Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследования 15
1.1 Современное состояние технологии и техники сушки зерна в сельскохозяйственном производстве 15
1.2 Методы оптимизации процесса сушки в зерновых сушилках сельскохозяйственного назначения 22
1.2.1 Совершенствование технологии сушки и рабочих органов зерновых сушилок 22
1.2.2 Совершенствование алгоритмов и систем контроля и управления процессом сушки 33
1.3 Обзор результатов идентификации сушильных агрегатов и их систем управления 37
1.3.1 Результаты экспериментальных исследований процесса сушки 37
1.3.2 Обзор математических моделей зерновых сушилок и формулирование требований к модели 43
1.4 Постановка цели и задач научного исследования 55
2 Математическое описание процесса сушки в зерновых сушилках сельскохозяйственного назначения 58
2.1 Модель функционирования зерновых сушилок и постановка задачи оптимизации процесса сушки 58
2.2 Построение обобщенной математической модели процесса сушки в зерновых сушилках 67
2.2.1 Методика построения математической модели процесса сушки 67
2.2.2 Математическая модель процесса сушки в элементарном зерновом слое 69
2.2.3 Математическая модель процесса сушки в типовых зерновых слоях 74
2.2.4 Математическая модель процесса сушки в сушильной камере зерновых сушилок 85
2.2.5 Обоснование вида выражений для аппроксимации коэффициентов тепло- и массопереноса 94
2.2.6 Задание начальных условий функционирования и стохастической составляющей математической модели процесса сушки зерновых сушилок 102
2.3 Методика идентификации коэффициентов математической модели процесса сушки в 'зерновых сушилках 106
2.4 Алгоритмизация математической модели процесса сушки в зерновых сушилках 118
2.4.1 Методика построения стационарных режимов сушки в зерновых сушилках И 8
2.4.2 Методика построения частотных характеристик зерновых сушилок 124
2.4.3 Методика построения передаточных функций зерновых сушилок 132
2.4.4 Методика построения нестационарных режимов сушки в зерновых сушилках 135
3 Экспериментальные исследования процесса сушки в зерновых сушилках 141
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 141
3.2 Экспериментальные установки и методика проведения исследований 142
3.2.1 Исследование условий и процессов функционирования зерновых сушилок 142
3.2.2 Исследование зерновых сушилок методами активного эксперимента 157
3.3 Результаты экспериментальных исследований зерновых сушилок 167
3.3.1 Результаты исследования условий и процессов функционирования зерновых сушилок 167
3.3.2 Результаты исследования зерновых сушилок методами активного эксперимента 188
4 Совершенствование распределения теплоносителя в шахтных зерносушилках 223
4.1 Математическое и физическое моделирование течения теплоносителя 223
4.2 Разработка и экспериментальная проверка мероприятий, направленных на повышение равномерности распределения теплоносителя в камере сушки 231
4.2.1 Обоснование метода улучшения аэродинамической обстановки в камере сушки 231
4.2.2 Экспериментальная проверка мероприятий, направленных на повышение равномерности распределения теплоносителя в камере сушки 239
4.3 Результаты испытания шахтной зерносушилки с модернизированной системой распределения теплоносителя 248
5 Оптимизация зерновых сушилок методами математического моделирования 255
5.1 Настройка математической модели сушки зерна и оценка её вычислительной корректности 255
5.2 Идентификация статических и динамических характеристик зерносушилок методами математического моделирования 260
5.2.1 Статические и динамические характеристики зерносушилок шахтного типа 260
5.2.2 Статические и динамические характеристики зерносушилок барабанного типа 266
5.3 Численный эксперимент и методы оптимизации стационарных режимов зерновых сушилок 279
5.3.1 Анализ процесса сушки и методы оптимизации стационарных режимов в шахтных зерносушилках 279
5.3.2 Анализ процесса сушки и методы оптимизации стационарных режимов в барабанных зерносушилках 286
5.4 Оптимизация нестационарных режимов зерновых сушилок 290
5.4.1 Моделирование и оптимизация нестационарных режимов в шахтных зерносушилках 290
5.4.2 Моделирование и оптимизация нестационарных режимов в барабанных зерносушилках 296
6 Практическая реализация результатов исследования 300
6.1 Реализация предложений по совершенствованию технологии сушки и рабочих органов зерновых сушилок 300
6.1.1 Совершенствование алгоритма рециркуляции теплоносителя 300
6.1.2 Совершенствование распределения теплоносителя в шахтных сушилках 304
6.2 Реализация системы контроля и регулирования температуры теплоносителя топочного агрегата 305
6.3 Реализация системы контроля и регулирования температуры зерна '. 312
6.4 Реализация алгоритмов и систем контроля и управления процессом сушки 318
6.4.1 Алгоритм и система сосредоточенного контроля и управления процессом сушки 318
6.4.2 Алгоритмы и системы распределенного контроля и управления процессом сушки 324
Основные выводы и рекомендации 333
Список литературы 337
Приложения 360
- Современное состояние технологии и техники сушки зерна в сельскохозяйственном производстве
- Модель функционирования зерновых сушилок и постановка задачи оптимизации процесса сушки
- Исследование условий и процессов функционирования зерновых сушилок
- Математическое и физическое моделирование течения теплоносителя
Введение к работе
В 2001...2003 гг. производство зерна в России вышло на рубеж 85...87 млн. тонн, а по прогнозу Российского зернового союза к 2010 году увеличится до 100... 115 млн. тонн. Уборка и обработка такого количества продукции с минимальными затратами требует переоснащения материально-технической базы на основе новых научных и технологических решений.
