Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ГРАЧЕВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СУШКИ ЗЕРНА АКТИВНЫМ ВЕНТИЛИРОВАНИЕМ

Специальность 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Зерноград - 2012 Диссертация выполнена на кафедре информационных технологий и управляющих систем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования АзовоЧерноморская государственная агроинженерная академия

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Васильев Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: Ксёнз Николай Васильевич доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры) Газалов Владимир Сергеевич доктор технических наук, профессор (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, ведущий научный сотрудник отдела)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина (г. Москва)

Защита состоится л 25 мая 2012 года в 12.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 созданного при ФГБОУ ВПО АзовоЧерноморская государственная агроинженерная академия по адресу:

347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (зал заседаний диссертационного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан л23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из главных задач сельскохозяйственного производства является увеличение производства зерновых культур для удовлетворения растущих потребностей населения в продовольствии.

До 20% урожая зерновых в России теряется из-за повышенной влажности и ненадлежащих условий хранения. Сушка способствует снижению влажности зерна, увеличивает сроки его хранения, но является самым энергоемким процессом в послеуборочной обработке. Поэтому снижение энергоёмкости процесса сушки зерна является важной научно-производственной задачей.

Для получения зерна кондиционной влажности и снижения энергозатрат в сельскохозяйственном производстве используют различные приемы интенсификации сушки. Одним из перспективных направлений снижения энергозатрат на сушку зерна является метод воздействия на высушиваемый материал электроактивированным воздухом (ЭАВ).

Электроактивированный воздух используется в сельском хозяйстве для сушки, повышения питательности кормов, временного хранения, обеззараживания. Большой вклад в разработку и внедрение процесса сушки зерна с применением ЭАВ внесли такие ученые, как Л.Ф. Глущенко и Н.А. Глущенко (НовГУ), Т.П. Троцкая (Гродненский СХИ), Й.Б. Креймерис (Литовский НИИМЭСХ), В.А. Павлык и В.И. Тихенький (НПО Нечерноземагромаш), Н.В. Ксёнз (ФГБОУ ВПО АЧГАА), А.В. Голубкович, А.Г. Чижиков (ВИМ), И.Ф. Бородин и Р.В. Ткачев, С.П. Рудобашта и Н.Н. Нуриев (МГАУ им. В.П.

Горячкина).

Однако отсутствует теоретическое описание влияния на эффективность сушки зерна электроактивированного воздуха, не использован потенциал зерна, как биологического объекта, что не в полной мере позволяет использовать все возможности для интенсификации процесса. Необходимость решения данных проблем определяет направление исследований и лежит в основе сформулированных цели работы и задач исследования.

Цель диссертационной работы - разработка энергосберегающей технологии сушки зерна в установках активного вентилирования с использованием электроактивированного воздуха.

Объект исследования - процесс сушки зерна электроактивированным воздухом на установках активного вентилирования.

Предмет исследования - закономерности тепло-влагообмена в зерновом слое при сушке зерна электроактивированным воздухом.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения поставленных задач базируются на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии зерносушения, теории подобия, тепло- и влагообмена, математической статистики, математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждена адекватностью разработанных математических моделей и результатами лабораторных испытаний технологии.

Научную новизну результатов исследований представляют:

- установление механизма интенсификации сушки зерна с использованием ЭАВ с циклической подачей аэроионов;

- критериальная зависимость изменения концентрации ионов в воздухе, при использовании ЭАВ в установках активного вентилирования, критериальная модель сушки зерна электроактивированным воздухом и критерий электроактивации зернового слоя при сушке ЭАВ;

- уравнения скорости сушки элементарного слоя зерна для режимов применения агента сушки с постоянной подачей и с циклическим насыщением аэроионами и регрессионные уравнения на базе термодинамических критериев процесса сушки элементарного слоя зерна при различных режимах использования электроактивированного воздуха.

Практическую значимость имеют:

- параметры и режимы сушки зерна активным вентилированием с использованием электроактивированного воздуха;

- математическая модель процесса сушки зерна электроактивированным воздухом, позволяющая оптимизировать параметры бункера активного вентилирования для обеспечения минимума времени сушки с использованием электроактивированного воздуха;

- результаты применения циклических режимов воздействия электроактивированного воздуха при сушке зерна активным вентилированием: скорость сушки увеличилась на 30%, энергоёмкость процесса снизилась на 21%.

