Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Анализ способов сушки 8
1.2. Классификация и анализ средств сушки с конвективным подводом тепла 22
1.3. Анализ исследований процесса конвективной сушки зерна..31
Выводы по главе 41
Цель и задачи исследований 42
2. Теоретическое обоснование процессов сушки гречневой ядрицы 43
2.1. Оценка влияния величины массы продукта в цикле сушки на качество и эффективность процесса 43
2.2. Тепловой анализ процесса сушки ядрицы в сушилках циклического типа 51
2.3. Математическое моделирование процесса сушки ядрицы 61
2.3.1. Анализ тепло- и влагообмена в процессе сушки ядрицы... 61
2.3.2. Анализ кинетики сушки ядрицы 73
Выводы по главе 79
3. Программа и методика экспериментальных исследований 81
3.1. Программа экспериментальных исследований 81
3.2. Методика определения физико-механических свойств крупы ядрицы 82
3.3. Методика исследований процесса сушки гречневой крупы ядрицы 85
3.3.1. Обоснование факторов, диапазонов варьирования и критериев оценки процесса сушки 93
3.4. Методика определения коэффициента диффузии влаги 94
Выводы по главе 100
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований . 101
4.1. Анализ эксплуатационно-технологических и энергетических показателей процесса сушки ядрицы 101
4.1.1. Кинетика температур агента сушки и продуктового слоя 102
4.1.2. Показатели производительности и энергоемкости процесса 111
4.2. Анализ теплового баланса сушилки ядрицы 117
4.2.1. Анализ теплопотерь с поверхности сушилки и на нагрев металлоконструкции 118
4.2.2. Анализ затрат теплоты на нагрев продукта и выпаривание влаги 124
4.2.3. Анализ структуры энергозатрат на процесс сушки ядрицы 126
4.3. Анализ результатов исследований процесса сушки с четы рехрядным калорифером 128
4.4. Результаты исследований массообмена (сушки) гречневой ядрицы 133
4.5. Анализ результатов исследований качества сушкиядрицы 137
Выводы по главе 140
5.Экономическая оценка результатов исследований 143
Выводы по главе 148
Общие выводы 149
Список использованных источников 151
Приложения 162
- Анализ способов сушки
- Оценка влияния величины массы продукта в цикле сушки на качество и эффективность процесса
- Методика определения физико-механических свойств крупы ядрицы
- Анализ эксплуатационно-технологических и энергетических показателей процесса сушки ядрицы
Введение к работе
Одно из ведущих мест в инфраструктуре технических средств послеуборочной обработки зерна на сельскохозяйственных предприятиях и его последующей переработки занимают процессы сушки зерновых культур и их аппаратурное оформление. Основными требованиями, предъявляемыми к сушилкам, являются: улучшение технологических свойств высушиваемого материала; снижение энергозатрат на проведение процесса сушки посредством интенсификации этого процесса.
В настоящее время совершенствование сушильного оборудования находится на новом этапе, обусловленном появлением в сельскохозяйственном производстве различных форм собственности. Помимо крупных агропромышленных предприятий появилось множество небольших сельскохозяйственных производственных кооперативов, фермеров и мелких частных перерабатывающих предприятий, занимающихся выращиванием или переработкой зерна, а мощная зерносушильная техника сосредоточена в основном на элеваторах и крупных сельскохозяйственных предприятиях. При сдаче на хранение зерновых культур на элеватор к нему предъявляются жесткие требования. Если влажность или засоренность культур выходит за рамки ограничительной кондиции, то такое зерно либо не принимают на хранение, либо поднимают цены за подработку до уровня, достигающего 50% себестоимости производства зерна, недоступного фермерам и мелким сельскохозяйственным предприятиям.
Вышесказанное обуславливает необходимость обеспечения этих категорий сельскохозяйственных товаропроизводителей малогабаритной, высокоэффективной, энерго- и ресурсосберегающей техникой для сушки зерна.
Однако простым масштабированием (при переходе от сушилок большой производительности, установленных на элеваторах, к малым, обеспечивающим потребности указанных категорий сельских товаропроизводителей) эту задачу решить оказалось невозможно. Существующие сушилки в большинстве случаев не только физически, но и морально устарели, поскольку возможности их при существующих ценах на энергоресурсы исчерпаны. Поэтому при переходе от крупногабаритных сушилок к новым, отвечающим современным экономическим и экологическим требованиям, естественно, возникла проблемная ситуация. Высокая технико-экономическая эффективность процесса сушки, повышение производительности труда и улучшение санитарно-гигиенических и экологических условий производства возможны только при создании нового типа сушильного оборудования.
