Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса цель и задачи исследований 10
1.1 Состояние и перспективы послеуборочной обработки зерна 10
1.2 Особенности технических средств послеуброчной обработки зернового вороха. Содержание проблемы 15
1.3 Обзор конструкций и классификация зернометательных машин 27
1.4 Влияние прочностных свойств зерновых материалов на механические повреждения при обработке метателем 66
1.5 Признак делимости зернового вороха при метании 72
1.6 Выводы и задачи исследований 74
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процессов обработки зернового вороха зернометательными машинами 77
2.1 Математическое описание движения зерна в неподвижной воздушной среде 77
2.2 Уравнение движения компонентов зернового вороха при метании их в боковой воздушный поток 83
2.3 Математическое описание движения компонентов зернового вороха при метании их во встречный воздушный поток 89
2.4 Математическое описание процесса движения зерна в лопастном барабане порционного метателя 91
2.5 Математическая модель движения частиц зернового вороха 104
2.6 Движение зернового вороха в ветровом потоке 107
2.7 Движение зернового вороха по лопатке барабана порционного метателя 109
2.8 Анализ дифференциальных уравнений движения зернового вороха. 118
2.9 Уравнение процесса охлаждения зерна в интенсивных аэродинамических полях 126
2.10 Выводы 139
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 140
3.1 Программа исследований 140
3.2 Оборудование и методика исследований 140
3.2.1 Методика обработки опытных данных 140
3.2.2 Оборудование и методика определения параметров 144
3.2.3 Определение посевных качеств зерна после обработки порционным метателем 152
3.2.4 Изменение абсолютной массы семян при порционном метании 154
3.3 Охлаждение зерна при порционном метании 157
3.4 Исследование травмирования зерна при порционно мметании 169
3.5 Выводы 172
ГЛАВА 4. Экспериментальное обоснование параметров порционного метателя 173
4.1 Определение угла выброса 173
4.2 Обоснование угла наклона лопаток металя 177
4.3 Определение частоты выбрасываемых порций 181
4.4 Обоснование скорости метания 183
4.5 Оптимизация работы метателя 184
4.6 Выводы 189
ГЛАВА 5. Практическая реализация результатов исследований 190
5.1 Модернизация зернометателя ЗМ-30 190
5.2 Модернизация зернометателя ЗМ-60 193
5.3 Модернизация зернопогрузчика ЗПС-100 198
5.4 Методика расчета порционного зернометателя
5.5 Технико - экономеческая эффективность порционного метателя 205
5.6 Использование порционного метателя в поточной технологии обработки зернового вороха 209
5.7 Выводы 223
Общие выводы и предложения 224
Литература 226
Приложения
- Особенности технических средств послеуброчной обработки зернового вороха. Содержание проблемы
- Уравнение движения компонентов зернового вороха при метании их в боковой воздушный поток
- Определение посевных качеств зерна после обработки порционным метателем
- Определение частоты выбрасываемых порций
Введение к работе
Актуальность проблемы. Директивными документами намечено в 2015-2020 гг. довести производство зерна в Российской Федерации до 105 млн. т. с долей фуражного 35-55 млн. т. Сибирский федеральный округ ежегодно производит более 20 млн. т. зерна, что составляет примерно 20% от общероссийского валового сбора.
Своевременная и качественная уборка, а также послеуборочная обработка урожая зерновых культур Сибири затруднена из-за недостатка техники, дефицита рабочей силы и особенностей природно-климатических условий: три-четыре года из десяти являются неблагоприятными для проведения уборочных работ, и только в один год из десяти средняя влажность зерна при уборке приближается к нормативной. В связи с этим получаемый бункерный ворох часто имеет повышенную влажность и засоренность.
Слабая оснащенность хозяйств зерноочистительной техникой и оборудованием для временной консервации свежеубранной зерновой массы в неблагоприятные годы приводит к тому, что материал в ожидании очистки и сушки длительное время может находиться в буртах на открытых площадках. Вследствие этого происходит самосогревание вороха, в результате чего значительно снижаются посевные и продовольственные показатели качества зерна. Для устранения этого негативного явления зерновой ворох обрабатывают зернометателями ЗМ-30, ЗМ-60А, зернопогрузчиками ЗЭ-100, ЗПС-100 и другими машинами. Однако они имеют ряд существенных недостатков. Для повышения их эффективности актуален вопрос создания зернометателей и зернопогрузчиков, работающих на новых принципах, что является важной научной проблемой, решенной в данной диссертации.