На защиту выносятся:

- критериальная зависимость изменения концентрации ионов в воздухе при использовании ЭАВ в установках активного вентилирования, критериальная модель сушки зерна электроактивированным воздухом и критерий электроактивации зернового слоя при сушке ЭАВ;

- уравнения скорости сушки элементарного слоя зерна для режимов применения агента сушки с постоянной концентрацией аэроионов и с циклическим насыщением аэроионами;

- регрессионные уравнения на базе термодинамических критериев процесса сушки элементарного слоя зерна при различных режимах использования электроактивированного воздуха;

- экспериментально-теоретические зависимости, описывающие биологическую составляющую реакции зернового слоя на циклический режим изменения концентрации аэроионов в агенте сушки.

Реализация результатов работы. Результаты исследований применяются в учебном процессе ФГБОУ ВПО АЧГАА и ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, переданы для разработки способов и технологий сушки зерна во ГНУ ВИМ.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены на научных конференциях по итогам НИР ФГБОУ ВПО АЧГАА (Зерноград, в 2004Ц2006, 2008Ц2011 гг.), ФГБОУ ВПО СтГАУ (Ставрополь, 2009Ц2010 гг.), международной научно-практической конференции ГНУ ВИЭСХ (Москва, 2008 г., 2010 г.). По результатам исследований опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 148 наименований и 10 страниц приложений. Основное содержание работы

изложено на 171 странице компьютерного текста, включая 13 таблиц, 63 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, сформулированы научная и рабочая гипотезы диссертационного исследования, краткое содержание работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении результатов исследований, апробации, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе Анализ состояния вопроса по интенсификации сушки зерна активным вентилированием описана значимость сушки зерна в технологии его послеуборочной обработки.

Выполнен анализ способов интенсификации сушки зерна активным вентилированием. Показано, что увеличению кинетических коэффициентов влагопереноса посвящены способы сушки, использующие электротехнологии. На основе применения принципа максимума взаимной информации показано, что при достаточно невысоких энергозатратах циклическое электротехнологическое воздействие может оказывать значительное влияние на снижение энергоёмкости процесса.

Исходя из изложенного, сформулирована научная гипотеза работы:

Увеличение скорости сушки зерна и снижение энергоёмкости процесса возможно за счет активации запасённой энергии зерновки, как биологического объекта, применением циклических режимов внешних воздействий.

Анализ способов интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием с использованием озона и электроактивированного воздуха позволил оценить перспективность применения для этих целей циклического воздействия на материал сушки электроактивированным воздухом - аэроионами. Изложенные предпосылки дали возможность сформулировать рабочую гипотезу: Активация запасённой энергии зерновки, как биологического объекта, для интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием возможно за счет применения циклического воздействия электроактивированным воздухом.

На основании научной и рабочей гипотез, поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- Провести теоретические исследования по описанию влияния электроактивированного воздуха на процессы тепло- и влагообмена в зерновом слое, на интенсификацию сушки. Сформулировать гипотезу о механизме интенсификации сушки зерна с использованием ЭАВ с циклической подачей аэроионов. Разработать математическую модель процесса сушки слоя зерна при циклическом воздействии ЭАВ.

- Провести сравнительные экспериментальные исследования режимов сушки зерна при циклическом воздействии ЭАВ.

- Разработать регрессионные модели, описывающие процессы в зерновом слое при циклическом воздействии на него электроактивированного воздуха, с целью интенсификации сушки.

- Оценить экономический эффект от применения циклических режимов воздействия электроактивированного воздуха для интенсификации сушки зерна активным вентилированием.

Во второй главе Теоретические предпосылки описания влияния ЭАВ на процесс сушки зерна рассмотрено описание механизмов тепло- и влагообмена в зерновом слое при сушке, выполнен анализ теоретических исследований по влиянию ЭАВ на процесс сушки зерна.

На первом этапе разработано критериальное уравнение для описания концентрации аэроионов при сушке зерна.

Для получения зависимости концентрации аэроионов Q1 в воздуховоде при сушке зерна активным вентилированием ЭАВ (от источника аэроионов до входа в зерновой слой) приняты следующие обозначения: E(В / м) - напряженность электрического поля, создаваемого электроактиватором; Ta(C) - температура агента сушки; Va(м / с) - скорость агента сушки; LT(м) - расстояние от электроактиватора до входа в зерновой слой; (м3 / с) - коэффициент объемной рекомбинации; V0(c-1) - скорость ухода аэроионов на стенки воздуховода.

Для моделирования изучаемого процесса применили теорию подобия.

В данном случае был использован так называемый анализ размерностей.