Используемое в настоящее время оборудование для сушки зерна наряду с большими габаритными размерами характеризуется высокой энерго - и металлоемкостью при низком качестве высушиваемого зернового материала. Дальнейшее внедрение передовых методов сушки в производство сдерживается недостатками существующего оборудовании.
Таким образом, разработка малогабаритных, высокоэффективных, энерго - и ресурсосберегающих сушилок для указанной категории сельских товаропроизводителей является весьма актуальной задачей, которая предопределила цель исследований: повышение эффективности процесса сушки гречневой ядрицы путем оптимизации режимов работы малогабаритной конвективной сушилки периодического (циклического) действия.
Исследования проводились по программе НИР Российской академии сельскохозяйственных наук (задание 01. 02. на 2001...2005 гг.) в государственном научном учреждении ВИИТиН.
7 На защиту выносятся:
-математические модели обоснования компромиссных решений по выбору режимов работы сушилок в многокритериальном пространстве (производительность, энергоемкость, качество процесса и затраты на технологическое обслуживание);
математическое описание теплового баланса сушилок циклического действия;
экспериментальные зависимости производительности сушилок, энергоемкости и качества процесса с кинетикой температурных режимов и величиной загрузки сушильной камеры;
взаимосвязи результативных показателей с исходной температурой продукта, характеристиками калорифера;
взаимосвязь кинетики температурных режимов сушки и продолжительности протекания процесса с величиной слоя просушиваемого продукта и его влагосо-держанием.
8 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Анализ способов сушки
Развитие и повышение эффективности использования оборудования для послеуборочной обработки зерновых культур относится к наиболее важным задачам агропромышленного производства. Один из основных негативных факторов состояния современного сельскохозяйственного производства - высокая энергоемкость конечной продукции, которая в 2-3 раза превышает аналогичные показатели развитых стран /1/. Отсюда завышенные затраты на топливно-энергетические ресурсы, высокая себестоимость продукции растениеводства и животноводства, их низкая конкурентная способность на мировом рынке.
На величину удельных расходов энергоносителей значительное влияние оказывают расходы энергии на тепловые процессы, важнейшим из которых является сушка зерна /2, 3/. Сушка относится к наиболее сложным, трудоемким, энерго- и материалоемким процессам, требующим существенных затрат тепла.
Производство и заготовка зерновых культур товаропроизводителями различных форм собственности неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии сушки. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, природно-климатическими и погодными условиями большинства зернопроизводящих районов России. Даже при сухой погоде во время уборки урожая средняя влажность зерна в большинстве зернопроизводящих районов составляет 15% и более (иногда выше 20%), что не позволяет хранить такое зерно в хозяйствах без сушки.
Ежегодно свыше 80% убранных с полей зерновых культур подвергают сушке /4/. Кроме этого, при переработке зерно подвергается мойке, увлажнению, кондиционированию, гидротермиче ской обработке и другим процессам, после которых влажность зерна и продуктов его переработки повышается до 20...28%. При использовании существующих установок, на сушку зерна приходится от 35 до 97% общих затрат энергии на ее обработку 12, З/. В целом по стране на сушку расходуется около 12% добываемого топлива.
Во-вторых, благодаря соблюдению современной технологии при сушке зернового материала и ее своевременности удается не только повысить стойкость зерна при хранении, но и существенно улучшить его продовольственные и семенные достоинства. Она не только обеспечивает сохранность зерна и снижение потерь убранного урожая, но и оказывает положительное влияние на выход и качество продукции при переработке зерна в муку и крупу /4/.
Ввиду особой важности технологии сушки в процессе послеуборочной обработки зернового материала развитию сушильной техники во все времена отводили важнейшее место и придавали огромное значение. Создание высокопроизводительного сушильного оборудования стало возможным благодаря широким научным исследованиям, проводимым в этой сфере.
Огромный вклад в развитие теории сушки внесли отечественные ученые: А.В. Лыков, Г.К.Филоненко, И.М.Федоров, А.С.Гинзбург, П.Д.Лебедев; а также зарубежные: О.Кришер, В.Мальтри, Э.Петке, Б.Шнайдер и многие другие.