Исследования проведены в Бурятском государственном университете в соответствие с комплексной темой «Разработка технологии и средств механизации сельского хозяйства», раздел №3 «Разработка и совершенствование технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна».
Научная гипотеза. Совмещение предварительной очистки зернового вороха с его подсушкой и охлаждением, позволяющее значительно улучшить качественные показатели зерна путем совершенствования рабочего процесса зернометателей и зернопогрузчиков.
Цель работы. Повышение эффективности использования зернометателей и зернопогрузчиков за счет порционного воздействия на обрабатываемый материал.
Объекты исследований. Порционный зернометатель, зернопогрузчик; процессы, происходящие как при движении в лопастном барабане машины, так и при метании и охлаждении зерна, а также технологии его обработки с применением этой техники.
Предмет исследования. Закономерности, взаимосвязи, качественные и количественные оценки функционирования метателей в контексте модернизации методов и способов обработки зерна.
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований являются классические законы аэродинамики и теплообмена. Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается: использованием сертифицированных средств измерения параметров; совпадением расчетных данных с экспериментальными; использованием стандартных пакетов прикладных программ анализа данных.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном исследовании факторов, влияющих на совершенствование рабочего процесса зернометательных машин и зернопогрузчиков, анализе и обобщении теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
разработан зернометатель нового поколения (типа) – порционный;
дано обоснование его конструктивных и кинематических параметров;
разработана математическая модель движения зерна в лопастном барабане;
разработана математическая модель движения компонентов зернового вороха во встречном воздушном потоке;
разработана математическая модель теплообменного процесса при обдуве зерна атмосферным воздухом при скоростях, равных его скорости витания.
Новизна предложенных технических разработок подтверждена патентами РФ на изобретения.
Практическую ценность работы представляют:
оригинальная структура классификации зернометательных машин. Она позволяет их систематизировать, что в свою очередь облегчает исследовательскую работу в этой области;
обоснованы кинематические и конструктивные параметры зернометателя;
предложены новые конструктивные решения при разработке зернометателей;
разработанные модели без значительных дополнительных затрат и усилий вливаются в существующие технологические линии;
конструктивные особенности предлагаемых разработок позволяют модернизировать существующие зернометатели;
предложена методика расчета порционного зернометателя;
дано экономическое обоснование усовершенствованной конструкции зернометателя.
Реализация результатов исследований. Модернизированные зернометатели ЗМ-30, ЗМ-60, усовершенствованные зернопогрузчики ЗПС-100 на основе предложенных разработок нашли широкое применение в хозяйствах Иркутской области, республики Бурятия и в Забайкальском крае. Также эти машины органически вписались в существующие технологические линии послеуборочной обработки зерна.
Конструкции зернометателя и зернопогрузчика, разработанные в результате исследований изготавливаются в ООО «Улан-Удэнская судостроительная компания».
Материалы диссертационной работы используются в учебном, научно-исследовательском процессах Бурятского государственного университета, Восточно – Сибирского государственного университета технологии и управления, а также Бурятской государственной сельскохозяйственной академии.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены:
на международных научно-практических конференциях и семинарах: «Проблемы технологического образования в Бурятии и Монголии» (г. Улан-Удэ, Бурятский госуниверситет, 2007г.), «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы и перспективы» (г. Пенза, Пензенская государственная технологическая академия, 2009г.), «Инновационные технологии в науке и образовании» (г. Улан-Удэ, Бурятский госуниверситет, 2009г.), «Современные проблемы народно-хозяйственного комплекса» (г. Москва, всероссийский научно-практический журнал «Народное хозяйство», 2010г.), «Теория и практика современной науки» (г. Москва, журнал «Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук»,2010 г.), «Физика и современные технологии в АПК» (г. Орел, Орел ГАУ, 2010г.), «Вавиловские чтения-2010» (г. Саратов, СГАУ, 2010г.), «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, Пензенский госуниверситет, 2011г.), «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» (г. Улан-Удэ, Бурятская ГСХА, 2011г.), «Инновационные технологии в науке и образовании» (г. Улан-Удэ, Бурятский госуниверситет, 2011г.).