Анализ размерностей основывается на требовании независимости связи между физическими величинами от выбора единиц, что равносильно требованию совпадения размерностей в обеих частях уравнений. Чтобы воспользоваться методом анализа размерностей, привели полное физическое уравнение, описывающее исследуемый процесс:

Q1 = f(E,Ta,Va,LT,,V0). (1) Далее составили полную матрицу размерностей A для исследуемых параметров. Для этого записали размерности всех параметров в выбранной системе основных единиц измерения (в системе СИ) - [M],[L],[T],[I],[]:

Q1 = [M]0[L]-3[T]0[I]0[]0, E = [M]1[L]1[T]-3[I]-1[]0, Ta = [M]0[L]0[T]0[I]0[]1, Va = [M]0[L]1[T]-1[I]0[]0, LT = [M]0[L]1[T]0[I]0[]0, = [M]0[L]3[T]-1[I]0[]0, Va = [M]0[L]0[T]-1[I]0[]0, где [M] - основная единица массы в СИ, [L] - основная единица длины в СИ, [T] - основная единица времени в СИ, [I] - основная единица силы тока в СИ, [] - основная единица температуры в СИ.

В результате получили полную матрицу размерностей A, в которой число строк - число параметров m = 7, число столбцов - число основных единиц измерения q = 5.

0 - 3 0 0 1 1 - 3 -1 0 0 0 0 A = 0 1 -1 0 0. (2) 0 1 0 0 0 3 -1 0 0 0 -1 0 Число k независимых параметров равно рангу матрицы размерностей A, а число критериев подобия - m - k.

В качестве независимых параметров выбрали E, Ta, LT, V0 (согласно ненулевому определителю матрицы), в качестве критериев подобия - Q1, Va, .

Для нахождения зависимостей критериев подобия от независимых параметров запишем уравнение (1) в следующем виде:

Q1 Va . (3) = ;

1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 [E] [Ta] [LT] [V0] [E] [Ta] [LT] [V0] [E] [Ta] [LT] [V0] Выразили каждый критерий подобия через систему основных единиц.

Вычислили показатели степени каждой основной единицы.

В результате выполненных действий получили три критерия подобия:

Va первый - 1 = Q1 L3 ; второй - 2 = ; третий - 3 =. Полный T LT VL3 VT критерий подобия запишется так: 1 = (2,3) или Va Q1 L3 = ,. (4) T LT V0 L3 V0 T После упрощения выражения (4), получим Va Q1 = C , (5) L7 VT где C - коэффициент, определяемый экспериментально.

Таким образом, из полученной критериальной зависимости концентрации аэроионов Q1 в воздуховоде видно, что при сушке зерна ЭАВ концентрация аэроионов в воздуховоде имеет прямую зависимость от скорости агента сушки Va, коэффициента объемной рекомбинации аэроионов и обратную зависимость от расстояния электроактиватора до зернового слоя LT, скорости ухода аэроионов на стенки воздуховода V0 (зависимость от диэлектрических свойств материала, из которого сделан воздуховод). Коэффициентом пропорциональности является L3.

T Далее, с использованием теории подобия, вывели критериальное уравнение времени сушки элементарного слоя зерна = A'Lu Ko Gu ReQ, (6) э где A' - коэффициент, имеющий размерность времени, ч; Lu - критерий Лыкова, связывающий между собой интенсивность развития полей влагосодержания и температуры внутри материала в процессе влагопереноса, am Lu = ; a - коэффициент теплообмена, м2 / с ; am - коэффициент диффуa зии влаги, м2 / с; Re - критерий Рейнольдса, отражающий гидродинамичеVa d ский режим движения агента сушки, Re = ; Va - скорость агента суш ки, м/с; d - приведенный диаметр зерновки, м; - кинематическая вязкость воздуха, м2 / с ; Gu - критерий Гухмана, характеризующий потенциальные tc - tм возможности воздуха как агента сушки, Gu = ; tc - температура 273+ tc агента сушки, C ; tм - температура мокрого термометра, C ; Ko - критерий Коссовича отражает соотношение между теплом, затраченным на испаr' рение влаги, и теплом, расходуемым на нагрев зерна, Ko = ; - cз влажность зерна, %; r' - удельная теплота парообразования, кДж/кг; cз - теплоемкость зерна, ккал/(кг C ); - температура зерна, C.

В результате эксперимента по сушке зерна ЭАВ будут получены коэффициент A' и показатели степени ,, , , .

Насыщение агента сушки аэроионами и условия его взаимодействия с зерном характеризуются вводимым критерием электроактивации Qэ.