В комплексе работ по послеуборочной обработке зерновых культур конвективная сушка является одной из наиболее ответственных, трудоёмких и энергоёмких операций. По данным академика РАСХН В.И Анискина затраты энергии на сушку урожая во всем цикле его производства достигают 70% [59]. Поэтому не случайно, что попытки, заменить сушку другими способами сохранения урожая, многочисленны и в этом направлении достигнут значительный прогресс. Тем не менее, на ближайшую перспективу сушка остается основным технологическим приемом подготовки зерна к хранению.
Учитывая значительные объемы производства зерна, обращение к проблеме совершенствования его конвективной сушки имеет важное народнохозяйственное значение, так как снижение трудовых и энергетических затрат уменьшает его себестоимость, а правильно выполненная сушка - повышает качественные показатели.
Производительность сушилок, в конечном счете, определяет производительность поточных линий послеуборочной обработки зерна, поэтому повышение эффективности их функционирования оптимизирует работу и состав всей линии. Однако анализ функционирования современных зерносушильных агрегатов показывает, что в условиях сельскохозяйственного производства они обеспечивают низкое качество выполнения рабочего процесса. Особенности эксплуатации, внутренней структуры и низкое качество изготовления отдельных рабочих органов обусловливают значительную неравномерность нагрева и сушки зерна в сушильных камерах. Низкая надежность контроля и отсутствие автоматического регулирования основных переменных состояния процесса сушки обусловливает применение пониженных тепловых режимов и влечет уменьшение производительности оборудования, увеличение затрат труда и энергии. Качество функционирования сушилок с системой стабилизации температуры теплоносителя, как показывают исследования, оказалось не удовлетворительным.
Не смотря на развитие техники, в практике зерносушения практически не используют системы управления, оптимизирующие процесс. Сушильным агрегатом, не смотря на то, что это распределенная динамическая система, по-прежнему управляют как объектом с сосредоточенными параметрами.
Все это сдерживает технический прогресс в послеуборочной обработке зерна и подтверждает актуальность выполнения исследований, направленных на решение указанных задач.
Интенсификация сушки, обеспечение более равномерных условий её протекания, повышение надежности контроля и точности управления тепловыми режимами являются основным резервом увеличения производительности сушильного оборудования, уменьшения удельных затрат труда и энергии на её осуществление.
В связи с этим настоящее исследование посвящено совершенствованию технологии и рабочих органов зерновых сушилок, решающих задачу выравнивания условий сушки и снижения затрат энергии на её осуществление, разработке и технической реализации алгоритмов контроля и управления, обеспечивающих лучшую стабилизацию тепловых режимов сушки и реализующих распределенное управление её протеканием. За счет распределенного управления решается задача интенсификации и улучшения качества сушки.
Диссертационная работа выполнена в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого. Кроме этого в диссертацию включены методики исследования процесса сушки и результаты экспериментов, выполненных автором в период очной аспирантуры в 1981-1984 гг. под руководством доц. Л.В. Колесова, на кафедре электрических машин и электропривода Ленинградского СХИ. Направление исследований соответствует «Концепции развития технического обеспечения послеуборочной обработки и хранения зерна и семян до 2005 года», разработанной ведущими учеными ВИМ, ВИСХОМ, СЗ НИИМЭСХ и др. организаций. Тема диссертационной работы соответствует планам НИР Института сельского хозяйства и природных ресурсов Новгородского ГУ (№ гос. регистрации 218/Раст-1) и связана с научной программой РАСХН на 2001-2005 годы по механизации сельскохозяйственного производства: задание 02 «Разработать интенсивные машинные технологии и энергонасыщенную технику четвертого поколения для производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции» и научно-технической программой «Агро Северо-Запад 2005»: задание 04.01.02 «Разработать современные методы и системы адаптивного управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства с использованием средств вычислительной техники».
