Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и содержание проблемы 11
1.1 .Природно-климатические условия и характеристики сельскохозяйственных зон Сибири по условиям производства и послеуборочной обработки зерна 11
1.2. Оценка условий послеуборочной обработки зерна на примере лесостепной зоны Западно-Сибирского региона 13
1.3.Характеристика производства зернового материала поступающего на послеуборочную обработку зерна в Сибири 18
1.4. Состояние технологий и техники для послеуборочной обработки зерна 21
1.5. Основные свойства зерна как объекта послеуборочной обработки 25
1.6. Анализ способов сушки зерна 33
1.6.1. Дыхание зерновой массы и биохимические процессы при его хранении 33
1.6.2. Способы сушки 44
1.6.3. Анализ методов снижения энергозатрат по сушке зерна. 45
1.6.4. Анализ путей повышения эффективности сушки зерна при снижении энергозатрат 54
1.7. Факторы, влияющие на эффективность процесса сепарации 65
1.8. Постановка цели и задач исследований 74
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки интенсификации процесса сушки и обоснование технологических процессов и параметров технических средств . 76
2.1. Определение путей снижения энергозатрат при сушке зерна 76
2.2. Обоснование методологического подхода к исследованию технологических процессов как систем с распределенными параметрами. 90
2.2.1. Обоснование методологического подхода 91
2.3. Интенсификация предварительной очистки в поле инерционно-гравитационных сил (блок №1) 103
2.3.1. Движение зерновой частицы по поверхности решета 105
2.3.2. Движение зерновой частицы по калибрующему каналу конического решета Ill
2.3.3. Движение зерновой частицы вдоль образующей ротора 115
2.3.4. Критерий эффективности сепарирования коническим решетом с профилированной поверхностью 119
2.4. Интенсификация процесса сушки зерна 124
2.4.1. Обоснование схемы технологического процесса (ТП) сушки зерна. 128
2.4.1.2. Обоснование схемы сушки зерна с рекуперацией охлаждающего воздуха 136
2.4.2. Обоснование параметров нагрева зернового слоя (блок №4) 140
2.5. Моделирование процесса сушки зерна в слое (блок №6) 144
2.5.1. Период прогрева 144
2.5.2. Период постоянной скорости сушки 146
2.5.3. Сушка с инверсией зернового слоя 152
2.5.4. Влияние режима сушки на кинетику процесса сушки...,..- 155
2.6. Моделирование инверсии зерновых потоков (блоки №5 и №7) 165
2.7. Интенсификация охлаждения зерна (блок №8) 169
2.8. Обоснование типоразмерного ряда сушилок на основе их блочно-модульного исполнения 171
ГЛАВА 3. Методические решения проблемы и результаты экспериментальных исследований по интенсификации технологических процессов сушки 178
3.1. Программа и методика экспериментальных исследований 178
3.1.1. Программа и методика экспериментальных исследований конического решета 178
3.1.2. Методика определения основных технологических параметров процесса сушки зерна 194
3.1.3. Методика определения конструктивно-режимных параметров инвертора 209
3.1.4. Методика по обоснованию типоразмерного ряда сушильного оборудования для условий Сибири 216
3.2. Результаты экспериментальных исследований технических процессов и обоснования параметров технических средств 221
3.2.1. Результаты экспериментальных исследований процесса сепарации на конических решетах .221
3.2.1.1. Определение скорости подачи на решето 221
3.2.1.2. Движение частицы по сепарирующей поверхности решета 222
3.2.1.3. Факторы, влияющие на процесс сепарации коническим решетом .22&
3.2.1.4. Результаты оптимизации процесса сепарации на коническом решете 232
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований технологического процесса сушки зерна 236
3.2.2.1. Обоснование основных технологических параметров процесса сушки зерна 236
3.2.2.2. Энергетический анализ технологического процесса сушки зерна 263
3.2.2.3. Разработка конструкций блочно-модульных сушилок 268
ГЛАВА 4. Результаты хозяйственных испытаний технических средств и эффективность их использования 284
4.1. Результаты хозяйственных испытаний технических средств для очистки и сушки зерна 284
4.1.1. Результаты лабораторно-производственных испытаний макетного образца конического сепаратора 284
4.1.2. Результаты хозяйственных и приемочных испытаний сушилок СЗ-6, СЗ-10,СЗ-16 286
4.2. Расчет экономических показателей 298
4.2.1. Конический сепаратор 298
4.2.2. Расчет показателей экономической эффективности сушилки зерна СЗ-6 304
4.3. Определение уровня конкурентоспособности технических средств (на примере - СЗ-10) 321
Основные результаты и выводы 324
Список использованных источников 326
Приложения 347
- Оценка условий послеуборочной обработки зерна на примере лесостепной зоны Западно-Сибирского региона
- Определение путей снижения энергозатрат при сушке зерна
- Методика определения основных технологических параметров процесса сушки зерна
- Результаты лабораторно-производственных испытаний макетного образца конического сепаратора
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ Производство зерна является основным звеном с.-х. производства, от которого зависит обеспеченность промышленности сырьем, населения хлебом и продуктами его переработки, животноводства кормами. В Западной Сибири ежегодно зерновыми и зернобобовыми засеивается 9,3 млн га, в Восточной Сибири 3,2 млн га. Валовой годовой сбор зерна в Сибири составил за последнее время около 12,3 млн т, т.е. почти 15... 18 % от общероссийского производства.