Для вычисления критерия Qэ используем следующую безразмерную зависимость:

Qэ = Q1 Q2 (7) или Va Qэ = C (Va S аэ), (8) L7 Vт где Q1 - концентрация аэроионов на входе в зерновой слой, м-3 ; Va - скорость агента сушки, м/ч; S - площадь поперечного сечения рабочей камеры для сушки зерна, м2 ; аэ - общее время подачи аэроионов, ч.

Поскольку ранее выдвигалось предположение, что использование циклических режимов позволяет использовать биологические реакции зерновки, то при обработке результатов экспериментальных исследований желательно выявить такие закономерности.

В качестве граничных условий могут быть приняты ограничения, вносимые особенностями конструкций установок активного вентилирования. Для уравнения (8) - это переменная S. Так для бункеров активного вентилирования S - это площадь поверхности центрального воздуховода: S = 2Rh, где R - радиус центрального воздуховода, м; h - высота центрального воздуховода, м.

Ограничение может быть записано так, чтобы не нужно было изменять конструкцию бункера. Например, 5 м2. Если совершенствование технологии предполагает изменение конструкции бункера, тогда ограничение может быть записано следующим образом: S = -2Rh D - 2R1h или S = 2h(R1 - R) D, где R1 - радиус внешнего цилиндра бункера активного вентилирования, м.

Данное ограничение предполагает возможность увеличения радиуса центрального воздуховода, но с таким условием, чтобы площадь его поверхности на D(м2) была бы меньше площади наружной стенки бункера.

Ограничение по скорости агента сушки может учитывать мощность имеющегося электродвигателя для привода вентилятора Va S1 P N, (9) 36001000 где Va - скорость воздуха, м/ч; S1 - поперечное сечение воздуховода, м2 ;

Р - напор вентилятора, Па; - КПД вентилятора; N - имеющаяся мощность электродвигателя вентилятора, кВт.

Следует отметить, что изменение S также приведет к изменению S1, а изменение величины Va приведет к изменению критерия Re.

Совместная запись уравнения (6), которое может быть использовано как условие нахождения минимального оптимума продолжительности сушки с граничными условиями, дает нам математическую модель процесса сушки зерна ЭАВ:

A'Lu Ko Gu ReQ min;

э 2h(R1 - R) D, S1 = R2, Va S1 P (10) 36001000 N, R, R1,S1, Va > 0.

Данная модель позволяет оптимизировать параметры бункера активного вентилирования для обеспечения минимума времени сушки зерна с использованием ЭАВ при заданных величинах Qэ, аэ.

В третьей главе Планирование и методика проведения экспериментальных исследований сформулированы цели экспериментальных исследований, осуществлён выбор независимых факторов для проведения исследований. В качестве таких факторов приняты начальная влажность зернового слоя Wn ; скорость прохождения воздуха сквозь зерновой слой Va ; температура агента сушки Ta. Принятые факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Независимые значимые факторы экспериментальных исследований и уровни их варьирования Уровни варьирования Факторы -1 0 1 1,5 Продолжительность сушки, , ч.

2 4 Влажность зерна, Wn, % 16 20 Температура агента сушки, Ta, C 20 27 Скорость агента сушки, Va, м/с 0,6 0,8 Одной из задач экспериментальных исследований является снятие кривых сушки W = f() для трёх режимов:

- классическая сушка, когда зерновой слой продувают атмосферным, или подогретым воздухом;

- сушка зерна электроактивированным воздухом, когда агент сушки насыщают отрицательными ионами и не изменяют их концентрацию в течение всего процесса сушки;

- сушка зерна в режиме циклического изменения концентрации ионов в агенте сушки. В этом случае агент сушки насыщают аэроионами не постоянно, а периодически, через равные промежутки времени. Так, пять минут зерно сушат воздухом без аэроионов, затем пять минут с аэроионами, потом снова без аэроионов и т. д. Процесс продолжают до полного высыхания зернового слоя.

Концентрацию аэроионов в агенте сушки обеспечивали с помощью источника аэроионов на уровне 3,51010м-3.

При задании циклического режима насыщения агента сушки аэроионами время полупериода цикла установили в пять минут (рисунок 1).

Рисунок 1 - График изменения концентрации аэроионов в агенте сушки при циклическом режиме подачи аэроионов Для проведения эксперимента разработана и изготовлена экспериментальная установка, выбраны необходимые контролирующие приборы и программное обеспечение. Структурная схема лабораторной установки изображена на рисунке 2.

