Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологий и техники для сушки семян подсолнечника 13
1.1. Краткий анализ мирового и российского производства семян подсолнечника 14
1.2. Основные механико-технологические свойства и способы сушки семян подсолнечника 19
1.2.1. Влияние сушки на качество семян подсолнечника 20
1.2.2. Анализ технологических свойств компонентов вороха семян подсолнечника 23
1.2.3. Способы и режимы сушки семян подсолнечника 27
1.2.4. Анализ процессов сушки семян подсолнечника в США 33
1.3. Тенденции развития конструкций технических средств для сушки семян подсолнечника 40
1.3.1. Конструкции сушилок отечественного производства 40
1.3.2. Конструкции сушилок зарубежного производства 43
1.3.3. Особенности сушки семян подсолнечника при поточной послеуборочной обработке 46
1.4. Цель и задачи исследования 48
ГЛАВА 2. Механико-технологические свойства влажных семян и комбайнового вороха подсолнечника ... 50
2.1. Основные показатели семян подсолнечника 50
2.2. Изучение аэродинамического сопротивления слоя семян подсолнечника 53
2.3. Экспериментальное изучение свойств и состава комбайнового вороха семян подсолнечника 55
2.3.1. Методы экспериментальных исследований 56
2.3.1.1. Методы определения механико-технологических свойств компонентов вороха семян подсолнечника 56
2.3.2. Конструкции лабораторных установок для изучения процесса сушки семян подсолнечника 57
2.3.3. Результаты изучения сыпучести вороха семян подсолнечника 60
2.3.4. Результаты изучения термостойкости семян подсолнечника 63
2.3.5. Результаты изучения скорости витания органических примесей вороха семян подсолнечника 68
ГЛАВА 3. Теоретические исследования процесса сушки гравитационно перемещаемого слоя семян подсолнечника. исходные показатели для проектирования сушилок поточного действия 71
3.1. Анализ исследований по сушке термолабильных материалов 71
3.2. Обоснование математической модели сушки семян подсолнечника в слое 72
3.3. Предпосылки к обоснованию равномерного гравитационного перемещения материала в сушильной шахте 75
3.4. Особенности конструкции сушильной камеры с кольцевой шахтой 76
3.5. Аналитическая модель кольцевой сушильной камеры 79
3.6. Обоснование конструкции шахты сушилки с распределительными коробами для семян подсолнечника 86
3.6.1. Анализ конструкций шахт с распределительными коробами 87
3.6.2. Обоснование конструкции распределительных коробов в сушильной шахте 88
3.6.3. Определение коэффициента заполнения семенами сушильной шахты с коробами 94
3.6.4. Обоснование длины короба в сушильной шахте 96
3.6.5. Методика расчета неравномерности распределения агента сушки по длине короба 98
3.6.6. Основные параметры и геометрические размеры сушильной шахты с коробами 102
3.7. Исследование работы конфузоров в сушильных установках
открытого исполнения (без здания) 104
ГЛАВА 4. Экспериментальное изучение гравитационного перемещения и сушки семян подсолнечника 114
4.1. Процесс гравитационного перемещения перемешиваемого слоя семян подсолнечника 115
4.2. Закономерности перемещения влаги в неподвижном слое семян подсолнечника 118
4.3. Влияние перемешивания слоя семян подсолнечника на интенсивность сушки 120
4.4. Процесс сушки семян подсолнечника в режиме «нагрев-отлежка» 120
4.5. Методика инженерного расчета механико-технологических параметров гравитационной слоевой сушилки для семян подсолнечника 122
4.6. Лабораторные исследования процесса сушки семян подсолнечника
в гравитационных шахтах с газораспределительными коробами 124
4.6.1. Гравитационное перемещение семян подсолнечника в шахтах с коробами 131
4.6.2. Аэродинамическая система шахты с газораспределительными коробами 138
ГЛАВА 5. Практическая реализация и эксплуатационно-хозяйственная проверка результатов исследований 144
5.1. Особенности распределения влаги в ворохе и семенах подсолнечника 144
5.2. Расчет конструктивно-технологических параметров цилиндрического бункера для вентилирования семян подсолнечника 146
5.3. Результаты хозяйственных испытаний бункеров активного вентилирования на семенном подсолнечнике 154
5.4. Обоснование конструкции и экспериментальные испытания бункерной цилиндрической сушилки 157
5.4.1. Расчет конструктивных параметров бункерной кольцевой сушильной камеры и эксплуатационных показателей процесса сушки 158
5.4.2. Программа и методика эксплуатационных испытаний бункерной сушилки 164
5.4.3. Основные результаты эксплуатационных испытаний бункерной сушилки 168
5.5. Изучение практической возможности сушки семян товарного подсолнечника на шахтных с газораспределительными коробами сушилках типа «С» 170
5.5.1. Результаты хозяйственных испытаний сушилок С-20 и С-30 на товарных масл осеменах 173
5.5.2. Рекомендации по повышению технического уровня сушилок типа «С» для работы на подсолнечнике 183
5.5.2.1. Рекомендации по температурным режимам сушки семян подсолнечника 183
5.5.2.2. Предложения по улучшению системы пожаробезопасности эксплуатации шахтных сушилок 184