Цель исследования: повышение эффективности функционирования зерновых сушилок путем совершенствования технологии сушки, их рабочих органов, алгоритмов и систем контроля и управления рабочим процессом, обеспечивающих существенный научно-технический прогресс в послеуборочной обработке зерна.
Объекты исследований: зерносушильные агрегаты и их рабочие органы, система контроля и управления, условия и процессы их функционирования.
Методика исследований: в исследовании использовали методы теории вероятностей и математической статистики, гидродинамики и теории потенциалов, теории эксперимента и статистической динамики, теории тепло- и мас-сопереноса.
Экспериментальные исследования выполнили на физических моделях, натурных образцах и в условиях производства. Математическое моделирование реализовали в среде специализированного математического пакета Мар1е-6. При физическом моделировании течения теплоносителя применили методы электро- и гидродинамической аналогий. Результаты экспериментов обработали методами математической статистики в среде специализированного пакета по статистическому анализу и обработке данных STATISTICA. Физико-механические свойства семян и показатели их качества определили в соответ ъ ствии с существующими государственными стандартами. Научную новизну составляют;
- обобщенная математическая модель сушки зерна, методики её настройки и алгоритмизации;
- вероятностно-статистическая математическая модель условий функционирования сушильных агрегатов;
- математические модели шахтной сушилки, отражающие её статические и динамические свойства по высоте камеры сушки;
- способ равномерного І распределения теплоносителя в камере сушки и уточненная методика расчета технических средств (рабочих органов) для его реализации;
- способы контроля и управления, оптимизирующие протекание рабочего процесса в камере сушки сушильных агрегатов.
Практическую ценность имеют:
- алгоритм идентификации коэффициентов обобщенной математической модели сушки;
- алгоритм расчета оптимальных стационарных режимов зерносушилок при сосредоточенном и распределенном управлении температурой теплоносителя;
- алгоритм расчета частотных характеристик и передаточных функций зерносушилок;
- алгоритм расчета нестационарных режимов сушки при сосредоточенном и распределенном управлении температурой теплоносителя в шахтной сушилке;
- технологические и технические решения, усовершенствующие процесс сушки, рабочие органы зерновых сушилок, их систему контроля и управления, защищенные тремя авторскими свидетельствами и восемью патентами на изобретения.
Реализация результатов исследования. Математические модели сушки зерна, методики её настройки и алгоритмизации, рациональные алгоритмы контроля и управления сушкой, .предложения по практическому совершенствованию технологии и рабочих органов зерновых сушилок их системы контроля и управления используются в практической работе организациями, выполняющими проектирование и изготовление сушильных агрегатов и их систем управления: ОАО «Электропривод» (г. Москва), ЗАО «СКБ по сушилкам «Брянск-сельмаш» (г. Брянск), Пермским НИИСХ (г. Пермь), Новгородским НИПТИСХ, ООО «Эдисон» (г. Великий Новгород).
Перечисленные результаты работы используются в научной и учебной работе рядом высших учебных заведений РФ - Санкт-Петербургским ГАУ, Новгородским ГУ им. Ярослава Мудрого, Великолукской ГСХА, Тверской ГСХА, Пермской ГСХА им. академика Д.Н. Прянишникова.
Ускоренные режимы сушки, рекомендации по совершенствованию технологии и рабочих органов зерновых сушилок и их системы контроля и управления переданы для практического применения Комитету по сельскому хозяйству и продовольствию Новгородской области. В ряде хозяйств агропромышленного комплекса Ленинградской, Пермской и Новгородской областей практическое использование результатов исследований позволило на 20 % увеличить производительность сушилок, на 12... 15 % уменьшить удельные затраты энергии на её выполнение и получить положительный экономический эффект.
Патенты на изобретения № 2135917 и № 2157958 решением ФИПС РФ включены в базу данных перспективных Российских разработок.