1 - частотный регулятор; 2 - вентилятор; 3 - ионизатор; 4 - сетка;

5 - термопара, измеряющая температуру агента сушки; 6 - слой зерна;

7 - термопары, находящиеся в зерновом слое; 8 - плата для подключения термопар к компьютеру; 9 - блоки измерения температуры; 10 - роутер;

11 - персональный компьютер Рисунок 2 - Структурная схема лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований по влиянию ЭАВ на сушку зерна активным вентилированием На первом этапе экспериментальных исследований оценили, насколько насыщение агента сушки аэроионами влияет на показания термопар при контроле температуры зерна и агента сушки.

Для проведения многофакторного эксперимента в качестве базового приняли план Бокса-Бенкена. Далее, в соответствии с планом экспериментальных исследований, снимали кривые изменения влажности зерна при различных режимах сушки. С помощью термопар контролировали изменение температуры агента сушки, температуры зерна в центре и на поверхности зерновок. Данные автоматически записывались в файл и обрабатывались с использованием прикладного программного обеспечения.

В четвёртой главе Обработка и анализ экспериментальных данных проведён сравнительный анализ результатов измерения с помощью термопар температуры зерна и агента сушки при использовании ЭАВ для сушки и без него. Установлено, что присутствие в агенте сушки аэроионов приводит к изменению показаний термопар, но эти отклонения находятся в диапазоне 1 - 1,5%. Поэтому можно считать, что использование термопар для контроля температур зерна и агента сушки при насыщении воздуха аэроионами будет обеспечивать требуемую точность измерения.

Получены кривые изменения влажности зерна при различных режимах сушки (рисунки 3 и 4).

без ионов ионы постоянно ионы циклически 0 1 2 3 4 5 Время, ч Рисунок 3 - Кривые сушки для исходных Рисунок 4 - Кривые сушки для исходных данных Wn=24%, T=20 С при трёх режиданных Wn=16%, T=20 С при трёх режимах сушки мах сушки Анализ динамики изменения влажности показал, что время сушки зерна зависит от его исходной и текущей влажности, скорости и температуры агента сушки. Чтобы оптимизировать процесс по скорости необходимо учитывать данные параметры и управлять ими в процессе сушки. Но движущие силы процесса интенсификации сушки при использовании электроактивированного воздуха не видны из кривых сушки. Поэтому проанализировали кривые изменения температур зерна и воздуха при различных режимах сушки.

С использованием прикладного программного обеспечения выполнялся факторный анализ данных по изменению температуры зерна и воздуха во время сушки зерна при различных режимах. Результаты факторного анализа позволили сделать вывод, что применение электроактивированного воздуха не оказывает существенного влияния на распределение температурных полей в зерновке. Следовательно, изменение интенсивности сушки зерна при использовании ЭАВ не может быть отнесено к температурному влиянию на влагообмен.

Влажность, % На основании результатов многофакторного эксперимента по определению влияния на изменение влажности зерна при сушке параметров воздуха (Ta, Va ), начальной влажности зерна Wn, времени сушки , для трёх режимов сушки, получены уравнения регрессии:

- для классического режима сушки W= Ц7,086+1,120+1,503Wn+0,339T - 0,157Wn - Ц0,026TЦ0,268VЦ0,023WnT+0,2832, (11) - для режима сушки с постоянным воздействием аэроионов Wq=2,845+1,117WnЦ0,222WnЦ0,0443T+ 0,373V - Ц0,154WnV+0,2652 Ц0,001T2, (12) где Wq - влажность зерна при режиме постоянного воздействия аэроионов;

- для режима циклического воздействия аэроионов Wqс= Ц3,845+2,003+1,277Wn+0,245TЦ0,197WnЦ0,032T+0,348V - Ц0,014WnTЦ0,121TV+0,2682, (13) где Wqс - влажность зерна при режиме циклического воздействия аэроионов.

При доверительной вероятности 95% статистическая значимость коэффициентов регрессии уравнений (11Ц13) определялась по критерию Стьюдента.

Все коэффициенты, представленные в моделях, значимы. По критерию Фишера определялись адекватности моделей. Для всех полученных моделей условие Fp < Fm выполняется, следовательно, они адекватно отражают искомые зависимости.

Полученные уравнения регрессии (11Ц13) отражают искомые закономерности, но они не помогли прояснить вопрос о причинах интенсификации процесса сушки зерна при использовании электроактивированного воздуха.

Однако эти уравнения носят прикладной характер и могут быть использованы на практике для расчёта необходимой длительности процесса сушки при применении ЭАВ. С этой целью они были продифференцированы по времени и в результате получены следующие выражения:

w' =1,12 - 0,157Wn - 0,026Ta - 0,268Va + 0,566, (14) где w' - скорость сушки зерна, %/ч.