ГЛАВА 6. Технико-экономическое подтверждение эффективности использования результатов исследований 187
6.1. Расчетно-эксшгуатационное обоснование технологических и конструктивных параметров бункерных сушильных установок 188
6.2. Методика экономической оценки эксплуатационных показателей бункерных установок 190
6.3. Определение экономической эффективности сушилки С-30 на семенах подсолнечника товарного назначения 198
6.4. Перспектива усовершенствования технологических линий для послеуборочной обработки семян подсолнечника 205
Общие выводы и рекомендации 216
Литература 223
Приложения 249
- Краткий анализ мирового и российского производства семян подсолнечника
- Изучение аэродинамического сопротивления слоя семян подсолнечника
- Обоснование математической модели сушки семян подсолнечника в слое
- Процесс гравитационного перемещения перемешиваемого слоя семян подсолнечника
Введение к работе
Предлагаемая диссертационная работа является продолжением исследований, проведенных автором по кандидатской диссертации на тему «Обоснование механико-технологических параметров и разработка поточной бункерной сушилки для семян подсолнечника» [142], защищенной в 1989 году. Необходимость углубления поведенных исследований вызвана несколькими причинами -это увеличенный мировой спрос [189] на маслосемена подсолнечника, отсутствие для производителей четких рекомендаций по сушке семян товарного подсолнечника, отсутствие специальной сушильной техники для семян подсолнечника, накопленный автором на стажировках в США опыт по сушке масличных культур, практически ежегодное (с 1997 г.) увеличение производства подсолнечника и посевных площадей [15, 16, 234] для него в России, которая после Аргентины вышла на втрое место в мире по объему производства товарных маслосемян.
Необходимо отметить и то, что важнейшим процессом в технологии производства маслосемян является сушка, от выполнения которой зависят качество будущего масла и семенного материала. Однако, существующие отечественные сушильные средства не удовлетворяют всем требованиям, так как в них не учитываются особенности семян подсолнечника, которые существенно отличаются от зерна, в частности - это низкая сыпучесть, особенно семян повышенной влажности, малая механическая прочность лузги, повышенная скважность вороха и, что особенно важно, пожароопасность вороха подсолнечника.
Другой особенностью, связанной в целом с сушильной техникой, является то, что в последние годы в России имеет место значительное увеличение количества производителей техники для системы АПК. Так, до 1990 года, разра-
ботку этой техники для сельского хозяйства производила одна организация ~ СКВ по сушилкам завода «Брянсксельмаш», а выпуск ее по документации этой организации осуществляли около 5 предприятий на территории бывшего СССР. В настоящее время (2004 г.) производством сушильной техники, в т.ч. поставляемой в Россию из бывших Союзных республик, занято более 30 предприятий (в республике Беларусь - 3, Украине - 4 и России — 24), официально представляющих свою продукцию на выставках, ярмарках, в различных каталогах и рекламной информации. За последние 10 лет некоторое количество зерносушилок поступило в Россию из-за рубежа (в основном Венгрии и Германии) по бартеру с «Газпромом» РФ. Однако, существенного количественного роста продажи (поставки) сушильной техники селу не происходит. По данным обобщенной экспертной оценки суммарное количество сушилок, смонтированных в системе ЛПК РФ в 2003 году, не превышает 5% от поставок 1990 года, т.е. 100... 125 штук [44, 215, 256].
Сложившиеся экономические условия [59, 115, 231], когда покупательная способность селян на сушильную технику весьма ограничена, перед изготовителями возникает необходимость предлагать ее, помимо сельского хозяйства, предприятиям других отраслей, использующих произведенное сырье для переработки в конечную продукцию (семена, масло). Как правило, эксплуатационные требования к сушильной технике на таких предприятиях более жесткие, чем в сельском хозяйстве. Например, в АПК сезонная нагрузка на данную технику составляет 500 часов (около 20 дней), а в масложировой отрасли при круглосуточной работе до 4.. .5 месяцев.
Имеющаяся конкуренция в производстве и разнообразные условия эксплуатации сушильной техники позволяют предположить, что сбытовой успех этой техники будет сопутствовать тем предприятиям, у которых имеется широкая номенклатура и высокий технический уровень продаваемых машин и оборудования. При этом технический уровень по основным термотехнологическим параметрам должен превышать лучшие зарубежные образцы. Другим критерием, определяющим продажу сушильной техники, является ее
стоимость. Этот критерий зависит от многих факторов, к которым можно отнести: номенклатуру производства, сезонную загрузку, статус предприятия-производителя или переработчика сельскохозяйственной продукции, финансовые возможности покупателей и т.д..
