Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ВОЛХОНОВ МИХАИЛ СТАНИСЛАВОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И АЭРОЖЕЛОБНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА
05.20.01- Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Чебоксары - 2008
Работа выполнена в ФГОУ ВПО Костромская государственная сельскохозяйственная академия.
Научный консультант доктор технических наук, профессор Зимин Евгений Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов Валерий Васильевич доктор технических наук, профессор Бурков Александр Иванович доктор технических наук, доцент Андрианов Николай Михайлович Ведущая организация ГНУ Северо-Западный научно - исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ГНУ СЗНИИМЭСХ)
Защита состоится 25 апреля 2008 года в 1000 на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при ФГОУ ВПО Чувашская государственная сельскохозяйственная академия по адресу: 428000, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Чувашская государственная сельскохозяйственная академия.
Автореферат разослан л___ ____________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Михайлова О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Зерно злаковых культур в виде продуктов его переработки является главной составляющей продуктов питания человека.
Среднегодовое производство зерна в мире с площади около 750 млн. га составляет почти 2,072 млрд. тонн. Страны с благоприятными природноклиматическими условиями, такие как США, Канада, Австралия, производят свыше 1000 кг зерна на душу населения и являются экспортерами его на мировом рынке. Такое положение позволяет им устанавливать цены на зерно на мировом рынке, а также использовать экспортируемое зерно в качестве продовольственного оружия для решения своих политических задач. С этих позиций зерно не только удовлетворяет основные потребности человека в пище, но и имеет глобальное стратегическое значение.
В РФ за последние годы благодаря интенсификации производства зерна, осуществляемой на всех этапах, начиная от селекции и кончая способами уборки, переработки и хранения зерна, наблюдается рост объемов его валового сбора. Так в 2004Е2006 гг. производство зерна в России вышло на рубеж 78,1Е78,5 млн. тонн и составило 455,3 кг на человека. Однако эти показатели много ниже научно обоснованной нормы и уровня производства зерна в других развитых странах. А потому можно утверждать, что существует возможность наращивания производства зерна не только за счет более полного использования площадей, пригодных для земледелия, или за счет интенсивных технологий возделывания, обработки почвы, внесения удобрений, использования более продуктивных сортов зерновых культур, но и за счет сокращения потерь зерна в процессе его послеуборочной обработки и хранения.
По имеющимся данным в структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30...60%, в структуре себестоимости - до 40%. Следовательно, своевременная и качественная послеуборочная обработка - один из путей сокращения потерь зерна, улучшения его семенных и продовольственных свойств.
В увлажненной зоне главная и наиболее ответственная операция послеуборочной обработки - сушка зернового материала. Отсутствие своевременной обработки может привести к большим потерям. В целом по стране необходимо подвергать сушке 40...45% собранного зерна, а проблема получения высококачественного семенного материала особенно остро стоит в настоящее время, поскольку сушильное хозяйство в силу сложившейся экономической ситуации в РФ пришло в упадок.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых доказано, что одним из главных направлений повышения качественных показателей семян является совершенствование технологии обработки путём сушки зерна во взвешенном состоянии. Использование аэродинамических устройств для сушки, охлаждения и перемещения зерна показало их эффективность, однако данная тема на сегодняшний день недостаточно глубоко исследована. Необходимость решить задачу сохранения и повышения качества зерна на этапе его послеуборочной обработки и необходимость повышения надежности технологических процессов ее осуще ствляющих обусловило актуальность исследования и позволило сформулировать проблему, объект, предмет и цель исследования.
Научная проблема состоит в поиске методов повышения эффективности функционирования аэрожелобных устройств в технологических линиях послеуборочной обработки зерна с целью получения максимального эффекта от их применения.
Объект исследования. Технологические процессы сушки, охлаждения зернового вороха в условиях его аэродинамического перемещения.
Предмет исследования. Параметры технологических процессов и аэрожелобных устройств для послеуборочной обработки зерна.
Цель исследования. Обоснование конструктивно-технологических параметров и совершенствование процесса работы аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов.
Гипотеза исследования. Если учесть особенности обработки зерна во взвешенном состоянии в аэрожелобных устройствах, а именно особенности формирования зерновых слоев в аэрожелобе и особенности тепломассообменных процессов, то это может позволить увеличить надежность и эффективность функционирования аэрожелобов в технологических линиях послеуборочной обработки зерна.
Методы исследования. В исследовании использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории эксперимента, теории тепло- и массопереноса, оригинальные авторские частные методики. Использование указанных методов основывалось на применении современных технических средств и измерительных приборов.
Экспериментальные методы исследования реализованы на физических моделях, натурных образцах и в условиях производства. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики в среде специализированного пакета по статистическому анализу и обработке данных STATGRAPHICS Plus для Windows. Физико-механические свойства семян и показатели их качества определялись в соответствии с существующими государственными стандартами.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Костромской государственной сельскохозяйственной академии Совершенствование технологии и технических средств при послеуборочной обработке зернового вороха в рамках общероссийской научно-технической программы, номер государственной регистрации 01-97000-72-8. Направление работы соответствует решению задачи 01:
Обеспечить развитие научных принципов технологической политики и разработать основы построения системы технологий и машин для повышения конкурентоспособности производства сельскохозяйственной продукции, продуктивности земли и животных, экономической эффективности, ресурсосбережения и формирования товарного производства и ее разделу 01.01.05 Применение аэродинамических устройств для сушки семян в плотном и псевдоожиженном слое; в соответствии с заданиями департамента АПК № 16-02 Костромской области; в соответствии с договорами о творческом сотрудничестве с предприятиями Ивановской и Ярославской областей.
Научную новизну работы составляют: термодинамический метод расчета процесса сушки, теория эффективности и кратности использования рециркуляции сушильного агента; аналитическая модель смещения зерна в сушильном коробе; теоретическое обоснование динамики движения и состояния зернового слоя в процессе обработки на аэрожелобах, конструктивных и технологических параметров газораспределительной системы аэрожелобных сушилок; методика определения состояния движущегося зернового слоя; полученные зависимости конструктивно-технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного типа; уточненная методика расчета и результаты анализа эффективности сушки зерна в различных сушилках. Новизна научных и технических решений подтверждена 9 патентами РФ.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
На основе усовершенствованных технологических схем аэрожелобных устройств для сушки, охлаждения и перемещения зерна разработаны и изготовлены:
- устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха, внедренное в эксплуатацию в СПК Дружба Вохомского района Костромской области;
- опытные образцы аэрожелобных сушилок с обособленными сушильными коробами - АС-М-6 и шахтного исполнения - СУША-4, которые внедрены в эксплуатацию на зерноочистительно-сушильных пунктах: опытного поля Костромской ГСХА; СПК имени М. Горького Костромской области; ЗАО СП Меленковский Ярославской области; АОЗТ Земледелец Ивановской области;
- выгрузной рабочий орган-охладитель зерна аэродинамического типа, внедренный в технологическую линию сушки семян на зерноочистительносушильном пункте в СПК Красная поляна Новосокольнического района Псковской области.
Результаты исследований и опыта внедрения рекомендованы НТС департамента агропромышленного комплекса Костромской области для широкого применения в хозяйствах.
Результаты диссертационной работы нашли также применение в учебном процессе Костромской, Великолукской, Ижевской и Ярославской государственных сельскохозяйственных академий, Санкт-Петербургского государственного университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании студентов, обучающихся по специальностям 110301, 110303 и 110304.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов разного уровня - межвузовских, региональных, всероссийских и международных: Костромской ГСХА, состоявшихся в 2000...2003 гг.; Костромского государственного университета в 2001 г.; Ивановской ГСХА в 20гг.; Научно - исследовательского института сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого в 2001 гг.; Санкт - Петербургского государственного аграрного университета в 1999 г., Ярославской ГСХА в 2001...2004 гг.; Рязанской ГСХА имени П.А. Костычева в 2000 г.; Вятской ГСХА в 2006 г.; Ижевской ГСХА в 2006 г.; на втором Всероссийском съезде работников с.х., состоявшемся в г. Костроме в 2002 г.; на Международных научно-практических конференциях:
Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики, состоявшейся 10-13 октября 2000 г. в Московском государственном агроинженерном университете имени В.П. Горячкина, г. Москва; Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России, состоявшейся 20-22 июня 2000 г. в Зональном научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, г. Киров; Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК, состоявшейся в 2003...20гг. в Ярославской ГСХА, г. Ярославль; Совершенствование средств механизации и технического обслуживания в АПК, состоявшейся в 2003 г. в Чувашской ГСХА, г. Чебоксары; Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе, состоявшейся 5-6 февраля 2004, 2005, 2006 годах в Костромской ГСХА, г. Кострома.
Результаты работы демонстрировались: на областных выставках достижений науки и техники г. Костромы в 2000Е2005 гг.; на областных конкурсах на лучшее техническое решение, изобретение и рационализаторское предложение, направленное на решение актуальных проблем народного хозяйства Костромской области. В 2000 г. работа удостоена первой премии, в 2006 - второй и третьей премии главы администрации Костромской области; результаты работы отмечены серебряными медалями в 2004 и 2005 гг. на Российской агропромышленной выставке Золотая осень, проходившей в г. Москве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ, в том числе статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 14 публикаций в материалах международных конференций, 7 патентов РФ на изобретения и 2 патента РФ на полезные модели.
Защищаемые положения:
- основы теории аэрожелобных устройств для сушки зернового вороха;
- термодинамический метод расчета процесса сушки, теория эффективности и кратности использования рециркуляции сушильного агента;
- методики изучения состояния зернового слоя в процессе его обработки на аэрожелобах;
- технологии послеуборочной обработки зерна с использованием новых рабочих органов и машин аэрожелобного типа для подсушки и сушки зернового вороха;
- результаты исследовательских, контрольных испытаний новых машин;
- результаты анализа эффективности сушки зерна в различных сушилках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов и приложений. При общем объеме 480 страниц содержит 282 страницы основного текста, 115 рисунков, 12 таблиц, 53 приложения. Список использованных источников включает 345 наименований, из них на иностранных языках. В приложениях приведены документы, отражающие уровень практического использования результатов исследований, данные экспериментальных исследований, копии патентов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит краткое изложение состояния исследуемой проблемы, ее актуальность, сущность выполненной работы, цель и основные положения, выносимые на защиту.
Решение отдельных частных задач по теме диссертационной работы выполнено автором совместно с доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РФ Е.М. Зиминым, кандидатами технических наук С.А.
Полозовым, В.С. Крутовым, Г.С. Березовским, И.Б. Зиминым.
В первом разделе Состояние вопроса, проблемы и задачи исследования представлен обзор современного состояния технологий и техники сушки зерна в сельскохозяйственном производстве, дано обоснование основных направлений исследований.
Научные труды об изменчивости технологических свойств зерна в процессе сушки связаны с именами академиков М.Ф. Казанского, С.М. Липатова, А.В. Лыкова, П.А. Ребиндера и др., значительно расширены трудами А.С. Гинзбурга, Г.А.
Егорова, Е.Д. Кавказова, Е.П. Потаповой и др.