(wq )' = 2,845 - 0,222Wn - 0,044Ta + 0,373Va + 0,530, (15) где (wq)' - скорость сушки зерна при постоянной концентрации аэроионов в агенте сушки, %/ч.

(wqc)' = 2,003 - 0,197Wn - 0,032Ta + 0,3748a + 0,536, (16) где (wqc)' - скорость сушки зерна при при переменной концентрации аэро ионов в агенте сушки, %/ч.

На основании данных матрицы многофакторного эксперимента была рассчитана матрица данных термодинамических критериев для трёх режимов сушки. Использование термодинамических критериев при анализе режимов сушки с использованием ЭАВ призвано помочь объяснить происходящие изменения процесса тепло- и влагообмена при изменении режима сушки и режима использования ЭАВ.

На следующем этапе проводили факторный анализ критериев (Lu, Ko, Gu, Re, Qэ), а также функций отклика W и , полученных при проведении эксперимента по сушке зерна электроактивированным воздухом.

При проведении факторного анализа необходимо было определить, между каким количеством факторов распределяются критерии, которыми характеризуется процесс сушки зерна. Результаты факторного анализа отражены на векторном пространстве и представлены на рисунках 5Ц7.

3 0.8 0.0.0.0.0.0.0.0.0.0 0.0.2 -0.2 0.3 Фактор 0.Фактор -0.-0.0 0.5 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.Фактор Фактор 1 - вектор критерия Lu; 1 - вектор критерия Lu; 1 - вектор критерия Lu;

2 - вектор критерия Gu; 2 - вектор критерия Gu; 2 - вектор критерия Gu;

3 - вектор критерия Ko; 3 - вектор критерия Ko; 3 - вектор критерия Ko;

4 - вектор критерия Re; 4 - вектор критерия Re; 4 - вектор критерия Re;

5 - вектор функции откли- 5 - вектор функции откли- 5 - вектор критерия Q;

ка ка 6 - вектор функции отклиРисунок 5 - Результаты Рисунок 6 - Результаты ка факторного анализа для ва- факторного анализа для ва- Рисунок 7 - Результаты рианта классической сушки рианта сушки с постоянной факторного анализа для ва подачей аэроионов рианта сушки с цикличе ской подачей аэроионов Проведённый факторный анализ позволяет говорить, что использование циклических режимов воздействия аэроионов равносильно усилению влияния критерия Ko. Поскольку при таком режиме сушки наблюдается увеличение скорости процесса (увеличивается скорость влагосъёма), то можно говорить об увеличении расхода тепла, затрачиваемого на испарение. Следует отметить значительное увеличение коэффициента критерия Re, по сравнению с его величиной, как при классическом режиме сушки, так и при сушке электроактивированным воздухом с постоянной концентрацией аэроионов. В тоже время заметно увеличилось значение коэффициента вектора критерия Lu. Это также можно трактовать, как изменение интенсивности изменения поля влагосодержания по сравнению с интенсивностью развития температурного поля.

Выполнен регрессионный анализ данных термодинамических критериев для различных режимов сушки. В результате получены следующие модели:

- для классического режима сушки =1277,7185 Lu0,5759 Gu-6,1123 Ko1,1898 Re-0,1539; (17) Фактор Фактор Фактор - для режима сушки с постоянным воздействием аэроионов 1 = 9190,482 Lu0,6119 Gu-6,1527 Ko1,2820 Re-0,3115; (18) - для режима циклического воздействия аэроионов 2 =13603,68 Lu0,6751 Gu-6,7517 Ko1,4336 Re-0,2765. (19) При доверительной вероятности 95% статистическая значимость коэффициентов регрессии уравнений (17Ц19) определялась по критерию Стьюдента.

Все коэффициенты, представленные в моделях, значимы. По критерию Фишера определялись адекватности моделей. Для всех полученных моделей условие Fp < Fm выполняется, следовательно, они адекватно отражают искомые зависимости.

Для всех полученных моделей были построены поверхности отклика, показывающие зависимость времени сушки от различного соотношения термодинамических критериев. Сравнительный анализ поверхностей показал, что по их внешнему виду сложно разобраться в изменениях реакции отклика (времени сушки) на изменения критериев при различных режимах сушки.

Поэтому выполнили построение графиков, показывающих зависимость времени сушки от термодинамических критериев на одной координатной плоскости для одного критерия, для разных режимов сушки (рисунки 8Ц11).

