
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЖЕЛОБНЫХ УСТРОЙСТВ СУШКИ,
ОХЛАЖДЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 213
4.1. Определение влияния основных технологических и конструктивных
параметров на аэродинамическую характеристику сети последовательно
работающих аэрожелобов 213
Исследование влияния режима работы выпускного устройства, расхода воздуха, влажности зернового вороха на технологические параметры последовательно работающих аэрожелобов 216
Определение области рационального сочетания параметров аэродинамической установки с последовательно работающими сушильными коробами в непрерывно-периодическом и непрерывном режимах ее работы 230
Сопоставление (тарирование) полученных значений ожижения зернового вороха в процессе обработки на аэродинамической установке методом «просвечивания» зернового слоя и классическим способом 232
Корреляционно-спектральный анализ влияния технологических факторов на состояние зернового слоя при его обработке в сушильном коробе 235
Определение влияния влажности зерновки на ее аэродинамические свойства 238
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 241-
Корреляционный анализ оценки влияния характеристик воздушного потока на формирование потока зерна аэрожелобом 246
Влияние конструктивно-технологических факторов на характеристики зернового слоя, пропускную способность
аэрожелобного сушильного короба 247
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОВЕРКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 266
5.1. Результаты ведомственных испытаний устройства для
вентилирования и транспортирования зернового вороха 266
Результаты ведомственных испытаний эффективности сушки зерна на аэрожелобной сушилке с обособленными желобами. Направления совершенствования процесса 269
Результаты ведомственных испытаний сушки зерна на аэрожелобной шахтной сушилке со встроенными сушильными
коробами. Направления совершенствования процесса 273
Результаты исследования процесса охлаждения зерна после сушки в охладителе аэрожелобного типа 289
Основные результаты приемочных испытаний сушилки
универсальной шахтной аэрожелобной СУША-4 304
6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 319
Эффективность сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов на технологических линиях, оборудованных разработанными машинами 321
Результаты анализа эффективности сушки зерна в различных сушилках 324
Энергетический анализ эффективности применения технологии сушки зерна в различных сушилках. Рейтинг аэрожелобной сушилки СУША-4 325
Определение экономической эффективности применения различных технологий сушки зерна 330
6.3. Использование результатов исследований в учебном процессе 335
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 337
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 342
ПРИЛОЖЕНИЯ 375
Введение к работе
Актуальность проблемы. Зерно злаковых культур в виде продуктов его переработки является главной составляющей продуктов питания человека. Среднегодовое производство зерна в мире с площади около 750 млн. га составляет почти 2,072 млрд. тонн. Из общего мирового урожая зерна свыше 500 млн. тонн используется в качестве кормового зерна [345].
По оценкам ООН численность населения ежегодно растет, особенно в странах Азии, Африки и Латинской Америки. Если в 1978г. в мире насчитывалось около 4,2 млрд. человек, то сегодня нас уже 6,5 млрд. При этом 470 млн. человек страдают от недоедания.
Страны с благоприятными природно-климатическими условиями, такие как США, Канада, Австралия производят свыше 1000 кг зерна на душу населения (таблица 1) и являются экспортерами на мировом рынке. Такое положение позволяет им, особенно США, устанавливать цены на мировом рынке и использовать экспорт зерна как «продовольственное оружие» для достижения политических целей.
Рассматривая значение и роль зерна как пищевого продукта можно сделать вывод, что зерно удовлетворяет самые основные потребности человека и имеет глобальное стратегическое значение, так как обеспечение продуктами питания это важнейшая задача поддержания его жизнедеятельности.
За последние годы благодаря действию различных факторов интенсификации производства зерна, начиная от селекции и кончая способами уборки, переработки и хранения зерна, сбор зерна в нашей стране увеличился (таблица 2).
Наращивание производства зерна можно осуществлять и далее. В первую очередь, за счет более полного использования площадей,
Таблица 1
Производство зерна (пшеница) в странах мира в 2003г. [344]
Таблица 2 Производство зерна в РФ [277;293]
пригодных для земледелия. Во-вторых, за счет интенсивных технологий возделывания, обработки почвы, внесения удобрений, использования более продуктивных сортов зерновых культур. В-третьих, за счет
сокращения потерь зерна в процессе его послеуборочной обработки и хранения.