Создание высокопроизводительного сушильного оборудования стало возможным благодаря широко развитым научным исследованиям, проводимым в этой сфере. Огромный вклад в развитие теории сушки внесли отечественные ученые: А.С. Гинзбург, П.Д. Лебедев, А.В. Лыков, Н.Б. Рашковская, П.Г. Романков, Б.С. Сажин, И.М. Федоров, Г.К. Филоненко и др., а также зарубежные ученые О. Кришер, В. Мальтри, Э. Петке, Б. Шнайдер и др.
Большое значение для совершенствования технологии и технических средств сушки имеют работы И.Ф. Бородина, Р.Н. Волика, А.П. Гержоя, А.С.Гордеева, Н.И. Денисова, Г.П. Ерошенко, Е.М. Зимина, Н.В. Кармана, А.А.
Кругляка, Г.С. Окуня, С.Д. Птицына, В.А. Резчикова, В.А. Сакуна, В.Ф. Самочетова, М.Е. Сбродова, Р.В. Ткачева, А.Г. Чижикова, Ю.Л. Фрегера и др.
Изучением влияния режимов сушки на качество зерна и параметры этого процесса занимались В.И. Анискин, И.В. Захарченко, Б.А. Карпов, О.Н. Каткова, Л.В. Колесов, В.Л. Кретович, Л.А. Трисятский, Н.Н. Ульрих и др.
Значительный вклад в реализацию рационального управления, разработку средств контроля и регулирования процесса сушки на разных этапах внесли работы Н.М. Андрианова, Г.А. Гуляева, В.И. Жидко, Л.В. Колесова, И.Э. Мильмана, Н.В. Остапчука, П.Н. Платонова, Ю.П. Секанова, В.А. Смелика и др.
Результаты экспериментальных исследований зерновых сушилок содержатся в работах А.В. Авдеева, В.И. Алейникова, В.И. Анискина, А.И. Буркова, А.Д.
Галкина, Г.А. Гуляева, Ю.В. Есакова, В.И. Жидко, Е.М. Зимина, А.Е. Иванова, М.В. Киреева, Ю.К. Ковальчука, Л.В. Колесова, В.Р. Крауспа, И.Э. Мильмана, Г.С.
Окуня, С.Д. Птицына, В.А. Резчикова, Н.П. Сычугова, А.Г. Чижикова, П.Н.
Шибаева и др.
Научной основой разработки и совершенствования конструктивнотехнологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов являются труды Г.С. Березовского, П.В. Блохина, Б.И. Броунштейна, М.Р. Вайсмана, И.Я. Грубияна, Л.В. Дианова, Е.А. Дмитрука, Е.М. Зимина, Ф.Г. Зуева, С.В. Иванова, В.С. Крутова, В.И. Левченко, Н.А. Лоткова, И.П. Малевича, А.И. Матвеева, С.А. Подоплелова, С.А. Полозова, Е.П. Румянцевой, Н.П. Сычугова, О.М. Тодэс, В.С. Уколова, Н.П. Черняева, А.С. Ширяева и др.
Проведенный анализ существующих методов сушки, техникоэкономической эффективности сушилок различного типа указал на основные, достаточно легко осуществимые на практике способы снижения энергозатрат на сушку: повышение температуры сушильного агента и увеличение его расхода, применение предварительного подогрева зерна, исключение охладительных устройств из сушильных агрегатов, применение рециркуляции отработанного теплоносителя.
Указанные способы возможно реализовать при использовании аэродинамических устройств, которые находят все более широкое применение в сельскохозяйственном производстве. Они способны выполнять одновременно несколько функций:
транспортировку сыпучих материалов, активное вентилирование и сушку зерна, разделение на фракции компонентов зернового вороха. Аэрожелоба обладают высокой эксплуатационной надежностью, минимальным количеством движущихся частей, просты и компактны.
Однако существующие установки для сушки зерна в псевдоожиженном слое обладают рядом общих существенных недостатков: при контакте зерна с тепловым агентом сушки происходит быстрый нагрев материала до предельной температуры при незначительном влагосъёме, энергозатраты на сушку в 2Е3 раза выше, чем в шахтных установках, из-за хаотичного движения слоя продолжительность пребывания зёрен в сушильной камере неодинакова, что приводит к их неравномерному нагреву и сушке. Указанные недостатки являются основной причиной, сдерживающей применение данных установок в практике сушки зерна. В связи с чем работа по их совершенствованию является актуальной.
Для решения проблемы повышения надежности и эффективности функционирования аэрожелобов в технологических линиях послеуборочной обработки зерна были определены следующие основные задачи исследования:
- получить математические модели для определения конструктивнотехнологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного типа;
- разработать и обосновать технологические схемы устройств подсушки, сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов;
- разработать термодинамический метод расчета теоретического и реального процесса сушки зерна;
- теоретически обосновать количество циклов повторного использования сушильного агента в сушилках с учетом энергозатрат на привод вентилятора;
- изучить динамику движения зернового вороха в процессе его обработки на аэрожелобных устройствах;
- разработать методику определения состояния движущегося зернового слоя;
- провести испытания разработанных аэрожелобных устройств подсушки, сушки и охлаждения в производственных условиях;
- уточнить методику расчета и провести анализ эффективности применения различных технологий сушки зерна.
Во втором разделе Теоретические предпосылки к совершенствованию процесса работы и обоснованию конструктивно-технологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов исследовано состояние слоя зерна при его обработке на аэрожелобах, что позволило выявить три варианта движения зерна: первый - когда сила тяжести, действующая на зерно больше вертикальной составляющей от действия силы воздушного потока (рис. 1); второй - когда она равна вертикальной составляющей от действия силы воздушного потока; третий - она меньше вертикальной составляющей от силы воздушного потока.
Рис. 1. Схема сил, действующих на зерно:
GG1- подача материала; Fтр.- сила трения зерновки о зерновку; Fв.п.- сила действия воздушного потока; Pа.с., Q- соответственно напор Fтр.
и расход агента сушки; - угол ввода агента сушки в зерновой слой; - угол наклона грузонесуP,Q щей перегородки к горизонту Проведенные экспериG2 ментальные исследования поmg казали, что в оптимальном режиме работы сушилки (при наименьших энергозатратах) зерно в аэрожелобе движется слоями, без его фонтанирования, при этом скорость фильтрации находится в диапазоне = 0,5Е0,7 м/с. Для определения взаимосвязи технологичеф.
ских и физиологических свойств были сделаны допущения: движение происходит слоями размером в одну зерновку; зерновки при движении не вращаются;
направление действия воздушного потока неизменно по высоте слоя.
Учитывая, что все слои получают одинаковый импульс силы за единицу времени от воздушного потока при неизменном поперечном сечении желоба, пользуясь вторым законом Ньютона, было получено выражение для определения величины силы трения между слоями ( - ) в.п. з Fтр. = f ( h b a i g cos - k S sin ), (1) з. в.п.
где f- коэффициент внутреннего трения зерна; - плотность зерновки, кг/м3; h- з.
длина зерновки, м; b- ширина зерновки, м; a- толщина зерновки, м; i-количество зерновок, находящихся над исследуемой зерновкой, шт.; -плотность воздув.п.
ха, кг/м3; - скорость воздушного потока, м/с; - скорость зерновки, м/с.
в.п. з.
В результате теоретических исследований выявлено, что слои зерна при движении по сушильному коробу смещаются с различной скоростью - верхние с большей, а нижние с меньшей. Это вызвано различной величиной сил трения F в s.
п i n.
F в.
п.
F в c.
п o m.
s g s.
i п n.
F в s o c g m между слоями. Установлено, что возможные засорители зерновых колосовых культур (мелкосеменных) имеют силу трения меньшую - от 2,6110-6Н (щетинник зеленый) до 19010-6Н (щетинник сизый) относительно основной культуры - от 35,410-6Н (рожь) до 194410-6Н. Это приводит к тому, что примеси в аэрожелобе смещаются с большей скоростью относительно семян основной культуры.
Теоретически определены средняя скорость разделения слоя и экспериментально определен угол изменения скорости смещения зерновых слоев по высоте (0,5Е8,7 градусов для ячменя). С учетом изложенного пропускная способность аэрожелоба G, кг/с, определится как G = ( + ) H B сл.
, (2) 1сл сл.ср.
где - скорость слоя у поверхности газораспредлительной решетки, м/с;
1.сл.
сл.ср. - средняя скорость разделения слоя, м/с; Н- высота зернового слоя, м; В- ширина канала аэрожелоба, м; - плотность зернового слоя, кг/м3.
сл.
Получена область изменения значений расхода тепломассоносителя при прохождении его через слой зерновой насыпи, исследуя процессы перехода его от плотного состояния к псевдоожиженному. Порозность зернового слоя интенсивно возрастает с увеличением скорости фильтрации воздушного потока от 0 до 1,6 м/с при переходе слоя от плотного к псевдоожиженному. Обнаружено, что дальнейшее увеличение скорости воздушного потока для увеличения площади контакта поверхности зерновки с тепломассоносителем нецелесообразно, т.к.
порозность слоя приближается к 90%.
Гидравлическое сопротивление газораспределительного канала (3) выведено на основе известного выражения Дарси-Вейсбаха l tщ2 n ф Р =, (3) P, Па 44 hщ 3где - коэффициент аэродинами32ческого сопротивления; l - длина 2щели, м; - скорость фильтраф 1ции сушильного агента через зер150 новой слой, м/с; tщ- шаг между приведенными щелями, м; hщ- 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,высота щели, м; n - количество hщ, мм -0,2 мм; 0 мм; 0,2 мм; щелей, шт.
Анализ изменения потерь давления в грузонесущей перегоРис. 2. Потери давления в грузонесущей перегородке в зависимости от высоты щели родке свидетельствует (рис. 2), что отклонение геометрических размеров отверстий в пределах существующих допусков на их изготовление приводит к значительному изменению аэродинамического сопротивления; перегородки с высотой щели менее 1 мм применять нецелесообразно, т.к. при этом аэродинамическое сопротивление резко возрастает, по этой же причине необходимо уменьшать допуски на размер перегородок с высотой щели от 1 до 1,2 мм.
Динамический напор агента сушки Pд, Па, необходимый для преодоления инерции зернового слоя и для сообщения необходимой скорости материалу м был определен на основе уравнений кинетической энергии зернового потока и работы агента сушки:
2 2 2 kм в.п. (mз kм + mа.с. ) з.сл в.п. сл Pд = , (4) 2 2 H B kм в.п.
з.сл. з.сл. сл. где kм - коэффициент массовой концентрации; - скорость смещения зерноз.сл вого слоя, м/с; mз и mа.с- подача зерна и агента сушки, кг/с.
При скорости смещения зернового слоя 0,1 м/с производительность аэрожелоба составляет около 15 т/ч, при этом необходимо обеспечить динамическое давление в 300 Па. Для дальнейшего увеличения производительности аэрожелоба требуется значительное повышение величины динамического давления.
Общая протяжённость газораспределительной системы сушильных коробов определена на основании выражения (5) -mз.в. - н к lк = К1 ( + ) 1 , (5) W1 1 где K1- коэффициент, учитывающий отношение скорости перемещения зерна к скорости воздушного потока (агента сушки); - скорость фильтрации агента сушки через плотный слой, м/с; - приращение скорости воздушного потока mз.в.
