Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих технологий и активного вентилирования в зерносушильних установках 7
1.1. Свойства зерновой массы как объекта активного вентилирования 7
1.2. Способы сушки зерна 12
1.3. Сушка зерна при различном состоянии слоя зерна 17
1.4. Виды вентилирования 19
1.4.1. Особенности сушки зерна в бункерах активного вентилирования 25
1.4.2. Классификация установок активного вентилирования 27
1.4.3. Анализ существующих конструкций бункеров активного вентилирования 28
Выводы по главе и постановка задач исследования 34
Глава 2. Теоретические исследования установок бункерного типа 36
2.1. Теоретическое исследование аэродинамики воздухораспределительных систем установок с плотным слоем материала 36
2.1.1 Аэродинамические модели бункерных установок 40
2.1.2. Радиальная схема воздухораспределения со сплошным наружным цилиндром 48
2.2.Моделирование тепло-и влагообмена в бункерных установках 49
Выводы по главе 52
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований 53
3.1.1. Программа проведения экспериментальных исследований 53
3.1.2. Алгоритм проведения экспериментальных исследований 53
3.1.3. Методика определения основных показателей в процессе сушки и активного вентилирования зерновой массы 55
3.1.4. Методика планирования полного факторного эксперимента 58
3.2. Идентификация процесса сушки зерна в бункерных установках 61
3.3. Аналитическое моделирование процесса сушки зерна в бункерных установках 69
Выводы по главе 74
Глава 4. Проверка адекватности математической модели 76
4.1. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 76
4.1.1. Результаты исследований по определению тепловлажностных характеристик плотного слоя зерна 89
4.2. Верификация математической модели 94
4.3. Методика оценки эффективности бункерных сушильно-вентиляционных установок 96
4.4. Предлагаемые технические решения, позволяющие интенсифицировать тепловлагоперенос в бункерных установках 98
Выводы по главе 101
Глава 5. Технико-экономическое обоснование разработанной конструкции бункера активного вентилирования 102
5.1. Технико-экономические показатели 102
5.2. Производственные испытания 103
Выводы по главе 105
Общие выводы и рекомендации 106
Библиографический список 108
Приложения 119
- Свойства зерновой массы как объекта активного вентилирования
- Теоретическое исследование аэродинамики воздухораспределительных систем установок с плотным слоем материала
- Методика определения основных показателей в процессе сушки и активного вентилирования зерновой массы
- Результаты исследований по определению тепловлажностных характеристик плотного слоя зерна
Введение к работе
Подавляющее большинство технологических процессов в сельском хозяйстве осуществляется с использованием бункерных устройств.
Бункерные устройства являются необходимой составной частью более 85% мобильных и стационарных сельскохозяйственных машин, установок и поточных линий. Обладая рядом положительных конструктивных, технологических и эксплуатационных свойств, таких как простота, низкая металлоемкость, высокая степень унификации, гибкость, модульность, бункерные устройства в то же время имеют серьезные недостатки. Эти недостатки в ряде случаев приводят к простоям или непроизводительной и некачественной работе дорогостоящих технологических линий.
Причиной сложившейся ситуации можно считать то, что не идентифицированы системные противоречия между группой свойств бункерных установок, обуславливающих их простоту и группу свойств, формирующих качество и производительность их технологического процесса. Эти противоречия можно подразделить на конструкционные, технологические и эксплуатационные.
Простои в основном вызваны неправильным выбором размера и формы выпускного отверстия, а также угла наклона стенки бункера и их несоответствием виду обрабатываемого материала. Непроизводительная работа бункерных установок, связанная с уменьшением их фактической пропускной способности, по сравнению с расчетной обусловлена возникающими в них статически устойчивыми сводами.
Известно, что некачественная работа бункерных установок связана с большой толщиной слоя зернового материала в них. Но до настоящего времени не только не существует единой структурной теории, позволяющей системно учесть все группы факторов, но нет и удовлетворительного описания для третьей составляющей.