По имеющимся данным' [45, с.1; 111; 93, с.4] в структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30...60 %, в структуре себестоимости - до 40%. Следовательно своевременная и качественная послеуборочная обработка - один из путей сокращения потерь зерна, улучшения его семенных и продовольственных свойств.
В увлажненной зоне главная и наиболее ответственная операция послеуборочной обработки - сушка зернового материала. Отсутствие своевременной обработки может привести к большим потерям. Так при влажности зернового вороха 25...28 % всхожесть семян через три дня снижается до 20 %, потери сухого вещества при влажности зерна 37 % составляют 0,7...1 % за сутки [121, с.34].'
В целом по стране необходимо подвергать сушке 40...45 % собранного зерна [228, с.1]. Причем объем работ зависит как от количества обрабатываемого зерна, так и от его влажности [121, с.45]. Средняя влажность зернового вороха в Нечерноземной зоне при неблагоприятных погодных условиях может достигать 25... 35 % и более, а засоренность 20...30 % [278, с.64; 128, с.27; 264, с.40; 103, с. 123].
В сумме затрат на сушку зерна на долю энергозатрат в зерносушилках различных типов приходится от 35 до 55 %, на долю топлива - около 90 % от общих затрат [194, с.79; 281; 227, с.35]. Только на подогрев сушильного воздуха в Польше расходуется около 30 ПДж энергии, в бывшей Западной Германии- 6,1, во Франции-33,1, в Италии-5,8 и Великобритании-5,6 ПДж ежегодно [81, с.95]. При отсутствии качественной очистки зерна от сорняков и примесей, значительное количество тепловой энергии при сушке идет на нагрев и удаление влаги из засорителей.
При сушке и правильном выборе диапазона температур не только не снижается качество семенного зерна, а наоборот, повышается энергия прорастания, всхожесть, качество клейковины [264, с.52; 324, с.7; 161, с.36].
Благодаря применению сушильной техники, с каждого гектара посевных площадей можно получить на 20...30 % больше питательных веществ [197, с.5]. Применение предпосевной обработки материала в зерносушилках позволяет достичь повышения урожайности зерновых культур на 10...13,2 % [ІЗ.с.13].
Проблема получения высококачественного семенного материала особенно остро стоит в настоящее время, поскольку во многих хозяйствах Костромской, Ивановской и др. областях, сушильное хозяйство в силу сложившейся экономической ситуации пришло в упадок. Существующее сушильное оборудование зерноочистительных сушильных пунктов (ЗОСП) технически и морально устарело. Восстановить его хозяйствам зачастую не по силам, поскольку требуются большие материальные и трудовые затраты. Исследованиями таких ученых, как И.В.Захарченко, С.В.Егорова, А.В.Голубковича, А.Г.Чижикова и других, установлено, что получение качественного семенного материала на зерносушилках типа СЗШ-16, СЗСБ-4, в бункерах активного вентилирования типа БВ-40, переоборудованных для сушки семян (а именно такие наиболее распространены в Нечерноземной зоне) представляет большие трудности.
Зерновой ворох при поступлении на ЗОСП в течение уборочного сезона может иметь большой разброс основных параметров состояния. По данным И.В. Захарченко [121], влажность отдельных зерен даже на Кубани в начальный период уборки урожая колеблется от 10 % до 50 %, засоренность может достигать 30 % и более. Поэтому для получения высококачественного семенного материала необходимо иметь сушильное оборудование, которое могло бы обеспечивать гибкие режимы сушки, быструю переналадку с одного режима на другой, имело бы легкость в управлении, простоту конструкции, надежность соблюдения параметров заданного технологического процесса, иметь невысокую стоимость.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых доказано, что одним из главных направлений повышения качественных показателей семян
является совершенствование технологии обработки путём сушки зерна во взвешенном состоянии [100, с.31; 197, с.443; 93, с.99; 264, с.80; 137, с.31].
Использование аэродинамических устройств для сушки зерна показало их эффективность [137, с.31; 278, с.67]. Однако процесс сушки зерна на аэрожелобах недостаточно глубоко исследован.