при создании псевдоожиженного слоя, м/с; - масса влажного зерна в сушилке, кг; W1- пропускная способность сушилки по сырому зерну, кг/с;
н и - начальная и конечная влажк ность обрабатываемого материала, %.
Графически этот процесс изображен в виде убывающей функции ( ) = f l на рис. 3.
Для определения функцио( ) нальной зависимости = f l принято допущение, что скорость d снижения влажности зерна на dt пути его перемещения по сушильным коробам в момент времени, соответствующий этому пути, проРис. 3. Зависимость изменения влажности зерна порциональна текущему значению от длины пройденного им пути по сушильным влажности коробам d =-k , (6) dt где k - коэффициент пропорциональности, равный мгновенной относительной скорости изменения влажности.
Решение дифференциального уравнения (6) позволяет получить зависимость для определения влажности зерна в любой момент времени при перемещении его по газораспределительным коробам l i l (li ) (l)= н. (7) н На основании известных данных (температуры сушильного агента от 60 до о 200 С, массовой скорости сушильного агента от 0,7 до 10 кг/(м2с) и м.а.с.
удельной нагрузки зерна q от 30 до 1000 кг/м2 для псевдоожиженного слоя) выведена зависимость необходимого 8 расхода агента сушки для заданной 7,производительности сушилки по су7,хому зерну, кг/с 7,W2 T м.а.с. 7,Q = 7. (8) - н к 6,q 1- 100 - к 6, 6, 6,На рисунке 4 приведены графи6 ческие зависимости необходимого 33 30 27 24 21 18 расхода воздуха и длины коробов для н,% Q l к сушки зерна различной влажности, рассчитанного по данным техничеРис. 4. Зависимость необходимого расхода ской характеристики СУША-4 (павоздуха и длины коробов от начальной тент № 2004111949/06): ширина ковлажности зерна роба - 0,4 м; длина - 2 м; количество коробов - 8 шт.; максимальная удельная нагрузка зерна - 390,6 кг/м2. Из рисунка видно, что размеры сушильных коробов (ширина - 0,4 м, длина - 16 м) СУША-обеспечивают съем влаги из зерна влажностью до 32%.
При использовании аэродинамических установок для подсушки и сушки материала нагревательные элементы (калориферы, ТЭНы) целесообразно располагать внутри воздухораспределительного канала. Теоретически установлена зависимость (9) распределения температуры сушильного агента аэрожелобом при постановке нагревательных элементов внутрь его воздухораспределительного канала (рис. 5).
Для определения зависимости температуры выхода теплоносителя по длине аэрожелоба приняты следующие допущения: вся электрическая (тепловая) энергия, подводимая к нагревательному элементу, идет на нагрев воздуха; теплота равномерно распределяется по поперечному сечению внутри воздухораспреl к, м Q, м3/с делительного канала аэрожелоба; новая порция воздуха, входящая в воздухораспределительный канал до сечения i - i вытесняет предыдущую.
Ny Li tщ tвых.i = + tвх, (9) cв Sщ (L - Li ) в.п. ср где tвых.i - температура воздуха в i-м сечении, град.; Ny- удельная установленная мощность нагревателя, Вт/м; св- теплоемкость воздуха, кДж/(кгоС); L- Sщ длина воздухораспределительного канала с нагревателями, м; - площадь щели грузонесущей перегородки, м2;
W,н,н tвх - температура входа воздушного потока внутрь воздухораспреi делительного канала, град.
Анализ зависимости (9) поср, d,H,t,i i i i зволяет сделать вывод, что для создания равномерного темпераQi турного поля тепломассоносителя d0,H,t,0 по длине аэрожелоба тепловую QP, W,2,мощность необходимо подводить i Li L-Li дифференцированно.
L Установлена зависимость Рис. 5. К расчету распределения температуры коэффициента живого сечения сушильного агента:
жалюзийного переливного порога 1- воздухораспределительный канал; 2- грузонесущая перегородка; 3- воздухоподогреватель; 4- ж,%, от положения угла наклона сушильная камера лопатки и размерных характеристик лопаток ал ал ал (n - 1) (hж - ал sin - ал ) + (hж - (hж - ) cos + sin + ) ж ж ж 2 2, (10) ж = 1n hж где n - количество лопаток, шт.; hж- высота лопатки жалюзи, м; aл- толщина лопатки, м; - угол постановки лопаток жалюзи, град.
ж Из анализа зависимости (10) следует, что толщина лопатки значительно влияет на изменение коэффициента живого сечения порога. Увеличение толщины лопатки на 0,5 мм приводит к его уменьшению на 1Е2,5%.
Обнаружено особое значение выпускного устройства (шлюзовой затвор, клапан-мигалка или электромагнитный клапан), устанавливаемого на выпускном патрубке последнего аэрожелоба или на горловине подсушильного бункера для организации режима работы сушилки и управления динамикой движения зерна по сушильным коробам. Установлена возможность организации двух видов движения зернового вороха в аэрожелобе: непрерывно-периодического, непрерывным потоком.
Динамику движения зерна по сушильным коробам в непрерывнопериодическом режиме возможно сравнить с бегущей волной в теории волн. БыQ Q L i з Vз.сб.
стрый сброс порции некоторым объемом и закрытие отверстия направляющего патрубка зернового потока (рис. 6) способствуют образованию свободного объема на жалюзийной перегородке в конце грузонесущего канала. Зерновки, ссыпаясь под углом естественного откоса на грузонесущую перегородку, попадают под действие силы воздушного потока Fв.п., выходящей из щели перегородhсл.
ки, и поднимаются на некоторую высоту. Свободный объем Vс перемещается последовательно вверх по сушильным коробам, начиная со стороны выхода последнего сушильного короба, и заполняется на первом коробе, со стороны входа, новой порцией влажного зерна. Каждая зерновка в этом режиме совершает синусоидальное (волновое) движение, а следовательно, пройденный зерном путь по сушильным коробам значительно увеличивается. В зоне минимальной потенциальной энергии волны, где суммарное гидравлическое сопротивление грузонесущей перегородки и зернового слоя минимально, происходит перераспределение статических давлений, интенсивное выделение легких и мелких примесей, которые уносятся с отработавшим агентом сушки и оседают в осадочных камерах циклонов. Очевидно, что зерно находится попеременно в состояниях кипения и псевдоожижения. Частота смены этих состояний соответствует частоте, с которой работает выпускной аппарат зерносушилки. Объем и время сбрасываемой порции влияют на заполнение сушильных камер.
W1,1,Xtп Vc P,Q VА o, to, do,Ho 1,d1,H1 VВ t1, VД VcW2,2, Рис. 6. Динамика движения зерна в непрерывно-периодическом режиме работы сушильного короба В режиме непрерывной работы выпускного устройства установлены три рабочие зоны, зависящие от технологических свойств высушиваемого материала и конструктивных параметров сушилки. Первая зона характерна тем, что пропускная способность выпускного устройства Wв.у., м3/с, соответствует величине X T X t п е р л с h .
.
п с.
в.
F д h массы призмы обрушения зерна за время обрушения, Wп.о., м3/с. Для этого режима теоретически определены период и скорость переноса вещества, в волновом пер движении 2,67 abc ( - ) з в.п.
=, (11) пер з.ср k ab (VА + VБ )(Wп.о. + W )+ 2,67 abc ( - ) -1 в.п. м з в.п. з.ср W где a, b, c - полуоси эллипсоида зерновки, м.
Вторая зона характерна тем, что производительность выпускного устройства меньше величины массы призмы обрушения зерна за время обрушения Wв.у Wп.о.
Для этой зоны характерно пульсирующее движение зерновой массы, слой течет. Зерновки в процессе движения будут подниматься на меньшую высоту относительно режима бегущей волны из-за отсутствия оголения грузонесущей перегородки. Заполнение зерном сушильных коробов меньше, чем в первой зоне рабочего режима.
Третья зона характерна тем, что производительность выпускного устройства больше величины массы призмы обрушения зерна за время обрушения Wв.у Wп.о- происходит максимальное псевдоожижение зернового слоя по всему его поперечному сечению, заполнение сушильных камер зерном минимальное.
В силу того, что сопротивление неподвижного зернового слоя Рн.с. больше сопротивления движущегося слоя Рд.с. на величину Рс Рн.с. = Рд.с. + Рс, (12) сопротивление аэродинамической установки с n параллельно работающими аэрожелобами в непрерывно-периодическом режиме возрастает в n Рс раз относительно непрерывного режима работы. Если вентиляторы, с которыми работает зерносушильная установка, имеют падающую характеристику (рис. 7) зависимости развиваемого давления Р от расхода Q без впадин, то повышение сопротивления аэродинамической установки в режиме непрерывно-периодического движения зерна неизбежно приводит к повышению давления внутри воздухораспределительных каналов сушильных коробов на некоторую величину Р, способствующему увеличению наполнения сушильных камер зерном.
3 2 Р,Па Рис. 7. Влияние режима раP1 k Qn1 боты выпускного устройства аэрожелобной сушилки на nP2 k Р Q характеристику вентиляционной системы:
1- характеристика сети при движущемся зерновом слое;
2- характеристика сети при неподвижном зерновом слое;
3- характеристика вентилятора Q Q, м/с Проведен графоаналитический анализ целесообразности повторного использования сушильного агента на основе диаграммы тепловлажностного состояния воздуха. Приняты следующие допущения: агент сушки насыщается до 70% влажности; потери в окружающую среду отсутствуют (теоретический процесс). Для каждого цикла (i) выполнен расчет количества испаряемой влаги из сушильной камеры производительностью одна плановая тонна в час. Анализ проведен для 5 циклов нагрева сушильного агента до температур 40, 60, 80, 100, 120 и 140 оС. На рис. 8 изображено 5 циклов нагрева воздуха до 40оС и его насыщения влагой. По H-d диаграмме определяли в каждом i-ом цикле входные и выходные параметры - влагосодержание di, энтальпию Hi и по зависимости (13) рассчитывали удельные энергозатраты на испарение Eiуд.и килограмма влаги из зерна.
Результаты расчетов свидетельствуют о целесообразности повышения температуры и повторного использования всего сушильного агенРис. 8. H-d диаграмма тепловлажностного состояния воздуха та до 3Е4-х циклов. Для обеспечения необходимой сушащей способности сушильного агента при увеличении циклов его повторного использования необходимо увеличивать удельные расходы сухого воздуха, особенно при температурах его нагрева до 40 и 60 оС.
(Hi2 - Hi0 ). (13) Eiуд.и = di2 - diПоэтому в исследовании учтены энергозатраты, вызванные увеличением расхода агента сушки по циклам его использования, МДж/(кг исп.вл.) Eiуд.в Niв kэ Ei =, (14) уд.в 1000Wс.к.
где Niв - мощность, требуемая на привод вентилятора в i-ом цикле, кВт; kэ - коэффициент тепловой эквивалентности, учитывающий затраты на производство и Wс.к.
транспортировку электроэнергии к потребителю, кДж/(кВтч); - количество испаряемой влаги из сушильной камеры, кг/ч.