на всероссийских научно-практических конференциях: «Инновационные технологии в технике и образовании» (г. Чита, Забайкальский ГГПУ, 27-28 октября 2010г.).
на межвузовских конференциях: научно-практических конференциях Бурятского государственного университета (г. Улан-Удэ, БГУ, 2000-2011г.г.), Восточно – Сибирского государственного технологического университета (г. Улан-Удэ, ВСГТУ, 2010 - 2011г.г.).
Публикации. По результатам исследований опубликована 41 работа, в том числе 1 монография, 3 учебных пособия, 2 патента, 35 статей и материалов конференций. В 13 публикациях доля автора составляет 100%, а в 28 работах – 50%. В изданиях рекомендованных перечнем ВАК выпущена 21 работа, включая 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 204 наименований. Работа содержит 260 страниц, 82 рисунка , 24 таблицы и приложения.
На защиту выносятся результаты перечисленные выше в рубриках «Научная новизна работы», «Практическая ценность диссертации» и «Реализация результатов исследований».
Особенности технических средств послеуброчной обработки зернового вороха. Содержание проблемы
В 1934 году впервые в сельскохозяйственном производстве начали использовать конструкцию зернопульта, изготовленную на Одесском заводе элеваторной промышленности. Зернопульт был смонтирован на деревянной раме со своим электродвигателем (рисунок 1.6 б). В отличие от зерномёта конструкции Платонова, он был снабжён приёмным бункером вместо загрузочного транспортёра. Рабочий процесс метания зернового вороха осуществлялся так же, как и на зерномёте Платонова и Бровера. Такая конструкция зернопульта позволяла регулировать скорость ленты от 7 до 20 м/с и угол метания от 15 до 60. Широкого распространения эти зернопульты не получили из-за недолговечности при эксплуатации на деревянной раме.
С целью совершенствования конструкции зернопульта в 1936 году Всесоюзный институт механизации сельского хозяйства (ВИМ) выпустил зерноочистительную машину ВИМ-10 (рисунок 1.7 б), в которой в качестве питателя использовали зернопульт. Конструкция зернопульта ВИМ-10 состояла из металлической рамы (рисунок 1.7 а), а устройство в целом ничем не отличалось от предыдущих зернопультов. Исходный зерновой ворох зернопультом подавался в закрытую шахту 6 с определённой скоростью, где из потока зерна выпадали лёгкие частицы 7 и примеси 8. Благодаря чему, прежде чем поступить в машину зерновой материал освобождался от лёгких примесей, забивающих приёмные органы зерноочистительных машин. После, зерновой материал поступал на сито 9, освобождался от крупных примесей и поступал на сита 10, 11 и 12 для окончательной очистки от примесей.
В послевоенные годы в колхозах и совхозах во многих областях страны получил широкое распространение зернопульт ВИМ-10 самостоятельно от зерноочистительной машины (рисунок 1.7 а).
Скорость ленты достигала 15-17 м/с, производительность достигала 10-20 т/ч и при этом мощность электродвигателя составляла 3,2 кВт. а) б)
В дальнейшем конструкция ВИМ-10 была усовершенствована. Рама была установлена на 4-х катках, к ней была смонтирована площадка для электродвигателя и рукоятка для перекатывания зерномёта. Впоследствии за конструкцией зернопульта ВИМ-10 во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения был сконструирован зернопульт ВИСХОМ, у которого электродвигатель размещался на общей раме зерномёта.