Достоверность основных выводов и рекомендаций подтверждена результатами теоретических исследований на физических и математических моделях, а также экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных и производственных условиях с использованием современных компьютерных методик исследований и методов обработки информации.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены: на научной конференции Закавказских Республик по механизации и электрификации сельскохозяйственного производства (г. Тбилиси, ГрузНИИ-МЭСХ) в 1983 г; на региональной научно-производственной конференции «Перспективы развития индустриальных технологий уборки, обработки зерновых и кормовых культур в условиях Сибири и Дальнего Востока» (г. Новосибирск, СибИМЭ) в 1983 г.; Ш-й Республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов в области животноводства, ветеринарии и экономики сельского хозяйства (г. Тбилиси, ГрузЗВУИИ) в 1985 г.; на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского СХИ в 1984...1988, 1990 гг.; Санкт-Петербургского ГАУ в 1999, 2001...2005 гг.; Новгородского СХИ в 1985...1995 гг.; Новгородского ГУ им. Ярослава Мудрого в 1996...2005 гг.; Всесоюзной научно-практической конференции по сушке зерна (г. Брянск, СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш») в 1985 г.; на научно-техническом совете СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш» (г. Брянск) в 1988 и 2004 гг.; на 1-й Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнических изделий с. х. назначения» (г. Москва, ВДНХ СССР) в 1986 г.; на научно-техническом совете ВНИИЭлектропри-вод (г. Москва) в 1987 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Минск) в 1989 г.; Всесоюзной научно- практической конференции «Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе» (г. Новосибирск) в 1989 г.; на V-м Московском Международном салоне промышленной собственности «Архимед-2002» (г. Москва, КВЦ «Сокольники») в 2002 г.; юбилейной научно-практической конференции «Великий Новгород - город университетский» (г. В. Новгород) в 2003 г.; Ш-й Общероссийской научной конференции с международным участием «Успехи современного естествознания» (г. Сочи) в 2003 г.; 4-й Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара) в 2003 г.; П-й Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы соз дания новых технологий в агропромышленном комплексе» (г. Ставрополь) в 2003 г.; научной конференции «Организационно-экономические и экологические аспекты развития региона» (г. Великий Новгород) в 2004 г.; научно-практической конференции «Аграрная наука в решении проблем АПК и экологии региона» (г. Великий Новгород) в 2004 г.; Международной заочной электронной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» (15-20 марта, 2004 г.); Международной заочной электронной конференции «Человек и ноосфера» (1-20 сентября 2004 г.); XVII-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Кострома) в 2004 г.; 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва) в 2004 г.
Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 53 научных работах, в т.ч. одной монографии; 26 работ помещены в изданиях, рекомендованных для опубликования результатов докторских диссертаций, включая, пять статей в ведущих научных журналах, три описания к авторским свидетельствам СССР, восемь к патентам РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 39,1 усл., печатных листов, из которых 75 % принадлежит автору.
На защиту выносятся:
- обобщенная математическая модель процесса сушки в сушильной камере зерновых сушилок и методика её настройки;
- методики алгоритмизации обобщенной математической модели, реализующие построение и оптимизацию стационарных и нестационарных режимов сушки, частотных характеристик и передаточных функций сушилок;
- математическая модель условий функционирования сушильных агрегатов и результаты исследования процессов их функционирования;
- математические модели, отражающие статические и динамические свойства шахтной сушилки по высоте камеры сушки, построенные по результатам экспериментальных исследований с применением методов активного экс перимента;
- технологические решения по усовершенствованию технологии сушки зерна; технические решения по усовершенствованию рабочих органов, алгоритмов и систем контроля и управления зерносушилок.
Современное состояние технологии и техники сушки зерна в сельскохозяйственном производстве
В период уборки зерновых в увлажненных зонах РФ на пункты послеуборочной обработки поступает зерновой ворох, как правило, повышенной влажности, которая может достигать 30% и более [90, 101, 156, 178, 246, 247, 335]. Хранить такой ворох без специальной обработки практически невозможно из-за опасности быстрого самосогревания [14]. Основным технологическим приемом обработки влажного вороха, обеспечивающим его длительное и безопасное хранение, является конвективная сушка. На современном этапе её рассматривают не только как процесс обезвоживания, но и как процесс возможного улучшения качественных показателей зерна. При благоприятных тепловых режимах у семенного зерна ускоряется послеуборочное дозревание [72, 229, 289], у продовольственного - улучшаются хлебопекарные и другие качества [106, 180]. В хозяйствах увлажненных зон РФ применяют поточную и циклическую технологии послеуборочной обработки зернового вороха [9, 60, 72, 140, 156, 160, 178, 205, 262 323, 337, 339, 346]. В поточных линиях, зерноочистительно-сушильных комплексах (серии КЗС) используют сушилки непрерывного действия, в качестве базовых вариантов которых применяют сушилки шахтного и барабанного типов [12, 65, 66, 101, 115, 164, 299, 312, 328, 337].
В настоящее время для организации поточной обработки в составе комплексов или отдельными агрегатами в хозяйства поставляют шахтные сушилки серии С-5, -10, -20, -30, -40 (АО «Кировагропромтехника»), спроектированные по лицензии фирмы «Сеттинг» (Югославия), серии СЗ-6М, -10,-16 (ОАО «Сад» Новосибирская область), серии СоСС-2, -4, -6, -8 (НТЦ «Семена Прикамья» Пермская область) и барабанные серии СЗБ-10 (ЗАО «СКБ по сушилкам «Брян-сксельмаш») [11, 13, 22, 23, 90, 142, 335]. В последние годы широкое применение получили сушилки бункерного типа серии СБВС-5, колонковые серии СК-2,5, -5, -20, карусельные серии СЗК 1 8 (ЗАО «СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш») и СКУ-10 (ОАО «Тверьсель маш»), конвейерные серии УСК-4, -8,-16 (ООО «Посейдон» г. Москва) [22, 90, 142, 335]. Их используют для организации поточной или циклической обработки зернового вороха высокой влажности.
В современных сушилках реализован ряд прогрессивных технологических приемов, обеспечивающих улучшение качества сушки и снижение затрат тепловой энергии [11, 261, 339]. Предусмотрена рециркуляция части отработанного теплоносителя и охлаждающего воздуха, инвертирование (перемешивание) зерновых потоков и изменение направления продувки зернового слоя, в сушилках серии С в камере сушки установлены вертикальные непроницаемые перегородки, обеспечивающие улучшение равномерности течения зерна и распределения теплоносителя, в сушилках карусельного типа реализовано непрерывное отделение высушенной части зернового материала из зоны сушки. В последние годы сушилки агрегатируют с топочным блоком без теплообменника серии МТУ, обеспечивающим качественное сжигание топлива [71].
Теплогенераторы современных сушилок работают на жидком топливе и газе, снабжены системой автоматического розжига и контроля пламени в топке, обеспечивают автоматическую стабилизацию температуры теплоносителя [22, 90, 142,335]. В эксплуатации находится большое количество сушилок выпускавшихся ранее: шахтных серии СЗШ (СЗШ-8, СЗШ-16, СЗШ-16Р, СЗШ-16А, СЗШ-40), серии СЗС (СЗС-8), серии М (М-819, М-839 польского производства), серии Т (Т-662, Т-663 германского производства) и передвижных ЗСПЖ-8, КЧ-УСА; барабанных серии СЗСБ (стационарных СЗСБ-4, -8, -8А и передвижных СЗПБ-2,5, -2,5А). Для организации циклической технологии обработки зернового вороха, его временного или постоянного хранения в хозяйства поставляют бункеры ак тивного вентилирования БВ-30, БВ-40А и отделения вентилируемых бункеров Л ОБВ-160 (ЗАО «СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш») [10]. Используют большое количество малопроизводительных самодельных сушилок периодического действия: ромбических, треугольных, напольных и др. Такие сушилки имеют низкие технико-экономические показатели, почти в 2 раза больший удельный расход топлива, чем на типовых сушилках непрерывного действия. Однако их применение оправдано возможностью сушки семенного зерна высокой влажности [99,156,178].
Большинство перечисленных сушилок по своим технико-экономическим показателям уступает шахтным. Так в колонковых, конвейерных, бункерных и карусельных сушилках сушка долгое время протекает в неперемешиваемом слое без смены направления продувки теплоносителем. Это обусловливает необходимость применения пониженных температур теплоносителя во избежание перегрева зерна и приводит к снижению интенсивности сушки, повышению затрат энергии и увеличению габаритов сушилок.
В барабанных сушилках вследствие применения высоких температур теплоносителя нередко снижаются качественные показатели семян даже при рекомендованных режимах [68, 241, 244, 326, 337]. Тем не менее, сушилки удобны тем, что в них можно сушить ворох любой начальной влажности и засоренности. В них достигается наиболее равномерная сушка за счет непрерывного интенсивного перемешивания обрабатываемого материала [364].
Важным критерием оценки эффективности сушильных агрегатов является интенсивность протекания технологического процесса. В шахтных сушилках нужную интенсивность обеспечивают выбором двух управляемых величин -температуры теплоносителя и производительности выпускного аппарата (экспозиции сушки). Однако интенсивность сушки ограничена необходимостью сохранения качественных показателей зернового материала. Эти качества регламентируют стандартами на семена и продовольственное зерно [172, 180, 238, 287]. Выполнение этих требований накладывает ограничения на режимы обработки зерна в сушилках.
Модель функционирования зерновых сушилок и постановка задачи оптимизации процесса сушки
Зерновые сушилки в условиях сельскохозяйственного производства эксплуатируют в составе зерноочистительно-сушильных комплексов и в виде отдельных агрегатов [198, 209, 312]. В любом случае, в соответствие с агротехническими требованиями [262, 337], в сушильную камеру подают зерновой ворох, прошедший предварительную очистку. Существует множество технологических схем организации послеуборочной обработки зерна [73, 100, 156, 160, 178, 205, 247, 255], которые в той, или иной мере определяют особенности условий и качество функционирования зерносушильных установок. Построение математической модели всесторонне описывающей условия функционирования сушилок является сложной научной проблемой, поэтому, несмотря на достигнутые результаты [30, 35, 45, 100, 141, 143, 156, 177, 178, 202, 347], работа в этом направлении не завершена.
Одной из ключевых проблем эксплуатации сушилок является обеспечение их работы, удовлетворяющей определенным критериям качества. Применяемые оценки качества процесса сушки разнообразны. В простейших случаях ограничиваются только оценкой средних значений влажности и температуры зерна на выходе сушильной камеры [262, 337]. Очевидно, что такие критерии позволяют лишь приближенно оценивать качество сушки, и не направлены на её оптимизацию. В современных условиях необходимо ставить и решать задачи не только получения более надёжной информации о протекании процесса, но и его оптимизации. В связи с этим, возникает задача выбора подходящего критерия.
Оценить эффективность работы сушилок можно по их производительности, показателям качества обрабатываемого материала, затратам энергии на обработку, продолжительности пребывания контролируемого параметра в поле агротехнического допуска и др. [18, 59, 67, 120, 125, 144, 171, 177, 202, 222, 223, 258]. Часто в качестве критерия эффективности используют себестоимость сушки условной единицы продукта [120, 154, 259, 305]. Это наиболее общий критерий и служит показателем экономической эффективности процесса, так как включает в себя как постоянные (амортизация оборудования), так и переменные затраты (труда, энергии и т.п.). Оптимизация процесса по экономическому критерию должна отвечать минимальной себестоимости сушки, которая обеспечивается её максимальной интенсивностью и минимальными затратами энергии при сохранении качественных показателей зерна. В одновременности выполнения указанных требований нет противоречия, так как в [67, 154, 259] показано, что с повышением температуры теплоносителя возрастает не только производительность сушилок, но и сокращаются удельные затраты энергии на сушку. Этим обоснована экономическая целесообразность проведения процесса с максимальной интенсивностью, то есть с предельно допустимым нагревом зерна и теплоносителя. В связи с этим, в ряде работ [27, 78, 120, 121, 125, 212, 214, 305] предлагают для оценки эффективности сушки использовать не экономический, а технологический критерий - производительность сушилки G.
Важно отметить, что оптимизация режимов сушки по производительности, не противоречит задачам оптимизации зерноочистительно-сушильного комплекса в целом [120, 121, 125, 143, 212, 267], что подтверждает правильность его выбора. В шахтных сушилках максимальному нагреву подвержены зерновки, рас положенные в «пограничном» слое под подводящими коробами. Однако из-за невозможности непосредственного измерения температуры зерна в этом слое при выборе режимов накладывают ограничение на температуру теплоносителя. Таким образом, условия оптимизации управления для зерновых сушилок могут быть записаны в следующем виде G{U,F)- Gmax, $3(U,F) $3don, {U9F)4—\ , (2Л) dt V dt )дт [U(F)eQUdon, где O.Udon - область допустимых значений управляющих воздействий. Из (2.1) следует, что в процессе работы сушилки значения управляющих воздействий U={uh иъ ...,и„} должны выбираться такими, чтобы любой комбинации внешних возмущений F-{f\,fi, ...,fn} (имеющих в общем случае стохастический характер изменения) соответствовало максимальное значение производительности G при соблюдении ограничений на температуру и скорость сушки зерна. Для решения поставленной задачи необходимо иметь математическую модель, устанавливающую связь между управляемыми величинами, управляющими и возмущающими воздействиями. Функционирование сушилки как динамической системы можно рассматривать как реакцию на внешние возмущающие и управляющие воздействия [222]. При этом дополнительно необходимо учитывать особенности её внутренней структуры и возможное многообразие технологических приемов организации процесса сушки. Таким образом, сушильная камера может быть представлена в виде динамической системы с оператором А (рис. 2.1).
Исследование условий и процессов функционирования зерновых сушилок
Основными переменными, определяющими условия функционирования сушильной камеры как динамической системы (рис. 2.2) являются влажность и температура зернового вороха, поступающего в сушилку. Значения указанных переменных в реальных условиях формируются не только в зависимости от характеристик вороха поступающего с поля, но и в зависимости от технологической схемы организации его послеуборочной обработки. Поэтому, в целях выявления наиболее полной картины возможных изменений входных воздействий, технологическую схему организации процесса обработки зерна, в ходе исследований перестраивали в возможном диапазоне. Исследования провели при поступлении зернового вороха в сушильную камеру как непосредственно из под комбайнов, так и из бункеров активного вентилирования после временного хранения, подсушки и предварительной очистки. Объектом исследований являлся ворох зерновых культур овса, ячменя, ржи и пшеницы. Описание и исследование случайных процессов выполнили в рамках корреляционно-спектрального анализа в соответствии с методикой, изложенной в [75, 76, 81, 95, 118, 134, 222, 223, 300, 315, 319, 330]. Первичной информацией для вычисления статистических характеристик условий и процессов функционирования сушилок служили их реализации -дискретные последовательности ординат, полученные в результате опытов. Особенностью исследования и вычисления статистических динамических характеристик случайных процессов является необходимость в априорных сведениях о них, так как необходимо иметь представление о диапазоне существенных частот процесса для обоснования необходимого и достаточного объема статистической информации.
Выявление существенных частот при описании условий и процессов функционирования машин - системная задача. Её решение базируется на знании частотной характеристики объекта исследования W{j ( ), так как в зависимости от полосы пропускания объекта определяется высшая граничная циклическая частота сов = 2 тг /в. Вследствие инерционности динамических систем частоты сигналов внешних воздействий выше /в не пропускаются ими и, следовательно, не представляют интереса. Основываясь на априорной информации о сушильной камере [120, 121, 141, 341] и некоторых результатах, полученных в настоящей работе [35, 38, 46, 48, 52], ее частотная характеристика по каналам передачи возмущающих воздействий (WQ(0-W{t), W0(t)-&3(t), &30(t)-W(t), &30(0-8j(0) соответствует динамическим свойствам усилительного звена с чистым запаздыванием, вид передаточной функции которого W{p) = k e-p , (3.2) где к - коэффициент передачи системы от входа р. к выходу ; хт - время чистого (транспортного) запаздывания. Учитывая частотные свойства звена (3.2), можно утверждать, что камера как динамический объект, преобразуя входной сигнал, не изменяет его спектральный состав (то есть полоса пропускания лежит в пределах от нуля до бесконечности), но пропорционально коэффициенту кцЛ изменяет амплитуду сигнала. Таким образом, со стороны частотных свойств объекта исследований нет ограничений на частоту
Из априорных данных о частотном составе процесса W{t) изменения влажности зернового вороха, поступающего на сушку (табл. 1.1) следует, что спектр его основных частот расположен в диапазоне / = (0... 5,0) 10"3 с-1. Учитывая (п. 1.3.1) нестационарность случайного процесса W(t) по спектральной плотности, при исследованиях условий функционирования сушилок квантование потока зернового вороха осуществили в интервалах объема AV. Методика предусматривала разбить поток вороха на равные по объёму части, последовательно поступающие на обработку, и отбор проб осуществлять из каждой из них. Указанный способ квантования потока позволяет осуществить переход от исследования случайной функции времени W{t) к случайной функции W(V), являющейся стационарной по спектральной плотности. Модель, построенная для случайной функции W(V), универсальна, так как в дальнейшем, путем преобразования аргумента V, она легко преобразуется в модель случайной функции времени W{t), действующей на входе камеры сушки. В основе преобразования лежит соотношение, устанавливающее связь между интервалами AV и At Gy = AV/At. (3.3) Таким образом, универсальная модель может быть использована для моделирования условий функционирования сушильной камеры, работающей с любой заданной производительностью, а способ построения модели обусловливает ее большую достоверность.
Возникает вопрос о выборе интервала квантования и представительном объеме выборки при исследовании условий и процессов функционирования сушилок. Интервал фиксаций случайных функции W(V) и W{t) определим исходя из верхней граничной частоты /в =5-10-3 с"1 спектра случайного процесса W(t) (табл. 1.1). В [20] такой результат получен при исследовании процессов в поточной линии с сушилкой СЗШ-16А. Поскольку в [20] не указаны значения 144 подачи зерна в сушилку, допустим, что исследования вели на семенных режимах, при которых она может снижаться до 4...8 т/ч, а соответствующая ей объемная подача составляет Gv = (1,48...2,96) 10"3 м3/с. В соответствии с теоремой Котельникова [95, 300] для верхней граничной частоты /в определяем интервал фиксаций случайного процесса W(t) Аґ = 1/2-/, = 1/2-5-10-3 = 100 с. Принимая нижний предел объемной подачи зерна Gv =1,48-10-3 м3/с, и, учитывая (3.3), нахрдим минимальный интервал квантования потока зернового вороха в единицах объема AV = GV- At = 1,48-10-3 -100 = 0,148 м\ Учитывая, что, в целях повышения точности оценок корреляционной функции, измерения могут осуществляться и чаще, выбираем AV = 0,13 м3.
Математическое и физическое моделирование течения теплоносителя
Стационарное течение газа (теплоносителя) в сушильном пространстве аналитически описали системой дифференциальных уравнений Навье-Стокса [148, 253, 352], которая в векторной форме для течения вязкого несжимаемого газа в пористой изотропной среде имеет вид: Решение искали в трех областях. Первая — включала подводящий короб и диффузор G\, вторая - межкоробное сушильное пространство Gj, заполненное зерном, и третья - отводящий короб и диффузор G3. Решение в общем случае должно строиться для каждой области отдельно с удовлетворением условий сопряжения на границах раздела сред. В областях G\ и ( порозность слоя s=l. С учетом сложности рассматриваемой области течения и неопределенности условий на некоторых её границах, аналитически решить систему (4.1) трудно, поэтому приняли ряд идеализации [306, 307]. Наиболее простой является .модель течения идеального невесомого газа. Учет симметрии распределения потоков газа между коробами и одинаковость условий течения вдоль них (рис. 4.1) позволяют свести задачу к исследованию плоского течения. Для этого на плоскость должна быть развернута поверхность, проекция которой совпадает с линией тока газа (например, с линией А-В). Это позволяет не только упростить решение, сохранить качественную картину течения вдоль коробов, но и применить для решения методы физического моделирования процесса.
С учетом упрощений, исследования вели в рамках теории потенциальных течений [206, 208, 306, 307, 329], согласно которой потенциал скорости частиц газа.ф(х, у) и функция тока \/(лг, у) — гармонические функции, подчиняющиеся двумерному уравнению Лапласа: Схема течения теплоносителя в сушильном пространстве: а - элемент объема сушильной камеры; б - её поперечное сечение; 1 - подводящий короб; 2 -отводящий короб; 3 - стенки сушильной камеры; 4 - линия тока Для решения уравнений (4.2) необходимы граничные условия. Однако не для всех границ исследуемой области течения такие условия известны. Проблематично определение условий на границах раздела сред, т. е. на границах входа газа в слой зерна и выхода из него.
Неизвестные условия на границах определили с использованием метода электрогидродинамических аналогий [80, 281], возможность применения которого обоснована тем, что течение электрического тока в проводящей среде также подчиняется уравнению Лапласа (4.2). Принципиальная электрическая схема модели течения представлена на рис. 4.2. Её изготовили из электропроводящей бумаги в масштабе 1:5. Область сушки, заполненную зерном, имитировали прокалыванием отверстий с диаметром,- равным эквивалентному диаметру зерна соответствующей культуры. Расстояния между отверстиями определяли исходя из имитируемой порозности зернового слоя. Протяженность области сушки выбрали равной длине линии тока между подводящим и отводящим коробами сушилки (с учетом масштаба). На рис. 4.2 отводящие короб и диффузор изображены в перевернутом ви 225 де по сравнению с их реальным расположением в сушилке, что соответствует развертке на плоскость поверхности, которой принадлежат линии тока (рис. 4.1). Рис. 4.2 Электрическая принципиальная схема физической модели течения теплоносителя в сушильном пространстве: 1 - подводящий диффузор; 2 - отводящий диффузор; 3 - поводящий короб; 4 - отводящий короб; 5 - электроды; 6 - щуп; 7 - область, заполненная зерном
Резистором R2 задавали значение тока, определяемое влиянием всех остальных коробов сушильной камеры. Граничные условия обеспечили выполнением соотношений dvn/dn = 0, что соответствует условиям непроницаемости стенок и перегородок камеры (здесь vn — нормальная к поверхности стенки составляющая скорости течения). Резистором R\ задавали требуемую разность потенциалов, а при помощи миллиамперметра и щупа определяли координаты точек линий равных потенциалов. На рис. 4.3 представлено изменение потенциалов вдоль короба нижнего 226 сечения камеры (для коробов других сечений характер зависимостей аналогичен). Из приведенных данных видно, что значение потенциалов вдоль короба изменяется нелинейно. Нелинейно изменяется также разность потенциалов между границами входа теплоносителя в слой зерна и выхода из него. Поскольку разность потенциалов — движущая сила потока частиц, то очевидно, что нелинейность функции разности потенциалов и есть причина неравномерности поля скорости теплоносителя вдоль коробов в камере сушки.