Цель работы повышение эффективности систем
воздухораспределения в бункерных сушильно-вентиляционных установках для экономии энергетических ресурсов.
Объект исследований. Процесс воздухораспределения в сушильно-вентиляционных установках бункерного типа.
Предмет исследования. Закономерности изменения полей влажности, температуры зерна, скорости воздушного потока и их взаимозависимости в бункерных устройствах многоцелевого назначения.
Методы исследования. Методы математического моделирования, статистического анализа и методика проведения экспериментальных исследований сушильно-вентиляционных установок послеуборочной обработки зерна.
Научная новизна. Разработана математическая модель процессов сушки и вентилирования зерна в установках бункерного типа; предложена методика идентификации имитационно-аналитической модели для бункерных установок с различной воздухораспределительной системой; результаты использования распределенной подачи воздуха в бункерных установках.
Практическую значимость работы представляют:
модернизированная конструкция системы воздухораспределения; методика оценки эффективности бункерных сушильно-вентиляционных установок; практические рекомендации по переводу бункеров активного вентилирования на многоцелевое назначение.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты были приняты к использованию в СОАО «Краснополянское» Назаровского района Красноярского края и в учебно-методическом процессе КрасГАУ.
Апробация работы. Результаты исследований были обсуждены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава КрасГАУ в 2005 - 2008гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в т.ч. 1- в рекомендованных ВАК изданиях.
Свойства зерновой массы как объекта активного вентилирования
Зерно, как любой живой организм, имеет сложный химический состав. Как продукт питания, оно содержит многие вещества, играющие очень валшую роль в процессе обмена веществ в организме человека. На зерно многообразно влияет внешняя среда, у него есть вредители. Неблагоприятные изменения в зерне могут зайти так далеко, что зерно оказывается непригодным для использования по назначению. Предупредить такое развитие процесса позволяет система определённых мероприятий, получившая название послеуборочной обработки зерна.
Послеуборочная обработка зерна направлена на приведение убранной с полей зерновой массы в стойкое при хранении состояние при сохранении или улучшении качества принятого зерна. Полный цикл послеуборочной обработки включает в себя: приёмку зерна, очистку от примесей, сушку и активное вентилирование[9; 11].
В силу различных природно-климатических условий собранный урожай может иметь повышенную влажность, при которой невозможно длительное хранение. Влажное зерно характеризуется усиленным дыханием, а выделяющаяся при этом вода влечет за собой повышение влажности зерновой массы.
Именно поэтому в восточных регионах Сибири широкое использование получило активное вентилирование зерна, которое осуществляют в целях сохранения качества сырого и влажного зерна до сушки посредством снижения его температуры, а также охлаждения хранящихся партий для повышения их стойкости.
Оказалось, что с определенной влагой зерно можно постепенно подсушивать, охлаждать, консервировать, аэрировать в зависимости от его состояния и назначения. Этот технологический прием обеспечивает, во-первых, существенное снижение энергии в сравнении с термической сушкой. Во-вторых, повышается качество семян или зерна за счет "мягкого" завершения биохимических процессов, связанных с созреванием и стабилизацией белково-ферментного комплекса. В-третьих, прием не требует сложного оснащения или больших капитальных вложений. Поэтому не случайно, что на базе активного вентилирования были разработаны технологии, которые широко применяются при обработке основных объемов высококачественного зерна в ряде аграрно - развитых стран (США, Канада, Австралия).
Учитывая названные важные преимущества, прием активного вентилирования может быть значительно распространен для первичной обработки влажного зерна в хозяйствах. Уборочная влажность при этом может составлять до 20-25% в зависимости от культуры. Для внедрения приема необходимо наладить выпуск установок для активного вентилирования в помещениях зерноскладов или на площадках. Свойства и строение различных зерновых культур обуславливают особенности их вентилирования.