Рассмотренные выше зернометательные машины имеют целый ряд недостатков. Одним из основных недостатков является травмирование зерна рабочим органом зернометателя. Характер травмирования заключается в истирании, скольжении и сжатии зернового вороха на большой скорости в промежутке между прижимным барабанном и бесконечной лентой. Применение прорезиненной бесконечной ленты в зернометателе приводило к быстрому её износу. Неправильное регулирование ленты натяжением приводило к тому, что она часто набегала на торцевые рёбра цилиндрических барабанов.
Впоследствии зерномёты созданные И.А. Бороненко были лишены последнего недостатка. Для обеспечения плавности и устойчивой работы бесконечной ленты, поверхности ведущего и ведомого барабанов посредине были выполнены слегка выпуклыми. Применение данного элемента в конструкции барабанов позволило увеличить срок службы ленты, которая работала три-четыре сезона, против ленты применяемой на зернопульте ВИМ-10, которая не выдерживала и одного сезона.
Подобные зернопульты были сконструированы Лопатинским зерносовхозом. Все барабаны этого зернопульта были изготовлены пустотелыми из берёзовых досок и соответственно выглядели бочкообразно. Применение деревянных барабанов подобной формы в конструкции данного метателя с одной стороны обеспечивало устойчивую работу машины, а с другой не обеспечивало длительного срока службы барабанов. = Ленточный метательный рабочий орган использовали также в зерноочистительных машинах высокой производительности. Примером служит зерноочистительный агрегат конструкции Гладышева (рисунок 1.8). Зерномёт дополнительно очищает и разделяет зерно по удельному весу. Его использовали также для загрузки зерна в автомобили.
В сельскохозяйственном производстве широкое применение получили также зернометатели ЗМ-30 [141,144,145], разработанные на базе известных ленточных зернопультов. Метатель позволяет загружать склады с высотой укладки до 3,5-4,0 метров, а также формировать высокие бурты на открытых токах.
Триммер метателя может поворачиваться вокруг своей оси, что даёт возможность непрерывно погружать зерно в машины и автопоезда, а при погрузке складов - перемещать зерно по обе стороны или ссыпать его позади погрузчика.
Уравнение движения компонентов зернового вороха при метании их в боковой воздушный поток
Механические повреждения зерна разделяются на две группы: макро-и микротравмы [161]. Макротравмы включает повреждения, связанные с отчленением от семени какой-то части её органического вещества, по второй - повреждение тканей семени (уколы, вмятины, ссадины и т.п.) не сопровождающиеся потерей вещества семени.
Основными типами деформации зерна в реальных условиях работы зернометательных машин являются статическое сжатие, динамический удар и трение. Испытывая такие виды деформации, зерновка может изменять форму, размеры, свойства и физическое состояние, которые существенно влияют на посевные и продуктивные качества зерна. Поэтому важным моментом при проектировании параметров и режимов работы зернометательных машин является изучение физико-механических свойств обрабатываемых материалов.
Известно, что семена зерновых культур обладают неоднородностью строения структуры. Внешне зерновка выглядит удлинённой формы и в некоторых случаях может быть овальной, яйцевидной, бочкообразной и т.д. Выпуклую сторону зерна называют спинкой, а противоположную ей — брюшной, вдоль которой проходит бороздка различной глубины. На нижнем конце зерна зародыш. Поэтому, вследствие неоднородности строения прочность зерна зависит не только от силы механического воздействия рабочих органов машин, но и от физико-механических свойств самих семян.
Вопросами изучения механических свойств зерна (пшеницы и ячменя) занимались такие ученные как: Шполянская А.Л., Мельников СВ., Хусид СВ., Наумов И.А., Пугачёв А.Н., Глотов В.П., Врасский Н.В., Шалагинов Ю.В. и многие другие [8, 15, 37, 42, 43, 45, 58, 64, 77, 81, 83, 92,99,113,123, 161,162].
По результатам исследований Врасского Н.В., Шполянской А.Л., Роя А.А., Мельникова СВ. [109] и др., стало известно, что сопротивляемость зерна разрушению при различном приложении нагрузки неодинакова. Определение разрушающей нагрузки были исследованы в трёх положениях зерновки, показанных на рисунке 1.27.