В этой связи, необходимо отметить, что большинство предприятий изготовителей сушильной техники реализует ее в регионах, где они территориально расположены. Как правило, идея конструкции сушилок принадлежит одному или нескольким специалистам данного региона, В ряде случаев специалисты регионов копируют конструкции сушилок зарубежного исполнения, большей частью США, или предлагают к реализации строительные проекты напольных сушилок (официальных предприятий, рекламирующих данный тип сушилок нами не зафиксировано), которые возводятся силами производителей продукции растениеводства. В настоящее время строительство такого типа сушилок в системе АПК осуществляется в основном по предложениям ВУЗов, региональных НИИ или главных специалистов [98] хозяйств производителей подсолнечника. По нашим данным большая часть напольных сушилок используется при сушке семенного материала.
Анализ механико-технологических параметров серийно выпускаемых сушилок показал, что эти машины предназначены, в основном, для обработки зерновых культур [62, 269, 270]. Недостатками известных шахтных зерносушилок являются низкий влагосъем за один пропуск материала через сушилку, перегрев семян и снижение их качества в зоне контакта с поверхностью подводящих коробов, повышенная пожароопасность и невозможность обработки вороха семян подсолнечника повышенной влажности и засоренности за один проход через шахту. Барабанные зерносушилки, при сушке семян подсолнечника весьма пожароопасны и не позволяют получать однородные по влажности семена, а использование высокотемпературных режимов приводит к снижению посевных качеств семян от перегрева [20,24,186, 259].
Кроме этого, исследования [39, 63, 69, 108], проведенные по сушке семян подсолнечника, на сушилках шахтного и барабанного типов, топки которых ра-
ботали на природном газе и лузге, показали, что в последних, т.е. при работе топок на лузге, может иметь место загрязнение семян бенз(А)пирином. При этом отмечается, что увеличение экспозиции сушки приводит к резкому увеличению бенз(А)пирина в семенах подсолнечника. Таким образом, при совершенствовании технологии и технических средств сушки семян подсолнечника, продукция переработки которого является продуктами питания для человека [56], необходимо учитывать условия попадания концерагенных веществ в семена и исключить их образование в процессе сушки.
В середине 80- годов прошлого века, в связи с ростом производства маслосемян, широкое применение для их сушки получили вентилируемые бункера типа Б В (производства «Брянсксельмаш»), оборудованные промышленными теплогенераторами. Распространенность таких сушильных средств объясняется тем, что они просты в обслуживании, надежны в эксплуатации, практически пожаробезопасны, легко очищаемы при переходе на сушку семян другого сорта или культуры. По рекомендациям ВНИМК они применяются также для сушки семян сои и клещевины, сорго и гороха, для которых другие типы сушилок мало пригодны [205, 211, 228, 236]. Бункерные сушильные установки позволяют осуществлять мягкорежимную сушку семян подсолнечника. Однако они имеют низкую производительность и высокую неравномерность сушки, часто приводящую к снижению качества семян. Одной из причин этого является значительная толщина слоя (около 1 м) семян, не позволяющая интенсифицировать процесс сушки [13, 34, 94, 95, 184].
За рубежом [9, 143, 144, 149, 227, 247, 290] нашли широкое распространение для сушки семян подсолнечника сушильные сил осы, в которых высушиваемая масса продувается теплоносителем вертикально, через перфорированную поверхность днища снизу вверх. Такие сушильные емкости снабжены системой загрузочно-разгрузочных транспортеров и вертикальными шнеками-ворошилками внутри силоса. Отличительной особенностью таких сушильных средств является значительная продолжительность сушки семян подсолнечника, малая скорость перемещения теплоносителя в слое материала, значительное
11 количество транспортных элементов, соприкасающихся и воздействующих на семена.
Таким образом, отмеченное позволяет заключить, что имеющийся в России опыт производства и эксплуатации сельскохозяйственной сушильной техники в настоящее время и в перспективе не может отвечать многообразию эксплуатационных требований покупателей этой техники. Кроме этого, сложившиеся рыночные отношения и финансовые возможности заказчиков сушильной техники требуют от ее производителей увеличения номенклатуры выпуска и разнообразия комплектации с учетом критериев конкурентоспособности, технологической новизны, пожаробезопасности, экологической чистоты, обеспечения нормативных условий гигиены труда и техники безопасности. В то же время, производимая сушильная техника не отвечает всем технологическим особенностям сушки подсолнечника, как для семенных целей, так и для товарного производства (получение масла) [8, 12, 36, 37, 38, 47, 52, 148, 154, 253, 262, 2563, 280]. В этой связи, решение задач по обоснованию и разработке технологии, конструкции и рекомендаций для сушильной техники, предназначенной для сушки семян подсолнечника, является одной из актуальных задач народного хозяйства. Ее решение может гарантировать снижение потерь семян при послеуборочной обработке и обеспечить качественную сохранность материала.