На основании изложенного можно отметить, что изучение и объяснение закономерностей в формировании слоев зернового вороха с возможным влагосъемом от начальной влажности материала более 25% до кондиционной за 1 пропуск через сушилку аэрожелобного типа и точное теоретическое решение с учетом всех факторов, оказывающих влияние на протекание технологического процесса сушки материала во взвешенном состоянии является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнена:
в соответствии с планом НИР Костромской государственной сельскохозяйственной академии "Совершенствование технологии и технических средств при послеуборочной обработке зернового вороха";
в рамках общероссийской научно - технической программы, номер государственной регистрации 01-97000-72-8. Направление работы соответствует решению задачи 01: "Обеспечить развитие научных принципов технологической политики и разработать основы построения системы технологий и машин для повышения конкурентоспособности производства сельскохозяйственной продукции, продуктивности земли и животных, экономической эффективности, ресурсосбережения и формирования товарного производства" и ее разделу 01.01.05 ' 'Применение аэродинамических устройств для сушки семян в плотном и псевдоожиженном слое";
в соответствии с заданиями департамента АПК №16-02 Костромской области на создание и внедрение в СПК им. М.Горького Костромской
области опытного образца аэрожелобной сушилки и производственные исследования его работы, > в соответствии с договорами о творческом сотрудничестве с предприятиями Ивановской и Ярославской областей.
Научная проблема состоит в поиске методов повышения эффективности функционирования аэрожелобных устройств в технологических линиях послеуборочной обработки зерна с целью получения максимального эффекта от их применения.
Объект исследования. Технологические процессы сушки, охлаждения зернового вороха в условиях его аэродинамического перемещения.
Предмет исследования. Параметры технологических процессов и аэрожелобных устройств для послеуборочной обработки зерна.
Цель исследования. Обоснование конструктивно-технологических параметров и совершенствование процесса работы аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов.
Гипотеза исследования. Если учесть особенности обработки зерна во взвешенном состоянии в аэрожелобных устройствах, а именно особенности формирования зерновых слоев в аэрожелобе и особенности тепломассообменных процессов, то это может позволить увеличить надежность и эффективность функционирования аэрожелобов в технологических линиях послеуборочной обработки зерна.
Методы исследования. В исследовании использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории эксперимента, теории тепло- и массопереноса, оригинальные авторские частные методики. Использование указанных методов основывалось на применении современных технических средств и измерительных приборов.
Научную новизну работы представляют:
термодинамический метод расчета процесса сушки, теория эффективности и кратности использования рециркуляции сушильного агента; аналитическая модель смещения зерна в сушильном коробе; теоретическое обоснование динамики движения и состояния зернового слоя в процессе обработки на
данных STATGRAPHICS Plus для Windows. Физико-механические свойства семян и показатели их качества определяли в соответствии с существующими государственными стандартами.
Научную новизну работы представляют:
термодинамический метод расчета процесса сушки, теория
эффективности и кратности использования рециркуляции сушильного
агента; аналитическая модель смещения зерна в сушильном коробе;
теоретическое обоснование динамики движения и состояния зернового слоя
в процессе обработки на аэрожелобах, конструктивных и технологических
параметров газораспределительной системы аэрожелобных сушилок;
усовершенствованные технологические схемы аэрожелобных устройств для
сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов; методика
определения состояния движущегося зернового слоя; зависимости
конструктивно-технологических параметров сушилок, охладителя зерна
аэрожелобного типа; уточненная методика расчета и результаты анализа
эффективности сушки зерна в различных сушилках. Новизна технических
решений подтверждена 9 патентами РФ.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.
Устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха внедрено в эксплуатацию в СПК «Дружба» Вохомского района Костромской области.
Разработанные и изготовленные опытные образцы аэрожелобых сушилок с обособленными сушильными коробами - АС-М-6 и шахтного исполнения - СУША-4 внедрены в эксплуатацию на зерноочистительно-сушильных пунктах: опытного поля ФГОУ ВПО Костромская ГСХА; СПК им. «М.Горького» Костромской области; ЗАО СП «Меленковский» Ярославской области; АОЗТ «Земледелец» Ивановской области.
Выгрузной рабочий орган - охладитель зерна аэродинамического типа внедрен в технологической линии сушки семян на зерноочистительно-сушильном пункте в деревне Бор Новосокольнического района Псковской области.
Результаты исследований и опыта внедрения рекомендованы НТС Департамента агропромышленного комплекса Костромской области для широкого внедрения в хозяйствах.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Костромской, Великолукской, Ивановской, Ижевской и Ярославской государственных сельскохозяйственных академиях, Санкт-Петербургском государственном университете при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 110303 и 110304.
Результаты работы используются в учебном процессе Костромской,
Великолукской, Ижевской и Ярославской государственных
сельскохозяйственных академиях, Санкт-Петербургском государственном университете при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 110303 и 110304.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных, межвузовских, региональных конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов: ФГОУ ВПО Костромская ГСХА, состоявшихся в 2000...2003 гг; Костромского государственного университета в 2001г; ФГОУ ВПО Ивановская ГСХА в 2002 гг; Научно - исследовательского института сельского хозяйства Северо - Востока им. Н.В.Рудницкого в 2001 гг; Санкт -Петербургского государственного аграрного университета в 1999г, ФГОУ ВПО Ярославская ГСХА в 2001...2004 гг.; ФГОУ ВПО Рязанская ГСХА им. П.А. Костычева в 2000г; ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» в 2006г; ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» в 2006 г.; на втором Всероссийском съезде работников с.-х., состоявшемся в г. Кострома в 2002 г.;
на Международных научно-практических конференциях: посвященной 70-летию МГАУ "Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики", состоявшейся 10-13 октября 2000г. в Московском государственном агроинженерном университете им. В.П. Горячкина, г. Москва; "Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для
условий Евро-Северо-Востока России", состоявшейся 20-22 июня 2000 г. в Зональном научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо - Востока им. Н.В. Рудницкого, г.Киров; «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК», состоявшихся в 2003...2004 гг. в Ярославской ГСХА, г.Ярославль; «Совершенствование средств механизации и технического обслуживания в АПК» состоявшейся в 2003 г в Чувашской ГСХА, г.Чебоксары; «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», состоявшихся 5-6 февраля 2004...2006 гг. в ФГОУ ВПО Костромская ГСХА, г. Кострома;
Участие в выставках. Результаты работы демонстрировались: на областных выставках достижений науки и техники г. Костромы в 2000...2005гг.; на областных конкурсах на лучшее техническое решение, изобретение и рационализаторское предложение, направленное на решение актуальных проблем народного хозяйства Костромской области. В 2000 г работа удостоена первой премии, в 2006 второй и третей премии главы администрации Костромской области; на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень», проходившей в г.Москва в 2003...2005 г.г., результаты работы отмечены серебряными медалями в 2004 и 2005 гг..
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:
усовершенствованные технологии послеуборочной обработки зерна с использованием аэрожелобов;
новые рабочие органы и машины для подсушки и сушки зернового вороха как способ улучшения качественных показателей зерна, снижения энергоемкости и повышения надежности процесса;
- экспериментально-теоретические исследования и основы теории
аэрожелобных устройств для подсушки, сушки и охлаждения зернового
вороха, методики, результаты исследовательских, контрольных испытаний
новых машин;
- особенности эксплуатации сушильных устройств, результаты анализа
эффективности сушки зерна в различных сушилках.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований;
- получить математические модели для определения конструктивно-
технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного
типа;
- разработать и обосновать технологические схемы устройств
подсушки, сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов;
- разработать термодинамический метод расчета теоретического и
реального процесса сушки зерна;
теоретически обосновать количество циклов повторного использования сушильного агента в сушилках с учетом затрат на привод вентилятора;
- изучить динамику движения зернового вороха в процессе его
обработки на аэрожелобных устройствах;
- разработать методику определения состояния движущегося зернового
слоя;
провести испытания разработанных аэрожелобных устройств подсушки, сушки и охлаждения в производственных условиях;
уточнить методику расчета и провести анализ эффективности применения различных технологий сушки зерна.
Автор пользуется возможностью выразить глубокую признательность научному консультанту работы - заслуженному деятелю науки и техники РФ, заслуженному изобретателю Костромской области, доктору техн. наук, профессору Евгению Михайловичу Зимину; сотрудникам и аспирантам кафедры «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО Костромская ГСХА за оказанную помощь и содействие при выполнении работы.