Большое значение для совершенства технологии и технических средств сушки имеют многочисленные работы отечественных ученых: А.П.Гержоя, В.Ф.Самочетова, А.М.Уварова, В.А.Резчи-кова (ВНИИЗ), Н.И.Денисова, И.П.Кащеева, Н.В.Кармана (ЦНИ-ИПЗП), С.Д.Птицына, В.И.Анискина, Г.С.Окуня, Ф.Т.Гоголева (ВИМ) и других.
К настоящему времени подробно изучены такие проблемы, как представления о роли влаги в зерне и о свойствах зерна как объекта сушки, разработаны научные основы о формах связи влаги с зерном и теоретические основы зерносушения. Теоретические представления о распределении влаги в зерне развиты в трудах С.М.Липатова, П.А.Ребиндера, Ю.А.Кавказова. Процессы внутреннего влагопереноса в зерне подробно рассмотрены в работах А.С.Гинзбурга, Е.Д.Казакова, Г.А.Егорова и других /5-12/.
В дореформенные годы основное внимание исследователей и конструкторов зерносушилок было направлено на создание стационарных установок высокой производительности (от 20 до 100 тонн в час и более). Однако, несмотря на огромные успехи в области технологии сушки зерна и проектирования соответствующего оборудования, потребность сельского хозяйства в установках для сушки зерновых культур удовлетворить полностью так и не удалось /13/.
Более того, оборудование для сушки зерна, применяемое на элеваторах и в хозяйствах, не отвечало достаточно полно основным требованиям, предъявляемым к сушильным установкам. Оно не обеспечивало требуемой равномерности сушки зерна, имело большие массу и габариты, расход теплоты с уходящими газами достигал значительной величины, что в свою очередь приводило к снижению эффективности сушильного оборудования (низкому тепловому коэффициенту полезного действия).
Оценка влияния величины массы продукта в цикле сушки на качество и эффективность процесса
Величина массы увлаженной ядрицы (Мя), засыпаемой в сушилку циклического действия, определяет производительность, качество и энергоемкость процесса. С увеличением Мя снижается кратность вспомогательных операций, выполняемых операторами, что создает предпосылки для увеличения производительности технологической линии. Но рост величины Мя при заданных параметрах решетной поверхности (SP) приводит к увеличению неравномерности процесса удаления влаги (aw). В рассматриваемом случае для оценки неравномерности распределения влажности ядрицы выбран не коэффициент вариации (yw), а стандартное отклонение (Gw) на том основании, что влажность в общепринятой практике оценивается в относительных единицах - в процентах. Поэтому величину ow удобно использовать для оценки монетарных потерь.
С учетом необходимости исключения порчи продукта при длительном хранении, когда часть просушиваемого объема ядрицы имеет влажность большую допустимой величины \Уя [W ], рост величины W имеет технологические и экономические ограничения. Так как для обеспечения гарантий сохранности продукта с вероятностью 99,73% необходимо обеспечивать средний уровень его влажности на уровне W„ =[WJ,]-3CJW, рисунок 2.1.
На рисунке 2.1 показан нормальный закон распределения влажности (подтвержден поисковыми опытами) в слое продукта. Равномерность распределения влажности по высоте слоя и объему продукта нами рассматривается как вспомогательная задача из-за ограниченной толщины слоя на решетной поверхности. Причиной неравномерности распределения влажности по площади слоя являются начальная неравномерность влажности продукта, недостаточно качественное его разравнивание (распределение) при загрузке в сушильную камеру и неравномерное распределение потоков сушильного агента в подрешетном объеме /39/, что приводит в fw(W ) [WJ . последующем к росту удельных энергозатрат и продолжительности процесса с учетом вынужденной пересушки продукта на величину 3aw. Поэтому необходима выработка компромиссных решений для условий, когда: - возможности технологических средств удаления влаги из ядрицы ограничены относительно производительности линии; - имеется резерв технологических средств удаления влаги из ядрицы.
При оценке альтернатив осуществления процесса сушки по величине Мя в первом варианте, когда технологические возможности сушилок ограничены, необходимо рассматривать условие: ДЭТ 3A J W \УЛП Ця/100 - дТ с От - ДЯ уд\УлпЦэ, (2.1) где дЭт - приращение часового технологического эффекта от увеличения интенсивности загрузки сушилок за счет сокращения времени их технологического обслуживания и снижения удельной продолжительности сушки при увеличении Мя, руб/ч; AG W - приращение неравномерности процесса сушки ядрицы при увеличении Мя, %; \Улп - производительность технологической линии по продукту, кг/ч; Ця - реализационная цена ядрицы, руб/кг; дТ с - снижение удельной трудоемкости технологического обслуживания сушилок при увеличении Мя, чел-ч/ч; От - оплата труда операторов, руб/чел-ч; дя уд - снижение удельной энергоемкости процесса сушки ядрицы при увеличении Мя, кВт-ч/кг; Цэ — цена электроэнергии, руб/кВт-ч.
Первый член правой части неравенства (2.1) отражает величину ущерба производителя крупы из-за большей вынужденной степени пересушки ядрицы при увеличении Мя с целью обеспечения ее сохранности при длительном хранении. То есть, переработчик отпускает заказчику реально большую массу продукта в пересчете на нормативную влажность [Wa]. Эта величина ущерба пропорциональна производительности перерабатывающей линии, цене на крупу и величине AG W. Она очень значительна. Поэтому возможное увеличение технологического эффекта (дЭт) от использования технологической линии, экономии трудозатрат и электро- энергии при увеличении Мя должны перекрывать этот ущерб, что отражено в условии (2.1).
Методика определения физико-механических свойств крупы ядрицы
Экспериментальные исследования проводились с целью проверки теоретических предпосылок и выводов, а также ряда конструктивно - режимных и технологических параметров конвективной сушильной установки периодического действия, которые не удалось выявить при теоретическом анализе. В программу исследований входило: - исследовать физико-механические свойства гречневой крупы ядрицы, а также коэффициенты диффузии влаги единичного ядра; - исследовать структуру трудоемкости операций контроля, управления и технологического обслуживания конвективной сушильной установки периодического действия; - исследовать закономерности качества и энергоемкости процесса сушки ядрицы в зависимости от изменения конструктивных и режимных параметров конвективной сушильной установки периодического действия; - экспериментально определить взаимосвязь температуры отработанного агента сушки с конечной влажностью гречневой крупы ядрицы; - выявить влияние засыпаемой массы влажной ядрицы на неравномерность ее сушки по толщине слоя и производительность сушильной установки.
Влажность гречневой крупы ядрицы до и после процесса сушки определяли согласно методике, изложенной в ГОСТе 26312 - 88 III.
Насыпную плотность гречневой крупы ядрицы до и после процесса сушки определяли согласно методике, изложенной в ГОСТе 10640-64.
Для определения коэффициента внутреннего трения по рекомендации авторов работ /79/ было изготовлено и использовано устройство, общий вид которого представлен на рисунке 3.1.
Устройство представляет собой плоскость 1, горизонтальное положение которой регулируется стойками 2 при помощи уровня. В центре плоскости расположена втулка 5, в которой перемещается стержень 4 с диском 3. Диаметр диска равен 150 мм. Для поднятия диска на определенную высоту служит рукоятка 7. На диск 3, который должен находиться в нижнем положении насыпают исследуемый материал с избытком. Далее вращением рукоятки 7 поднимают диск 3 на определенную высоту так, чтобы диск полностью вышел из слоя материала, в результате этого на диске формируется объем материала конусообразной формы.
Для вычисления коэффициента внутреннего трения (кВт) замеряли расстояние h от плоскости диска 3 до плоскости 1 и расстояние Н от вершины конуса до плоскости 1.
Коэффициент внутреннего трения вычисляли по форме: Квт =2-(H-h)/d, (3.1) где Н - расстояние от вершины конуса до плоскости 1, м; h — расстояние от плоскости 3 до плоскости 1, м; d—диаметр диска, м. Гранулометрический состав гречневой крупы ядрицы, а также содержание колотых, дробленых ядер и мучки определяли методом ситового анализа до и после проведения опыта.
Во втором случае был использован набор сит с круглыми отверстиями диаметром 2,0 мм, с щелевыми отверстиями размером -1,6x18 мм, квадратными отверстиями размером 0,8x0,8 мм и поддон.
Предварительно взвешенная навеска гречневой крупы ядрицы рассевалась на ситовом классификаторе. В дальнейшем остаток на сите с диаметром отверстий 2,0 мм разбирали вручную и если обнаруживали колотые ядра, то их взвешивали и суммировали с массой колотых ядер, оставшихся на щелевом сите 1,6x18 мм.
После этого взвешивали остаток на сите с квадратными отверстиями 0,8x0,8 мм и на поддоне. Содержание колотых, дробленых ядер и мучки определялось по формуле:
Анализ эксплуатационно-технологических и энергетических показателей процесса сушки ядрицы
Из таблицы 4.1 видно, что приращение температуры в над-решетном пространстве с уменьшением Мя до 35,6 кг уменьшается почти в 3 раза - с 23С до 8С. При этом период времени приращения температуры сушильного агента сокращается в 1,7 раза.
Снижение прироста температур (Atnoe) и периода времени ее приращения (Тпод) объясняются меньшими запасами тепловой энергии в продуктовом слое меньшей толщины и ее более интенсивным отводом при лучшей воздушной проницаемости. В свою очередь именно эти условия обеспечивают более эффективную сушку ядрицы.
С увеличением Мя приращение температур увеличивается с убывающей интенсивностью (см. рисунок 4.3), а прирост периода времени приращения (тПОв) - с возрастающей, что подтверждает преобладающее влияние на характер протекания процесса фактора воздушной проницаемости продуктового слоя. Графические зависимости, представленные на рисунке 4.3, аппроксимируются функциями:
Кинетика температурных режимов сушки ядрицы для анализируемой выборки экспериментальных данных в табличной форме представлена в приложениях 1...9, а в виде аппроксимирующих функций - в приложениях 10... 18 - всего 54 аппроксимирующие функции. Они проинтегрированы в характерных для анализа протекания процесса интервалах времени (т) и использованы в анализе теплового баланса.
В состав эксплуатационно-технологической оценки входят (и использованы в анализе) показатели продолжительности протекания элементов процесса, производительности сушилки по основному и эксплуатационному времени. В качестве показателей энергоемкости процесса использованы удельные затраты энергии в расчете на единицу массы выпаренной влаги и массы просушенного продукта. Эти показатели рассмотрены во взаимосвязи с основным режимом работы (величиной загрузки сушильной камеры -Мя), определяющим остальные режимы рабочего процесса, что подтверждено выше.
Зависимости периодов «нагрева - сушки» и охлаждения ядрицы от величины загрузки сушильной камеры (Мя) представлены на рисунке 4.4. Следует отметить, что величина (тР+ тс) изменяется с возрастающей интенсивностью с увеличением Мя. Это свидетельствует о наличии некоторой оптимальной величины Мя в области поиска. Период охлаждения ядрицы (т0Хл) изменяется по закону, близкому к линейному.
При увеличении Мя от 35,6 кг до 74,7 кг величина (тР + тс) возрастает от 0,193 часа до 0,65 часа, то есть в 3,37 раза при увеличении Мя лишь в 2,1 раза. Продолжительность охлаждения (т0Хл) возрастает только в 1,5 раза (от 0,18 до 0,267 часа). Причем по характеру расположения экспериментальных точек можно заметить, что в интервале Мя = 57...74,7 кг величина тОХл близка к стабильной.
Графически зависимости, представленные на рисунке 4.4, аппроксимируются следующими уравнениями: (т„ + тс)= 0,096 імГ599Мя; (4.10) тохл = 0,08375 + 0,00275МЯ.
Наличие постоянного члена во втором уравнении не имеет физического смысла (при Мя = 0 величина т0Хл должна быть равной 0), а обусловлена лишь процедурой аппроксимации экспериментальной зависимости в ограниченной области изменения Мя и погрешностью процедуры.
При установлении зависимостей (тР + тс) = /і(Мя) и тОХл = /г(Мя) обеспечивалась достаточная сопоставимость условий опытов по начальной (WnH) и конечной (WnK) влажности продукта (WnH = 19,4...21,4%; WnK = 9,9...13%). Начальная температура продукта изменялась в пределах t = 28,1 ...31,4С. Более высокого уровня воспроизводимости условий опытов достичь с подобных процессах не удается.
Нужно отметить, что начальная температура продукта очень существенно влияет на показатели удельной энергоемкости процесса и это видно из уравнений теплового баланса (см. раздел 2.2). Для установления этой взаимосвязи нами была проведена специальная серия опытов, растянутая по календарному сроку.
Специальная серия опытов была вызвана необходимостью равномерного (естественного) охлаждения ядрицы до разных температур на наружном воздухе. Для этого ядрицу после операций обрушивания и сортировки отбирали и оставляли на ночь. В разные календарные сроки использования сушилок ядрица утром имела свою начальную температуру (tmi) от - 1,2 С до 31,4С. Этот диапазон температур существенно отличается от tnn в поточном технологическом процессе.
