Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процессов тепломассообмена и технологий обработки растительного сырья
1.1. Способы послеуборочной обработки биологически активной продукции
1.1.1. Биологически активное сырье как объект сушки 9
1.1.2. Существующие способы термической обработки травы и зерна 20
1.2. Энергоэффективные технологии заготовки кормов
1.2.1. Солнечное излучение как естественный источник теплоты 29
1.2.2. Устройство и принцип работы солнечных теплогенераторов 33
1.3. Анализ процессов тепломассообмена в слое растительного сырья
1.3.1. Движущие силы тепломассопереноса 39
1.3.2. Тепломассообмен в процессе сушки 41
1.3.3. Тепломассообмен на основе потенциала влажности 45
1.4. Результаты анализа состояния вопроса 48
1.5. Цель и задачи исследований 50
Глава 2. Аналитическое обоснование интенсивности влагообмена в слое биологически активного сырья
2.1. Классическая теплофизическая модель тепломассообмена в процессе сушки растительного сырья 52
2.2. Термодинамическая трактовка построения линий 9=const и процессов тепломассообмена на I-d-9-диаграмме
2.2.1. Графо-аналитические исследования I-d-9-диаграммы 60
2.2.2. Построение процессов тепломассообмена на I-d-О-диаграмме 69
Выводы по главе 2 74
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса сушки
3.1. Методика и экспериментальная база исследований 75
3.2. Исследование динамики изменения параметров атмосферного воздуха как агента сушки
3.2.1. Методика измерения параметров наружного климата 76
3.2.2. Количественные характеристики обеспеченности параметров наружного климата 77
3.3. Натурные исследования и анализ экспериментальных данных 85
3.4. Исследование эффективности использования солнечных коллекторов 92
Выводы по главе 3 95
Глава 4. Инженерный метод расчёта и технико-экономическое обоснование режимов работы систем активной вентиляции
4.1. Инженерная методика расчёта тепломассопереноса на основе градиента потенциала влажности 96
4.2. Примеры расчета процесса сушки с помощью I-d-6-диаграммы 99
4.3. Коэффициент обеспеченности сохранности травы и зерна 103
4.4 Экономическая и экологическая эффективность использования систем солнечного подогрева 105
4.5. Экономическая эффективность практического использования результатов исследования 109
Выводы по главе 4 110
Выводы по диссертации 111
Список используемой литературы 112
Приложения 121
- Солнечное излучение как естественный источник теплоты
- Классическая теплофизическая модель тепломассообмена в процессе сушки растительного сырья
- Количественные характеристики обеспеченности параметров наружного климата
- Экономическая и экологическая эффективность использования систем солнечного подогрева
Введение к работе
Тенденции развития сельского хозяйства в направлении комплексной механизации и отмечающийся в последние годы рост индивидуальных фермерских хозяйств повышают требования к инженерным системам, как с технологической, так и с технико-экономической и экологической точек зрения. Ужесточение требований к экономии энергии и уменьшению выбросов СО2 [75], а также высокие цены на тепло- и энергоносители определили основное направление в развитии техники и технологии сельскохозяйственного производства.
Использование искусственных источников теплоты для повышения обеспеченности требуемых параметров сушильного агента в условиях рыночной экономики не может считаться перспективным. Исследования по эффективности использования в сушильных вентиляционных установках неподогретого атмосферного воздуха либо воздуха, подогретого нетрадиционными способами, разноречивы и не имеют научного подтверждения.
Имеющиеся в литературе рекомендации по указанной проблеме, как правило, носят частный характер и в большинстве случаев не обоснованы.
Создание научно обоснованных энерго- и продукто-сберегающих технологий послеуборочной обработки растительного сырья возможно лишь при комплексном учете основных теплофизических характеристик сырья, закономерностей течения влагообменных процессов и определяющих их факторов, обусловленных биологической активностью растительного материала. Выполнение этих требований позволит разработать методики расчета и оптимизации энергоэффективных сельскохозяйственных технологий и режимов их работы в различных климатических районах страны.