Общие удельные энергозатраты складываются из энергозатрат на испарение влаги и привода вентилятора. (15) Eiуд = Eiуд.и + Eiуд.в Установлено, что значительной экономии энергии на сушку (до 27,9%) возможно добиться при двух- четырехкратном повторном использовании сушильного агента (рис. 9). Экономичность сушки и эффективность повторного использования воздуха улучшается с увеличением температуры агента сушки и может достигать 52,2%. Удельные энергозатраты на сушку незначительно возрастают на 0,2Е0,1 2 3 4 МДж/(кг исп.вл.) при увеличении Номер цикла расхода воздуха на сушку для 40,0 60,0 80,0 100,температур его нагрева от 80 оС и 120,0 140,выше и наоборот, значительно возрастают с увеличением сопроРис. 9. Удельные энергозатраты (суммарные) на испарение влаги и привод вентилятора по тивления сети от 0,5 до 3 кПа на циклам использования сушильного агента 0,7Е1,9 МДж/(кг исп.вл.).
Разработан термодинамический метод расчета производительности, энергозатрат и КПД сушилок. В идеальном процессе к материалу массой mз.в., кг, для удаления влаги с до необходимо подвести минимум энергии, Eид, Дж н к Eид = k2 Eвл, (16) св где - эмпирический коэффициент, учитывающий энергию связи влаги в зерне.
св В ходе аппроксимации зависимости отношения общих удельных затрат теплоты r ru при сушке пшеницы до влажности к удельной теплоте парообразования, кДж/кг, воды со свободной поверхности (данные Отмера (США)) получено вы = 2,96 к -0,ражение для его определения ; k2 - коэффициент изменения св производительности сушилки в зависимости от вида культуры; Eвл - необходимая энергия для испарения влаги со свободной поверхности, Дж.
Для испарения влаги из зерна требуется энергия -0,Eвл = 2,96 k2 Мвл r. (17) к Выражение для определения r в диапазоне температур от 0 до 50 оС, с учеtнз том того, что температура воды и зерновки в начале сушки одинаковые, имеет вид н.з.
r = 2501,4e-0,001t, (18) где е - основание натурального логарифма, е = 2,71828Е.
Тепловая мощность сушильного агента Nа.с., Вт, определена как Nа.с. = Vа.с. cа.с.(tа.с.н. - tа.с.к. ), (19) а.с.
где Vа.с. - расход сушильного агента, м3/ч; са.с. - теплоемкость сушильного агента, tа.с.н.,tа.с.к.- соответственно температура сушильного агента до и после Дж/(кгК);
выхода из зернового слоя, К.
Экспозиция сушки Тид, ч, в лидеальном процессе определяется как Ei уд, МДж/(кг.исп.вл) ( - ) -0,н.з.
mз.в н к e-0,001t kк Eид (100 - ) к Тид = = 7404,, (20) Nа.с. Vа.с. са.с. (tа.с.н. - tа.с.к.) а.с.
где mз.в.- масса влажного зерна в сушилке, кг.
В результате лидеальная производительность зерносушилки в физических тоннах Wид, т/ч, определится по зависимости mз.в. Vа.с. са.с. (tа.с.н. - tа.с.к.) а.с.
Wид = =. (21) ( н к ) Тид 7404,1 - e-0,001t -0,н.з.
kк (100 - ) к Полученное выражение позволяет точно оценить влияние каждого фактора на процесс сушки.
Поскольку в реальных условиях подводимая агентом сушки теплота Eр, Дж, расходуется на испарение влаги Eвл, нагрев зерновки, на потери теплоты чеEз рез стенки сушилки и на потери теплоты в окружающую среду с отработавEст шим агентом сушки расчетная производительность сушилки определится Eо.а.с.
как,(22) mз.в. Vа.с. са.с. (tа.с.н. - tа.с.к.) а.с.
Wр = ( - ) (100 - )с (tкз - tнз ) + Ecт +Vо.а.с. cо.а.с. (tа.с.к. - tо.в. ) -0,н н н.з.
mз.в. 7404,1(100 к e-0,001t k2 + к с о.а.с.
- ) 1 к tкз,tнз - соответственгде сс- теплоемкость сухого вещества зерновки, Дж/(кгК);
но конечная и начальная температура зерна, К; Vо.а.с. - расход отработавшего сусо.а.с.- теплоемкость отработавшего сушильного агента, шильного агента, м3/ч;
Дж/(кгК); tо.в.- температура окружающего воздуха, К.
С учетом вышеизложенного можно определить расчетный (23) и фактический (24) КПД различного типа зерносушилок Wр Wф = 100 = 1, (23);, (24) р ф Wид Wид где Wф- фактическая производительность сушилки в физических тоннах по данным испытаний, т/ч.
В таблице 1 приведены результаты термодинамического расчета производительности различного типа сушилок в сравнении с их фактической производительностью (на основании данных протоколов Кировской МИС), а также расчетный КПД сушилок в различных режимах их работы. В ходе анализа данных таблицы установлена хорошая сходимость результатов теоретических расчетов и практики. Расхождения в 17% по аэрожелобной сушилке САУ-6, по нашему мнению, связано с трудностями определения средней температуры выхода отработавшего агента сушки по площади сушильной камеры при испытаниях. Расчеты показывают, что ошибка с определением средней температуры агента сушки на выходе из зернового слоя 2оС приводит к изменению отклонения расчетной производительности от фактической с 10,8 до 23,4%. Расхождения в 19,7% по конвейерной сушилке УСК-8 связаны с недостаточной точностью определения массы зерна, находящейся в сушильной камере, т.к. данные по объему сушильной камеры в протоколе отсутствуют и ее объем определялся косвенным путем.
Наибольшим расчетным КПД обладают шахтные сушилки С-10 (77,9%) и М-8(82,3Е85,1%), аэрожелобная САУ-6 (87,8%).
Таблица 1. Сопоставимость результатов термодинамического расчета производительности различного типа сушилок с фактической производительностью (на основании данных протоколов Кировской МИС) Реальная тео№№ Фактическая произво- Идеальная Откло- КПД,% Материал ретическая (номер Тип сушилки дительность в физиче- производитель- нение, (расчет(режим сушки) производитель протокола) ских тоннах, т/ч ность, т/ч % ный) ность, т/ч 1 УСК-2 Пшеница 1,64 1,52 2,6 7,5 58,(06-49-99) (конвейерная) (семенной) 2 СКУ-5 Овес 3,80 3,84 6,2 1,0 61,(06-48-2000) (конвейерная) (семенной) 3 М-819 Пшеница 10,69 8,94 13,5 16,4 66,(12-46-80) (шахтная) (семенной) 4 М-819 Овес 5,02 4,35 6,6 13,3 66,(12-46-80) (шахтная) (семенной) 5 СКУ-5 Пшеница 5,20 5,64 8,3 8,4 68,(06-48-2000) (конвейерная) (продовольственный) 6 СКУ-5 Пшеница 4,30 3,87 5,6 9,9 68,(06-48-2000) (конвейерная) (семенной) 7 УСК-8 Пшеница 2,20 1,77 2,4 19,7 73,(06-48-2002) (конвейерная) (семенной) 8 С-10 Зерносмесь 5,20 5,17 6,9 0,5 75,(06-22-95) (шахтная) (фуражный) 9 СБВС-5 Овес 7,74 7,16 9,4 7,5 75,(124786) (бункерная) (семенной) 10 С-10 Пшеница 7,90 7,84 10,1 0,8 77,(06-22-95) (шахтная) (продовольственный) 11 М-819 Ячмень 7,00 7,89 10,0 12,8 78,(12-46-80) (шахтная) (продовольственный) 12 СТ-50 Пшеница 3,56 3,82 4,6 7,2 82,(06-11-95) (траншейная) (семенной) 13 М-819 Пшеница 4,32 4,25 5,1 1,7 82,(124680) (шахтная) (продовольственный) 14 М-819 Пшеница 2,92 2,63 3,1 9,9 85,(12-46-80) (шахтная) (семенной) 15 САУ-6 Овес 0,42 0,49 0,6 17,0 87,(06-32-94) (аэрожелобная) (семенной) В третьем разделе Особенности использования методик в экспериментальных исследованиях. Приборы и аппаратура описаны экспериментальные установки, использованные приборы и оборудование, программа экспериментальных исследований, составленная в соответствии с поставленными задачами, общепринятые и авторские методики. Изучение вида аэродинамической характеристики последовательно работающих аэрожелобов, динамики движения зерна и состояния зернового слоя в процессе обработки проводилось на установках, изготовленных по схемам, представленным на рис. 10Е13.
Рис.10. Схема экспериментальной установки:
1- вентилятор; 2- диффузор; 3- сушильный короб; 4- ВРК сушильного короба; 5- грузонесущий канал; 6- патрубок выпуска отработавшего воздуха;
8 9 13 12 11 7- решетка системы разделения зерна и отработавшего воздушного потока; 8- грузонесущая перегородка; 9- бункер;
10- нория; 11- бункер резерва;
12- зернопроводы; 13- зерносА лив; 14- шлюзовой затвор; А- место замера полного и динамического давлений; Б- место Б замера высоты и уровня псевА доожижения зернового слоя; В- место отбора проб зерна при В определении пропускной способности Уровень псевдоожижения зернового слоя определяли в потоке зерна, фиксируя интенсивность светового излучения, пронизывающего зерновой слой пучка света в местах, указанных на рис. 10. Показания люксметра и изменение высоты зернового слоя записывались на видеокамеры. Видеокамеры синхронизировались световым потоком высокой интенсивности и малой длительности - 0,04 с.
Видеозапись обрабатана с использованием видеомагнитофона.
10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 11. Схема размещения приборов и оборудования при определении высоты и степени псевдоожижения зернового слоя:
1- селеновый датчик; 2- светопроницаемая лопатка жалюзи; 3- воздухораспределительный канал сушильного короба; 7,10- видеокамеры; 8- источник света; 9- лабораторный автотрансформатор; 11- люксметр Для тарирования приборов, работа которых основана на подобном принципе, разработан модификатор. В модификаторе вместо взвешенных перемещающихся частиц зернового слоя используется лента (рис. 12), на которой нанесены чередующиеся темные и светлые полосы, имитирующие зерно и пустоты между зёрнами. Поскольку в существующих машинах скорость движения зерна много меньше скорости электромагнитных волн, то имитационной ленте движения можно не придавать. Очевидно, размер и соотношение полос зависит от порозности плотного слоя (вида культуры), уровня его псевдоожижения. Определено соотношение эквивалентных ширины пустот и зерна на ленточном модификаторе l l L lз. lп. n Рис. 12. Рабочая поверхность ленточного модификатора, (25) lп. = lз. - 1- o k где k- отношение, показывающее приращение объема псевдоожиженного слоя при увеличении скорости фильтрации (коэффициент вида слоя).