Особенности климата Сибири и погодных условий в уборочный период (среднесуточная температура равна 6... 11 °С, относительная влажность воздуха -50...75 %, количество осадков - 47 мм) обуславливают технологические характеристики свежеубранного зерна: среднесезонная влажность - 20...25 %, в зависимости от подзон и конкретных условий года, засоренность в среднем - 6...12%. Техническая оснащенность и природно-климатические условия обусловили положение, когда энергозатраты на производство продукции в России в 2...3 раза выше, чем в европейских странах (Агроклиматический потенциал Западной Сибири в 2 раза ниже Российского и в 5 раз в США).
Все убираемое зерно проходит послеуборочную обработку, включающую в себя процессы приема и предварительной обработки, сушки, временного хранения, основной обработки, хранения и малотоннажной переработки. С введением рыночных отношений в корне изменилось направление потоков зерна. В настоящее время все зерно обрабатывается и хранится на месте, доводится до необходимых для реализации кондиций непосредственно товаропроизводителем. Обработка зерна производится по различным технологиям, адаптированным к технологическим свойствам исходного зернового материала, поступающего с поля, и зональным условиям производства. При этом, в основном используются типовые зерноочи-стительно-сушильные комплексы и приспособленные линии с использованием нестандартных (напольных, ромбических, противоточных и др.) сушилок, изготовляемых на предприятиях регионов. КЗС не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям (необходимость складирования зерна на открытых площадках вызывает увеличение потерь и повышение затрат). Отсутствие оперативных хранилищ в поточных линиях приводит к снижению их производительности до 30%. Цаспортная производительность машин предварительной очистки обеспечивается при влажности до 16%. Новые комплексы КЗС-25Щ и 50Ш - не устраняют полностью недостатков классической поточной технологии: неэффективность при влажности 25%, невозможность обрабатывать 2 и более культур, отсутствие прямой связи со складами.)
Анализ энергетической эффективности процессов производства зерна показывает, что энергоемкость процессов послеуборочной обработки зерна в условиях Сибири выше, чем у всех других операций. Так, по данным исследований В.И. Анискина, предпосевная обработка почвы составляет -1,2..2,0 106 МДж/т., посев и уход за посевами - 0,2...0,3 106 МДж/т., уборка - 0,3...0,5 106 МДж/т., послеуборочная обработка зерна (ПОЗ), при сушке t=65...100 °С, -2,0...5,0 106 МДж/т., т.е. энергоемкость процессов ПОЗ выше всех операций при возделывании зерновых, особенно в условиях Сибири, где средняя влажность убираемого зерна W=20-25% и все убираемое зерно необходимо сушить. Например на сушку 1 т. кукурузы расходуется 40...50 кг. усл. топлива, тогда как на зерновые 10 кг.усл. топлива. Поскольку наиболее ресурсозатратным технологическим процессом является сушка, то для повышения эффективности удаления влаги из зерна используются различные способы сушки, разработаны различные её технологии, включающие рецир-куляшяо зерна, рекуперацию тепла и т.д. Техническое оснащение зерноочисти-телщо-сушильных комплексов, дефицит энергоносителей перераспределили структуру затрат на производство продукции, снизили эффективность и привели к тому, что сохранение влажного урожая с помощью сушки стало значительно более Энергоемким./163,170, 344, 346/
Эффективность обработки зерна определяется интенсивностью технологических процессов и уровнем совокупных затрат при соблюдении заданных показателей качества.
Системный подход к проблеме интенсификации технологических процессов ПОЗ с учетом ресурсосбережения позволяет в едином комплексе рассматривать вопросы очистки и сушки зерна на основе методологии систем с распределенными параметрами. Такой методологический подход позволяет рассматривать её решение в рамках всей совокупности технических средств, участвующих в обработке зерна на разных этапах (уровнях подсистем) его обработки, использовать их рабочие органы для взаимосвязанных операций, учитывать местные условия, влияющие на решение проблемы посредством обоснования условий и параметров обработки зерновых смесей, что, в общем, обеспечивает оптимальное решение проблемы ./34,3 5,47/
Применение макрокинетического метода при исследовании конвективной сушки зерновых слоев позволяет обосновать основные конструктивно-режимные параметры технических средств и методы ресурсосбережения при выполнении технологических процессов.
Механико-технологическое исследование процессов движения зерна по сепарирующим поверхностям и в их отверстиях позволяет получить аналитические зависимости процессов обработки зерна от параметров рабочих органов машин, обосновать рациональные конструкции их технического исполнения, обеспечивающих интенсификацию очистки и сушки зерна.
Цель исследований - повышение эффективности послеуборочной обработки зерна за счет совершенствования технологии и технических средств сушки.
Объект исследований - технологический процесс сушки зерна, включая его предварительную очистку; параметры и режимы работы технических средств.
Предмет исследований - закономерности процесса сушки и предварительной очистки зерна при использовании предложенных технических средств.
Методы исследований. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР приоритетных фундаментальных исследований по заданию 04.01 «Разработать научные методы обоснования рациональных технологий и комплексов технических средств для послеуборочной обработки, переработки зерновых культур, адаптированных к зональным условиям».
Для учета многообразия факторов, влияющих на производственные процессы послеуборочной обработки зерна (ПОЗ), необходим системный подход. Он позволяет в комплексе исследовать вопросы повышения эффективности функционирования подсистем ПОЗ, ресурсосбережения, разработки технических средств адаптированных к зональным и производственным условиям. Системный подход и анализ методов, технологических процессов обработки зерна и технических средств, их реализующих, позволяет раскрыть проблемную ситуацию - повышение эффективности процессов послеуборочной обработки зерна и снижение при этом энергетических и материальных затрат - и сформулировать научную и народнохозяйственную проблему - интенсификации процессов послеуборочной обработки зерна при снижении затрат. Методологической основой исследований явилось использование системного подхода, исследование технологических подсистем методом структурных блоков с распределенными параметрами, позволившим увязать единым методологическим подходом разнородные величины и процессы. При выполнении работы применялись методы статистического анализа, факторного эксперимента, математического моделирования, регрессионного анализа, технико-экономической оценки, пакеты прикладных программ.
Научная гипотеза заключается в том, что повышение эффективности обработки зерна может быть достигнуто за счет интенсификации технологических процессов сушки зерна, включая его предварительную очистку в поле инерционных сил, многослойную инверсию и снижение энергозатрат методом частичной рекуперации тепла отработанного агента сушки и охлаждающего воздуха при заданных значениях показателей качества. Научную новизну представляют:
• методология исследований процессов послеуборочной обработки зерна как системы с распределенными параметрами, которая реализована на примере технологического процесса сушки;
• закономерности интенсификации предварительной очистки зерна с использованием сложных инерционно-гравитационных силовых полей. Результаты моделирования при обосновании области рационального соотношения параметров решета и основных факторов, характеризующих процесс решетной сепарации;
• математическая модель процесса сушки по всему объему зернового слоя с поперечной продувкой; закономерности, полученные на основе макрокинетического анализа элементов системы с распределенными параметрами, обосновывающие параметры сушки и инверсии зерновых потоков для снижения неравномерности нагрева и сушки зерна;
• типоразмерный ряд блочно-модульных сушилок с учетом зональных условий, объемов производства зерна и методика определения основных параметров процесса сушки при частичной рекуперации тепла и блочно-модульной компоновке сушилок.
Техническая новизна подтверждена двумя авторскими свидетельствами и патентом на конструкции решет и трех блочно-модульных зерносушилок с инверторами. Практическая значимость: выявлена дополнительная возможность интенсификации сушки зерна при его послеуборочной обработке на основе предварительной очистки в поле инерционных сил, рекуперации тепла и многослойной инверсией зернового потока. Создана методика расчета основных параметров сушилок с частичной рекуперацией тепла, разработаны конструкции сушилок различной производительности, обеспечивающие снижение энергозатрат, обоснован типо-размерный ряд сушилок блочно-модульного исполнения.
Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями при выборе технологических схем, расчета параметров при проектировании сушилок и решетных систем зерноочистительных машин, научно-исследовательскими учреждениями, в которых ведутся исследования по вопросам послеуборочной обработки зерна, учебными заведениями, специалистами сельскохозяйственного производства.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований легли в основу создания конструкций и типоразмерного ряда блоков зерносушилок блочно-модульного типа с частичной рекуперацией тепла и многослойной инверсией, производительностью 6; 10; 16 т/ч. Сушилки СЗ-6, СЗ-10, СЗ-16 прошли приемочные государственные испытания на Алтайской МИС (протоколы №01-32-97 (4070292); 01-38-98(100012); 01-38-97(4070302)) и рекомендованы к постановке на производство. Сушилки серийно производятся ОПКТБ СибИМЭ по кооперации с заводами г. Новосибирска, г. Красноярска, и Опытным заводом СибИМЭ, (на 1.01 2001г выпущено 170 сушилок). Работа "Обоснование, разработка и освоение технологий и гаммы сушилок для сушки зерновых и зернобобовых культур, адаптированных к зональным условиям Сибири" заняла призовое место в конкурсе на лучшую научно-исследовательскую работу Россельхозакадемии в 1999г.
Основные положения, выносимые на защиту: метод исследований процессов послеуборочной обработки зерна как системы с распределенными параметрами;
•выявленные закономерности интенсификации предварительной очистки зерна с использованием инерционно-гравитационных силовых полей; • модель процесса сушки по всему объему зернового слоя с поперечной продувкой; закономерности, выявленные на основе макрокинетического анализа элементов системы с распределенными параметрами;
•зависимости для определения основных параметров сушки с частичной рекуперацией тепла, технологические схемы сушилок с многослойной инверсией зерна и типоразмерный ряд блоков сушилок.
Апробация работы. Основные материалы работы в период с 1982 по 2001 год рассматривались и обсуждались на международных и региональных конференциях, научно-технических советах и семинарах, в частности: на научно-технических советах ГСКБ "Воронежзерномаш", научно-технических конференциях Сибирского филиала ВНИИЗ, НПО "Казсельхозмеханизация", региональных конференциях СибИМЭ, НТС Министерства сельского хозяйства РСФСР, НТС управления сельского хозяйства администрации Новосибирской области, научно-практических конференциях ученых НГАУ и Гумбольдтского университета (г. Берлин), международной конференции по ресурсосберегающим технологиям в сельскохозяйственном производстве СО РАСХН (с участием Монголии и Казахстана), координационном совете по проблемам послеуборочной обработки зерна и семян (г. Воронеж), Ученых Советах СибИМЭ.
Проведению работы, потребовавшей большого объема экспериментальных исследований, организации производственных проверок, испытаний, освоения разработок в производстве и внедрения в хозяйствах региона, в значительной степени способствовала позиция руководства ОПКТБ СибИМЭ и ее директора В.П. Ко-линко которому автор выражает признательность. Оказывалось постоянное внимание и помощь работе со стороны руководства СибИМЭ и отдела механизации Новосибирского АПК.
Автор выражает признательность за постоянную научно-методическую помощь А.И. Климку, сотрудникам лаборатории обработки, хранения и переработки зерна СибИМЭ и конструкторам ОПКТБ СибИМЭ, оказавшим практическую помощь и содействие при проведении работы и оформлении результатов исследований.
Оценка условий послеуборочной обработки зерна на примере лесостепной зоны Западно-Сибирского региона
Территория Западной Сибири включает в себя республику Алтай, Новосибирскую, Омскую, Тюменскую, Кемеровскую, Томскую области и Алтайский край. Почти вся территория (более 4/5) занята Западно-Сибирской низменностью, которая переходит на юго-западе в Ишимскую степь, а на юге - в Барабинскую степь. На юго-востоке Западно-Сибирская низменность переходит в Приобское плато, которое сменяется отрогами Салаирского кряжа, а затем Алтайской горной системой. Центральную часть низменности занимают Васюганские болота.
По природно-климатическим условиям Западная Сибирь делится на следующие сельскохозяйственные зоны: таежно-подтаежная низменность, северная лесостепь низменности, степь, лесостепь предгорий и тайга-подгайга предгорий.
В таежно-подтаежной зоне Западной Сибири преобладают выщелоченные оподзоленные черноземы и серые лесные почвы. Для лесостепной зоны характерно развитие черноземов с подтипами оподзоленных выщелоченных и серых лесных почв. В степной зоне распространены черноземы. Значительная часть территории заболочена.
Г.Е. Чепуриным и др. проведен анализ с.-х. климатических зон Сибири./323/ Климат зернопроизводящей части Западной Сибири резко-континентальный: продолжительная суровая зима и короткое, но главное и нередко засушливое лето. Годовое количество осадков убывает в направлении с северо-востока на юго-запад от 400-700 мм до 250-320 мм. Максимальное количество осадков выпадает летом. Снежный покров держится 5-7 месяцев и достаточно неравномерно: на севере его высота 50...80 см, на юс% 20...25 см, причем сильные ветра в отдельные годы сдувают снег с открытых участков.
Краткая характеристика зернопроизводящих зон Сибири, Климатические условия Западной Сибири в основном благоприятны для возделывания зерновых культур, но неблагоприятны для их уборки и послеуборочной обработки. Уборка урожая и его послеуборочная обработка начинаются во второй половине августа - начале сентября. В этот период наблюдается быстрое падение температуры и увеличение влажности воздуха. Многолетние условия по декадам августа и сентября проанализированы П.Н. Федосеевым. Им установлено, что среднесуточная температура воздуха и количество осадков за декаду с середины августа и до конца сентября снижается соответственно от 15С до 5...6С и от 24...25 мм до 14...16 мм. При этом дефицит влажности воздуха с начала августа и до конца сентября снижается от 7 до 3 мб. Поэтому, несмотря на подекадное снижение осадков в уборочный период, условия для естественной сушки и созревания зерна с начала августа к концу сентября ухудшаются. Основные зоны зернового производства сельскохозяйственных земель в Западной Сибири сосредоточены на равнине между реками Иртышем и Томью. Как показано выше природно-климатические условия изменяются как с запада на восток, так и с севера на юг. Что характеризуется значительными расхождениями среднемесячных осадков. По данным Л.Г. Кашоновой / 323 / видно, что в июле, например, ежемесячное количество осадков в северной части зоны (Тюмень, Томск) составляет 125 мм, а в Барнауле только 67 мм. В период послеуборочной обработки зерна 12...16 дней в месяц количество осадков превышает 0.1 мм, в то время как 1 м3 атмосферного воздуха может поглотить в этот период не более 2 г воды. Основными показателями погодных условий уборочного периода являются количество и частота выпадения осадков, температура и относительная влажность воздуха. Они оказывают наибольшее влияние на процессы послеуборочной обработки и хранения зерна. Годовая сумма осадков в зоне Западной Сибири составляет 450, а в Восточной - 395 мм. Уборка и послеуборочная обработка зерна в Сибири существенно усложняется еще тем, что дожди в осенний период неоднократно повторяются. Например, в Западной Сибири коэффициент частоты выпадения осадков (отношение дождливых дней к сумме дней всего уборочного периода) по многолетним данным составляет 0,19...0,5 . Из этого следует, что в годы, благоприятные для уборки, на каждые пять дней, а в неблагоприятные - на два дня уборочного периода в среднем приходится один день с ненастной погодой. Среднесуточная температура воздуха в уборочный период в Западней Qfe бири выше, чем в Восточной. Сумма среднесуточных температур за ав 13 густ...