Термодинамическое обоснование и аналитические исследования I-d-в-диаграммы позволили вывести математические зависимости для определения
потенциала влажности воздуха в при различных значениях параметров сушильного агента.
На базе классической теплофизической модели для оценки характера ассимиляции влаги воздухом в слое сохнущего растительного сырья предлагается использовать графоаналитический метод на основе I-d-6-диаграммы влажного воздуха.
Одной из причин, вызывающих неоднозначный подход к оценке интенсивности процессов сушки и, как следствие, несовершенство предлагаемых методик расчета установок активного вентилирования, является отсутствие численных значений количества биологических тепловыделений растительным сырьем.
Экспериментально полученные зависимости для определения величины биологических тепловыделений обеспечили возможность создания инженерного способа расчета интенсивности влагообмена в зависимости от биологической активности высушиваемого материала.
Анализ многолетних метеорологических данных по Нижегородской и Самарской областям, климат которых можно считать характерным для большинства регионов Поволжья, позволил сделать вывод о целесообразности использования для сушки неподогретого атмосферного воздуха с коэффициентом обеспеченности заданных параметров (fH>18C, <рн<75%) равным #06=0,8...0,9. Повышения обеспеченности климатических условий можно достичь за счет подогрева приточного воздуха в пассивных системах солнечного отопления.
Теоретические и практические рекомендации и методики расчетов имеют обобщенный характер и применимы для любых регионов страны. Применение предлагаемых решений сушильных установок позволяет повысить экономическую эффективность технологии сушки как за счет отказа от искусственного подогрева воздуха, так и за счет повышения качества готовой продукции.
Работа выполнялась в период с 2002 по 2005 г.г. и является составной частью комплексной научно-технической программы: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 211.07, проекты «Разработка и обоснование вероятностных показателей нестационарных возмущающих воздействий на тепловой режим реконструированных зданий» и «Разработка и обоснование физико-математических моделей процессов тепломассопереноса в слое биологически активной продукции при нестационарных возмущающих воздействиях».
Теоретические и экспериментальные исследования проводились на
базе кафедры «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»
Нижегородского государственного архитектурно-строительного
университета. Натурные исследования осуществлялись в СПК «Жигули» Самарской области и в хозяйствах Нижегородской области.
Автор выражает свою благодарность д.т.н., профессору Дыскину Л.М. (Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет), к.т.н., профессору А.Н. Гвоздкову (Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет) и Тольяттинской гидромет-обсерватории за помощь в процессе выполнения исследований.
Солнечное излучение как естественный источник теплоты
Уже через 2...3 ч. после скашивания влажность верхних слоев на 10...13% ниже, чем в нижних [76]. Равномерности просушивания добиваются путем периодического ворошения растительной массы. Однако многократное механическое воздействие может привести к обламыванию листьев и бутонов, т.к. они высыхают в несколько раз быстрее стеблей (особенно у бобовых трав) [6,20,73,76,77]. Скорость испарения влаги из стеблей увеличивают плющением растительной массы. Длительное воздействие прямых солнечных лучей, влаги (в дождливую погоду) или высокой температуры ведет к необратимому распаду веществ, и как следствие, потери питательной ценности корма, которая может достигать 50% [20,73,76]. Минимизировать эти потери, можно только за счет сокращения продолжительности процесса сушки, т.е. применением искусственной сушки зеленых кормов.
Искусственная сушка травы методом активного вентилирования позволяет заготавливать высококачественное сено в рассыпном, прессованном и измельченном виде в более короткие сроки, повысить качество корма в 1,7.. .2 раза, снизить влияние погодных условий и сократить механические потери на 20.. .25% [11,19,20,76,86].