1 - классическая сушка (активное венти- 1 - классическая сушка (активное венлирование), 2 - сушка с постоянной кон- тилирование), 2 - сушка с постоянной центрацией аэроионов, 3 - сушка с цик- концентрацией аэроионов, 3 - сушка с лической подачей аэроионов циклической подачей аэроионов Рисунок 8 - Зависимость времени сушки Рисунок 9 - Зависимость времени сушот критерия Lu ки от критерия Gu Из графиков рисунков 8Ц11 видно, что изменение режима сушки практически не сказывается на величине критерия Gu, который характеризует потенциальные возможности воздуха. Насыщение воздуха ионами не влияет на его влагопоглощающую способность. Данный вывод вполне согласуется с результатами, полученными при факторном анализе экспериментальных данных по нагреву зерна. Однако увеличение влагосъёма приводит к увеличению критерия Ko.

В большей степени эффект от использования электроактивированного воздуха наблюдается на графиках зависимости скорости сушки от критерия Re. Применение режима при постоянной концентрации аэроионов равносильно увеличению скорости агента сушки, при классических режимах, на 33% для зерна влажностью 24% и увеличению скорости агента сушки на 57% при сушке зерна влажностью 16%. При использовании циклического насыщения аэроионами агента сушки увеличение критерия Re равносильно увеличению скорости агента сушки в два раза! Поскольку концентрация аэроионов в агенте сушки при таком режиме обеспечивается непостоянно, то однозначно связывать получаемый эффект только с изменением теплофизических свойств зерна представляется неправильным.

1 - классическая сушка (активное венти- 1 - классическая сушка (активное венлирование), 2 - сушка с постоянной кон- тилирование), 2 - сушка с постоянной центрацией аэроионов, 3 - сушка с цик- концентрацией аэроионов, 3 - сушка с лической подачей аэроионов циклической подачей аэроионов Рисунок 10 - Зависимость времени сушки Рисунок 11 - Зависимость времени от критерия Ko сушки от критерия Re Полученные данные позволяют говорить о том, что применение циклического воздействия аэроионами на зерновой слой включает биологические реакции зерновок, которые способствуют более интенсивному отводу влаги.

Далее, на основании математических моделей (17Ц19), получены экспериментально-теоретические описания критерия электроактивации Qэ :

- для режима сушки с постоянным воздействием аэроионов Qэр = 7,1929 Lu0,0360 Gu-0,0404 Ko0,0922 Re-0,1576, (20) где Qэр - критерий электроактивации для режима сушки с постоянным воздействием аэроионов;

- для режима циклического воздействия аэроионов Qэс =10,6469 Lu0,0992 Gu-0,6394 Ko0,2438 Re-0,1226, (21) где Qэс - критерий электроактивации для режима сушки с циклическим воздействием аэроионов.

Согласно полученным уравнениям, критерий электроактивации может быть описан не только с помощью величин, характеризующих конструктивные параметры оборудования, но и с помощью теплотехнических критериев.

Графики (рисунки 8Ц11) показывают, что использование циклических режимов воздействия аэроионов приводит к биологическим реакциям зерновки, которые также могут быть выражены математически. Так уравнение (21) можно представить как Qэс = Qэр Qcb, (22) где Qcb - критерий электроактивации, отражающий в теплофизических величинах биологическую реакцию зерна на циклические режимы воздействия электроактивированным воздухом.

Выполнив преобразования, получим Qэс Qcb = =1,402 Lu0,0632 Gu-0,599 Ko0,1516 Re0,1516. (23) Qэр В пятой главе Определение экономической эффективности применения электроактивированного воздуха для сушки зерна активным вентилированием выполнен анализ внедрения предлагаемой разработки. Установлено, что производительность установки активного вентилирования увеличилась на 30%, произошло снижении энергоёмкости процесса на 21%. Чистый дисконтированный доход составил 366366 руб. со сроком окупаемости дополнительных капитальных вложений 1,34 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ элементов технологий и оборудования, используемых для сушки зерна, показал, что для интенсификации процесса активного вентилирования могут быть использованы циклические режимы воздействия электроактивированным воздухом (ЭАВ) с рекомендуемой предельно допустимой концентрацией аэроионов на уровне 3,51010м-3.

2. Разработанные критериальная зависимость изменения концентрации ионов в воздухе, при использовании ЭАВ в установках активного вентилирования, и критериальная модель процесса показывают, что для уменьшения времени сушки можно управлять концентрацией аэроионов от 0 до 3,51010м-3 и величиной периода колебаний концентрации от 10 минут, в зависимости от культуры семян.