При этом повышение производительности, снижение неравномерности сушки и пожароопасности в сушильных установках, сохранность питательных и посевных качеств семян при минимальных затратах энергии являются важными сопутствующими задачами в решении данной проблемы. Сложность их реализации заключается в методологическом отсутствии расчета требуемых параметров, учитывающих специфические и технологические свойства вороха семян подсолнечника (масличность, сыпучесть и засоренность), которые недостаточно изучены, назначение маслосемян (семенное или товарное), а также в апробации результатов исследований в производственных условиях и отсутствии производства специализированных сушилок для этой культуры.
Данная работа посвящена исследованию и обоснованию технологии сушки семян подсолнечника и разработке технологических и технических предложений по созданию сушильной техники, обеспечивающей работу ее на этой культуре, как в семенном, так и в продовольственном режимах. Конечной целью работы является разработка предложений и рекомендаций для создания специализированной и модернизации известных сушилок для семян подсолнечника. Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур им. B.C. Пус-товойта (ГНУ ВНИИМК).
По результатам исследований, совместно с ВИСХОМОМ (г. Москва) и СКБ по сушилкам (г. Брянск), автором разработаны бункер активного вентилирования, специализированная сушилка СВП-6 и на базе их комплект сушильного отделения. Государственные испытания этой сушильной техники проводил КНИИТиМ (г. Новокубанск) [198], по рекомендациям которого институтом «Гидросельхоззерно» (ныне ОАО «Зернопрект», г. Краснодар), при участии автора, разработано два проекта на семяочистительно-сушильные пункты по послеуборочной обработке маслосемян семенного назначения. Оценку сушки товарных маслосемян при участии автора, совместно проводили ЗАО «Агропром-техника» (г. Киров), ВНИИМК, ВИСХОМ и Воронежский Государственный университет на сушилках С-20 и С-30. Результаты испытаний [183] и рекомендации автора позволили отработать режимы сушки маслосемян для этих сушилок и уточнить конструктивные параметры сушильной камеры. По результатам государственных испытаний, проведенным КНИИТиМ [200], сушилки типа «С» были рекомендованы для использования на семенах подсолнечника семенного и товарного назначения в зонах его производства.
Автор выражает глубокую признательность и большую благодарность всем специалистам ВНИИМК, ВИСХОМа, СКБ по сушилкам, ЗАО «Агропром-техника», Воронежскому госуниверситета, КНИИТиМ, хозяйствам товаропроизводителям и их сотрудникам, за помощь и поддержку наших исследований, реализацию их в промышленных образцах и внедрение в эксплуатацию.
Краткий анализ мирового и российского производства семян подсолнечника
Развитие маслобойного дела повысило спрос на семена подсолнечника, что привело к значительному росту посевных площадей под эту культуру. Однако наибольшее развитие подсолнечник, как сельскохозяйственная культура, получил в 70-80-х годах XX столетия. Это было связано не только с возросшим спросом на подсолнечное масло, но как уже отмечалось, с повышением продуктивности этого растения в процессе селекции (табл, 1.1).
подсолнечник, в Южной Америке - 15%, на других континентах - остальное [279, 285] (рис.1.1). Возрастают площади подсолнечника в Австралии, повышенный интерес к культуре проявляется в Северной Америке и Турции. Наивысшие урожаи подсолнечника получают в Европе (1,5...2,0 т/га), а затем идут Азия, Южная Америка, Африка и Австралия.
Производство растительного масла в мире постоянно увеличивается и в отдельные периоды (с 1992 г.) его прирост от минимального производства составляет 18..,29,9 млн. т или 66%. При этом производство жиров животного происхождения увеличивалось только на 25%. В США наиболее крупном производителе подсолнечника эта культура возделывается в трех штатах: Техас, Миннесота, Дакота. Причем Северная Дакота производит 75% от всего объема производства маслосемян в стране (табл. 1,2).
В России доля посевных площадей под подсолнечником составляет около 5% от общего объема посевных площадей под всеми культурами и в 2001 г. равнялась 3816 тыс. га [44],
Распределение валового сбора подсолнечника по федеральным округам в процентном отношении приведено в таблице 1.3. В 2001 году подсолнечник выращивали в 39 регионах. При этом половина валового сбора приходилась на три региона - Ростовскую область, Краснодарский край и Воронежскую область. Около 25% урожая собрано в 4-х регионах - Саратовской, Волгоградской, Белгородской областях и Ставропольском крае.