Искусственную сушку зеленых растений проводят в два этапа: провяливание травы в поле и досушка в специальных хранилищах принудительным вентилированием. На первом этапе влажность растительной массы снижается до 30...40%, продолжительность периода воздушно-солнечной сушки не более суток. Принудительное вентилирование провяленной травы проводят, как правило, в хранилищах или под навесами, оборудованных установками с решетчатым полом (рис.1.22,а) или с помощью воздухораспределителей, расположенных непосредственно внутри штабеля (рис. 1.22,6). В течение первых двух суток продувку осуществляют непрерывно. В дальнейшем систему активного вентилирования (CAB) включают, когда относительная влажность воздуха превышает 75...80%. При неблагоприятных погодных условиях вентилирование прекращают, однако при повышении температуры штабеля выше 40С производят его охлаждения путем вентилирования в течение 1 ч. В среднем, для охлаждения сена в дождливую погоду вентиляторы включают через каждые 5 ч. на 1 ч. работы. Общая продолжительность сушки этим методом составляет 100.. .200 ч. работы CAB.
Свежеубранное зерно, как отмечалось выше, имеет влажность от 20 до 35% и не подлежит длительному хранению. Поэтому зерно сразу после уборки подвергают сушке. Наиболее распространенным способом сушки зерна является конвективный, при котором теплота к зерну подводится от неподогретого или слегка подогретого (в калориферах) воздуха, либо от смеси топочных газов с воздухом.
Принято различать высокотемпературную и низкотемпературную сушку. Высокотемпературная сушка зерна осуществляется в шахтных (прямоточных и рециркуляционных) и барабанных зерносушилках теплоносителем температурой от 50 до 400С. Затраты теплоты на сушку в этом случае составляют 6400...8800 кДж/кг испаренной влаги [81].
В тех случаях, когда обработка зерна и семян в сушилках затруднена или невозможна, применяют активное вентилирование зерновой насыпи низкотемпературным теплоносителем в камерных сушилках, бункерах и специально оборудованных складах. Данная технология послеуборочной обработки получила широкое распространение для сушки семян, содержащих большое количество белковых веществ (зернобобовые культуры) или мягкую оболочку (кукуруза, горох), что позволяет избежать денатурации белка и травмирования зерна. Активное вентилирование также применяют для сушки клещевины, ячменя, пшеницы, семян подсолнечника и других культур. Мягкие режимы сушки позволяют рекомендовать этот метод для послеуборочного дозревания семенного и селекционного зерна и хранения высоковлажного (17...19%) кормового зерна [57,76,104]. В установках активного вентилирования летом и ранней осеныо в качестве агента сушки используют теплый атмосферный воздух ґн=15...25С. При таких параметрах теплоносителя и сравнительно малых удельных расходах воздуха сушка протекает достаточно медленно. Для ускорения процесса съема влаги и снижения влажности воздуха в неблагоприятную погоду его подогревают до температуры 35...50С [4,63,76,77,91,99]. Энергоемкость технологии повышается до 2400...2900 кДж/кг исп. вл. при искусственном подогреве воздуха и до 1520.. .2400 кДж/ кг исп. вл. на привод вентиляторов при использовании неподогретого атмосферного воздуха [81]. Подогрев воздуха до 30С ускоряет досушку клеверно-тимофеечного сена в 2 раза, до 40С - в 2,7 раза, до 54С - почти в 3 раза по сравнению с вентилированием неподогретым воздухом [11]. Продолжительность сушки сортовых семян кукурузы в камерных зерносушилках воздухом с температурой 35...50С при высоте насыпи 2...4 м в зависимости от первоначальной влажности зерна может составлять от 20 до 120 ч. (табл. 1.2.). В следствии более низкой скважистости вентилирование семян пшеница, ячменя, подсолнечника и других культур проводят в течении 3,5...30 ч ограничивая высоту насыпи в пределах 0,5...0,85 м, температура агента сушки - 33.. .60С [4,38].
Однако повышение температуры продувочного воздуха влечет за собой неравномерность процесса сушки: пересушка слоев на входе воздуха в насыпь и возможность выпадения конденсата на выходе. Равномерность просушивания слоя достигается за счет реверсивных режимов (периодическое изменение направления) продувки, увеличения подачи воздуха, снижения высоты насыпи и т.д.
Искусственный подогрев приточного воздуха, как правило, осуществляют в электрокалориферах и воздухоподогревателях, работающих на жидком или газообразном топливе. В малых фермерских хозяйствах теплогенераторы работают автономно, в крупных агрокомплексах - как элемент системы теплоснабжения [42,51,52].