3. Проведённые сравнительные экспериментальные исследования режимов сушки зерна при циклическом воздействии электроактивированным воздухом и факторный анализ результатов позволили установить:

- интенсификация сушки зерна ЭАВ зависит от исходной и текущей влажности зерна, температуры и скорости агента сушки. Так при исходной влажности зерна 16% время сушки уменьшается на 30%, а при исходной влажности 24% - на 13%. При температуре агента сушки 20 0С время сушки уменьшается на 30%, а при температуре 34 0С - на 66%.

- изменение весовых коэффициентов температуры центра и поверхности зерна не более чем на 0,2%, при факторном анализе данных нагрева зерна, позволяет сделать вывод, что изменение интенсивности сушки при использовании ЭАВ не может быть отнесено к температурному влиянию на влагообмен;

- изменение весовых коэффициентов критерия Lu на 58%, критерия Ko - на 27%, при факторном анализе термодинамических критериев для различных режимов сушки, позволило сделать вывод, что применение циклических режимов воздействия ЭАВ приводит к повышенным изменениям поля влагосодержания в зерновке, по сравнению с интенсивностью развития температурного поля.

4. Разработанные математические модели с доверительной вероятностью 95% адекватно отражают процесс сушки элементарного слоя зерна при различных режимах применения ЭАВ и показывают, что:

- использование циклических режимов изменения концентрации аэроионов в агенте сушки с периодом колебаний 10 минут и концентрацией аэроионов от 0 до 3,51010м-3 эквивалентно увеличению скорости агента сушки по сравнению с классическим методом в 2 раза, а по сравнению с режимом с постоянной концентрацией аэроионов - в 1,35 раза;

- подтверждается влияние биологических реакций зерновок при циклическом режиме на уменьшение времени сушки зерна до 30%. Это влияние эквивалентно увеличению скорости агента сушки в 1,3 раза.

5. Оценка экономической эффективности применения циклических режимов воздействия ЭАВ для интенсификации сушки зерна активным вентилированием показала, что производительность установки активного вентилирования увеличилась на 30%, произошло снижении энергоёмкости процесса на 21%. Чистый дисконтированный доход составил 366366 руб. со сроком окупаемости дополнительных капитальных вложений 1,34 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Грачева, Н.Н. Критериальное уравнение сушки зерна активным вентилированием электроактивированным воздухом / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев, Д.А. Будников // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - №73(09). - Шифр Информрегистра: 0421100012/0372;

зарегистрировано: 22.12.2011. - Режим доступа:

- 9 с.

- в сборниках научных трудов и научно-практических журналах:

2. Грачева, Н.Н. Биоэнергетический потенциал сушки зерна / Н.Н. Грачева // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов. - Вып.4. - Том 2. - Зерноград:

ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004. - С. 117Ц121.

3. Грачева, Н.Н. Планирование эксперимента по сушке зерна / Н.Н. Грачева, А.Ф. Кононенко // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов / Отв. ред. В.С. Газалов.

- Вып.5. - Том 2. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. - С. 22Ц25.

4. Грачева, Н.Н. Экспериментальная установка и постановка эксперимента по сушке зерна ЭАВ / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев, А.Ф. Кононенко // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов / Отв. ред. В.С. Газалов. - Вып.6. - Том 1. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. - С. 71Ц74.

5. Грачева, Н.Н. Критериальное уравнение изменения концентрации аэроионов при транспортировке / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды 6-й международной научнотехнической конференции (13 - 14 мая 2008 г.). - Ч.3. - Москва:

ГНУ ВИЭСХ, 2008. - С. 381Ц385.

6. Грачева, Н.Н. Анализ моделей сушки зерна электроактивированным воздухом / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов. - Ставрополь, 2009. - С. 31Ц37.

7. Грачева, Н.Н. Математическое описание энергосберегающей сушки зерна электроактивированным воздухом / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды 7-й международной научно-технической конференции (18 - 19 мая 2010 г.). - Ч.5. - Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - С. 244Ц250.

8. Грачева, Н.Н. Обоснование возможности использования электроактивированного воздуха (ЭАВ) для интенсификации сушки зерна / Н.Н. Грачева, А.Н. Васильев // Методы и технические средства повышения эффективности использования оборудования в промышленности и сельском хозяйстве:

сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции (19Ц23 апреля 2010 г.). - Ставрополь: ФГОУ ВПО СтГАУ, 2010. - С. 55Ц61.

______________________________________ ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 19.04.2012.

Формат 60х84/16. Уч.-изд. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740 Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям