Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи научного исследования 12
1.1 Анализ отечественных и зарубежных конструкций аэрожелобных сушилок 12
1.2 Анализ теоретических сведений, касающихся факторов, влияющих на эффективность сушки в сушилках аэрожелобного типа 20
1.3 Применение ультразвука для управления технологическими процессами 26
1.4 Анализ работ по определению порозности, размеров движущегося полидисперсного слоя 31
1.5 Цели и задачи научного исследования 35
2 Теоретическое обоснование конструктивно технологических параметров тепловентиляционной системы аэрожелобной сушилки 37
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой 37
2.2 Обоснование способа управления порозностью движущегося зернового слоя и устройства для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке 39
2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы теплогенератора прямого действия, интегрированного в тепловентиляционную систему аэрожелобной сушилки 47
2.4 Обоснование конструктивно-технологической схемы воздухообменника 52
2.5 Выводы по разделу 55
3 Программа и методика научного исследования 56
3.1 Программа научного исследования 56
3.2 Методика научного исследования 56
3.2.1 Описание экспериментальных и производственных установок 56
3.2.2 Измерительные приборы 68
3.2.3 Методика лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука 76
3.2.4 Методика лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав 77
3.2.5 Методика проведения лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой 81
3.2.6 Методика проведения производственных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой 82
4 Результаты экспериментальных исследований 85
4.1 Результаты лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука 85
4.2 Результаты лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав 89
4.3 Результаты лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой 94
4.4 Результаты производственных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой 98
4.5 Выводы по разделу 104
5 Технико-экономическая эффективность 107
5.1 Сравнительный энергетический анализ эффективности применения усовершенствованной аэрожелобной сушилки 108
5.2 Сравнительный экономический анализ эффективности применения усовершенствованной аэрожелобной сушилки 112
5.3 Выводы по разделу 115
Общие выводы 116
Список использованных источников 119
- Анализ теоретических сведений, касающихся факторов, влияющих на эффективность сушки в сушилках аэрожелобного типа
- Обоснование способа управления порозностью движущегося зернового слоя и устройства для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке
- Описание экспериментальных и производственных установок
- Результаты лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
Анализ теоретических сведений, касающихся факторов, влияющих на эффективность сушки в сушилках аэрожелобного типа
Особенности ультразвука [72], [73] Ультразвук – это звук с частотой более чем 20 кГц не воспринимаемый человеческим слухом. Акустика ультразвуковых частот движется со скоростью 344 м/с в воздушной среде – равно как и слышимый звук. Оценивая скорость звука и его рабочий цикл, можно определить точное расстояние до предмета.
При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции, поглощения, отражения и др.
Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия [74], что подтверждается исследованиями С.Н. Ржевкина и С.И. Кречмера (рисунок 1.7) [75]. Рисунок 1.7 – Фотографии дифракции ультразвуковых волн на цилиндре и при прохождении их через ряд проволочек помещенных в воду, полученные стробоскопической съемкой С.Н. Ржевкиным и С.И. Кречмером Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.
При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в каждой определённой точке среды происходит суперпозиция (наложение) этих волн.
Для контроля и автоматизации различных технологических процессов с недавнего времени используют ультразвуковые датчики и приборы. Ультразвуковые датчики работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником. Радарный датчик определения уровня жидкости (рисунок 1.8) [76], [77], [78] Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону. Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки. Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту. По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.
Ультразвуковой датчик определения уровня жидкости [76], [79] В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в ультразвуковых расходомерах и ультразвуковых дефектоскопах). Излучение генератора ультразвуковых волн проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник. Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.
Ультразвуковые датчики имеют почти все положительные качества датчиков радарного типа, но при этом они имеют точность чуть ниже радарных датчиков, хотя и более просты по внутреннему устройству.
Ультразвуковые расходомеры (рисунок 1.9) [80], [81] используются для оперативного измерения объемного расхода и скорости жидкости в технологических линиях.
В устройствах данного типа используется свойство звуковых волн изменять скорость своего распространения в подвижной среде. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рисунок 2), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.
Ультразвуковые дефектоскопы (рисунок 1.10) [82], [83] используют для контроля качества изделий из твердых материалов с использованием методов неразрушающего контроля. В основу функционирования дефектоскопа данного типа положено свойство проникновения ультразвуковых волн в твёрдые тела. Скорость распространения ультразвуковой волны в основном зависит от следующих параметров среды: плотность среды, упругость среды, наличие дефектов (трещины, пустоты).