Классическая теплофизическая модель тепломассообмена в процессе сушки растительного сырья
В процессе сушки слой активно сохнущего сырья перемещается по направлению движения воздуха, наблюдается углубление зоны испарения. Приближение влажности поверхностного слоя к гигроскопической обуславливает снижение интенсивности влагообмена, т.е. процесс переходит в период падающей скорости сушки. Момент наступления гигроскопического равновесия между объектом сушки и сушильным агентом определяется изотермами сорбции-десорбции (рис. 1.7... 1.8).
Характер изменения состояния воздуха в корректирующем слое материала, влажность которого ниже гигроскопической (wpc we) отличается от рассмотренного выше. Если разделить первый по ходу воздуха слой на несколько зон (рис.2.4, а) и предположить, что изменение параметров сушильного агента в процессе сушки происходит скачкообразно в центре каждой зоны, а интенсивность биологических тепловыделений постоянна и равномерна, то процессы поглощения влаги воздухом на I-d-диаграмме будут выглядеть, как показано на рисунке 2.4, б. Согласно принятым допущениям, в нулевой зоне параметры воздуха остаются неизменными (т.А), в первой зоне воздух охлаждается и увлажняется до значения срр} (процесс А1Г), во второй - до срР2 (процесс А22 ), и так далее. В последней зоне температура воздуха достигает значения tG&UT, а относительная влажность величины (рр (процесс AGB). Таким образом, поскольку изменение теплофизических свойств воздуха в реальном слое происходит относительно равномерно, результирующий процесс идет по прямой АВ, что соответствует ранее представленным построениям (рис.2.3).
Многие ученые при оценке процессов тепло- и массообмена в слое материала с влажностью wpc we , основываясь на положениях психометрической теории, допускают возможность насыщения воздуха влагой до ср =100% [22,58,73]. Однако такой подход не учитывает биологическую активность сырья.
Процесс изменение состояния воздуха в основном слое сохнущего растительного сырья показан на рисунке 2.5. Используя собственную ассимилирующую способность, воздух с параметрами точки «а» насыщается влагой, достигая значения 7=100% (процесс ас). В тоже время теплота самосогревания за счет повышения температуры продувочного воздуха дополнительно увеличивает его сорбционный потенциал на Ad=d t-dc (процесс ab). В результате относительная влажность воздуха будет определяться положением точки а на /- /-диаграмме. В результате дальнейших построений получаем линию аа а"...ап, описывающую реальный процесс обработки воздуха основном слое сырья. Следует отметить, что кривая аа а"...ап представляет собой кривую равновесной относительной влажности (pp=const, эквидистантную кривой 7=100%. Представленные построения наглядно показывают несоответствие психометрической теории реальным процессам при сушке биологически активного сырья и подтверждают невозможность достижения значения равновесной относительной влажности воздуха 100%. Необходимо уточнить, что увеличение по какой-то причине первоначального сорбционного потенциала воздуха Ad, т.е. линия рр отклонится влево, неизбежно приведет к увеличению интенсивности испарения и, соответственно, к восстановлению гигроскопического равновесия, процесс вернется на линию pp=const. Таким образом, гипотетические процессы af и ае не могут иметь место, противореча физической сущности процессов тепломассообмена в основном слое сохнущего растительного сырья.
Все выше сказанное представлено в виде процесса ВС (рис.2.3), показывающего, что в основном слое сохнущего биологического материала ассимиляция влаги воздухом происходит даже при рр—»100%.
На практике зачастую имеют место случаи, когда температура поверхностных слоев сохнущего сырья оказывается ниже температуры внутренних слоев (например, при неработающей вентиляции). Тогда при включении системы активной вентиляции возникает III слой (рис.2.2), где происходит охлаждение воздуха, что может привести к конденсации влаги (процесс CD на рис 2.3), т.е. увлажнению поверхностного слоя сохнущего материала.
Предварительный искусственный подогрев продувочного воздуха на величину At принципиально не меняет направлений процессов тепломассообмена в слое (при условии teo tK) (рис.2.6). Биологические тепловыделения и аккумулированная теплота (QaK + Q6) отклоняют процесс от изоэнтальпы на величину, равноценную предварительному подогреву воздуха на Ateo. В тоже время необходимо учесть, что при больших значениях At, корректирующий слой может занимать весь объем штабеля или насыпи. В этом случае воздух не успевает охлаждаться до конечной температуры сырья (te tx, рР] (Рр), т.е. осушающая способность воздуха используется не полностью (Adei Ade), что нецелесообразно с экономической точки зрения. Кроме того, возможно выпадение конденсата в поверхностном слое по направлению BiD. Если же основной слой все-таки формируется, процесс идет по направлению ABC и далее в поверхностном слое по CD] или CD2, аналогично процессам обработки воздуха в кондиционере.
С учетом описанных особенностей изменения теплофизических параметров вентиляционного воздуха профессором В.И. Бодровым [17] была разработана, а позже более полно раскрыта доцентом Е.С.Козловым, теплофизическая модель тепломассопереноса в процессе сушки растительного сырья [49] (рис.2.7).
Количественные характеристики обеспеченности параметров наружного климата
Разработанная нами модель формирования температурно-влажностных параметров воздуха в слое травы при сушке активным вентилированием с помощью I-d- -диаграммы является теоретико-экспериментальной. Выбор методики эксперимента, экспериментальная база исследований, планирование и необходимый объем проводимых натурных исследований определялись необходимостью получения информации для решения трех основных задач: - подтверждение достоверности положений и обоснованности допущений, принятых при разработке теплофизической модели процессов тепломассопереноса в слое сохнущего биологически активного материала; - выявление особенностей динамики состояния параметров воздуха как агента сушки и как переносчика тепла и влаги в слое сохнущего материала; - определение обеспеченности результатов исследований в практике проектирования и эксплуатации установок послеуборочной обработки растительного сырья. Планирование экспериментальных исследований, т.е. выбор достаточного числа и оптимальных условий проведения опытов, необходимых для решения поставленной задачи с требуемой точностью, проводилось нами с учетом биологической активности изучаемого объекта. Планирование эксперимента включает в себя: - обеспечение минимального числа опытов и времени их проведения; - реализацию специальных планов эксперимента, предусматривающих одновременное варьирование всех параметров и использование аппарата математической статистики для формализации экспериментов и принятия обоснованных решений после каждой серии опытов. Как правило, экспериментальные исследования проводятся с целью установления однофакторной зависимости y=f(x), при условии неизменности остальных факторов, для чего требуется проведение не менее 4...5 серий опытов [5,93]. При большом количестве первичных факторов, влияющих на искомый параметр, число опытов резко возрастает. Если каждому из / факторов задавать М уровней, то число опытов составит N=M , что достаточно затруднительно реализовать в практических условиях исследований.
Дополнительным требованием к планированию экспериментов с биологически активным материалом является трехкратная повторяемость опытов [65].
Отмеченные выше особенности планирования эксперимента в биологически активных средах, а также многообразие внутренних и внешних факторов, влияющих на результат исследований определили необходимость проведения эксперимента в натурных условиях. Наземная сеть метеонаблюдения образована системой метеопостов (рис.3.1), оборудованных специальными радиофизическими приборами наблюдения и средствами компьютерной обработки метеоданных. Большая часть метеоданных и значительная часть долговременных климатических параметров относятся к оперативной характеристике состояния ближней атмосферы: температуре, давлению, влажности, градиенту смещения воздушных масс и т.д. На метеопостах Самарской области установлены измерители влажности и температуры воздуха МТ-3 (рис.3.2). Прибор абсолютно автономен, не требует специальных мероприятий по установке и эксплуатации. Принцип действия измерения влажности основан на прецизионном преобразовании удлинения традиционного пучка волос в электрический сигнал и дальнейшей обработки его микропроцессорным устройством. Диапазон измеряемой влажности - 0... 100%, точность измерения - 3%. Измерение температуры - два платиновых термометра сопротивления оформленных в виде шариков, - один "сухой", другой - "смоченный". Метод смачивания - традиционный, с помощью батиста и стаканчика с водой. Такая схема позволяет рассчитывать все влажностные параметры атмосферного воздуха без психрометрических таблиц, с одновременной корректировкой волосного измерителя влажности, что обуславливает точность ее измерения в условиях отрицательных температур. Приборы для измерения температуры атмосферного воздуха устанавливаются в тени, на высоте не менее 2 м от земли. При этом под ними должен находиться естественный фон (трава). Диапазон измеряемых температур от -45 до 50С, точность измерения -0,2С. Съем информации (с шагом 20 минут) осуществляется с помощью микрокомпьютера PALM Ше по ИК-каналу (радиоканалу 150-250 м) связи. Предусмотрена возможность трансляции и дальнейшей обработки полученной информации в ПК по линии связи со стандартным интерфейсом RS-232, при этом количество измерителей может быть любым.
Экономическая и экологическая эффективность использования систем солнечного подогрева
Экономическая эффективность от внедрения продуктосберегающих технологий позволяет за счет сокращения времени пребывания травы в поле и исключения возможности ее перегрева при искусственном подогреве воздуха получить сено с повышенными показателями качества (содержание перевариваемого протеина, кормовых единиц (КЕ) и обменной энергии в 1 кг продукта). Использование систем солнечного подогрева вместо традиционных искусственных источников теплоты позволяет сократить общие удельные затраты за счет снижения расхода энергии и исключения затрат на топливо.
Апробация результатов исследований по сушке травы неподогретым и подогретым в пассивном солнечном коллекторе воздухом проводилась в сенохранилищах подсобного хозяйства «Пушкинский» Нижегородской области и СПК «Жигули» Самарской области. Фактические значения полученной экономической эффективности приведены в приложении 5.
Разработанная инженерная методика расчета процесса сушки зерна внедрена в учебный процесс кафедры «Машины и аппараты химических и пищевых производств» Тольяттинского государственного университета (прил.6). Использование разработки в курсовом и дипломном проектировании позволяет повысить качество проектирования и степень квалификации инженеров по специальности «Технология хлеба, макаронных и кондитерских изделий».
Результаты исследований приняты к широкому практическому внедрению и рекомендованы к включению в нормативную справочную литературу Нижегородским институтом «Проектпромвентиляция» (прил.7). 1. Разработана графо-аналитический метод расчета интенсивности процесса тепломассопереноса в слое растительного сырья на основе I-d-б- диаграммы. 2. Предложенная методика расчета позволяет аналитически определять величину коэффициента влагообмена а&. 3. Разработан инженерный метод расчета режимов работы систем активной вентиляции. 4. Проведено сравнение экономической и экологической эффективности работы систем активной вентиляции, использующих в качестве агента сушки неподогретый и подогретый воздух. Экономическая эффективность за счет отказа от искусственного подогрева воздуха составляет в среднем 2100...2600 руб/т., в том числе экономическая эффективность за счет повышения качества готовой продукции — 270...780 руб/т, за счет снижения выбросов СОг - 1820 руб/т. 1. Обосновано с термодинамической позиции изменение значений потенциала влажности (0=const) на I-d- -диаграмме. 2. Получены математические зависимости для расчета величины потенциалов влажности в в различных диапазонах влагосодержания и относительной влажности воздуха. 3. На основе натурных экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения величины теплоты самосогревания биологически активных материалов. 4. Разработан графо-аналитический метод расчета интенсивности тепломассопереноса при сушке растительного сырья с использованием I-d- -диаграммы, учитывающий биологические тепловыделения продукции и изменение начальных параметров сушильного агента. 5. Коэффициент обеспеченности требуемых параметров атмосферного воздуха при использовании его для сушки травы и зерна без предварительного подогрева в условиях Поволжья составляет КОб 0,9. 6. Разработана инженерная методика расчета перспективных, экологически безопасных и малоэнергоемких режимов работы систем активной вентиляции. 7. Экономическая эффективность за счет отказа от искусственного подогрева воздуха составляет в среднем 1850 руб/т., в том числе экономическая эффективность за счет повышения качества готовой продукции - 270...780 руб/т, за счет снижения выбросов С02 - 1820 руб/т (в ценах 2004 г.).