По данным СВ. Мельникова, [109] разрушающее усилие для ячменя в положении «спинка-бороздка» в среднем составило 20,9 кгс, в положении «бочок-бочок» -13,7 кгс и в положении «стоя» - 14,5 кгс. Большей прочностью ячмень обладает в положении «спинка-бороздка», меньшей в положении «бочок-бочок», а зёрна пшеницы наоборот.
Одним из основных фактором влияющих на прочность зерна, является его влажность. Зависимость прочностных свойств от влажности зерна подробно исследовали Н.В. Врасский, А.Л. Шполянская и др. Они установили, что с повышением влажности разрушающая нагрузка уменьшается при статическом сжатии (таблица 1.3).
По результатам исследований Н.В. Врасского также известно, что величина разрушающей нагрузки колеблется не только в широких пределах различных сортов пшеницы, но и в пределах одного сорта в зависимости от размеров зерна. Более крупные зёрна в пределах сорта обладают большей сопротивляемостью, чем мелкие. Эта закономерность была подтверждена многими исследователями и в частности В.Н. Ерёминым [64]. При влажности 9-11 % зерна твёрдой пшеницы разрушались при усилии 15-17 кгс, а мягкие при 7-9 кгс. Крупные зёрна твёрдых сортов пшеницы разрушались при 17-21 кгс, зеленной ржи - при 16-18 кгс и ячменя - 17-19 кгс, а на разрушение мелких зёрен требовалось всего 8-11 кгс для пшеницы, 6-8 кгс для ржи и 12-14 кгс для ячменя.
В результате исследований проведенных И.А. Наумовым [113,114] установлено, что прочность зерна зависит не только от вида пшеницы (твёрдая или мягкая), но и от зоны возделывания культуры. Так, средние разрушающие усилия для мягкой пшеницы из восточных районов от 3,5 до 7,4 кгс, а из других районов от 1,5 до 5,4 кгс, для твёрдой пшеницы -от 6,8 до 8 кгс. При одной и той же влажности пшеница из восточных районов обладает большей прочностью, чем из других районов.
Деформация зерна может быть упругой и остаточной. При низкой влажности преобладает упругая деформация и почти незаметна остаточная, которая увеличивается с повышением влажности зерна.
Лютесценс 62 9,9 8,7 8,1 8,1 В процессе исследований ударного действия на зерно С.Д. Птицын установил, что прочность зерна с повышением влажности увеличивается до определенных значении, а потом резко снижается. Он это доказал на опыте при падении груза массой в 200 гр. на зерно с различной высоты (рисунок 1.28). Он также установил, что всхожесть зерна снижается тогда, когда оно еще не получило внешних повреждений и работа удара составляет 50% от работы, разрушающей оболочку.
С.Д. Птицын выявил следующую закономерность, что от влияния многократного ударного действия нагрузки снижаются посевные качества семян. Для этого был использован маятник длиной 2 м., на конце которого закреплялся бюкс с зерном. Маятник отводился на угол 90Л, затем он падал до упора со скоростью удара 6 м/с. Величина силы удара примерно в 10 раз меньше ударной нагрузки разрушающей зерно. Установлено, что чем больше ударов, тем сильнее снижаются посевные качества семян.
При исследовании прочностных свойств фуражного зерна под действием ударных нагрузок СВ. Мельниковым было установлено, что свойство большинства материалов повышать свою прочность с увеличением скорости нагружения присуще и зерну. В результате многократных опытов было установлено, что при скорости 26,1 м/с разрушается только 18% ячменя, при 65,5 м/с - 65% и при скоростях удара 100-114 м/с происходит гарантированное разрушение всех зерен. Из-за сложности определения динамических характеристик зерна он предложил ввести в расчётные формулы на прочность поправку, называемую коэффициентом динамичности. По опытным данным для зерновых кормов кд= 1,6-2,0.
Большой вклад в исследованиях прочностных свойств зерна под действием ударных нагрузок внёс А.П. Тарасенко [143]. Он исследовал прочность уже повреждённого зерна в исходном зерновом ворохе, с последующим определением посевных качеств зерна и минимальной силы при которой наступает микроповреждение семян.
В результате его исследований стало известно следующее, что при получении микротравм зерно снижает свои посевные качества. С повышением скорости рабочих элементов до 40 м/с как дробление, так и микротравмирование возрастают соответственно до 65 и 73%, а лабораторная всхожесть семян уменьшается до 64%.
С повышением влажности семян их дробление уменьшается, микротравмирование остаётся практически постоянным, а лабораторная всхожесть сначала повышается, достигая максимума при 17%, а затем уменьшается. С увеличением размеров зерна с 2,3 до 3,1 мм как дробление, так и микротравмирование семян возрастают на 14-16%, но их лабораторная всхожесть уменьшается только на 4%. С повышением содержания травмированного зерна в исходном ворохе дробление и травмирование его при данном ударе возрастает, а лабораторная всхожесть уменьшается. На основании анализа исследований по действию динамических и статических нагрузок на зерновой материал выявлено, что, прочность зерна зависит от многих факторов и, в особенности от величины приложенной силы, влажности, вида и сорта культуры, геометрических размеров, зоны возделывания и т.д. Поэтому на данном этапе проектирования рабочего органа зернометательной машины необходимо владеть величинами, характеризующими прочность обрабатываемого зерна и упругие свойства.
В последние годы во многих районах страны, и в частности в Ростовской области произошли замены сортов возделываемых зерновых культур. В литературных источниках на данный момент, к сожалению, нет данных об исследованиях прочностных свойств новых сортов, вследствие чего назрела необходимость в проведении таких исследований. Воспользоваться ранее известными характеристиками прочности зерна не целесообразно, т.к. разрушающая нагрузка в целом колеблется, от 60 до 200 Н. Использование известных теоретических расчётных формул характеризующих прочность зерна не приведёт к получению достоверного результата, т.к. данные зависимости содержат много эмпирических коэффициентов полученных опытным путём.
Определение посевных качеств зерна после обработки порционным метателем
К интенсивным аэродинамическим полям относятся высокоскоростные закрученные и прямолинейные воздушные потоки. Закрученные потоки обычно применяются в циклонных и вихревых аппаратах, в которых скорость потока достигает (10-40) м/с иногда и выше. Прямолинейные воздушные потоки бывают наклонные, поперечные и встречные в зависимости от ввода обрабатываемого материала в них. Широко они используются в охладительных устройствах, воздушных и пневмоинерционных сепараторах. Скорость потока колеблется в этих устройствах от 0 до 20 м/с.
В настоящее время многими исследователями [10,25,148,150] довольно хорошо изучены аналитические процессы охлаждения зерна в плотном, виброжиженном и кипящем слоях при скорости обтекания обрабатываемого материала воздушным потоком в пределах (0,3 чг- 1,4) м/с. Ими определены критериальные зависимости процесса теплообмена, совершаемого между зерном и воздухом, для чисел Рейнольдса 80 -955.
В научно-технической литературе по проблемам охлаждения зерна атмосферным воздухом в данное время отсутствуют пока аналитические данные теплообменных процессов, протекающих при числах Рейнольдса выше 10 , и скорости обдува зерна наружным воздухом, близких по значению к скорости витания и выше. Такие скорости обтекания достигаются при метании зерна в неподвижный воздух, боковой и встречный воздушные ПОТОКИ. ! Поэтому нами проведены теоретические исследования данного процесса при таких параметрах.
В общем виде процесс теплообмена, совершаемый при охлаждении зерна атмосферным воздухом, описывается дифференциальным уравнением c3dQ = a{Q0) (2.96) г G где масса зерна; F G - масса зерна, приходящаяся на 1 м поверхности теплообмена, кг/м2; dQ - изменение температуры зерна за время dr\ Q - температура зерна, С; to - температура атмосферного воздуха, С ; сз - теплоемкость зерна, Дж/кг»С; а - коэффициент теплоотдачи от зерна к охлаждающему воздуху, Вт/м2»С Для решения данного уравнения принят ряд допущений, которые не оказывают существенного влияния на точность расчета: потери тепла в окружающую среду и влагообмен в аналитических расчетах не учитываются, т. к. они незначительны и способствуют охлаждению зерна; теплофизические и аэродинамические характеристики зерна и охлаждающего воздуха в процессе теплообмена остаются постоянными.
Решение вышеприведенного уравнения связано со сложностью определения значений коэффициента теплоотдачи. В теории теплопроводности этот коэффициент остается постоянным. На самом деле он переменный и зависит от многих факторов: a =f(U, t0, h, cb, P, Q, dnp) где U - скорость обтекания, м/с; и - кинематическая вязкость воздуха, м /с; h - теплопроводность воздуха, Вт/м С; Сь - теплоемкость воздуха, Дж/кг С; Р - плотность воздуха, кг/м ; 128 dnp - приведенный диаметр частицы, м. как правило, выражение данного коэффициента определяется расчетным методом из критериальной зависимости.
В теории тепломассообмена принято выражать данный процесс обобщенной формулой, так называемой критериальной зависимостью,
Для того чтобы определить выражение критериальной зависимости процесса охлаждения зерна, совершаемого при больших числах Рейнольдса (свыше 10 ) и значения скорости обдува, близких к скорости витания, необходимо сделать еще одно допущение, что зерновка - это шар с приведенным диаметром dnp
Тогда сможем воспользоваться критериальными зависимостями процесса теплообмена шара с воздушным потоком, происходящих при больших числах Рейнольдса (10 -10), полученных следующими авторами (рисунок 2.21.)/12/: о - А. В. Лыков Nu = 0.S Re05 для чисел Re = 10і" 105; А - В. Н. Мак-Адаме Nw = 0.33 Rea6 для чисел Re = 10і" Ю5; Р. Сачу Nu = 0.37 Re063 для чисел Re = 104"105; - С. С. Забродский Nu = 0.481 Re0537 для чисел Re = 10і" 104; - И. Вадсворт Nu = 0.25 Re0 62 для чисел Re = 10і" Ю5; О - Д. Н. Ляховский Nu = 0.62 Re05 для чисел Re = 102" Ю4; л4 О - Л. Г. Лойцянский Nu = 0.216 Re для чисел Re = 105; M. Г. Крюкова Nu = 1.06 Re0457 для чисел Re = 103" 10" A - В. К. Шитников Nu = 0.143 Л/67 для чисел Де = 10і" W Из девяти известных критериальных зависимостей нами рассчитанным путем была определена средняя зависимость 56 Nu = 0.414 Re1 (2.98) 130 Из полученной критериальной зависимости можно определить аналитическое выражение коэффициента теплоотдачи. Данную зависимость представляем в следующем виде:
Из представленного рисунка следует, что при повышенной скорости обтекания значительно возрастает коэффициент теплоотдачи. При скорости обдува, равной скорости витания зерна, коэффициент теплоотдачи возрастает по сравнению с данными коэффициентами в плотном слое при скорости фильтрации (/=0,3-0,6 м/с) в 5-10 раз; в виброжиженном слое при скорости обтекания (/=0,3-0,6 м/с) в 3-5 раз и в кипящем слое ((/=1,1-1,4 м/с) - в 1,5-2 раза. Как известно из теории теплопроводности, коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена. Значит, можно предложить о возможности существенной интенсификации процесса охлаждения зерна при высоких скоростях обдува.
Определение частоты выбрасываемых порций
Из данного рисунка следует, что при порционном метании зерна, с начальными скоростями 10, 15 и 18 м/с и при подаче 5 т/ч конечная температура его составляла 30-40 С. Больше снизить температуру выбрасываемого материала при таком методе охлаждения не удается, т.к. время контакта его с наружным воздухом или время полета ограничено и составляет 3-5 с.
При метании зернового вороха повышенной влажности порционный метатель производил подсушку его на 1-3%. Пока для изучения скоротечного процесса охлаждения зерна, совершаемого при высоких скоростях объекта и среды, нами использованы методы физического моделирования [54]. В соответствии с теорией подобия процесс теплообмена, совершаемый при больших скоростях обтекания между отдельно летящей зерновкой и интенсивным аэродинамическим полем, можно представить как процесс теплообмена, происходящий между неподвижно закрепленной зерновкой и скоростным прямолинейным воздушным потоком, обтекающим ее.
Для проведения исследований теплообменного процесса был собран экспериментальный стенд, который имел: устройство для подачи наружного воздуха, состоящее из компрессора РГН-1200 и ресивера с объемом 1,5 м3; устройство для нагрева зерновки, состоящее из электронагревательной плитки и емкости с адсорбентом (алюмосиликат) (рисунок 3.8); устройство для охлаждения зерновки, состоящее из трубы с регулируемым вентилем (рисунок 3.9); , контрольно-измерительные приборы: самопишущий потенциометр с хром-копелевой термопарой, микроманометр ММН и спиртовой термометр.
На стенде процесс охлаждения зерновки осуществляется следующим образом. Наружный воздух подавался газодувкой в трубу с регулируемым вентилем, на выходе которой установилась термопара с насаженной на конце зерновкой. При обдувании зерновки наружным воздухом происходило интенсивное охлаждение ее, а снижение температуры отмечалось на диаграммной ленте потенциометра. Охлажденную таким образом зерновку снова нагревали в горячем адсорбенте, который нагревался электронагревательным устройством. Нагрев зерновку до определенной температуры, снова повторяли опыт и охлаждали ее уже при другой скорости воздушного потока.
Для проведения опытов было отобрано несколько зерновок пшеницы, и в середине бороздки их просверлили несквозные отверстия диаметром 0,8 мм. Поочередно в эти углубления зерновок насаживали конец термопары и проводили исследования теплообменного процесса при различных скоростях обтекания в следующей последовательности: насадить зерновку на оголенный конец термопары; настроить микроманометр ММН и потенциометр КСП-4; включить газодувку, установить вентилем необходимую скорость воздушного потока на выходе их трубы по показаниям микроманометра и замерить температуру атмосферного воздуха; включить электронагревательное устройство и нагреть адсорбент до 60 С по показаниям спиртового термометра; включить самопишущий потенциометр КПС-4, взять термопару с насаженной зерновкой и положить в нагретый адсорбент; нагреть зерновку до 50 С по показаниям потенциометра; когда зерновка нагреется до требуемой температуры, быстро вынуть из горячего адсорбента и установить на выходе из трубы, как это показано на рисунок 3.9. Снижение температуры зерновки во времени регистрируется на диаграммной ленте потенциометра; после охлаждения зерновки до определенной температуры снова положить ее в горячий адсорбент и нагреть. Повторить опыт при другой скорости воздушного потока; математически обработать результаты исследования. В результате экспериментального исследования теплообменного процесса методом физического моделирования получены кривые охлаждения при различных скоростях обтекания. Так, например, на рисунок 3.10. представлены эти кривые, определенные опытным (—-) и расчетным (-) путями, при скоростях обдува 6, 7, 8 и 9 м/с и приведенном диаметре зерновки 0,004 м.
Из этого выражения видно, что снижение температуры зерна происходит по определенному экспоненциальному закону. Чем больше скорость обдува зерна атмосферным воздухом, тем быстрее он охлаждается и круче становится кривая охлаждения.
Путем соотношения полярности температур зерна к разности времени в середине процесса можно определить темп охлаждения. Скорость снижения температуры его при экспериментах составила в среднем 45-60 С/мин, что в 5 раз больше, чем при охлаждении зерна в кипящем слое, и на порядок выше, чем при обработке его в плотном слое.
Следовательно, при повышении скорости обтекания наблюдается значительное увеличение темпа охлаждения зерна.
В результате преобразования уравнения температурной кривой относительно времени нами получено опытное выражение продолжительности охлаждения данное выражение (-О- -О-) в зависимости от скорости обтекания, при всех остальных известных параметрах: теплоемкости зерна 2004 Дж/кг» С, кинематической вязкости воздуха 15,06«10" м/с, теплопроводности воздуха 0,0255 Вт/м»С, массы зерна, приходящейся на 1 м поверхности теплообмена 1,28 кг/м и приведенного диаметра 0,004 м, представлено на рисунок 3.11. для сравнения с аналитической зависимостью (-), определенной нами в теоретических исследованиях.