Необходимо отметить, что в среднем за 5-летний период с 1996 по 2000 г. годовое производство подсолнечника по сравнению с предыдущим периодом (1990...1995 гг.) возросло в Башкирии вдвое, Липецкой области на 80%, Пензенской - на 77%, Саратовской - на 40%, Волгоградской - на 38%, Тамбовской - на 34%, Самарской и Воронежской - на 30%, Белгородской - на 22%. Незначительно, на 1...2%, снизилось производство в Алтайском крае и Ульяновской области [44]. В силу достаточно привлекательных цен на семена в 2002 г. в России посевные площади под подсолнечником (рис. 1.1) расширились по сравнению с 2001 г на 288,3 тыс. га или на 7,6%. Динамика мирового (по ведущим странам) производства семян подсолнечника показана нарис. 1.2.
В 2001 году доля посевных площадей под подсолнечником на сельхозпредприятиях России составила 76,3%, а в крестьянских (фермерских) хозяйствах - 22,4% от общей посевной площади. При этом доля урожая у сельскохозяйственных предприятий была 81,9%, а у крестьянских хозяйствах -16,2% от общего валового сбора. Урожайность подсолнечника в стране составляет в среднем 11,8...12,0 ц/га, хотя некоторые хозяйства получают по 32...36 ц с 1 га на площади 500..Л 000 га.
Одной из главных причин низкой урожайности подсолнечника в стране является использование для посева некондиционных по всхожести семян. Этот факт был отмечен семенными инспекциями во многих регионах страны. Например, в отдельные годы в Тамбовской области высевалось только 47 %, Воронежской - 59,7 %, Волгоградской - 81,5 % кондиционных по всхожести семян. В этот период, по данным ВНИИМК [142, 146], влажность семян подсолнечника, поступающего на хранение от хозяйств, во многих регионах России была значительно выше ограничительных кондиций (7%) предусмотренных ГОСТ [67].
Оценивая подсолнечник с позиции дальнейшего развития его производства, следует подчеркнуть, во-первых, первостепенное значение маслосемян в удовлетворении потребностей населения в жире, эссенциальных кислотах и витамине Е; во-вторых, важный вклад, который вносит этот продукт в удовлетворение энергетических потребностей организма; в-третьих, определенное значение, которое он может иметь в повышении белковых ресурсов. При этом следует учитывать также, что основной тенденцией в международной торговле в этой сфере, по мнению американских [285,286, 296] и российских [9, 179, 189, 262] исследователей, станет переход от продажи растительного масла к продаже семян.
Из изложенного можно заключить, что дальнейший рост производства этой ценной масличной культуры будет происходить в основном не за счет увеличения площадей ее возделывания, а за счет увеличения урожайности и снижения потерь. Потери во многом определяются сроками уборки урожая и состоянием семян подсолнечника по влажности, которые могут быть сведены до минимума, если в технологических операциях по послеуборочной обработке обязательно использовать сушку.
Изучение аэродинамического сопротивления слоя семян подсолнечника
Известно, что свойства семян подсолнечника, также как и комбайнового вороха, существенно влияют на процесс их сушки. Свойства семян подсолнечника достаточно изучены за рубежом [288, 289, 299 и др.]. В нашей стране данный вопрос изучали многие специалисты [18, 60,210, 212, 262, 265 и др.] в основном после того, когда для сушки семян подсолнечника начали применять зерносушилки непрерывного действия промышленного изготовления. Поэтому, если учитывать новые выведенные сорта подсолнечника, то неизученность до конца их свойств, как объекта сушки, может привести к созданию конструкции сушилок, не отвечающих требованиям производимых семян. Этот пробел автор постарался несколько сузить результатами своих исследований, которые изложены в данном разделе работы. При этом за основные параметры семян подсолнечника были приняты натура кондиционных семян, состав и влажность частей вороха, массовые и геометрические характеристики семян и аэродинамическое сопротивление слоя продуваемых семян. В данных материалах приведены частично результаты работы [142] и новых исследований, которые автор провел после защиты кандидатской диссертации.
Обобщение результатов исследований семян подсолнечника, полученных селекционерами в ВНИИМКе, позволяют констатировать пределы их основных показателей по объемным и массовым характеристикам (Табл.2.1). Объектом исследований в данном случае являлся ворох свежеубранньтх высокомасличных семян подсолнечника различной засоренности и влажности современных сортов и гибридов (ВНИИМК 8833, «Первенец», «Юбилейный-60», «Авант», «Почин», «Успех»). Сопоставительный анализ приведенных в таблице 2.1 показателей свидетельствует о том, что семена новых сортов подсолнечника имеют отклонения от средней величины по массе ±3,82%, объему влажных семян - ±2,86% и натуре 7- ±11,83%. Отсюда можно заключить, что при разработке сушилки для семян подсолнечника особое внимание необходимо уделять натуре, т.к. она может иметь отклонение от минимальных до максимальных значений более 20%.
Анализ состава вороха семян подсолнечника и его влажности показывает, что цельное семя имеет отклонение ± 10,9, соцветие - +13,8, лузга - ±1,28 и ядро - ±30 процентов от средних их значений. Отсюда можно заключить, что при сушке семян подсолнечника необходимо добиться в основном кондиционной влажности его ядра. Данный вывод подтверждает и то, что отклонение между минимальным и максимальным значением влажности ядра может быть более 50%. К этому добавим, как показано в работе В,С. Шмалько [265], «... если она (лузга) и перегревается, ее клетки мертвы и не боятся высокой температуры». В таком случае, учитывая, что влажность лузги имеет отклонение от среднего значения около 10%, при сушке семян подсолнечника можно поддерживать значительно более высокие температуры агента сушки, ориентируясь при этом на температуру нагрева ядра. Однако, организуя процесс сушки семян подсолнечника необходимо учитывать и то обстоятельство, что соцветие в ворохе имеет значительно меньшую влажность, чем остальные его составные части. Они, по видимому, будут сохнуть быстрее, чем ядро, и при значительных температурах агента сушки могут воспламеняться, что может привести к возгоранию высушенного материала. Отмеченное позволяет заключить, что при выборе температуры агента сушки семян необходимо учитывать не только предельно допустимую температуру нагрева ядра, но и условия сушки соцветий, которые целесообразно, по нашему мнению, принудительно извлекать из сушильной камеры, через аспирационные системы, соединенные с аэродинамическими системами сушилок, например, циклонами.
Для правильного расчета и проектирования сушилок для семян подсолнечника необходимо знать массовые и геометрические показатели самих семян. Нами была сделана выборка семян на стадии селекции сорта «ВНИИМК 8833». В выборке были использованы семена в количестве 125 штук (табл, 2.3).
Обработка результатов выборки показала, что масса ядра к семени имеет отношение 0,45. Этот показатель важен при расчете выхода из семян подсолнечника масла. Геометрические размеры составных частей семян имеют отношение по ширине 0,82, толщине 0,8 и длине 0,7. Необходимо отметить, что максимальное и минимальное отклонения от среднего значения массы семян и ядра находится в интервале 17...20%. Геометрические же размеры для семян и ядра практически несопоставимы и имеют значительное расхождение (табл.2.4).
В отличие от зерновых культур семена подсолнечника имеют порозность слоя несколько большую. В этом случае аэродинамическое сопротивление воздушному потоку значительно меньше, чем у зерна. В работах [54, 262, 265, 288 и др.] значение аэродинамического сопротивления слоя семян подсолнечника воздушному потоку приведены в обобщенном и осредненном виде. Нашими исследованиями определено, что на аэродинамическое (газовое) сопротивление слоя семян подсолнечника оказывают влияние не только скорость фильтрации воздуха через слой, но и натура и крупность семян. Результаты продувки слоя семян подсолнечника толщиной один метр различной натуры (345...465 кг/м3) и массы в граммах 100 шт. семян (0,8...1,2 и 1,6...2,8) показаны на рисунках 2.1 и 2.2. Для опытов отбирались две партии семян подсолнечника кондиционной влажности (7...9%), предназначенных для производства масла.
Анализ зависимостей (рис. 2.1 и 2.2) показывает, что слой меньшей массы семян (0,8...1,2 г) почти в два раза больше имеет сопротивление воздушному потоку, чем слой массы семян 1,6...2,8 грамма. Обработка результатов исследований [107, 122, 241, 157, 242] позволила, при изученных натуре и массе 100 шт. семян подсолнечника, получить корреляционные зависимости (табл. 2.5) для расчета газового сопротивления слоя семян воздушному потоку.
Проведенные в данном разделе работы по исследованию свойств влажных семян подсолнечника относятся к исходным параметрам, которые позволяют определить задачи по изучению технологических свойств семян подсолнечника, как объекта сушки. К этим свойствам можно отнести сыпучесть семенного вороха, термостойкость и скорость витания семян и органических примесей вороха.
В данном разделе кратко изложены только основные направления работы, методы проведения опытов, описаны лабораторные установки, созданные для проведения экспериментов, и приведены результаты изучения свойств состава комбайнового вороха семян подсолнечника. Большая часть из них была выполнена и изложена автором в работе [142]. Этот же инструментарий использовался и в дальнейших исследованиях. Основные положения программы и методики включают в себя лабораторные и лабораторно-полевые исследования. Для этих целей использовались лабораторные установки, макетные и натурные промышленные образцы.
Обоснование математической модели сушки семян подсолнечника в слое
До настоящего времени в России и за рубежом проведено незначительное количество научных исследований с целью выявления оптимальных режимов сушки семян подсолнечника. Однако, в этих работах имеются противоречия в рекомендациях по тепловым режимам сушки подсолнечника и применяемым для этих целей технологиям [60, 145, 179, 233].
Процесс сушки зерна в элементарном слое изучен в настоящее время достаточно хорошо [19, 30, 45, 58, 65, 85, 128, 206]. Для одиночного зерна, как и для других материалов, отличающихся большим сопротивлением внутренней диффузии влаги, определяющими параметрами процесса сушки являются температура и влажность материала, в то время как скорость агента сушки не оказывает существенного влияния на процесс. При переходе от элементарного (в одно зерно) к «толстому» слою, характер протекания процесса сушки значительно изменяется, существенно возрастает роль внешнего теплообмена, в результате чего повышение скорости агента сушки увеличивает скорость сушки [18, 57, 83]. При этом исследованиями установлено также, что в толстом слое имеет место период постоянной скорости сушки, продолжительность которого значительна при низкотемпературных режимах и большой толщине слоя. Исследователями отмечается большая неравномерность нагрева и сушки в неперемешиваемом толстом слое. При этом определено [58, 105], что закономерности процесса сушки в элементарном слое не могут быть целиком использованы для расчета процесса в толстом слое, так как в последнем имеет место изменение всех определяющих параметров по объему слоя в направлении движения агента сушки. Нестационарный характер процесса сушки обуславливает сложность закономерностей тепло- и влагообмена в слое.
Достаточно полный анализ известных исследований по сушке термолабильных материалов приведены в работе автора [32, 142], из которого следует, что большинство исследований в этом направлении проводились, в основном, в условиях сушки неподвижного слоя материала. Для расчёта экспозиции сушки зерна в гравитационных сушилках, по нашему мнению, можно использовать зависимость, полученную Ю.Л. Фрегером, но возможность её применения для семян подсолнечника необходимо проверить экспериментально. При этом, следует учитывать, что Ф.Т. Гоголевым [60] было определено, что в сушильных шахтах с коробами и жалюзийных зерносушилках не происходит в процессе сушки перемешивания семян подсолнечника.
В первой главе было определено, что для сушки семян подсолнечника необходимо иметь две модификации сушилок. Первая для сушки товарного материала и вторая - для семенного. Конструкцию сушилки для товарных семян подсолнечника должна отличать высокая производительность (более 10 т/ч), а для семенного материала гарантировать сохранность посевных качеств.
Для этих условий, по аналогии с мировым опытом, целесообразно использовать для товарных семян шахтные сушилки с коробами, а для семенного материала, согласно наших исследований [142], - бункерные установки. Идентичным для обеих конструкций сушилок является то, что слой в их сушильных камерах движется гравитационно и продувается агентом сушки.
Моделирование процесса сушки толстого слоя семян [23, 28, 34, 65] в этом случае сводится к определению скорости перемещения зоны сушки по слою определенной толщины в заданных интервалах изменения параметров сушильного агента и обрабатываемого слоя семян. Этот вывод позволяет раскрыть основные закономерности процесса сушки вороха семян в толстом слое с учетом некоторых специфических параметров высушиваемого материала (см. главу 2), тогда полученные, в результате исследований, уравнения регрессии являются частным решением системы уравнений, например, приведенных в работе [28].
Проведенными нами расчетами [142, 146] было определено, что фронт сушки Уф семян в толстом слое можно зафиксировать, как границу между сырыми и кондиционными семенами толщиной в элементарный слой, т.е. равный толщине одной семянки, в котором имеют место семена кондиционной влажности. Время сушки тс движущегося слоя материала толщиной Н при установившемся режиме можно определить из общеизвестной формулы:
Если принять, что при поперечном токе сушильного агента через слой семян, этот слой остается неизменным, т.е. имеем х = const, по толщине от начала процесса до его завершения, а в предельном случае у семян конечная температура и влажность могут сравняться с начальной температурой и влажностью сушильного агента, как при противотоке, то тогда в этих условиях время сушки гс слоя можно определить по формуле (3.1). Если слой семян непрерывно движется сверху вниз под действием гравитации, то время тс необходимо принимать равным времени нахождения семян в сушильной шахте, т.е. времени ти истечения их из этой шахты, которое может быть представлено следующим дифференциальным выражением [74]
Процесс гравитационного перемещения перемешиваемого слоя семян подсолнечника
Равномерное прохождение партии сыпучих семян через сушилку непрерывного действия способствует их равномерной и качественной сушке. Продвижение семян под действием собственного веса без образования застойных зон приводит к хорошей самоочищаемости сушилки, что особенно важно при сушке семенного материала. При сушке семян подсолнечника повышенной засоренности и влажности, образование застойных зон является причиной возникновения пожаров в сушилках. В этом случае можно принять, что сыпучесть семян является одним из важнейших показателей, определяющих конструкцию гравитационных сушилок, равномерность и качество сушки в них семян.
Известно также, что даже при кратковременном хранении свежеубранные высоковлажные семена подсолнечника уплотняются, слеживаются и теряют сыпучесть. Уплотняются семена вследствие перераспределения их в слое, при котором мелкие семена и примеси сепарируют в межзерновом пространстве. Это приводит к увеличению площади контакта между ними и, как результат, к росту сил адгезии. Поэтому сушить свежеу бранные высоковлажные семена целесообразнее всего в потоке на сушилках непрерывного действия.
В опытах по моделированию процесса движения семян подсолнечника в сушилках поточного действия с перемешивающими устройствами (инверторы и короба) ставилась цель [142] с учетом показателей сыпучести массы семян определить и устранить основные факторы, способствующие возникновению застойных зон и неравномерность продвижения семян по всему объему сушильной шахты. На лабораторной установке (рис. 4.1) моделировали гравитационное перемещение частей слоя семян подсолнечника, когда имеет место отклонение их движения от вертикального. В данной серии опытов в накопительную зону лабораторной установки, разделенную перегородкой, засыпали семена подсолнечника белого и черного цветов с одинаковыми размерными характеристиками. В соответствии с методикой исследований устанавливались углы наклона плоскостей трения, по которым перемещались семена. В результате визуальных наблюдений, через прозрачную стенку шахты было определено, что семена каждой из двух частей слоя, в процессе их продвижения через установку, не перемешиваются и не обгоняют друг друга. Это положение было подтверждено и тем, что при закладке в обе части слоя на одном уровне двух пластмассовых шариков, последние выходили из установки Экспериментально определено, что основным фактором, определяющим скорость истечения Vu, и расход q семян через установку является площадь отверстия истечения. Зависимости Vu и q семян подсолнечника (плотность у— 400 кг/м3) от F показаны на рис. 4.2. Для сравнения на этом рисунке приведены зависимости vH = /(f) и q /(F). Первая получена Л .В. Гячевым [64, 74] для зерна пшеницы, а вторая, - построена нами по результатам его исследований для зерна с плотностью у = 750 кг/м3. Результаты сопоставления графических зависимостей свидетельствуют о том, что при тех же параметрах отверстия истечения, например, 0,006 м2, скорость и расход у семян подсолнечника значительно ниже, чем у пшеницы, соответственно в 1,25 и 3,0 раза. В этом случае можно сделать вывод о том, что при постоянстве геометрических параметров выгрузных отверстий, плотность высушиваемого материала влияет на прохождение его через сушильную шахту. При этом у зерносушилок, работающих на семенах подсолнечника, производительность будет существенно ниже, чем на зерновых культурах. Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить следующие уравнения
Согласно этих зависимостей расчеты показывают [142], что для обеспечения пропускной способности сушилки в пределах 1,5... 15 т/ч, размеры площади разгрузочного отверстия необходимо регулировать в пределах от 3-103до І -Ю м2.
На лабораторной установке №1 (рис. 2,5, а) были проведены опыты и получены кривые сушки семян подсолнечника исходной влажностью W — 20% в слое толщиной Н = 0,8 м. Результаты проведенных исследований [146] подтвердили правильность известных теоретических положений о послойной сушке сырого материала в неподвижном слое семян и образовании в нем границ сушки, т.е. фронта сушки [23, 65,173, 209]. При этом установлено, что по толщине слоя семена подсолнечника достигают кондиционной влажности (7%) за разные промежутки времени. Изучение влияния различных факторов на скорость фронта сушки в неподвижном слое проводилось с помощью метода математического планирования эксперимента [248]. Был осуществлен четырехфакторный эксперимент по плану Бокса [166]. В качестве независимых переменных, определяющих ход процесса сушки семян подсолнечника в гравитационной сушилке непрерывного или периодического действия с перекрестным потоком сушильного агента, были выбраны:
Исходные уровни и интервалы варьирования факторов устанавливались с учетом известных из литературы значений. Изучение проводилось на семенах подсолнечника семенного назначения. Исследованиями ряда отечественных и зарубежных авторов [91, 111, 161, 178, 259, 260, 306] было показано, что высокие посевные качества семян подсолнечника сохраняются при температуре агента сушки не более 65С, его скорости в пределах 0,3...1,0 м/с и нагреве высушиваемых семян до 45С. Толщина слоя была принята постоянной {Н- 0,8 м). Критерием оптимизации у служила скорость фронта сушки семян подсолнечника Уф м/ч.
После статистической обработки опытных данных [157]с учетом значимости коэффициентов [245] было получено уравнение регрессии [153], адекватно описывающее процесс сушки неподвижного слоя семян подсолнечника:
