Имитационное моделирование процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор технических наук Манасян, Сергей Керопович

• Манасян, Сергей Керопович
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Манасян, Сергей Керопович

Введение

Глава 1. Анализ состояния проблемы сушки зерна и постановка задач исследования.

1.1. Анализ технологических методов и средств сушки в поточной комплексной организации послеуборочной обработки зерна.

1.2. Конструктивные особенности сушильных камер зерносушилок сельскохозяйственного назначения и тенденции их развития.

1.3. Свойства зерна как объекта сушки.

1.4. Сушка зерна при различных состояниях зерновых слоёв.

1.5 Обзор и анализ математических моделей процессов сушки в зерносушилках сельскохозяйственного назначения.

1.6 Выводы.

Глава 2. Имитационное моделирование процессов сушки зерна

2.1. Модель функционирования сушильных установок сельскохозяйственного назначения.

2.2. Методика построения математической модели функционирования сушильной камеры зерносушилки.

2.3. Разработка системы имитационных моделей процессов сушки зерна

2.4. Адаптация системы моделей к условиям технической эксплуатации зерносушилок.

2.5. Выводы.

Глава 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований процессов сушки зерна.

3.1. Разработка этапов и программы экспериментальных исследований.

3.2. Техническое обеспечение и обоснование способов организации экспериментальных исследований системы сушки.

3.3. Методика оценки непрерывно изменяющихся параметров влажности и температуры в сушильной камере.

3.4. Организация лабораторных исследований по определению тепло-влагообменных характеристик распределения зерновых слоёв в сушильной камере.

3.5. Обоснование численных экспериментов с сушильной системой

3.6. Выводы.

Глава 4. Результаты натурных, лабораторных и численных экспериментов процесса сушки зерна.

• 4.1. Анализ степени взаимодействия параметров состояний системы сушки зерна.

4.2. Определение числовых характеристик входных и выходных параметров системы имитационных моделей.

4.3. Оценка расхождения теоретических и экспериментальных параметров предлагаемой системы сушки зерна.

4.4. Аппроксимация передаточных функций для шахтной и барабанной сушилок.

4.5 Определение оптимальных динамических режимов системы сушки, регулирующих распределение температуры и влажности в зерновых слоях.

4.6 Обоснование качественных технологических приёмов, обеспечивающих эффективность сушки зерна.

4.7 Выводы.

Глава 5. Алгоритмы идентификации имитационных моделей процессов сушки зерна в сушильных камерах зерносушилок сельскохозяйственного назначения.

5.1. Функциональная идентификация по плотности потока массобмена в сушильной камере.

5.2. Исследование области допустимых параметров алгоритмов идентификации, имитирующих физические характеристики взаимодействия зернового материала с агентами сушки.

5.3. Исследование математической и физической корректности моделей

5.4. Разработка физических и математических критериев подобия систем сушки при различных типах зерносушилок.

5.5. Моделирование передаточных функций системы сушки зерна, формируемых в различных типах зерносушилок.

5.6. Влияние начальных данных на статистическую устойчивость системы сушки зерна.

5.7. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Имитационное моделирование процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения»

Одной из важнейших задач, обеспечивающих продовольственную безопасность страны, является увеличение производства зерна за счет сокращения производственных потерь зернового подкомплекса АПК, улучшения качества послеуборочной обработки. Особое значение имеет технология сушки, которая в природно-климатических зонах с повышенным увлажнением является наиболее проблемным звеном в послеуборочной обработке зерна. Сушка зерна при правильной организации позволяет повысить качество и сохранить огромный объем продукции. В Красноярском крае значительная часть зерносушилок устарела как физически, так и морально, эксплуатируется с перерасходом топлива и с производительностью ниже паспортных показателей. Не всегда удовлетворяются и агротехнические требования для шахтной, барабанной и других типов зерносушилок, в своем большинстве использующих статический способ сушки.

Изучение вопроса совершенствования процесса сушки зерна на основе аналитических методов отражено в работах отечественных и зарубежных ученых: В.П. Горячкина, В.Г. Антипина, А.Б.Лурье, A.B. Лыкова, В.И. Анискина, A.B. Авдеева, Н.М. Андрианова, В.А. Резчикова, Н.В. Цугленка, В. Мальтри, Л. Отена, Л. Пабиса, Е.А.Смита и др.

Перспективными направлениями, позволяющими сбалансировать основные составляющие процессов тепломассообмена, связанные с взаимодействием зерна с тепловой и охлаждающей энергией являются использование позонного способа сушки и системообразующих элементов сушильных установок. Они предусматривают распределенное управление и дифференцированные режимы за счет блочно-модульной конструкции зерносушилок с разными типами внут-риконструкционных элементов отдельных блоков и раздельной напорно-распределительной системой отдельных модулей. Эти две группы важнейших параметров, позволяющих соблюдать необходимую скорость и режим продвижения зерна, температурный и динамический режимы, необходимо привести в соответствие с принципами многофункциональности, синергизма и системного моделирования машин и технологий в АПК. В системной постановке они связаны с показателями эффективности процесса сушки зерна.

Отсутствие единой структурной теории функционирования зерносушилок, позволяющей строить многоуровневые модели процесса сушки исходя из положений методологии энергетических и материальных балансов и критериев, сдерживает развитие научно-технического прогресса в области зерносушиль-ной техники. Исследования по имитационному моделированию процессов сушки зерна на основе системно-энергетической имитации ранее не выполнялись.

Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001-2005 гг., координационным планом НИР СО Россельхозакадемии на 2006-2010 гг. и планами НИР КрасГАУ 1986.2008 гг.

Цель работы. Разработка имитационных моделей процессов сушки зерна для снижения энергетических затрат в зерносушилках с.-х. назначения.

Объект исследований. Процессы сушки зерна в шахтных, барабанных, камерных и бункерных зерносушилках.

Предмет исследования. Закономерности формирования, изменения и взаимосвязь технологических и технико-экономических показателей, параметров, режимов, и производственных условий при использовании различных схем функционирования зерносушильных комплексов.

Для реализации цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ состояния вопроса по моделированию процессов сушки зерна для повышения эффективных качественных показателей функционирования зерносушилок с.-х. назначения и снижения энергозатрат.

2. Разработать имитационные модели процесса сушки зерна в зерносушилках с.-х. назначения и методику их идентификации для конкретной сушилки и вида зерна.

3. Провести экспериментальные исследования процесса сушки зерна для настройки имитационных моделей сушильных зон и камер в существующих и предлагаемых позонных зерносушилках блочно-модульной конструкции.

4. Провести численный эксперимент и имитацию процессов сушки зерна с адаптацией к опытным данным.

5. Разработать модели и алгоритмы идентификации и оптимального управления процессов позонной сушки зерна.

6. Получить оценки технологической и технико-экономической эффективности дифференцированных режимов позонного способа сушки зерна.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа, имитационного моделирования, идентификации, алгоритмизации и оптимизации, положения теории тепломассопереноса и теории сушки коллоидных капиллярнопористых тел, математической статистики, статистической динамики с.-х. машин и агрегатов.

При проведении экспериментальных исследований за основу были приняты методики проведения опытов и испытаний зерносушилок, государственные и отраслевые стандарты, требования и нормы метрологии, контроля качества технологических процессов, планирования экспериментов, теории подобия и моделирования.

Научная новизна. Разработана имитационная модель процесса сушки зерна в типовых слоях; методология построения обобщенных моделей зерносушилок с.-х. назначения с заданными условиями однозначности, их корректного упрощения и использования для осуществления технологических процессов сушки, отволаживания, нагрева, вентилирования и охлаждения. Разработаны методики настройки имитационных моделей; программы численной реализации по уровням их построения и стадиям идентификации; алгоритмы вычисления коэффициентов характеристических уравнений и передаточных функций непосредственно через модельные параметры зерносушилки данного типа и конструкции. Разработаны модели оптимизации при решении задач параметрического синтеза сушильной камеры, имитации и управления процессом сушки зерна в режиме реального времени. Разработаны методы построения эффективных режимов сушки зерна.

Практическая значимость работы. Разработана методика оценки технологической эффективности функционирования существующих и разрабатываемых зерносушилок. Разработанные рекомендации и номограммы утверждены в качестве основного документа по выбору параметров и режимов зерносушилок для с.-х. организаций отделом механизации и материально-технического обеспечения Агентства сельского хозяйства администрации Красноярского края. Разработанные конструкции шахтных, барабанных, камерных и бункерных сушилок и эффективные режимы сушки зерна приняты к внедрению СКВ «Брянсксельмаш».