октябрь месяцы в Западной Сибири и Восточной Сибири составляют соответственно 30,6 и 23,9 С. По этому показателю Восточная Сибирь уступает всем соседним с ней зонам, а Западная Сибирь - только Северо-Казахстанской зоне, где суммарная температура за уборочный период составляет 32,6 С. В Западной Сибири среднесуточная температура воздуха понижается с 17,1 С в августе до 11 С в сентябре, а в октябре она становится 2,5 С, т.е. снижается еще более, чем в четыре раза / /. Таким образом, проведенный анализ показывает, что климатические условия в уборочный период на различной территории Сибири значительно изменяются. Причем, средние показатели погодных условий уборочного периода, послеуборочной обработки зерна в Западной Сибири более благоприятны, чем в Восточной. По средним показателям суммы осадков, температуры и относительной влажности воздуха погодные условия периода послеуборочной обработки зерна в Сибири более благоприятны, чем в соседней с ней Уральской зоне и менее благоприятны по сравнению с Дальневосточной зоной. Влажность и засоренность являются определяющими факторами при выборе технологии обработки и временного хранения зерна, оказывают большое влияние на выбор структуры предприятий и на технологический процесс обработки. Производительность очистительных и сушильных машин в значительной мере зависит от фактических значений влажности и засоренности. Так, в соответствии с ГОСТ 5888-63, на каждый процент увеличения примесей в зерне основной культуры сверх 10% производительность воздушно-решетных машин при очистке снижается на 2%, а на каждый процент увеличения влажности зерна сверх 16% производительность их уменьшается на 5%. Одновременное поступление нескольких партий зерна различных культур, сортов или репродукций вызывает необходимость предусмотреть в структуре предприятия несколько поточных линий и емкостей для хранения. В случае, когда имеется одна поточная линия при поступлении различных видов зерна, ффъбу-ется ее перенастройка. Показатели условий обработки зерна в течение уборочного периода не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Характер изменения показателей условий обработки зерна, а также влияние различных причин на величину этих изменений можно проследить на примере представительного хозяйства. Опыты в течение пяти лет проводились на зерновом комплексе базового хозяйства СибИМЭ ОПХ "Черепановское". Изучалась влажность и засоренность зерна, поступающего на обработку, начало, интенсивность и длительность поступления различных партий. Одновременно определялись показатели метеорологических условий / /.
Определение путей снижения энергозатрат при сушке зерна
Рассмотрим процесс функционирования послеуборочной обработки зерна с позиций системного подхода. Сущность его заключается в том, что любой изучаемый объект рассматривается с точки зрения его целостности. Такой анализ особенно эффективен при оптимизации рабочих процессов машин и режимов работы поточных технологических линий, т.е. отыскание оптимальных условий использования технических средств для послеуборочной обработки зерна. Для производственных процессов послеуборочной обработки зерна характерным является рассмотрение ее как биотехническую систему, в которой технические подсистемы (машины, оборудование, сооружения и т.п.) в процессе производства вступают во взаимодействие с биологическими (человек). Зерноочистительно-сушильный комплекс в целом и отдельные производственные процессы (сепарация, сушка, хранение) при анализе представим как сложную, многоуровневую, динамическую систему, имеющую иерархическую структуру.
Рассмотрим процесс обработки зерна с позиций системного анализа и представим в виде схемы. Такая система состоит из ряда подсистем, расположенных на разных уровнях. Анализ будем производить в направлениіі іййррху вниз.
Подсистемы первого уровня представляют собой пять схем (прием и предварительная обработка, сушка и временное хранение, очистка и сортирование, хранение и переработка фуража, совокупностей технологических процессов, которые различаются по характеру воздействия на зерновой ворох. Во всех подсистемах присутствует биологическое звено - человек (оператор). Все подсистемы имеют также технические (детерминированные) звенья: машины - как средство труда и материало-зерновой ворох - предмет труда. Функционирование подсистемы первого уровня заключается в выполнении ряда операций под зерновым ворохом (материалом) и их эффективность достигается за счет более экономичного и качественного превращения исходного зернового вороха в конечной продукции (семена, продовольственное зерно, фуражное) /247,248,249/.
Подсистему второго уровня представляют поточные технологические машины для обработки, поступающей зерновой массы по назначению (линии обработки семян, продовольственного, фуражного зерна). Ее элементом является определение оптимальных параметров и режимов работы технологических линий (очистки, сушки, измельчения и т.д.)
Подсистему третьего уровня составляют задачи исследования и оптимизации отдельных технологических операций, машин, оборудования, рабочих органов. Подсистема третьего уровня отображает структурные связи с внешней средой и между элементами системы - биологическими и техническими звеньями.
Разделение системы послеуборочной обработки зерна на уровни условно и выполнено нами для удобства решения любой задачи системы. Причем, предложенное деление не исчерпывает возможных вариантов расчленения производственного процесса. Одной из важнейших проблем в области механизации послеуборочной обработки с целью дальнейшего совершенствования технологий и значительного снижения энергоресурсозатрат.
Важнейшим показателем эффективности производства сельскохозяйственной продукции является ее энергоемкость. Определение этих показателей позволяет обосновать потребность в энергоресурсах.
По мере интенсификации с.-х. производства выявилась тенденция ускоренного роста затрат энергии на получение продукции. Суммарный расход энергии в сельском хозяйстве Российской Федерации составляет около 120 млн. тонн в условной исчислении, с учетом местных источников и самозаготовок около 150 млн. тонн, что составляет 15% от общих энергопотребностей. В с.-х. производстве расходуется 60%. Самая энергоемкая отрасль - это растениеводство и транспорт - 48 млн. т. Причем расход энергии на производство продукции постоянно увеличивается: так если в 1980 г. в растениеводстве (без учета мобильных процессов) энергопотребление составляло 7.7. млн. т, то в 1995 г. -14 млн. т. В структуре топливо энергетических ресурсов главными составляющими являются, %: моторное топливо - 3.0, твердое - 38, газ - 15, электроэнергия - 10.5, жирное печное топливо - 7. Потребление электроэнергии, начиная с 1991 г., практически остается на одном уровне в пределах 101... 103 мрд. Квт/ч.
Затраты электроэнергии на производство сельскохозяйственной продукции в России в 1.5...3 раза выше, чем в развитых странах Запада / 60, 180 /. Дальнейшая интенсификация земледелия, ориентированная только на увеличение объемов потребляемых ресурсов (за 15 лет до 1985 года потребление энергоресурсов возросло в 4 раза, а производство продукции в 1.3...1.6 раза) потребовало бы значительных энергозатрат, которые не окупились бы приростом продукции. Кроме того, одним из самых дорогих и дефицитных ресурсов в сельском хозяйстве становится энергетический, особенно нефтепродукты.
До последнего времени мероприятия по энергосбережению рассматривали как один из многих путей снижения издержек производства продукции. В настоящее время экономия превращается и в средство получения такого количества энергоресурсов, от которого зависит достижение намеченных объемов производства продукции. Все это указывает на необходимость разработки энергоэффективных технологий производства продукции.
Кроме того, кризисные явления в энергетике, функционирование в сельском хозяйстве различных форм собственности, приближение стоимости энергоносителей к их реальной цене ставят под сомнение возможность полного удовлетворения потребности сельскохозяйственного производства в энергоносителях.
В этих условиях важнейшей задачей становится снижение энергоемкости продукции (зерна на 30...40%) рационального использования потоков энергии в технологических процессах, разработки новых ресурсосберегающих технических средств и технологий. Внедрение более дешевых возобновляемых источников энергии, вторичных энергоресурсов и местного сырья. Важнейшей задачей становится расширение сфер использования электрической энергии, разработка новых электрифицированных средств и электротехнологий, обеспечивающее непосредственное использование электрической энергии в технологических процессах. Это электрообогрев и облучение сельскохозяйственных животных и растений, электрофизические методы обработки семян почвы, уничтожение сорняков, обеззараживание помещений, сушка сельскохозяйственной продукции с использованием солнечной радиации, ВЧ и СВЧ - энергии и др.
При функционировании технологической системы послеуборочной обработки зерна участвуют различные виды и типы машин, которые при своем взаимодействии связаны общностью решаемой задачи и выполняемого технологического процесса, объединенных функционально в соответствии с определенными правилами взаимодействия, которые обеспечивают взаимодействие технологического процесса с различными уровнями качества. Ее структура в свою очередь состоит из нескольких технологических подсистем, выполняющих определенные операции технологического процесса: прием, предварительная обработка, временное хранение, сушка, основная обработка, специальная обработка, малотоннажная переработка зерна, хранение./60,56,308/
Методика определения основных технологических параметров процесса сушки зерна
При проведении структурного анализа, на первом этапе математического моделирования отдельных составляющих технологического процесса сушки. 1.Модель первого уровня формализуется исходя из известных процессов происходящих в зерне на молекулярном и клеточном уровне. Эти модели устанавливают интегральный эффект проявления законов влаги в зерне, скорость ее перемещения, затраты энергии на создание движущей силы процесса и т.д. 2.Модели второго уровня описывают процессы в слое зерна, т.е. перенос влаги и тепла в результате внутренней и внешней диффузии с учетом явлений происходящих на граничных зонах. На этом уровне определяются теплотехнические характеристики и режимы, условия для удаления влаги из зерна, затраты энергии на удаление влаги, производительность, качество высушиваемого материала и т.д. 3.Модели третьего уровня рассматривают не только технологические, но и экономические показатели работы элементов структурной схемы, в том числе и сушильной камеры. С помощью моделей третьего уровня устанавливается производительность агрегатов, затраты на капитальное строительство, эксплуатационные расходы, себестоимость процесса сушки. Для определения этих показателей, необходимы данные, полученные на нижних уровнях моделирования элементов структурной схемы. 4.На четвертом уровне моделируется весь технологический процесс. При помощи таких моделей можно определить общие затраты на хранение зерна, составной частью которых являются и затраты на сушку. Анализ уровней моделирования показывает, что получить результаты на определенном уровне можно только при условии, если известны данные нижних уровней. Структурную модель системы послеуборочной обработки зерна можно составить на основе имеющихся моделей отдельных элементов различного уровня и существующих между ними связей. Поскольку элементы структурной схемы (рис.2.11) отличаются принципами действия и конструктивным исполнением, то анализ процесса сушки будем проводить с помощью математических моделей, которые должны отражать с достаточной точностью реальные процессы изучаемых распределенных блоках. Параметрическая модель сушки, сформированная на основе взаимосвязанных распределенных систем, объединяет внутренними связями входные и выходные параметры зерновой массы и агента сушки. Выходные параметры зерновой массы блока предварительной очистки являются входными параметрами блока сушки. Входными параметрами, определяющими сушку зерна, являются: начальное влагосодержание Uo (Wo), начальная температура t3, аэродинамическое сопротивление слоя Нас, определяемое качеством предварительной очистки, скорость гравитационного перемещения зерна V3, толщина высушиваемого слоя H , производительность по зерну Q3, его качество и структурные свойства как капиля-ро-пористого тела кзо, параметры агента сушки: температура tac, влагосодержание dac, скорость фильтрации V ac, энтальпия Jac, расход Lac. Выходными параметрами определены: конечное влагосодержание UK (WK), конечная температура зерна после охлаждения t3K, его качество (семян-всхожесть, продовольственного-клейковина) І з, температуры отдельных конструктивных элементов сушильной камеры к ых (потери тепла), параметры отработанного агента сушки t c d0Tpac, L011 , время сушки т, критерии эффективности ЕІ (Лд). Входные и выходные параметры определяются изменением внутренних те-плофизических и термодинамических характеристик зернового слоя: коэффициентами теплообмена а, массообмена Р, диффузии тепла ag и влаги am , скважистостью слоя є, коэффициентом теплопередачи кт, теплоемкостью с, теплопроводностью X и др. Количественную оценку процесса сушки зерна будем определять четырьмя показателями: влажностью, температурой нагрева, сохранностью (улучшением качества зерна), затратами на сушку. Показатель влажности определен ГОСТ, т.е. зерно должно иметь заданную конечную влажность 13-14%. Температура нагрева зерна определяется исходной влажностью и назначением. Температура высушенного зерна не должна превышать температуру наружного воздуха более чем на 5С. Качественные показатели в основном будем определять в основном состоянием белкового комплекса: количество и качество клейковины (хлебопекарные свойства - объемный выход хлеба). Качество семенного зерна определяем по всхожести. Затраты на сушку состоят из затрат на топливо, электроэнергии и т.д. На основе принятого методологического подхода с учетом ограничений и допущений проведем исследование параметров процесса сушки зернового слоя колонковой сушилки с поперечной продувкой. Процесс конвективной сушки зерна неизбежно сопровождается неполным использованием энергии теплоносителя, что связано с условиями гидротермическими равновесия между высушиваемым зерном и сушильной средой. Однако утилизации и вторичное использование тепла отработанного сушильного агента до сих пор тормозится трудностями, связанными со сравнительно невысоким потенциалом теплоносителя на выходе из сушилки. В этом отношении интерес представляют способы утилизации и рекуперации тепла, содержащегося в отработанном сушильном агента или в высушенном зерне, для нужд самого процесса сушки. Применительно к конвективной сушке капиллярно-коллоидных материалов (зерна) наиболее реально рекуперацию тепла можно осуществить тремя способами: утилизацией физического тепла отходящих газов, достигаемых их частичной рециркуляцией, утилизацией физического тепла отходящих газов с использованием промежуточного теплоносителя или утилизацией физического тепла высушенного продукта при прямом теплообмене с ним исходного сушильного агента (рис.2.21...2.29). Проанализируем различные схемы сушки с рекуперацией тепла применительно к сушке зерна.
Результаты лабораторно-производственных испытаний макетного образца конического сепаратора
При работе сушилки режим сушки изменяется с течением времени , сушка происходит при переменном режиме . Строгий анализ кинетики процесса сушки при таких условиях чрезвычайно сложен . Чтобы выявить основные закономерности кинетики процесса сушки рассмотрим вначале сушку при постоянном режиме когда температура, влажность и скорость агента сушки остаются постоянными в течении всего процесса сушки. Сушка представляет собой сложный комплексный процесс, в котором теплотехнические и технологические закономерности связаны между собой. Кинетика процесса сушки определяется тепло-влагообменом как между поверхностью зерна и окружающей средой, так и внутри зерна. Технологические параметры являются определяющими при выборе режимов сушки. При этом необходимо учитывать, что зерно является капиллярно-пористым коллоидным телом и формы связи с влагой. Режим сушки, в основном, характеризуется тремя параметрами: температурой агента сушки, его влажностью (влагосодержанием) и скоростью движения (фильтрацией). Эти параметры влияют не только на длительность сушки, но и на качество высушенного материала. Поэтому очень важно обосновать такой режим сушки, чтобы при минимальной его длительности и наименьшем расходе тепла получить наилучшие технологические свойства зерна.
Из анализа полученных зависимостей видно, что по толщине зернового слоя процесс сушки происходит сложно и неравномерно. Внутренний слой (1) практически с самого начала высушивается в периоде постоянной скорости сушки и в конечной фазе в периоде убывающей скорости сушки. В это же время внешний слой вначале увлажняется на 1,5% а затем происходит его сушка в первом периоде постоянной скорости сушки. Скорость сушки в период увлажнения имеет отрицательные значения. Полученные зависимости показывают, что зерновой слой сушится не весь одновременно и равномерно а внутри зернового слоя возникает "зона" сушки которая постепенно перемещается от внутренней поверхности слоя к внешней.(Рис. 2.32)
Для решения прикладных задач с учетом конкретных параметров и способов сушки достаточна внешняя характеристика процесса, т.е. построить кривую убывания влажности в функции времени (кривая сушки), кривую скорости сушки (на основе кривой сушки), кривую изменения температуры. Эти кривые относятся к разделу кинетика сушки. Рассмотрим кривые процесса сушки плотного гравитационного движущегося слоя зерна, с позиций метода основанного А.В. Лыковым.
Анализ полученных кривых сушки и нагрева по слоям зернового потока показывает, что не весь зерновой слой одновременно прогревается и по толщине слоя процесс сушки проходит не одинаково. Рассмотрим этот процесс более подробно. Примем условия и допущения:
Верхней границей "зоны" сушки определим нормальную к направлению подачи агента сушки поверхность, определяющую (условно) часть слоя, где сушка еще не началась, влажность близка к начальной от зоны сушки, где влажность интенсивно изменяется. Аналогично этому и нижняя граница "зоны" сушки определяет ее от части слоя, где влажность материала достигла кондиционной. В начале и в конце процесса границы "зоны" сушки совпадают с границами слоя. Практически зона сушки четких границ не имеет.
Экспериментально ее границы определяются по изменению температуры, измеряемой в различных точках по толщине слоя. Из рисунка 2.33 видно, что наиболее резкие изменения температуры и влажности происходят в начале сушки у границы слоя со стороны подачи агента сушки. Здесь происходит интенсивное испарение влаги и наименее благоприятные условия для сохранения всхожести семян. А во внешнем слое происходит его насыщение влагой. С изменением высоты "зоны" сушки или толщины слоя вид кривой сушки изменяется. Предположим, что "зона" сушки внутри слоя движется с постоянной скоростью от внутреннего слоя (лобового) к внешнему и параметры агента сушки соответственно (Q1, t1,11 ,(1 , а отработанного агента сушки (Q2,1?,l2,d2). Это является признаками второго периода сушки зернового слоя, аналогично периоду сушки единичной частицы. По мере того, как "зона" сушки начинает выходить за пределы правой границы зернового слоя (внешней), параметры отработанного агента сушки начнут изменяться: влагосодержание (d2) начинает уменьшаться, а температура (г2) непрерывно возрастать. Это характеризует также замедление средней скорости сушки (по слоям). На основании перечисленного, на кривой сушки можно обозначить первую критическую точку, свидетельствующую о начале третьего периода сушки. По результатам обработки температурных кривых можно построить области перемещения верхних и нижних границ зоны сушки. В результате обработки полученных ранее экспериментальных данных о параметрах технологического процесса сушки кривых сушки и нагрева зернового материала и литературных источников, определим, что: высота "зоны" сушки прямо пропорциональна скорости фильтрации агента сушки, обратно пропорциональна разности начальной и конечной влажности; скорость перемещения "зоны" сушки прямо пропорциональна скорости фильтрации агента сушки и потенциалу сушки и обратно пропорциональна разно сти начальной и конечной влажности материала. С учетом принятых нами определений, допущений и интерпретаций, полученных экспериментальных зависимостей, построим математическую модель процесса сушки зерна в плотном слое для практических расчетов и с учетом распределения влажности по толщине зернового слоя. Рассмотрим, что представляет собой влажность на графике кривых сушки (рис.2.33.).