Рис. 13. Лабораторная усповернуто тановка для исследования закономерностей в формировании слоев зернового вороха: Go, wo 1- калорифер; 2- вентилятор; 3- диффузор; 4- дроссельная заслонка; 5- патрубок-стабилизатор; 6- to, jo, do, Ho микроманометр; 7- воздухораспределительный ка нал; 8- грузонесущая пере1 2 3 4 5 6 городка; 9- переливной порог; 10- заслонка; 11- накопительный бункер; 12- нория; 13- опора канала;
14- дозирующая заслонка;
t1, j1, d1, H15- делитель потоков; 16- емкость для зерна; 17- 13 230 230 230 230 22лмаячок; 18- гребенка;
1 2 3 4 5 6 19- фиксатор; 20- замок 16При изменении средней порозности зернового слоя от 0,35 до 0,99 k находится в пределах от 1 до 65. Полагая, например, что эквивалентная ширина зерна составляет 3 мм, а порозность плотного зернового слоя равна 0,35 (пшеница)- lп.
принимает значения от 1,65 до 297 мм.
H Методика исследования скорости движения зерновых слоев заключается в следующем. Маячки 17 (прутки, окрашенные в разные цвета), устанавливаются в гребенку и закрепляются фиксатором 19 (рис.13). Экспериментальная установка выводится на установившийся режим работы, после чего запускается секундомер и одновременно освобождаются маячки фиксатором 19. По достижении первым маячком переливного порога прекращается подача воздуха в аэрожелоб и фиксируется время, замеряется пройденное каждым маячком расстояние.
Изучение кинетики сушки зерновых колосовых культур, определение оптимальных конструктивных и технологических параметров осуществлялось на установке, выполненной по схеме, представленной на рис.14. Государственные приемочные испытания проведены на установке со сдвоенными шахтами.
Рис. 14. КонструктивноW, , н 4 6 А-А о н технологическая схема зерносушилки со встроенными А внутрь шахты сушильными коробами аэрожелобного типа:
1 1- шахта; 2- сушильный коd3, H3, t, 3 роб; 3- перфорированная d1, H1, t, перегородка; 4- грузонесущий канал; 5- канал подвоd2, H2, t, да агента сушки; 6- надсушильный бункер; 7- подсушильный бункер; 8- шлюзовой затвор; 9- диффузор подачи агента сушки; 10- конфузор отвода отработанного агента сушки; 11- W, , к 2 к переливной порог; Wo,,, н н Wi,, -подача, влажность i i и температура зерна на вхоА де и на выходе из сушильного короба; d1, H1, t1, - влагосодержание, теплосодержание, температура, относительная влажность сушильного агента на входе в сушильный короб Исследование процесса охлаждения зерна аэрожелобом проведено на установке, выполненной по схеме, представленной на рис.15.
Рис. 15. Схема охладителя зерна аэрожелобного типа:
7 6 5 3 2 А Б 1- конфузор; 2- выхлопная камера; 3, 14- жалюзийная перегородка; 4- загру* зочная горловина; 5- обратный трубо* провод; 6- переходник; 7- вентилятор;
** 8- опора; 9- переходной патрубок; 10- ** нагнетательный канал; 11- газорас* пределительная решетка; 12- стойка;
13- всасывающий короб; 15- бункер резерва; 16- выпускной лоток; 17- заслонка; А и Б- нагнетательная и вса8 9 11 12 13 14 сывающая зона Конструкция охладителя позволяет проводить охлаждения зерна в две стадии: мягкой и жесткой на участках, расположенных над нагнетательным каналом 10 установки и над всасывающим коробом 13.
В четвертом разделе Результаты лабораторных исследований.
Обоснование конструктивно-технологических параметров аэрожелобных устройств сушки, охлаждения и перемещения зерновых материалов приведены модели регрессии, определяющие: влияние режима работы выпускного устройства, расхода воздуха, влажности зернового вороха на высоту зернового слоя в сушильной камере, величину псевдоожижения зернового вороха, пропускную способность, потери давления в системе и др. Установлено, что в зависимости от технологических режимов работы потери давления могут находиться в диапазоне 430...920 Па. Увеличение влажности зерна приводит к уменьшению потерь давления. В ходе исследований выявлено, что режимы работы закрытых сушильных коробов обуславливают изменение значения коэффициента характеристики сети kс от 168,82 до 1099,98.
Определены рациональные режимы работы последовательно работающих аэрожелобов. В непрерывно-периодическом режиме им соответствует частота вращения ротора шлюзового затвора механизма выпуска зерна nш.к.=45...50 мин-и расход воздуха, подаваемый вентилятором внутрь ВРК сушильного короба Q=1,13...1,20 м3/с. В непрерывном режиме рациональным параметрам соответствуют nш.к. = 8...15 мин-1; Q = 1,40...1,42 м3/с.
Установлено, что скорости движения верхнего и нижнего слоев в аэрожелобе в непрерывном режиме движения зернового слоя колеблются от 1 до 8 мм/с.
Неравномерность смещения слоев в большей степени обуславливается изменением расхода воздушного потока. Факторы - угол наклона перегородки и КЖС жалюзи переливного порога оказались незначительными. Поэтому, при установлении режимов работы сушилок с аэрожелобными коробами необходимо выбирать наибольшие значения расхода агента сушки из рекомендуемого диапазона. Отсюда следует, что аэрожелобная сушилка должна иметь несколько сушильных коробов и камер падающего слоя, в которых зерновые слои меняют свое положение, что реализовано нами при разработке и изготовлении производственных аэрожелобных сушилок.
Установлено, что существенное увеличение толщины слоя зерна происходит при угле наклона грузонесущей перегородки к горизонту 6 градусов и с ростом расхода воздушного потока. Живое сечение переливного порога на заполнение коробов зерном оказывает влияние в меньшей степени. Следовательно, в конструкции аэрожелобных сушилок для изменения толщины продуваемого слоя необходимо предусматривать возможность изменения угла наклона грузонесущей перегородки.
Изучено влияние величины подачи зерна в сушильный короб на характеристики зернового слоя, профиль его поверхности. Полное заполнение зерном площади газораспределительной решётки достигается при подаче зерна 2,5 кг/с.
Волнистость поверхности зернового слоя по длине сушильного короба незначительна и не оказывает существенного влияния на равномерность сушки.
Разработана методика определения порозности слоя в потоке, с помощью которой проанализирована внутренняя структура случайных процессов (рис.16, 17).
0,1 0,o(T) С -0,-0,-T, с 0 12 24 36 а) б) Q=1,06 м3/с; =30%; nш=34 мин-1; Q=1,24 м3/с; =30%; nш=60 мин-1.
Рис. 16. Нормированные корреляционные функции а - о(T) и спектральные плотности б - o(к) процессов 0,0,o(T) С -0,-0,-T, с 0 4 8 12 а) б) Q=1,06 м3/с; =22%; nш=60 мин-1; Q=1,24 м3/с; =14%; nш=60 мин-1.
Рис. 17. Нормированные корреляционные функции а - о(T) и спектральные плотности б - o(к) процессов Сравнительный анализ вида корреляционных функций указывает на значительное увеличение времени корреляционной связи с 1 до 24 секунд, при увеличении влажности зерна от 22 до 30% и расхода воздуха, следовательно, уменьшаются беспорядочные пульсации - процесс псевдоожижения высоковлажного зернового слоя аэрожелобом стабилен, зерновки более равномерно распределены в воздушном потоке. Процесс псевдоожижения зернового слоя низкочастотный с максимумами дисперсий 0,01Е0,2 с-1. Частота среза достигает с=0,02Е0,5 с-1.
Наибольшее влияние на псевдоожижение зернового слоя оказывают работа шлюзового затвора выпускного устройства и влажность зерна, расход воздуха имеет сложное влияние.
Определено влияние влажности зерновки на ее аэродинамические свойства. В ходе корреляционного анализа полученных данных установлено, что имеется сильная корреляционная связь между влажностью и скоростью витания коэффициент корреляции равен 0,95. У геометрических размеров и скорости витания коэффициенты корреляции следующие: между длинной и скоростью витания - 0,93, шириной и скоростью витания - 0,82, толщиной и скоростью витания - 0,77. Анализ частных коэффициентов корреляции свидетельствует о том, что наибольшее влияние на скорость витания при постоянной влажности зерновки оказывает длина зерновки.
В пятом разделе Результаты производственной проверки технологических линий послеуборочной обработки зерна с использованием разработанного оборудования приведены результаты ведомственных испытаний устройства для вентилирования и транспортирования зернового вороха (рис. 18, патент RU № 2140143).
А Рис. 18. Схема устройства для вентилирования и транспортирования зернового вороха:
а- продольный разрез; б- попереч13 ный разрез: 1- вентилятор; 2 и 3- воздухоподводящие патрубки; 4- 7 Г воздухораспределительный канал;
В 16 5- короб; 6- подвижный клапан; 7- Д трособлочная система; 8- стойки; 9- боковины; 10- перфорированные Б стенки; 11- основание; 12- заслонки;
13- тяга; 14- транспортный канал;
15- выпускной лоток; 16- заслонка;
1 4 9 2 6 А 17- выводной патрубок; 18- заслонка а ) Применение предлагаемого устройства позволило:
- выровнять время воздействия воздушного потока на зерновую В В массу;
- интенсифицировать процесс Д Б подсушки зернового вороха. При температуре подогретого воздуха (подогрев от КВ-300ТМ посредством калориферов, установленб) ных в воздухоподводящем патрубке) 27 оС и экспозиции подсушки 6 часов съем влаги составляет 1,3%;
- увеличить производительность аэрожелоба на 3Е4% в процессе выгрузки зерна из приемного отделения;
- предотвратить порчу зерна и повысить качество активного вентилирования - всхожесть и энергию прорастания зерна;
- повысить производительность машин предварительной очистки и сушилки.
В разделе также приведены результаты ведомственных испытаний эффективности сушки зерна на аэрожелобной сушилке. Режимы работы шахтной аэрожелобной сушилки для сушки семенного, продовольственного и фуражного зерна определены графоаналитическим методом. Для этого полученные с помощью ПЭВМ двумерные сечения поверхностей отклика, характеризующие изменения фактических удельных энергозатрат и всхожести зерна от технологических факторов: расхода агента сушки; его температуры; частоты вращения ротора шлюзового затвора выпускного устройства kiуд. = f(Q;t;n), Vs= f(Q;t;n) накла дывали друг на друга в соответствующем масштабе и осях (рис.19).
31 29,1 25,3 15 17-22,5 19 -20 21 -17,5 23 -17,5 27,о Q,м3/с 1,03 t, С 90,--0,83,23,-0,77,2 ---12,21,70,8 -0,87 ---7,-0,64,19,-0,58,-1,03 n,мин 0,76 0,81 -0,87 0,92 0,98 Q,м3/с 1,8 2,08 2,36 2,64 2,92 3,изменение всхожести зерна, %;
удельные энергозатртаты, МДж/кгисп.вл.
-УСеменнойФ режим; -УПродовольственныйФ режим Рис. 19. Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение фактических удельных энергозатрат, всхожести зерна от технологических факторов При определении граничных значений технологических факторов семенного режима руководствовались требованиями ГОСТа на посевные качества семян основных культур (всхожесть и влажность). Для пшеницы мягкой (озимой и яровой) снижение всхожести допускается до уровня 90%, влажность должна быть - 14Е17%. Этим требованиям удовлетворяют следущие значения факторов (рис.
о 19, зона- ): Q=0,76Е0,82 м/с; t=58,0Е64,4 С; n=2,5Е3,2 мин-1. В этих режимах параметры работы одной шахты следующие: фактические удельные затраты - kiуд.=18Е22 МДж/кгисп.в.; возможное изменение всхожести - Vs=0Е-10%;
плановая производительность составляет 0,6Е0,7 пл.т/ч.
Режим сушки продовольственного (фуражного) зерна следующий: (рис. 19, о зона- ): Q=0,97Е1,03 м/с; t=58,0Е64,4 С; n=1,8Е2,08 мин-1. В этих режимах параметры работы одной шахты следующие: фактические удельные затраты (наименьшие) kiуд.=14Е18 МДж/кгисп.в.; возможное изменение всхожести - Vs=0Е-15%; плановая производительность составляет 0,70Е1,1 пл.т/ч. Обна ружено, что качество клейковины при сушке зерна в указанных режимах не снижается, т.к. зерно не нагревается выше 70 оС.
Установлено, что характер влияния режимных параметров на насыщение сушильного агента влагой резко отличается по зонам (каналам) сушки. Насы щение агента сушки влагой повышается на первом сушильном коробе с ростом расхода агента сушки. На остальных сушильных коробах процесс обратный. Температура агента сушки в меньшей степени оказывает влияние на степень насыщения его влагой, чем его расход Q и частота вращения ротора шлюзового затвора nш.к..
Наилучшая отработка сушильного агента получена при частоте вращения ротора шлюзового затвора nш=2,5 мин-1 и температуре сушильного агента t = 90оС.
Повторное использование сушильного агента возможно и необходимо для снижения энергоемкости процесса из всех сушильных коробов (патент №2004111949/06).
Установлены значения технологических факторов для охладителя зерна аэрожелобного типа, при которых достигается наилучший эффект охлаждения:
угол поворота заслонки всасывающего окна вентилятора - 34о; угол наклона жалюзийных пластин выхлопной камеры - 45о и всасывающего короба - 90о. Эффективность снижения температуры зерна обеспечивается агрегатом на 31Е48,2%. Неравномерность распределения температуры между отдельными зерновками, после их охлаждения, снизилась с 6,0 до 2,3 оС.
Шестой раздел лРеализация результатов исследований и их экономическая эффективность посвящен рассмотрению результативности исследований. В нем проведена оценка эффективности применяемых технологий сушки зерна в РФ. Эффективность применения результатов исследований с непосредственным участием автора определена по объектам исследования.
Последовательность нового технологического цикла приема зернового вороха в ТОО Дружба Костромской области заключается в том, что ворох от зерноуборочных комбайнов сбрасывается в приемное отделение, оборудованное системой аэрожелобов, где происходит его подсушка и частичная очистка от легкой примеси. В результате расход топлива при работе зерносушилки СЗСБ-снизился с 9,3Е10,7 кг/(тч) до 8,1Е8,7 кг/(тч) при начальной влажности вороха 21,5Е23%. Применение приемного отделения с аэрожелобами и рассекателем в технологической линии послеуборочной обработки зерна позволило повысить всхожесть и энергию прорастания зерна на 1,5Е2%, ускорить сроки уборки на 5Е10 дней, а также снизить себестоимость его обработки.
Экономическая эффективность от применения аэрожелобных сушилок:
1. В 1995-1996 гг. разработана и внедрена технология послеуборочной обработки семян зерновых культур в АОЗТ Земледелец Ивановской области. При непосредственном участии автора было смонтировано следующее оборудование:
приемное отделение с аэрожелобами вместимостью 50 т; ворохоочиститель ОВП-20; зерносушилка аэрожелобного типа с обособленными сушильными коробами (патент № 2135916 F 26 B 17/26); машина первичной очистки СМ-4; система вентиляции и освещения зернотока. Проведены пусконаладочные работы всей технологической линии. В результате проведенной работы предприятие получило возможность проводить послеуборочную обработку на своем зерноочистительно-сушильном пункте, а также повысить всхожесть и энергию прорастания зерна по сравнению с предыдущими годами на 3% (с 87 до 90%).
2. Внедрение односекционной универсальной сушилки, выполненной по патенту РФ № 2151983 F 26, в зерночистительно-сушильный комплекс ЗАО СП Меленковский Ярославской области позволило предприятию снизить удельные энергозатраты на сушку (по зерну) на 10...15% по сравнению с сушкой на имеющейся в хозяйстве шахтной сушилке СЗШ-16; снизить засоренность зернового вороха на 3...4% при начальной засоренности 6...7% и повысить качество семян на 1,0...1,5%. Дополнительная прибыль при использовании шахтной аэрожелобной сушилки от экономии топлива составляет - 14,7 руб/(пл. т), от повышения качественных показателей зерна - 3,1 руб/(пл. т).
3. На внедренной шахтной аэрожелобной сушилке СУША-4 (патент №2004111949/06) в СПК имени М. Горького Костромской области за три уборочных сезона было высушено более 850 тонн семян различных культур: пшеницы, ржи, ячменя, овса, рапса. По отзывам специалистов, сушилка работает стабильно, без нарушений технологического процесса, эффективно работает система очистки воздушного потока сушилки от легких примесей. Снижения качественных показателей семян в процессе сушки не наблюдается, имеет место повышение всхожести семян до 2% по окончании периода послеуборочного дозревания.
Экономическая эффективность от применения охладителя зерна аэрожелобного типа (патент 2249967 С2) достигается за счет реконструкции охладительных камер сушильных агрегатов - перевода их в сушильные камеры и сохранения качественных показателей зернового вороха после его сушки. При охлаждении зерновок, в процессе их транспортирования после сушки охладителем зерна аэрожелобного типа происходит выравнивание по влажности отдельных зерновок в объеме слоя и дополнительный съем влаги с зерновой массы, составляющий 0,2Е0,4%, что является важным резервом в повышении пропускной способности зерносушильных агрегатов.
Воздействие воздушного потока (агента охлаждения) на транспортируемый после сушки зерновой ворох оказывает благотворное влияние на качественные показатели семян - увеличение всхожести достигает 1%, энергия прорастания - 1Е2%. Пропускная способность шахтных зерносушилок (например, М-819) может быть увеличена до 38%.
Оценка эффективности применения различных технологий сушки зерна проведена по двум методикам: с помощью энергетического анализа - в соответствии с методическим пособием по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части РФ (таблица 2) и с помощью экономического анализа по методике определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники, а также с использованием стандарта отрасли ОСТ 10 2.18-2001 - Методы экономической оценки.
Исходные данные для расчета взяты из протоколов государственных, приемочных испытаний сушилок Кировской, Сибирской, Поволжской, Центрально-Черноземной МИС.
Системный анализ показал, что приводящиеся в литературе и в отчетах МИС данные по расходу топлива (кг/пл.т) не могут быть использованы при срав нительной оценке технических характеристик различного типа сушилок, т.к.
данные приводятся без перерасчета к нормальным условиям - температуре +о С и давлении 99,085 кПа (требования СТО АИСТ 10.1-2004). Поэтому удельное Gп.т.
количество топлива, затрачиваемое на сушку зерна, кгч/пл.т, рассчитано по выражениям (26-28):
Qп mв Еn.т. =, (26) W где Еn.т. - прямые удельные затраты энергии топлива, МДжч/пл. т;
Qп - приведенный расход теплоты на испарение 1 кг влаги, МДж/кг;
mв - масса испаренной влаги в сушилке, кг.
Масса испаренной влаги в сушилке определена по следующей зависимости mв = W mв. уд.
, (27) mв. уд. mв.уд.
где - количество испаряемой влаги в час с плановой тонны, =69,8 кгч/пл.т.
Gп.т.
Удельный расход печного топлива определен как Еп.т.
Gп.т. =, (28) Еп.топл.
где Еп.топл. - теплотворная способность печного топлива, МДж/кг.
В ходе сравнительного энергетического анализа установлено, что наименьшие общие удельные затраты на сушку зерна в продовольственном режиме работы у конвейерной сушилки УСК-8 (производитель ООО Посейдон, г. Москва). Разработанная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е место, уменьшение затрат при ее эксплуатации по сравнению с другими сушилками составляет 9,4Е17,4%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 91,1до 184,5 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
На семенном режиме наименьшие общие удельные затраты на сушку зерна обеспечивает аэрожелобная сушилка САУ-6 (разработчик - малое предприятие Содействие, г. Киров) и шахтная С-10 (разработчик - ПО Кировагропромтехника), уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 1,3Е10,5%, а годовая экономия совокупных затрат энергии от 15,6 до 138,1 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
В ходе сравнительного экономического анализа установлено, что наименьшая удельная себестоимость сушки зерна в продовольственном режиме работы у барабанной сушилки СЗБ-10. Разработанная аэрожелобная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е место, уменьшение удельной себестоимости сушки зерна по сравнению с другими сушилками составляет 4,7Е11,7%, а годовая экономия себестоимости сушки - от 23,7 до 63,8 тыс. руб.
при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
Таблица 2. Результаты сравнительного энергетического анализа сушки зерна в сушилках Годовая эко- Прямые Режим Степень изме- Общая Прямые Энергономия сово- удельные Энергоем- Энергоем- Энергоем-ЭнергоемП- продо- нения затрат удельная удельные затраты купных затрат затраты кость кость элек- кость кость вольс- при эксплуа- энергоем- затраты элек- живого №№ Тип сушилки энергии при энергии топлива, троэнергии зданий сушилки твенный, тации в срав- кость про- троэнергии труда использовании топлива Еот, Еоэ, Езд, Ем, С - се- нении с цесса Е, Еnэ, Еж, СУША-4, Еnт, МДж/пл.т МДж/пл.т МДж/ч МДж/ч менной СУША-4 МДж/пл.т МДж/пл.т МДж/ч ГДж/год МДж/пл.т 1 УСК-8 (конвейерная) П -92,8 -11,8 490,7 300,1 13,3 70,3 32,2 1,3 39,2 662,2 СУША-4 (шахтная аэрожелобная) П - - 548,7 329,1 25,4 77,1 61,3 1,3 4,4 211,3 С-10 (шахтная) П 91,1 9,4 605,6 319,8 15,3 74,9 37,0 1,3 0,0 1839,4 СКУ-10 (карусельная) П 100,3 10,2 611,3 404,8 16,9 94,8 40,9 1,3 22,1 407,5 СЗБ-10 (барабанная) П 123,6 12,3 625,9 409,0 16,5 95,8 39,9 1,3 21,4 699,6 СЗТ-5 (колонковая) П 123,9 12,4 626,1 363,7 30,7 85,2 74,1 1,3 0,0 375,7 СКУ-5 (конвейерная) П 163,0 15,7 650,6 407,8 25,2 95,5 60,9 1,3 10,4 331,8 СоСС-6 (сотовая) П 184,5 17,4 664,0 405,2 12,5 94,9 30,1 1,3 0,0 1030,9 САУ-6 (аэрожелобная) С -110,7 -10,4 664,8 475,8 8,3 111,4 20,0 1,3 5,7 102,10 С-10 (шахтная) С -54,8 -4,9 699,7 301,2 20,1 70,5 48,6 1,3 0,0 1839,11 СУША-4 (шахтная аэрожелобная) С - - 734,0 390,3 44,6 91,4 107,9 1,3 4,4 211,12 УСК-8 (конвейерная) С 15,6 1,3 743,7 462,8 18,4 108,4 44,4 1,3 39,2 662,13 СЗТ-5 (колонковая) С 46,2 3,8 762,9 425,6 42,1 99,7 101,8 1,3 0,0 375,14 СЗК (карусельная) С 66,8 5,4 775,7 392,6 33,8 91,9 81,8 1,3 69,1 1155,15 УСК-2 (конвейерная) С 102,6 8,0 798,1 520,1 13,3 121,8 32,2 1,3 10,8 441,16 СКУ-10 (карусельная) С 134,3 10,3 817,9 520,5 26,6 121,9 64,4 1,3 22,1 407,17 СБВС-5 (бункерная) С 135,1 10,3 818,4 414,8 51,9 97,1 125,5 1,3 35,2 1269,18 СТ-50 (траншейная) С 138,1 10,5 820,3 519,8 36,0 121,7 87,0 1,3 27,5 206, На семенном режиме наименьшая удельная себестоимость сушки зерна в сушилках СБВС-5, С-10, СЗТ-5, СТ-50. Уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 0,1Е17,8%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 1 до 150,8 тыс. руб. при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
Установлено, что себестоимость сушки семенного зерна выше в 1,2Е1,раза, чем продовольственного. Основные статьи затрат в себестоимости сушки зерна при его обработке в различных сушилках следующие: 43Е73% - себестоимость топлива, 12Е30% - амортизационные отчисления, 8Е17% - затраты на техническое обслуживание и ремонт.
Проведенный анализ использования различных технологий сушки зерна свидетельствует, что доля затрат на сушку в себестоимости производства зерна составляет от 8 до 9% на продовольственном режиме и от 9 до 14 % на семенном (при себестоимости производства зерна в Костромской области в 2006 г.
3,81 руб/кг).
Вместе с тем результаты энергетического и экономического анализа отличаются. Например, сушилка СБВС-5 при энергетическом анализе занимает предпоследнюю строчку в рейтинге, а при экономическом - первую. Причина - различный подход предприятий-изготовителей к определению стоимости сушилок. По этой причине, эффективность, технический уровень машины более объективно оценивается в ходе энергетического анализа.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Установлено, что снизить потери урожая, сохранить качественные показатели зерна и повысить надежность технологических процессов послеуборочной обработки зерна возможно путем применения в технологических линиях аэродинамических устройств, обладающих высокой эксплуатационной надежностью, минимальным количеством движущихся частей, простотой конструкции и компактностью. Вместе с тем, существующим конструкциям аэрожелобных устройств присущи общие недостатки: неодинаковое время воздействия воздушного потока на зерновой ворох, поступающий на обработку в приемные отделения;
быстрый нагрев материала до предельной температуры при незначительном влагосъёме; энергозатраты на сушку в 2-3 раза выше, чем в шахтных установках;
хаотичное движение зерна в камерах, приводящее к его неравномерному нагреву (охлаждению) и сушке.
2. Разработан термодинамический метод расчета производительности, энергозатрат и КПД различных сушилок, исключающий применение диаграммы тепловлажностного состояния воздуха и четко объясняющий роль каждого фактора процесса, позволяющий оперативно проводить сравнительные исследования различных технологий сушки, проверять результаты проведения испытаний сушилок и др. Теоретические расчеты показали, что наибольшим КПД обладают шахтные сушилки - 78Е85% (С-10, М-819) и аэрожелобные - 88% (САУ-6).
3. Значительной экономии энергии на сушку возможно достичь при двухчетырехкратном повторном использовании сушильного агента. Экономичность сушки и эффективность повторного использования воздуха улучшается с увеличением температуры агента сушки и может достигать 52%.
Удельные энергозатраты на сушку незначительно растут при увеличении расхода воздуха на сушку - на 0,2Е0,4 МДж/(кг исп. вл.) для температур его нагрева от 80 оС и выше. При изменении сопротивления сети с 0,5 до 3 кПа энергозатраты значительно возрастают - на 0,7Е1,9 МДж/(кг исп. вл.).
4. Установлены зависимости изменения геометрических размеров зерна от его влажности, им присущ нелинейный характер. При увеличении влажности зерна с 15 до 25% его эквивалентный диаметр увеличивается до 3,5% при дальнейшем увеличении влажности до 30% - на 7,5%. Скорость витания зерна возрастает с увеличением его влажности. Изменение влажности пшеницы с 14 до 34% приводит к увеличению скорости витания зерна до 2 м/с.
Установлено, что зерно при непрерывном перемещении в аэрожелобе смещается послойно с различной скоростью - от 1 до 8 мм/с, возрастающей от нижнего слоя к его поверхности. Угол изменения скорости смещения зерновых слоев по высоте в этом режиме изменяется в диапазоне от 0,5 до 8,7 градусов.
Скорости перемещения компонентов зернового вороха неодинаковые.
Основное влияние на неравномерность смещения слоев оказывает расход воздушного потока и динамика движения зерна. Аэрожелоба должны работать в области наибольших значений рекомендуемых диапазонов расхода агента сушки в непрерывно-периодическом режиме работы выпускного устройства. Аэрожелобные сушилки должны иметь несколько сушильных коробов и камер падающего слоя для смены положений зерновых слоев.
5. Разработана методика определения порозности слоя в потоке (патент 65629 РФ, МПК F 26 B 9/06), с помощью которой проанализирована внутренняя структура случайных процессов при работе аэрожелобного сушильного короба.
Сравнительный анализ вида корреляционных функций указывает на значительное увеличение времени корреляционной связи (с 1,2 до 24 секунд), при увеличении влажности зерна с 22 до 30% и расхода воздуха, что указывает на уменьшение беспорядочных пульсаций - процесс псевдоожижения высоковлажного зернового слоя аэрожелобом стабилен, зерновки более равномерно распределены в воздушном потоке. Процесс псевдоожижения зернового слоя низкочастотный с максимумами дисперсий 0,01Е0,2 с-1. Частота среза достигает с=0,02Е0,5 с-1.
6. На основании теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса аэрожелоба получены математические модели (2Е5, 8Е11, 22Е24) для определения конструктивно-технологических параметров сушилок, охладителя зерна аэрожелобного типа, учитывающие физико-механические свойства зернового вороха.
7. Разработано и внедрено в производство устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха (патент № 2140143 С1 А01 F 25/08), позволяющее увеличить производительность аэрожелоба на 3Е4% в процессе выгрузки зерна из приемного отделения, выровнять время воздействия воздушного потока на зерновую массу, исключить образование застойных зон и слёживаемость зернового вороха, интенсифицировать процесс подсушки зернового вороха - увеличить съем влаги до 0,22 %/ч при средней температуре воздуха 27 оС.
Разработаны и внедрены в производство аэрожелобные сушилки: с обособленными сушильными коробами (патент № 2135916 F 26 B 17/26), односекционная универсальная сушилка (патент РФ № 2151983 F 26), шахтная аэрожелобная сушилка СУША-4 (патент №2004111949/06), для которых определены основные конструктивно-технологические параметры. Граничные значения технологических факторов семенного режима шахтных сушилок следующие: расход сушильного агента Q=0,76Е0,82 м3/с; температура сушильного агента t=58,0Е64,4оС; частота вращения ротора шлюзового затвора nш=2,5Е3,2 мин-1.
На продовольственном режиме: Q=0,97Е1,03 м/с; t=58,0Е64,4оС; nш=1,8Е2,08 мин-1.
Установлено, что повторное использование сушильного агента возможно из всех сушильных коробов, наилучшая отработка сушильного агента достигается при частоте вращения ротора шлюзового затвора nш=2,5 мин-1 и температуре сушильного агента t = 90оС.
8. Разработан, изготовлен и внедрен в производство выгрузной рабочий орган - охладитель зерна аэродинамического типа (патент № 2249967 С2), для которого определены значения основных технологических факторов: угол поворота заслонки всасывающего окна вентилятора - 34о; угол наклона жалюзийных пластин выхлопной камеры - 45о, всасывающего короба - 90о. Установлено, что эффективность снижения температуры зерна обеспечивается агрегатом на 31Е48,2%. Неравномерность распределения температуры между отдельными зерновками после их охлаждения снижается с 6,0 до 2,3 оС.
9. Обнаружено, что приводящиеся в литературе и в отчетах МИС данные по расходу топлива (кг/пл. т) не могут быть использованы при сравнительной оценке технических характеристик различного типа сушилок, т.к. они приводятся без перерасчета к нормальным условиям. С этой целью данный показатель необходимо определять по приведенному расходу теплоты на сушку с учетом количества испаряемой влаги в час с плановой тонны и теплотворной способности топлива.
В ходе сравнительного энергетического анализа установлено, что наименьшие общие удельные затраты на сушку в продовольственном режиме работы у конвейерной сушилки УСК-8 (производитель ООО Посейдон г. Москва).
Разработанная сушилка СУША-4 в рейтинговом списке занимает 2-е место, уменьшение затрат при ее эксплуатации по сравнению с другими сушилками составляет 9,4Е17,4%, а годовая экономия совокупных затрат энергии - от 91,1до 184,5 ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл.т. На семенном режиме наименьшие общие удельные затраты на сушку зерна обеспечивает аэрожелобная сушилка САУ-6 (разработчик - малое предприятие Содействие, г. Киров) и шахтная С-10 (разработчик - ПО Кировагропромтехника), уменьшение затрат при эксплуатации СУША-4 по сравнению с другими сушилками составляет 1,3Е10,5%, а годовая экономия совокупных затрат энергии от 15,6 до 138,ГДж/год при годовом объеме продукции 1600 пл. т.
10. Установлено, что в себестоимости производства зерна затраты на сушку при использовании различных технологий сушки составляют от 8 до 9% на продовольственном режиме и от 9 до 14% на семенном (для Костромской области). Отсюда вытекает, что затраты на сушку зерна при использовании различных сушилок, выпускаемых в нашей стране отличаются незначительно. Себестоимость сушки семенного зерна выше в 1,2Е1,55 раза, чем продовольственного.
11. Обнаружено, что результаты проведенного энергетического и экономического анализа применения различных технологий сушки зерна отличаются вследствие различного подхода предприятий-изготовителей к определению стоимости сушилок. По этой причине эффективность, технический уровень машины более объективно оценивается в ходе энергетического анализа.
Сельскохозяйственным предприятиям при выборе сушильной техники предпочтения следует отдавать сушилкам, качественно выполняющим процесс сушки, удобным в эксплуатации (имеющим наилучшую автоматизацию процесса), простым в монтаже.
Разработанные с участием автора технические средства представлены в завершенном виде, пригодном для практического использования в производстве, прошли производственную проверку, ведомственные, приемочные испытания.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 76 работах, основные из них следующие:
1. Волхонов, М.С. Работа аэрожелоба в режимах сушки семян зерновых культур [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, В.С. Крутов // Концепция развития механизации, электрификации и автоматизации агропромышленного комплекса Северо-Востока: Материалы науч.-практ. конф. (2-4 декабря 1997 г.).
НИИСХ С.-В. - Киров, 1998. - С. 58-59.
2. Волхонов, М.С. Влияние содержания сорных примесей в просушиваемом зерновом ворохе на производительность зерносушилки и энергозатраты [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: Материалы юбилейной межвуз. науч.-практ. конф. Костромской ГСХА. - Кострома, 1999. - Том 1. - С. 151-153.
3. Волхонов, М.С. Влияние режимных параметров аэрожелобной зерносушилки на состояние слоя зерна в сушильной камере [Текст] / Е.М. Зимин, М.С.
Волхонов, С.А. Полозов и др. // Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики: Материалы междунар. науч.- практ. конф., посвященной 70-летию МГАУ; МГАУ. - М., 2000. - Ч. 2. - С. 110-112.
4. Волхонов, М.С. Исследование влияния режима работы выпускного устройства, расхода воздуха влажности зернового вороха на пропускную способность аэрожелоба [Текст] / М.С. Волхонов, С.А. Полозов // Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве: Сб. науч.
тр. 11-й науч.-практ. конф. вузов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны РФ. Рязанская ГСХА. - Рязань, - 2000. - С. 18-20.
5. Волхонов, М.С. Воздухоподогреватели на твердом топливе [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов // Сельский механизатор. - 2000. - № 3. - С. 34-35.
6. Волхонов, М.С. Динамика движения зерна в аэрожелобной зерносушилке [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, С.А. Полозов // Сб. науч. тр. Костромской ГСХА. - Кострома, 2000. - Вып. 58. - С. 25-29.
7. Волхонов, М.С. Методы исследования влияния состояния зернового слоя в аэрожелобной зерносушилке на энергетические показатели ее работы [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, В.С. Крутов и др. // Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России: Материалы II-й Междунар. науч.-практ. конф. НИИСХ С.-В. - Киров, 2001. - Том 2. - С. 82-89.
8. Волхонов, М.С. Исследование влияния режимных параметров на энергоемкость процесса сушки шахтно-аэрожелобной зерносушилкой [Текст] / М.С.
Волхонов, С.А. Полозов, В.С. Крутов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: Материалы юбилейной межвуз. науч.-практ. конф.
Костромской ГСХА. - Кострома, 2001. - Том 2. - С. 42-43.
9. Волхонов, М.С. Модернизация сушилки [Текст] / М.С. Волхонов, А.В.
Орехов, А.В. Косарев // Сельский механизатор. - 2002. - № 6. - С. 4-8.
10. Волхонов, М.С. Исследование распределения скоростей воздушного потока сушильным коробом аэрожелобной зерносушилки с чешуйчатой перегородкой [Текст] / М.С. Волхонов, С.А. Полозов // Сб. науч. тр. Костромской ГСХА. - Кострома, 2002. - Вып. 60. - С. 58-64.
11. Волхонов, М.С. Определение области рационального сочетания параметров аэродинамической установки закрытого типа в непрерывнопериодическом и непрерывном режимах ее работы [Текст] / М.С. Волхонов // Актуальные проблемы науки в АПК: Тез. докл. межвуз. науч.-практ. конф. - Кострома: Костромская ГСХА, 2002. - Том 2. - С. 48-50.
12. Волхонов, М.С. Влияние технологических и конструктивных параметров шахтной зерносушилки М-819 на пропускную способность после ее реконструкции [Текст] / М.С. Волхонов, И.Б. Зимин // Сб. науч. тр. Костромской ГСХА.- Кострома, 2002. - Вып. 60. - С. 45-49.
13. Волхонов, М.С. Аэродинамический выгрузной рабочий орган - охладитель зерна для зерносушилок шахтного типа [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин // Совершенствование средств механизации и технического обслуживания в АПК: Тр. междунар. науч.-практ. конф. Чувашской ГСХА. - Чебоксары, 2003. - С. 105-111.
14. Волхонов, М.С. Определение допустимых отклонений геометрических размеров газораспределительных каналов сушилки [Текст] / Е.М. Зимин, М.С.
Волхонов, С.А. Полозов // Актуальные проблемы инженерного обеспечения в АПК: Сб. науч. тр. междунар. науч. конф. Ярославской ГСХА. - Ярославль, 2003. - Ч. 3. - C. 155-158.
15. Волхонов, М.С. Результаты производственных испытаний охладителя зерна аэрожелобного типа [Текст] / М.С. Волхонов, И.Б. Зимин // Актуальные проблемы науки в АПК: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Кострома, 2004. - Том 3. - С. 25.
16. Волхонов, М.С. Результаты лабораторных исследований работы охладителя зерна аэрожелобного типа [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин // Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК: Сб. науч. тр. междунар. науч. конф. Ярославской ГСХА. - Ярославль, 2004. - Том 3. - С. 58-62.
17. Волхонов, М.С. Поменяли местами - и зерно сухое: реконструкция зерносушилок шахтного типа [Текст] / В.В. Морозов, Е.М. Зимин, М.С. Волхонов и др. // Сельский механизатор. - 2004. - № 2. - С. 19.
18. Волхонов, М.С. Использование аэрожелобной шахтной сушилки для сушки семян мелкосеменных культур [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, С.А.
Полозов, Н.А. Королев // Актуальные проблемы науки в АПК: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Кострома, 2005. - Том 3. - С.29-30.
19. Волхонов, М.С. Экономическое обоснование эффективного использования агрегатов для послеуборочной обработки зерна с учетом возможности увеличения качества семенного материала [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин, Д.С. Корнышев // Мат. науч.-практ. конф. молодых ученых Великолукской ГСХА. - Великие Луки, 2006. - С. 141-144.
20. Волхонов, М.С. Обоснование эффективности применение рециркуляции сушильного агента [Текст] / М.С. Волхонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007 - № 4. - С. 12-14.
21. Волхонов, М.С. Влияние технологических факторов и конструктивных параметров сушильного короба на силу трения зерна в слое [Текст] / М.С.
Волхонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2007. - № 5. - С. 8-9.
22. Волхонов, М.С. Режимы работы шахты аэрожелобной сушилки для зерна [Текст] / М.С. Волхонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 9. - С. 9-11.
23. Волхонов, М.С. Зависимость смещения слоев зерна в сушильных коробах аэрожелобной зерносушилки от конструктивных и технологических факторов [Текст] / М.С. Волхонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2007. - № 10. - С. 12-13.
24. Волхонов, М.С. Экспресс - метод определения степени ожижения зернового слоя [Текст] / М.С. Волхонов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2007. - № 2. - С. 53-55.
25. Волхонов, М.С. Влияние влажности зерновки на ее аэродинамические свойства [Текст] / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, Н.А. Королев // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2007. - № 1. - С. 80-82.
26. Волхонов, М.С. Работа воздушного потока в аэродинамической системе аэрожелобной зерносушилки [Текст] / М.С. Волхонов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2007 - № 2. - С. 84-86.
27. Волхонов, М.С. Определение изменения влажности зерна при его движении по газораспределительным коробам аэрожелобной зерносушилки [Текст] / М.С. Волхонов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2007. - №. 3. - С. 65-67.
28. Волхонов, М.С. Обоснование конструктивных параметров переливного порога сушильного короба аэрожелобной зерносушилки [Текст] / М.С. Волхонов, С.А. Полозов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2007. - № 3. - С. 67-71.
29. Волхонов, М.С. Термодинамический метод расчета производительности, энергозатрат и КПД сушилок [Текст] / М.С. Волхонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 9. - С. 34.
30. Волхонов, М.С. Технологические факторы и состояние зернового слоя при его обработке в аэрожелобе [Текст] / М.С. Волхонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 10. - С. 26-27.
31. Пат. 2135916 Российская Федерация, МПК 6 F 26 B 17/26. Аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов [Текст] / Зимин Е. М., Волхонов М. С., Сидоров С. И., Волхонов С. С., Березовский Г. С. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 97113906/06; заявл.
06.08.97 ; опубл. 27.08.99, Бюл. № 24. - 5 с. : ил.
32. Пат. 2140143 Российская Федерация, МПК6 6 А 01 F 25/08, В 65 G 53/20. Устройство для вентилирования и транспортирования зернового вороха [Текст] / Зимин Е. М., Березовский Г. С., Крутов В. С., Иванов С. В., Волхонов М. С. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 98106649/13 ; заявл. 30.03.98 ; опубл. 27.10.99, Бюл. № 30. - 4 с.
33. Пат. 2151983 Российская Федерация, МПК7 F 26 B 3/08. Способ сушки сельскохозяйственных продуктов [Текст] / Зимин Е. М., Крутов В. С., Волхонов М. С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 98105188/06(005259) ; заявл. 17.03.98 ; опубл. 27.06.00, Бюл. № 18. - 5 с. : ил.
34. Пат. 2168685 Российская Федерация, МКИ 7 F 26 B 17/10, 25/10. Газораспределительная решетка аэродинамического желоба для сушки сыпучих материалов [Текст] / Зимин Е. М., Крутов В. С., Плозов С. А., Волхонов М. С., Орехов А. В., Березовский Г. С. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 99125365/06 ; заявл. 30.11.1999 ; опубл. 10.06.2001, Бюл. № 16. - 3 с. : ил.
35. Пат. 2176059 Российская Федерация, МПК F 26 B 17/04. Конвейерная многозонная сушилка для сушки сыпучих и плохосыпучих материалов [Текст] / Зимин Е. М., Орехов А. В., Волхонов М. С., Крутов В. С., Полозов С. А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 2000100202/06 ;
заявл. 10.01.2000 ; опубл. 20.11.2001, Бюл. № 32. - 8 с. : ил.
36. Пат. 2249967 Российская Федерация, МПК7 А 23 B 9/10, F 26 В 3/08.
Способ охлаждения сельскохозяйственных продуктов после сушки [Текст] / Зимин Е. М., Волхонов М. С., Крутов В. С., Полозов С. А., Зимин И. Б. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - № 98105188/06(005259) заявл. 05.08.2002 ; опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11. - 5 с. : ил.
37. Пат. 2275566 Российская Федерация, МПК F 26 B 17/16. Аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов [Текст] / Зимин Е. М., Волхонов М. С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА.- № 2004111949/06 ; заявл. 19.04.2004; опубл. 10.10.05, Бюл. №12. - 4 с. : ил.
38. Пат. на полезную модель 65629 Российская Федерация, МПК F 26 B 9/06. Установка для исследования аэродинамического сопротивления сыпучих и плохосыпучих материалов [Текст] / Зимин Е. М., Волхонов М. С., Зимин И. Б., Королев Н. А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА.- № 2007104569/22 ; заявл. 06.02.2007 ; опубл. 10.08.2007, Бюл. № 22. - 2 с. : ил.
39. Пат. на полезную модель 68479 Российская Федерация, МПК B65D 88/72. Вентилируемый бункер для зерна [Текст] / Зимин Е. М., Волхонов М. С., Зимин И. Б., Королев Н. А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА. - №2007122637/22 ; заявл. 15.06.2007 ; опубл. 27.11.2007, Бюл.
№ 33. - 2 с. : ил.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям