Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния механизации сушки зерна 7
1.1 Современные тенденции развития зерносушильной техники 7
1.2 Технологические приемы и способы сушки зерна 11
1.3 Показатели процесса сушки зерна 15
1.4 Сушка зерна при различных состояниях зернового слоя 18
1.5 Режимы сушки зерна 23
1.6 Анализ технологических приемов сушки зерна 30
1.7 Анализ математических моделей процесса 32
1.8 Задачи исследования 37
2 Моделирование процесса конвективного тепломассопереноса при сушке зерна в шахтных зерносушилках 38
2.1 Кинетика процесса конвективной сушки зерна в шахтных зерносушилках 38
2.2 Имитационное моделирование начальных условий сушки зерна в шахтной зерносушилке 43
2.3 Имитационное моделирование внешнего тепломассопереноса в процессе сушки зерна 44
2.4 Имитационное моделирование внутреннего тепломассопереноса в процессе сушки зерна 49
2.5 Имитационное моделирование позонного способа сушки зерна в шахтных зерносушилках 57
2.6 Выводы 63
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 64
3.1 Программа исследований 64
3.2 Алгоритмизация методики проведения экспериментальных исследований 65
3.3 Методика экспериментальных исследований 65
3.4 Методика определения теплофизических характеристик зерна 65
3.5 Методика определения аэродинамических свойств зерна 71
3.6 Методика планирования полного факторного эксперимента процесса сушки зерна 73
4 Практическое обоснование имитационной модели и результаты исследования процесса сушки зерна 78
4.1 Построение оценочных моделей и их численная реализация 78
4.2 Проверка адекватности математической модели при позонном способе сушки 83
4.3 Выбор эффективных режимов сушки зерна в шахтных зерносушилках... 92
4.4 Практические мероприятия и рекомендации по совершенствованию процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке 100
4.5 Выводы 103
5 Технико-экономическое обоснование конструкции позонной зерносушилки шахтного типа 104
5.1 Технико - экономические показатели использования позонного способа сушки 104
5.2 Производственные испытания 108
5.3 Выводы 108
Общие выводы 111
Библиографический список 113
Приложение 127
- Современные тенденции развития зерносушильной техники
- Технологические приемы и способы сушки зерна
- Имитационное моделирование начальных условий сушки зерна в шахтной зерносушилке
- Алгоритмизация методики проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
Производство зерна является одной из важнейших задач устойчивого развития продовольственного рынка страны, а также обеспечения ее продовольственной безопасности. Решение задачи увеличения производства зерна должна решаться не только повышением валового сбора урожая зерновых, но и обеспечением качества зерна, ведь известно, что качество зерна - второй урожай.
Сушка, в процессе послеуборочной обработки зерна, является наиболее важным процессом [2, 4, 6] при формировании качественного и количественного состава убранного урожая зерновых, в свою очередь, являясь наиболее узким местом в технологическом процессе послеуборочной обработки зерна.
В настоящее время при наличии большого количества зерносушилок, а также разнообразия их видов отмечается нерациональное их использование, применение режимов, не способствующих интенсификации процесса сушки и поддержанию параметров зерна в соответствии с агротребованиями на сушку. В результате чего, следует отметить, что расход топлива увеличивается, а производительность зерносушилок ниже паспортных значений.
Для снижения потерь, сохранности и обеспечения качества высушиваемого зернового материала, снижения энергозатрат необходимо иметь зерносушилки обеспечивающие снижение влажности зерна до кондиционной (14...16%) в установленные агросроки в соответствие с природно-климатической зоной (различный разброс по влажности требует дифференцированных режимов сушки и технической гибкости конструкции зерносушилок). Зерносушилки должны обеспечивать непрерывность процесса сушки, высокое качество товарного (продовольственного) зерна, а также минимальное снижение производительности при работе с семенным зерном.
Поэтому важнейшей задачей является выбор соответствующих режимов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения, обоснование технологических режимов [2], а также применение гибких технологических
5 конструкций, обеспечивающих заданные режимы и показатели при сушке зернового материала.
Цель работы - повышение эффективности процесса сушки зерна в шахтных зерносушилках путем моделирования эффективных режимов тепловлагопереноса в существующих шахтных зерносушилках для снижения энергозатрат.
Объект исследований. Процессы сушки зерна в шахтных зерносушилках.
Предмет исследования. Закономерности формирования и изменения режимных параметров в процессе сушки и послеуборочной обработки зерна.
Методы исследования. Методы теории тепломассопереноса и теории сушки, теории вероятностей и математической статистики, имитационного моделирования.
Научая новизна работы.
Получена общая имитационная модель процесса сушки зерна в шахтной сушилке.
Разработаны методы построения обобщенных моделей для шахтных зерносушилок непрерывного, порционного и циклического действия в лагранжевых и эйлеровых координатах.
Предложена методика оценки эффективности процесса сушки зерна.
Результаты использования позонного способа сушки в шахтных зерносушилках.
Практическая значимость работы.
Методика и результаты оценки эффективности процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке СЗШ-16А при использовании позонного способа сушки.'
Оптимальные режимы сушки продовольственного (товарного зерна) и семенного зерна в шахтной зерносушилке предлагаемой конструкции.
3. Рекомендации по переводу зерносушилок шахтного типа на позонный способ сушки.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты были приняты к использованию в СПК «Солонцы», СХПК «Лапшихинский», КФХ Шейнмаера, отделом сельского хозяйства администрации Ачинского района.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены: на научных конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава и аспирантов в 2003-2007 гг. (г. Красноярск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 2 в рекомендованных ВАК изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 153 страницах, содержит 39 рисунков, 9 таблиц и 6 приложений. Список литературы включает 142 наименования, в том числе 12 на иностранном языке.
Современные тенденции развития зерносушильной техники
В процессе послеуборочной обработки зерна сушка занимает важное место, так как от параметров сушильных установок и процесса сушки зависит качество зерна [9, 10, 12, 13, 17, 20], и его хранение также будет благополучным лишь при соблюдении надлежащих правил при сушке зерна.
Сушка является основной технологической операцией по удалению избыточной влаги из зернового материала. От ее эффективности во многом зависят качественные показатели высушенного зерна.
Внедрение новых методов и прогрессивных технологий в процесс сушки зерна является важнейшим средством повышения эффективности работы зерносушильного оборудования [21, 22]. К нему предъявляются жесткие требования по качеству [23] просушенного зерна (сохранность зерновой массы, загрязненность продуктами сгорания топлива зерносушильного оборудования, сохранение качественных характеристик зерновой массы); возможность сушки зерна различного диапазона влажности; использование сушильного оборудования для сушки различных зерновых культур; высокие технико-экономические и технико-технологические параметры, по сравнению с аналогами; минимальная масса, габаритные размеры и высокая прочность передвижных зерносушилок; простота, высокая надежность и безопасность сушильного оборудования; возможность автоматизированного контроля процессом управления для минимизации потерь и затрат на сушку. Все перечисленные характеристики являются неотъемлемым требованием для совершенствования сушильного оборудования.
Нельзя не сказать, что эффективность процесса сушки зерна, помимо, перечисленных характеристик, во многом зависит и от режимов, методов и типов сушильных установок. Принципы технологии сушки, в зависимости от объекта сушки, должны использовать наиболее рациональный метод и оптимальный режим сушки для достижения требуемых параметров.
Технические способы и конструкция сушильных установок, используемые в современном зерносушении, достаточно разнообразны. Сушильные установки можно классифицировать по ряду признаков (рисунок 1.1) [63].
Проведенный анализ литературных [35, 36, 51, 53, 54, 64, 65] источников говорит о многообразии зарубежной и отечественной сушильной техники. Наибольшее распространение получили шахтные зерносушилки с коробами. На их долю приходится большая часть высушенного зернового материала.
Широкое развитие в США получают комбинированные процессы сушки, которые сочетают высокоскоростной процесс высокотемпературной сушки периодического или непрерывного действия с низкотемпературной внутрибункерной сушкой. Зерно кукурузы при этом просушивают в высокоскоростных сушилках до влажности 18-20%, а затем направляют в вентилируемые хранилища, где оно медленно просушивается до кондиционной влажности. Преимущества такой комбинированной сушки - в повышении пропускной способности сушилок, сокращении затрат топлива, улучшении качества высушенного зерна. Большое распространение получили мобильные установки для сушки зерна на фермах. Крупнейшим их производителям является фирма M&W Gear. Такие конструкции мобильных сушилок, как M&W 450R и M&W 659R, применяются и в европейских странах (их поставки осуществляет фирма Opico) [95].
В последние годы сложилась ситуация, в которой экономически не выгодно сушить небольшие партии зерна, поступающие от коллективных и фермерских хозяйств, на высокопроизводительных зерносушилках
Технологические приемы и способы сушки зерна
Основное количество влаги в зерне прочно связано с сухим веществом, которое требуется удалить в процессе сушки зерна. Процесс удаления влаги из зерна основан на двух принципах: механическом и тепловом [56, 57, 58]. Первый способ применяют при наличии свободной влаги в зерне. Скорость протекания процесса очень низкая и составляет порядка двух недель. Наибольшее распространение получила тепловая сушка. При тепловой сушке энергия затрачивается на преодоление силы связи влаги с сухим веществом, а также на теплоту парообразования. На предприятиях отрасли хлебопродуктов применяют тепловую сушку как наиболее эффективный способ снижения влажности зерна. Способы тепловой сушки в зависимости от передачи тепла могут быть классифицированы: конвективный, кондуктивный (контактный), молекулярный, радиационный, сушка электротоком и комбинированные способы сушки, например, конвективно-кондуктивный, молекулярно-радиационный.
Наибольшее распространение получил конвективный способ сушки, а также его сочетания. Теплота при конвективном способе, передается материалу сушки при помощи смеси воздуха с продуктами сгорания топлива или нагретым в калорифере воздухом. В топках современных зерносушилок, работающих на жидком или газообразном топливе, при правильном обслуживании позволяет добиться полного сгорания топлива, и конвективная сушка смесью воздуха с топочным газами не вызывает ухудшения качества просушиваемого материала.
Конвективный способ сушки предполагает, что зерно находится в различных состояниях слоя - неподвижного, гравитационного движущегося, псевдоожиженного, виброкипящего, падающего или взвешенного. Интенсификация процесса сушки может быть достигнута увеличением тепломассообмена, а также увеличением скорости и температуры сушильного агента, что в последнее время наиболее стало актуальным для европейских стран (в США многие фирмы повысили рекомендованную оптимальную температуру для сушильных установок с 82,5С до 105 С [1]).
В последние время получил широкое распространение рециркуляционно-изотермический способ сушки зерна как наиболее эффективный. Сырое зерно, поступающее в сушилку, подвергают предварительному нагреву, оно смешивается с рециркулирующим зерном, результатом чего является увеличение коэффициента влагопереноса внутри сырого зерна. Нужно отметить, что данный способ позволяет снизить число циклов рециркуляции, а также сократить затраты на топливо и электроэнергию.
При кондуктивном способе сушки зернового материала теплота передается зерну от нагретой поверхности (кодукцией). В качестве нагретой поверхности могут выступать трубы, источником тепла для которых является пар, горячая вода или газ. Данный способ не получил широкого применения ввиду неравномерности нагрева зерна, а также большого расхода теплоносителя. Кондуктивную сушку используют на мукомольных и крупяных предприятиях, главным образом для подогрева зерна и небольшого снижения влажности зерна при подготовке его к переработке. Комбинация конвективной сушки и кондуктивного теплообмена [47] получила развитие в рециркуляционных сушилках в виде процесса распределения теплоты.
Радиационная сушка. Ее разделяют на естественную (использование энергии солнечных лучей) и искусственную, или терморадиационную (зерно получает теплоту от инфракрасных лучей). Естественная сушка не потеряла своего значения. Ее рекомендуется проводить в сухую и ясную погоду на открытых специально оборудованных площадках. Зерно следует размещать слоем толщиной 100-150 мм. При благоприятных погодных условиях снижение влажности в течение суток может быть достигнуто порядка 3...4%. Эффективность процесса значительно ускоряется при периодическом перемешивании зерновой массы. Данный тип сушки позволяет сохранить продовольственные и семенные качества зерна, одновременно с этим снижается зараженность болезнетворными вредителя. Однако солнечная сушка весьма зависит от метеорологических условий, что отрицательно сказывается на динамике высушенного материала.
При терморадиационном способе сушки теплота передается зерну при помощи тепловых лучей от инфракрасных излучателей. В качестве источников инфракрасного излучения можно использовать электрические лампы, газовые горелки на различных видах топлива.
Молекулярный или сублимационный способ сушки является одним из наиболее эффективных в процессе сушки зерна. Его можно разделить на две стадии: первая - посредством глубокого вакуума влага вымораживается и выходит на поверхность, во втором, за счет интенсивного подвода тепла осуществляется испарение влаги (лед, минуя жидкое состояние, превращается в пар). Теория молекулярной сушки зерна развита академиком А.В. Лыковым [58, 59, 60]. Широкого распространения данная технология не получила из-за сложности оборудования для сублимационной сушки, а также его низкой производительности.
Имитационное моделирование начальных условий сушки зерна в шахтной зерносушилке
На процесс сушки зерна в шахтной зерносушилке в режиме ее нормального функционирования влияют многочисленные факторы. Функционирование шахтной зерносушилки можно рассматривать как воздействие на входные внешние возмущения и управляющие воздействия, то есть сушильную камеру можно представить в виде динамической системы (рисунок 2.1).
Представленная система представляет многофакторный набор показателей характеризующих процесс послеуборочной обработки зерна.
На входе системы действуют следующие вектор - функции и вектора: вектор-функция внешних воздействий, не зависящих от средств технической оснащенности - технологий послеуборочной обработки зерна и вектор-функция условий работы системы с учетом взаимодействия с другими звеньями и использования различных технологических приемов и методов сушки
Здесь W0(t) и 90(0 - влажность и температура исходного материала сушки (зерна); П0 - исходные показатели качества поступающего материала на сушку; Т0,Д0 - начальная температура и влагосодержание; V гаге„та _ скорость сушильного агента на входе в сушилку. На основе имитационного моделирования условий функционирования зерносушилки задаются начальные условия в математической модели процесса сушки зерна, протекающего в данной системе. Выходная вектор-функция У определяет качество работы системы Здесь WL, 0L — влажность и температура зерна на выходе сушилки; Пк - качественные показатели зерна на выходе сушилки; Ээ - энергетические затраты (затраты топлива и электроэнергии); С- производительность зерносушилки; г - время экспозиции; Твых,Двых - соответственно температура и влагосодержание агента сушки на выходе из сушилки; 6 тах - максимальная температура нагрева зерна; AW - конечная влажность зерна.
Построенной модели функционирования сушильной камеры шахтной зерносушилки (рисунок 2.1) в виде динамической системы в наибольшей степени отвечает математический оператор в виде матрицы передаточных функций U - У. Нелинейность системы, распределенность ее параметров, наличие больших транспортных и технологических запаздываний делает такое описание сложной задачей и диктует необходимость построения оператора в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений.Выделим в сушильной камере элементарный объем dV,=Sdx. Элементарный объем можно интерпретировать как некоторую усредненную единичную зерновку толщиной в одно зерно. Динамика движения ее не учитывается, т.к. она рассматривается в эйлеровой системе координат (подвижной, движущейся вместе с данным элементарным слоем). Характер движения зерна, степень его перемешивания в слое зернового материала будет учитываться при переходе к уравнениям слоя и сушильной камеры (т.е. переход к неподвижной системе координат.
Наибольшие сложности возникают при составлении уравнения влагообмена между зерновым материалом и сушильным агентом. Процесс испарения влаги в зерновом материале носит сложный характер. Большое многообразие видов зернового материала, имеющих различные химико-биологические, физико-механические и теплофизические свойства, создает дополнительные проблемы при математическом описании влагообмена в сушимом материале и приводит к необходимости использования различных эмпирических; полуэмпирических, а также теоретических законов, выражающих крайние идеализации [72].
Обозначим j{x,t) - плотность потока влагопереноса в зерновом слое в сечении х в момент времени t Здесь необходимо отметить следующий момент. Градиент (gradw(x,t)) векторная функция, однако в силу одномерности описания влажностного поля (только по высоте или длине, в зависимости от типа сушильной камеры), изменение W рассматриваем по координате х, а не x,y,z), направление вектора имеет принципиального значения.
Таким образом, направление градиента влажности представляет только теоретический интерес при нестационарном режиме сушке (например, при выходе на режим) в случае одномерного описания и в этом случае вместо градиента можно использовать скалярную величину- плотность тока влаги в dV, в момент времени t.
Алгоритмизация методики проведения экспериментальных исследований
Для экспериментального определения параметров зерна [125]: влажности, температуры и теплоемкости в процессе сушки при условиях нормального функционирования зерносушилки отбирали пробы в различных сечениях
Для измерения температуры агента сушки зерна были использованы ртутные термометры для шахтных зерносушилок со шкалой от 0 до 500С. Для защиты от механических повреждений термометры были помещены в специальный защитных чехол. Место расположения термометров - диффузор. В каждой из трех зон было установлено по три ртутных термометра по высоте горячего восходящего диффузора (верх, середина, низ). Измерения температуры зерна использовались термопары марки ТХК-151 — хромель-копелевые (таблица 3.1). Для термопар применялись электронные потенциометры типа КСП—4. Термопары были установлены по высоте сушильной камеры в каждой из трех зон.
Методы измерения-влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной. Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равноценным полному удалению влаги. Для измерения влажности зерна использовали сушильный шкаф СЗМ-ЗМ, а также электрический портативный влагомер ПВЗ-10Д. Измерение влажности производили в соответствии с [19]. При сушке в сушильных шкафах имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Определение влажности зависит от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу.
Вначале производились двойные измерения: портативным влагомером, потом уточняли значение при помощи сушильного шкафа (для ускорения определения перед сушкой в сушильном шкафу зерно размалывали, отвешивали по две навески 5 г). При этом преследовались две цели: уменьшение измерительной погрешности (экспресс-влагомером определяли необходимость в предварительном подсушивании в СЗШ-ЗМ) и уменьшение объема измерительных работ (путем нахождения аддитивной составляющей погрешности измерения, причем она оказалась различной для зерна средней сухости и сырого -1% и -1,5% соответственно).
После чего все измерения проводил влагомером ПВЗ-10Д с учетом поправок.
Измерения при помощи ПВЗ-10Д проводили в трехкратной повторности (при этом расхождение между ними не превышали 1,5%, в исключительных случаях отличные значения игнорировали и делали еще одну повторность) и находили среднее арифметическое значение.
Для определения максимальной температуры зерна в процессе сушки через отверстия отводящих и подводящих коробов (рисунок 3.3). Затем пробы высыпали в деревянные ящики с крышками. Измерение температуры производились максимальным ртутным термометром в течение 6-8 минут, который передвигали через каждые 2-3 минуты, при этом следили, чтобы ртутный шарик термометра не касался стенок ящика.