Датчик имеет источник и приёмник ультразвуковых волн. Если между источником (A) и приёмником (B) поместить исследуемый объект и измерять время прохождения волн от A к B, можно, зная расстояние AB, определить скорость распространения ультразвуковой волны через конкретный участок твёрдого тела. Это даёт возможность исследовать внутреннюю структуру твёрдого тела на наличие дефектов, колебаний плотности и модуля упругости.
Обоснование способа управления порозностью движущегося зернового слоя и устройства для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке
В соответствии с принятой программой научного исследования нами были созданы следующие лабораторные установки и опытные образцы (рисунок 3.1 – 3.5). Нами была изготовлена установка для определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука (рисунок 3.1), которая состоит из ультразвукового излучателя 1; ультразвукового приемника 4 (датчик эхолокации HC-SR04), установленных в короб 2 со звукопоглощающими стенками, шариков 3; управляющего контроллера STM32F100C4T6B 5; жидкокристаллического экрана 6.
Для определения диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав разработана и изготовлена установка (рисунок 3.2, 3.3), включающая в себя: блок измерения 7 (управляющий контроллер STM32F100C4T6B), ультразвуковой излучатель 5 и приемник 6 (датчик эхолокации HC-SR04), установленные на парусном классификаторе 3 РПП-30 с циклоном 1 (воздуховоды и вентилятор условно не показаны), заслонку для регулировки расхода воздуха 2 и линейку 4 для определения высоты подъема сыпучего материала.
В соответствии с задачами научного исследования была разработана и изготовлена мобильная универсальная шахтная аэрожелобная сушилка СУША-М [89], [104] с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой, ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры, предназначенная для сушки семенного, продовольственного и фуражного зерна колосовых и семян мелкосеменных культур (рисунок 3.4 – 3.9). В ходе поисковых опытов [89] нами была изучена аэродинамика сушилки с двумя вентиляторами вместо пяти, на основании которых принята следующая конструкция.
Сушилка содержит две шахты 2, состоящих из восьми сушильных камер, в которых установлены аэродинамические короба 6 с перфорированными перегородками 4. Сверху установлен конфузор 3 системы рециркуляции отработавшего агента сушки. Система рециркуляции содержит воздуховоды 12, направляющие отработавший агент сушки сначала на отчистку от легких и мелких примесей в циклон 18, а затем через вентилятор 17 в воздухообменник 15, где происходит полная или частичная смена агента сушки, или многократное использование отработавшего агента сушки. Вентилятор 16 направляет смесь частично отработавшего агента сушки и свежего воздуха в воздуховод 12, внутри которого установлен теплогенератор прямого действия, где происходит подогрев агента сушки до требуемой температуры [104].
На боковых сторонах шахт закреплены воздухораспределительные короба 9 с заслонками 8, управляемыми сервоприводами 11 ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры4 (рисунок 3.5, 3.6, 3.7). Над каждой шахтой установлен надсушильный бункер 5, а под шахтой закреплён подсушильный бункер 10. Транспортировка материала в шахты и выгрузка высушенного материала из охладителя 20 осуществляется гибкими безвальными шнеками 1 (рисунок 3.9) [104].
В работе М.С. Волхонова [28] установлено, что исходя из условий равномерного движения материала по перфорированной перегородке её ширина не должна превышать 400 мм, конструктивно приняли 370 мм. Длина перфорированной перегородки 640 мм, получена исходя из отношения к её ширине и производительности сушилки.
Исходя из размеров перфорированной перегородки, чтобы не происходило поджатия и гидроударов воздушных потоков, были получены размеры сушильных камер, воздухораспределительных коробов, воздуховодов тепловентиляционной системы, воздухообменника и циклона.
Высота шахты 2 сушилки (рисунок 3.4) составляет 840 мм, длина 726 мм, ширина 370 мм, высота сушильной камеры 210 мм, перфорированные перегородки 4 установлены под углом 4 градуса с живым сечением 8%.
Габаритные размеры опытного образца мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой (рисунок 3.4) составляют 6000x2000x3500 мм.
Элементы системы управления были созданы при участии аспиранта кафедры «Технические системы в АПК» Габалова Сергея Леонидовича. В ультразвуковой системе управления подачей агента сушки в сушильные камеры использованы ультразвуковые дальномеры HC-SR04, имеющие диапазон измерения расстояний 20 - 3000 мм, обеспечивающие интервал между измерениями не менее 50 мс. В качестве исполнительных механизмов для управления заслонками использовали электронные сервопривода Tower Pro MG995, имеющие крутящий момент до 12 кг/см с временем поворота вала 4 мс/град, угол поворота вала в диапазоне 0 - 180 с удержанием установленного положения, вал сервопривода соединен с осью заслонки через мягкую муфту (рисунок 3.7) [95].
В теплогенераторе использована топливоподающая аппаратура высокого давления (рисунок 3.4), состоящая из гидромеханической форсунки высокого давления 13 и привода насоса 14 (электродвигатель, цепная передача и насос высокого давления Д - 144 4УТНИ-Э-1111005) [96], [97], [98], [99], [100].
Теплогенератор работает на дизельном топливе. Температура агента сушки, создаваемая теплогенератором - не более 140С. Расход топлива регулируется в пределах от 0 до 6 кг/ч. Прогрев агента сушки и выход сушилки на заданный температурный режим, происходил за 1-2 мин. Габаритные размеры теплогенератора: длина 1220 мм, ширина 280 мм, высота 350 мм. Длина камеры сгорания 500 мм, радиус вершины усечённого конуса камеры сгорания 0,09 м, радиус основания усечённого конуса камеры сгорания 0,12 м, объём камеры сгорания 0,0174 м3. Масса теплогенератора (вместе с насосом и его приводом) 40 кг [96], [97], [98], [99], [100].
Воздухообменник изготовлен из листовой стали (рисунок 3.8), ось подвижной заслонки 1 (рисунок 2.8, 2.9) установлена на подшипниках качения. Отверстия патрубков 2 (рисунок 2.8) воздухообменника имеют размеры 280x280 мм, радиус и высота цилиндрического корпуса 280 мм.
Описание экспериментальных и производственных установок
Для подтверждения гипотезы, описанной в разделе 2.2 на разработанной установке определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука (рисунок 3.1) был проведен трехфакторный двухуровневый эксперимент.
В качестве основных факторов (рисунок 3.19, 3.20) были приняты: количество частиц материала на кратчайшем пути ультразвуковой волны n, шт, взаимное расположение частиц материала относительно ультразвуковых датчиков и друг друга Х, и эквивалентный диаметр частицы материала (шариков) dЭ, мм. Основные уровни варьирования факторов были определены опытным путем и представлены в таблице 3.1.
Выходными величинами (откликами) являлись: показания теоретического кратчайшего «пути» ультразвуковой волны через слой материала, L3.np., мм, по прибору; коэффициент к, зависящий от соотношения длины ультразвуковой волны и размеров частиц материала, их взаимного расположения и других факторов неоднородной среды (рассчитывался косвенным методом) по зависимости (2.4).
Схема взаимного расположения частиц материала относительно ультразвуковых датчиков и друг друга и Контролируемые факторы: расстояние между излучателем приемником L = 110 мм, и частота ультразвуковой волны v = 40 кГц.
Методика лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
Нами был проведён эксперимент по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав с помощью разработанного и изготовленного измерительного прибора (рисунок 3.2, 3.3).
В качестве основного фактора (рисунок 3.21) был принят расход воздуха Q, м3/ч, регулировался механической заслонкой, установленной на парусном классификаторе РПП-30.
Выходными величинами (откликами) являлись: порозность слоя сыпучего материала, Есл, %, определяли косвенным методом через высоту подъема сыпучего материала, Нсл, мм; показания теоретического кратчайшего «пути» ультразвуковой волны через слой материала, L3.np., мм, определяли по прибору.
Контролируемые факторы: начальная высота слоя сыпучего материала Ннач = 35 мм, атмосферное давление воздуха Ратм, Па, температура наружного воздуха tH.e., С, начальная влажность сыпучего матерала w3H = 14,5 %, расстояние между излучателем и приемником L, мм, и частота ультразвуковой волны v, кГц.
Опыт проводился следующим образом. После установки уровней основных факторов в течении 8 минут производились запись замеров высоты кипящего слоя одной из культур и показаний прибора на видеокамеру, причем через каждую минуту увеличивали расход воздуха от 0 до 80 м3/ч с интервалом 10 м3/ч.
После чего производилась покадровая расшифровка записи и определение порозности кипящего слоя по известной зависимости (3.1) [94], [92]:
Начальную порозность слоя определили опытным путем. В мерную колбу заливалась вода до определенного уровня, после чего в неё засыпался материал. Увеличение уровня воды показывало на объем твердой фазы материала без пор. Далее по известной зависимости (3.3) рассчитывалась начальная порозность: Усл - Утв VCJl 0 (3.3) где VCJl - объем материалам3; Vme - объем твердой фазы материала, мм3. Зная объем твердой фазы материала и размеры экспериментальной установки, находили высоту слоя без пустот. Эксперимент проводился на семенах клевера, козлятника и пшеницы. После проведения эксперимента были расчитаны основные статистические характеристики по методике, приведенной в работе авторов Волхонова М.С, Зудина С.Ю., Зимина И.Б, Зырина И.С. [108].
Лабораторные испытания разработанного опытного образца мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М (рисунок 3.4 -3.9) проводили на базе опытного поля и лаборатории кафедры «Технические системы в АПК» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА. Задача испытаний состояла в определении режимных параметров сушки и технико-энергетических показателей опытного образца. Испытания проводились в соответствии с рекомендациями СТО АИСТ 10.2-2010 [105].
В качестве основных факторов были приняты [104]: температура агента сушки, ta.c, С, устанавливали в соответствии с теоретическими предпосылками, изложенными в первом разделе; расход агента сушки, Qa.c., м3/с, устанавливался максимальным, но исключающим вынос материала из сушильных коробов; влажность отработавшего агента сушки, (р0.а.с, %
Выходными величинами (откликами) являлись: производительность сушилки, G, кг/ч; температура отработанного агента сушки, tOM.a, С; расход отработавшего агента сушки, Q0.a.c, м3/с; влажность материала после сушки, w3K, %; расход топлива, qm, кг/ч; потребляемая мощность электроэнергии, Ыэл., кВтч; температура зерна на выходе из сушилки, t3.К.С.
Контролируемые факторы: атмосферное давление воздуха Ратм\ начальная влажность поступившей партии пшеницы w"; температура зерна на входе в сушилку t3M; температура наружного воздуха tH,e, и влажность воздуха рн.в.
В каждом опыте производили отбор проб семян до и после сушки массой по 1 кг, которые помещались в полотняный мешок, после чего выделялась средняя проба для проведения анализа семян на всхожесть в лаборатории кафедры «Растениеводства, селекции, семеноводства и луговодства» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА в соответствии с ГОСТ 12038-84 [109].
Производственные испытания проводили на базе СПК «Имени Ленина» Нерехтского района Костромской области при сушке семян яровой пшеницы сорта Злата и клевера сорта Пермский (рисунок 3.22, 3.23). Задача испытаний состояла в проверке полученных данных в ходе лабораторных испытаний опытного образца и определении технико-энергетических показателей сушилки. Испытания проводились в соответствии с рекомендациями СТО АИСТ 10.2-2010 [105].
Результаты лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
По данным С.Д Птицына [43], допустимая температура нагрева при начальной влажности 20%, конечной влажности семян пшеницы 14% и продолжительности сушки 25 минут для семян продовольственного назначения 66С.
На основании полученных данных, математических выражений и графических зависимостей определены режимные параметры сушки: - на семенном режиме температура агента сушки составляет 80С, расход агента сушки - 2,3 м3/с, при этом производительность составит 0,3 пл.т/ч, всхожесть семян после сушки - 78% при начальной всхожести 77%; - на продовольственном режиме работы сушилки температура агента сушки составляет 94С, расход агента сушки - 2,5 м3/с, при этом производительность составляет 0,39 пл.т/ч, всхожесть семян после сушки -56% (рисунок 4.13), фактический расход теплоты - 3,4 МДж/кгисп.вл, приведенный расход теплоты - 3,7 МДж/кгисп.вл, интегральный расход энергии - 4,8 МДж/кгиспвл (рисунок 4.14); tдоп. – допустимая температура нагрева зерна Рисунок 4.13 – Влияние температуры агента сушки tа.с. на производительность сушилки Gпл.т, всхожесть семян яровой пшеницы после сушки U2 и температуру зерна на выходе из сушилки tз.к. ta.c -температура агента сушки Рисунок 4.14 - Влияние влажности отработавшего агента сушки (ромх на фактический g ,., и приведенный gnp., расходы теплоты и интегральный расход энергии gUH,3. – при сушке зерна на фураж температура агента сушки составляет 109С, расход агента сушки – 2,5 м3/с, производительность составляет 0,49 пл.т/ч (рисунок 4.13), фактический расход теплоты – 3,2 МДж/кгисп.вл, приведенный расход теплоты – 3,45 МДж/кгисп.вл, интегральный расход энергии равен 4,3 МДж/кгисп.вл (рисунок 4.14).
Выявлено, что повторное использование энергии частично отработавшего агента сушки позволяет значительно снизить энергозатраты на сушку (рисунок 4.14), при этом контроль данного параметра необходимо осуществлять по влажности отработавшего агента сушки и поддерживать на уровне 71,5% .
В результате проведения анализа семян клевера лугового сорта Пермский на всхожесть и энергию прорастания специалистами семенной инспекции ФГБУ «Россельхозцентр» выявлено, что всхожесть после сушки увеличилась на 1%, энергия прорастания на 10%, влажность семян после сушки составила 10,8% (приложения Б-В).
По результатам испытаний семян пшеницы сорта Злата специалистами ФГБУ ГСАС «Костромская» выявлено, что содержание бенз(а)пирена в семенах пшеницы не превышает допустимых значений (не более 0,001 мг/кг) (приложения Г-Д).
1. Выявлено, что разработанное устройство для определения порозности псевдоожиженного слоя позволяет фиксировать изменения порозности слоя для козлятника с 2 до 80%, при этом путь ультразвуковой волны изменяется с 73 до 30 мм, для клевера – с 1 до 82%, путь ультразвуковой волны изменяется с 79 до 30 мм, для пшеницы – с 11 до 86%, путь ультразвуковой волны изменяется с 230 до 30 мм. Получены математические выражения зависимости пути ультразвуковой волны от порозности слоя козлятника (4.3), клевера (4.4) и пшеницы (4.5), которые могут использоваться в аэродинамических и пневмоаспирационных системах регулирования подачи воздуха в слой материала сушилок и зерноочистительных машин.
2. В результате лабораторно-производственных испытаний определены режимные параметры сушки: на семенном режиме температура агента сушки составляет 80С, расход агента сушки – 2,3 м3/с; на продовольственном температура агента сушки составляет 94С, расход агента сушки – 2,5 м3/с; при сушке зерна на фураж температуру агента сушки следует установить 109С, расход агента сушки – 2,5 м3/с. Влажность отработавшего агента сушки на всех режимах необходимо поддерживать на уровне 71,5%.
Получены математические выражения влияния температуры агента сушки на производительность сушилки (4.6), всхожесть семян яровой пшеницы после сушки (4.7) и температуру зерна на выходе из сушилки (4.8), а также выражения влияния влажности отработавшего агента сушки на фактический и приведенный расходы теплоты и интегральный расход энергии (4.9-4.11), которые могут использоваться в системе управления процессом сушки.
Усовершенствованная аэрожелобная сушилка обладает достаточно высокими теплотехническими показателями работы. Приведенный расход теплоты составляет: – на семенном режиме – 4,9 МДж/кгисп.вл; – на продовольственном – 3,7 МДж/кгисп.вл; – на фуражном – 3,5 МДж/кгисп.вл.
В результате проведения анализа семян пшеницы сорта Дарья выявлено, что всхожесть после сушки на семенном режиме увеличилась на 1%.
По данным проведения анализа семян клевера лугового сорта Пермский на всхожесть и энергию прорастания специалистами семенной инспекции ФГБУ «Россельхозцентр» выявлено, что всхожесть после сушки увеличилась на 1%, энергия прорастания на 10%, влажность семян после сушки составила 10,8%.
По результатам испытаний семян пшеницы сорта Злата специалистами ФГБУ ГСАС «Костромская» выявлено, что содержание бенз(а)пирена в высушенных семенах пшеницы не превышает допустимых значений (не более 0,001 мг/кг).