Зерновка имеет капиллярно-пористую структуру со сложным строением отдельных частей. Радиус микрокапилляров менее 10 3см, а макрокапилляров - более 1(Г5 см. Активная поверхность зерна, через которую происходит влагообмен с окружающей средой, в сотни тысяч раз превышает площадь геометрической поверхности зерна. Снаружи зерновка покрыта плодовой оболочкой (перикарпием), которая образуется из стенок завязи и состоит из трех слоев крупных толстостенных одревесневших клеток, пустых внутри. Она имеет большое количество микропор и капилляров, поэтому удаление влаги из зерна незатруднительно. Семенная оболочка образуется из стенок семяпочки и также состоит из трех слоев клеток, но мелких и неправильной формы. Она обладает слабой проницаемостью паров воды, что ухудшает процесс сушки. Всего на оболочки приходится 5-8 % массы зерновки. Алейроновый слой пшеницы состоит всего из одного ряда клеток. У пшеницы толщина плодовой и семенной оболочек колеблется от 0,03 до 0,97 мм, а алейронового слоя - от 0,03 до 0,06 мм, на него приходится 4-12% массы зерна.
Эндосперм - основная часть зерновки. Представляет собой мучнистое ядро, в котором сосредоточены запасные питательные вещества. В центре эндосперма клетки крупные, тонкостенные, часто неправильной формы. На эндосперм в пшенице приходится 77-85 % массы зерна, а 1,5-7% — приходится на зародыш. Также в состав зерна входят белки, жиры, углеводы, вода и различные минеральные вещества.
Активная поверхность зёрен, способная адсорбировать влагу, представляет собой площадь поверхности стенок капилляров, пронизывающих зерно. Интенсивность перемещения влаги внутри зерна способствует образованию и развитию микротрещин. Чем выше скорость перемещения влаги, тем выше интенсивность образования трещин. Влага, находящаяся в капиллярах оболочек зерна, вследствие углубления зоны испарения быстро превращается в пар. Резкое увеличение объёма образующегося пара вызывает деструктивные изменения оболочек и поверхностного слоя зерна.
Появляющиеся в процессе сушки трещины могут находиться внутри эндосперма или выходить на поверхность, при этом могут быть повреждены алейроновый слой, а затем и оболочки. Если трещины и нарушают алейроновый, служащий хранилищем питательных веществ для зародыша, то посевные качества зерна при этом не снижаются.
Таким образом, изменения технологических свойств зерна могут возникать не только по причине его перегрева, но и вследствие искусственного нарушения связи влаги с твёрдым скелетом зерна [8; 16].
При активном вентилировании особое внимание уделяют свойствам зерновой массы, таким как влажность, скважистость, сыпучесть, аэродинамические свойства, гигроскопичность, а также теплофизические характеристики[11; 62].
Теоретическое исследование аэродинамики воздухораспределительных систем установок с плотным слоем материала
Для определения оптимальных значений основных конструктивных и режимных параметров процессов сушки, вентилирования, временного хранения, подогрева, подсушки или досушки (имеющих место в основном (высокотемпературная сушка) или вспомогательных (низкотемпературная сушка) технологических процессов зерноочистительно-сушильного комплекса, необходимо знать общие закономерности сушки зерна, включая аэродинамику воздухораспределительных систем и динамику тепловлагопереноса сушильных камер и бункеров.
Ввиду того, что интенсивность тепло- и влагообмена зависит от гидродинамического движения сушильного агента в плотном зерновом слое, важное значение приобретает разработка метода расчёта аэродинамики установок.
Исследование основных закономерностей воздухораспределения позволило определить поле скорости воздуха в слое семян, общее аэродинамическое сопротивление установок, а также равномерность обработки зернового материала. Расчёт указанных параметров и показателей позволил провести подбор вентилятора, выявить рациональную конструкцию и повысить эффективность эксплуатации машин и вспомогательного технологического оборудования зерноочистительного сушильного комплекса. Однако для обеспечения достаточной адекватности теории (и, в частности, формулы, выражающей общее аэродинамическое сопротивление установки), а также для анализа равномерности обработки (сушки, нагрева, вентилирования, охлаждения) приходится использовать значительное число опытных данных в точках установки, характеризующихся сложным пространственным движением сушильного агента в зерновом слое; ставить сложные аналитические задачи; использовать сложные расчёты.
Основная трудность при аналитическом решении данного класса задач связана с необходимостью задания разрывных краевых условий на одной из границ контура области определения искомой функции. В самом деле, на одной части границы задаётся значение данной функции (граничные условия I рода), а на другой - её производная (граничные условия (ГУ) II рода). При этом возникает необходимость задания условий согласования между этими ГУ на границе между двумя участками области. Эта граница соответствует воздухопроводящему каналу установки.
Часть границы контура, на которой задаётся значение искомой функции (давление, скорость...), — ГУ I рода, соответствует скрытой части канала. Другая часть границы (на которой задаётся значение производной искомой функции в виде ГУ II рода) соответствует области воздухораспределителя, перекрываемой запорным поршнем (в газораспределителях I типа, используемых в различных установках с радиальным и поперечным вентилированием). Газораспределители II типа, используются в различных системах воздухораспределения сушилок, вентиляционных установках, выполненных без перфорации. ГУ I типа задаётся на участке границы контура, соответствующей открытой части канала И, ГУ II типа - части канала H-h. Краевые задачи с такими смешанными граничными условиями представляют значительную сложность, потому что непосредственное применение метода разделения переменных не позволяет получить их решение, так как невозможно, чтобы одна непрерывная функция удовлетворяла двум различным граничным условиям при фиксированном значении координаты.
Были получены аналитические решения, позволяющие в любой точке бункерной установки определить необходимые величины скорости и давления воздушного потока. Бункерные установки можно разделить по назначению: на бункера для временного хранения и аэрирования влажного зерна перед сушкой (компенсирующие неравномерность поступления зерна); бункера для досушки и охлаждения (компенсирующие нарушение поточности обработки и реализующие низкотемпературный процесс сушки); бункера для высокотемпературного процесса сушки. Бункера активного вентилирования, можно проклассифицировать по схемам воздухораспределения: радиальная схема воздухораспределения с двумя перфорированными цилиндрами (рис.2.1); радиальная схема воздухораспределения со сплошным наружным цилиндром (рис.2.2); поперечная схема воздухораспределения (рис.2.3). Отметим, что несмотря на то, что каждый из этих классов может быть подразделён на подклассы (см.рис.2.3-2.5), принципиальный подход к постановке и решению задач аэродинамики и тепловлагопереноса для соответствующих подсхем остается без существенных изменений [51-59].
Методика определения основных показателей в процессе сушки и активного вентилирования зерновой массы
Для определения параметров зерна: температуры, влажности в процессе сушки и активного вентилирования отбирали пробы в различных сечениях по высоте бункера активного вентилирования.
На рисунке 3.2 приведена схема модернизированного бункера активного вентилирования, снабженного спиралевидной системой воздухораспределения. В установке предлагаемой конструкции бункера активного вентилирования для определения температуры были установлены ртутные термометры со шкалой от 0 до 500 С. Термометры располагались по высоте перфорированного цилиндра. Контроль за параметром влажности осуществлялся при помощи портативного влагомера ПВЗ-10Д, измерения которым проводили с трех кратной повторностью. Как известно, все методы измерения влажности можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы измерения влажности основаны на отделении влаги от материала и раздельном измерении их количеств, косвенные методы базируются в большинстве случаев на физических методах оценки параметров материала, взаимосвязь которых с влажностью предварительно хорошо изучена. Стандартным эталонным методом для оценки всех других методов измерения является сушка и прямое взвешивание исследуемой пробы. Для экспериментального определения влажности зерна (по ГОСТ 13586.5-93) при нормальных условиях активного вентилирования отбирали пробы в различных сечениях (из 3 по вертикали и 3 по горизонтали) при помощи проотборника. В просушенную и взвешенную сетчатую бюксу из подготовленного зерна для определения влажности из разных мест отбирали навеску зерна массой 20 г. Бюксу с навесками поместили в сушильный шкаф СЭШ- ЗМ (такие шкафы позволяют измерять с достаточной точностью влажность самых различных материалов) при температуре 110С, затем зерно в бюксах охладили и измельчили, массу каждой навески довели до 5 г, после чего снова поместили в сушильный шкаф при температуре 130С на 40 минут, затем вынули, охладили и взвесили. За окончательный результат определения влажности зерна приняли среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений. Влажность определяют послойно, что позволяет судить о равномерности распределения воздушного потока. Расслоение зерновой массы по влажности свидетельствует о случаях миграции влаги или процессах сорбции и десорбции. Следовательно, при обнаружении расслоения зерновой массы по влажности должны быть приняты меры для его ликвидации. Давление воздушного потока определяли при помощи газовых манометров, установленных в центральной и спиралевидной воздухораспределительных системах, помимо этого, напор воздушного потока измерялся на выходе из теплогенераторной установки. Расход воздуха определялся при помощи расходомеров в основной части подводящего диффузора теплогенераторной установки. Определение стекловидности зерна пшеницы производилось при помощи диафаноскопа ДСЗ-2, количество клейковины определялось на приборе МОК, а ее качество - на приборе ИДК. 3.1.4. Методика планирования полного факторного эксперимента Большинство экспериментальных задач формулируется как задачи по определению оптимальных условий процессов. Составив план, и благодаря оптимальному расположению точек в факторном пространстве и линейному преобразованию координат, удается преодолеть недостатки классического регрессионного анализа, в частности, обеспечить корреляцию между коэффициентами уравнения регрессии. Выбор плана определяется постановкой задачи исследования и особенностями объекта исследования. Планирование эксперимента позволяет варьировать (изменить) одновременно все факторы и получать количественные оценки как основных факторов, так и эффектов взаимодействия между ними, причем получаемые результаты характеризуются меньшей ошибкой, чем традиционные методы однофакторного исследования. При планировании по схеме полного факторного эксперимента реализуются все возможные комбинации факторов на всех выбранных для исследования уровнях. Для построения регрессионной модели был спланирован и реализован полный факторный эксперимент (ПФЭ) по схеме 2 . Количество опытов по плану определяется по формуле где N— число неповторяющихся опытов; и - число уровней факторов; к — число факторов. Уровни факторов представляют собой границы исследуемой области по данному технологическому параметру. Верхний и нижний уровни были установлены экспериментально, предварительными опытами. Кодированный план полного факторного эксперимента 2 геометрически может быть представлен в виде куба, восемь вершин которого представляют восемь экспериментальных точек.
Результаты исследований по определению тепловлажностных характеристик плотного слоя зерна
Применительно к технологическому процессу сушки зерна в зерносушилках шахтного, камерного и бункерного типов с плотным состоянием слоя сушимого материала, который связан с взаимосвязанным и взаимообусловленным протеканием внутренних и внешних процессов тепло-и влагопереноса и тепло- и влагообмена, основными тепловлажностными характеристиками являются: 1) теплофизические; 2) влажностные. К первой группе относятся следующие параметры: коэффициент теплопроводности Л; коэффициент температуропроводности а; коэффициент теплоемкости с; дополнительные (проверочные) характеристики: - удельная объемная теплоемкость ср; - коэффициент теплоаккумуляции (теплоусвояемость) в . Ко второй группе относятся: коэффициент массопереноса; потенциал влагопереноса; удельная изотермическая влагоёмкость; дополнительные (проверочные) характеристики: - полный водный потенциал; - удельное влагосодержание. Все характеристики тесно связаны причинно-следственной, функциональной и корреляционной формами связи с основными переменными состояния процесса сушки зерна - влажностных со и температурой в зерна, а также с постоянным параметром - начальной плотностью зерна р. Коэффициент теплопроводности Я рассчитывали с помощью цилиндрического электрического зонда постоянной мощности конструкции НИПТИМЭСХ A3 РФ (разработчики А.Ф. Эрк, В.Н. Бровцин, С.К. Манасян), представляющего собой усовершенствованный вариант цилиндрического зонда Л.Ф. Янкелева. Методика расчета описана в [65; 83]. При вычислении коэффициента температуропроводности использовали результаты измерений с помощью данного цилиндрического зонда при его направлении и охлаждении, пользуясь методом регулярного режима, разработанным Г.М. Кондратьевым. Теплоемкость образцов зернового материала определяли калориметрическим способом. Образцы исследуемого материала отличались следующими параметрами: культура, сорт; влажность, влагосодержание; плотность, насыпная плотность, порзность; температура, энтальпия (теплосодержание). Для определения тепловых характеристик плотного слоя зернового материала провели экспериментальные исследования на лабораторной установке, содержащей следующую аппаратуру: прибор ИТХ9П, измерительный блок (включающий стабилизированные источники мостовой измерительной схемы и подогревной обмотки зонда, измерительную схему и усилитель) и вторичный регистрирующий прибор. В приборе ИТХ9П в качестве теплового зонда используется полупроводниковый цилиндрический зонд. Относительная погрешность прибора не превышает 5%. Время теплового воздействия 4-5 мин., чувствительность прибора по температуре ГС. Опыт проводили по следующей методике. Зерновой материал увлажняли в специально приготовленных полиэтиленовых мешках в течение трех суток, перемешивание проводили два раза в сутки. По каждой культуре (пшеница, рожь, овес, ячмень) приготовили по 11 образцов с влажностью от 10 до 35%. Некоторые результаты проведенных экспериментальных исследований представлены на рисунке 4.6, который наглядно иллюстрирует сложный характер изменения теплофизических характеристик плотного зернового слоя в зависимости от его влажности. Исследования показали, что на теплофизические характеристики зернового материала наибольшее влияние оказывает его влажность. С увеличением влажности зерна, находящегося в плотном состоянии слоя, для всех видов зерновых культур коэффициент теплопроводности Л, удельная объемная теплоёмкость ср и коэффициент теплоаккумуляции в (в = срЛ) возрастают. Что касается коэффициента температуропроводности повышается, но, достигнув максимума, снижается с дальнейшим увеличением влажности зерна, а в области повышенных значений влажности от 28% его значение практически постоянно. Сложная зависимость термических коэффициентов от влажности зерна объясняется наличием разных форм связи влаги в материале, разной величины энергии для удаления влаги из зерна. С увеличением плотности зерна теплофизические характеристики повышают свои значения по билинейному закону, близкому к линейному. Вид и сорт зерновых культур заметно влияют на теплофизические характеристики, но они мало влияют на тип зависимости их от влажности и плотности зерна [91-98].
Для того чтобы определить оптимальные режимы технологических операций сушки и активного вентилирования зерна в бункерных установках (кроме коэффициентов, связанных с теплообменом), необходимо знать и коэффициенты, связанные с влагообменом коэффициенты массопереноса, потенциал влагопереноса J и удельная изотермическая влажность зерна. Полный влажностныи потенциал ф зернового материала зависит от влагосодержания и температуры. Для того чтобы исключить зависимость его от температуры, использовали метод нестационарного субстанционального потока при изотермических условиях, теория которого основана на решении задачи теплопроводности для системы двух полуограниченных тел при граничном условии IV рода, соответствующего идеальному контакту.