Реализация результатов исследований. Полученные результаты теоретических разработок позонного способа сушки зерна в серийных и перспективных зерносушилках и дифференцированные ускоренные режимы сушки зерна в шахтных и барабанных сушилках внедрены в хозяйствах: СПК «Солонцы» Емельяновского района, КФХ «Шейнмаер» и СХПК «Лапшихинский» Ачинского района Красноярского края, Кировской лугоболотной опытной станции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса; племхозяйстве «Луговой» Оричевского района Кировской области, совхозе «Россия» Маловишерского района Новгородской области и др. Результаты НИР по разработке зерносушилок блочно-модульной конструкции приняты к внедрению Агентством сельского хозяйства Красноярского края и СОАО «Краснополянское» Назаровского района. Технические решения по оптимизации технологических и технико-экономических параметров и режимов работы различных конструкций зерносушилок, реализующих позонный способ сушки, внедрены в ЗАО «Светлолобовское» Новосе-ловского района. Методики расчета конструктивных и режимных параметров, системного моделирования и оценивания критериев технологической и технико-экономической эффективности зерносушилок используются в учебном процессе Красноярского ГАУ и изложены в учебных пособиях с грифами Министерства сельского хозяйства РФ и СибРУМЦ.

На защиту выносятся:

- методология имитационного моделирования технологического процесса сушки на зерноочистительно-сушильных комплексах, функционирующих в условиях зон повышенного увлажнения;

- построение и использование многоуровневой системы имитационных моделей сушки зерна и многостадийная система их идентификации;

- теория и методика расчета параметров процесса позонной сушки зерна с использованием дифференцированных режимов;

- системное оценивание интенсивности процесса сушки зерна; результаты оценки использования позонного способа в с.-х. сушилках;

- модели, методы, алгоритмы и программы построения эффективных режимов многозонных зерносушилок;

- практические рекомендации по переводу зерносушилок с.-х. назначения на позонный способ сушки и конструкции зерносушилок шахтного, барабанного, камерного и бункерного типа.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, испытаний разработанных технологий, режимов и процессов сушки зерна, проверкой адекватности отдельных подмоделей, их вычислительной, математической и физической корректности.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах в Красноярском ГАУ (КСХИ, 1986-2008); СПбГАУ (ЛСХИ, 1983-1986, 1990-1993 гг.); СЗНИИМЭСХ (НИПТИМЭСХ НЗ РФ, СПб.-Пушкин, 1982-1985); НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (НПО «Луч», г. Киров, 1992); Тульском ГТУ (ТПИ, 19821984); Вятской ГСХА (Кировский СХИ, 1985,1993); КНИИСХ (Красноярск, 1986); Челябинском ГАУ (2004); ВНИПТИМЭСХ (Зерноград, 1984); Белорусском ИМСХ (Минск, 1984); СКБ «Брянсксельмаш» (1984-1986 гг.); ВНИИ-Электропривод (ВНИиПКИ по автоматизированному электроприводу, 1986); ОАО «ВИСХОМ» (1985-1990, 2003-2004гг.); ВИМ (2003); СибФУ (Красноярский ГУ, 1997-1998); ВВЦ РФ (ВДНХ СССР, 1986); CffiS (Comparative and International Education Society, Питтсбург, США, 1991); УНПО «Информатика» (г. Тбилиси, 1990), КНЦ СО РАН (Красноярск, 1995-1997); СибИМЭ (Новосибирск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 95 печатных работ, в том числе 1 монография и 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций; получены 2 патента, 3 положительных решения по заявкам на изобретения и 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 275 страницах, содержит 61 рисунок, 15 таблиц и приложение.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Манасян, Сергей Керопович

Общие выводы

1. Проведенный анализ состояния проблемы повышения эффективности сушки зерна позволил установить, что одним из перспективных направлений его совершенствования (при этом повышения качества, уменьшения числа пропусков и затрат) является применение позонного способа сушки с дифференцированным заданием режимов, обеспечивающих поддержание стационарного процесса независимо от внешних возмущающих воздействий.

2. Разработанная общая многоуровневая модель процесса сушки позволила получать имитационные модели типовых слоев зернового материала, отличающихся кодом дифференциального оператора, числом уравнений, порядком значений модельных коэффициентов. Она включает только основные измеряемые переменные состояния, режимные параметры и идентифицируемые модельные коэффициенты и характеризуется свойствами грубости, гибкости, общности и простоты. Проведенный численный эксперимент на основе обобщенных моделей зерносушилок всех типов позволил выявить направления их реконструкции и модернизации и определить рациональные параметры и режимы сушки зерна.

3. Теоретические и экспериментально-эксплуатационные исследования, полученные оценки структуры объектов и динамики процессов позволили разработать алгоритмы и программы определения передаточных функций, частотных характеристик, переходных процессов. Сопоставление расчетных характеристик с экспериментальными показывает, что рассогласование не превышает 5.8%. Полученные числовые значения оценочных показателей доказывают, что предлагаемые дифференцированные режимы позонных зерносушилок интенсифицируют процесс сушки на 15.35% .

4. Обоснованные технологические процессы позонной сушки зерна, реализующие эффективные режимы сушки с интенсификацией и взаимным согласованием внутреннего и внешнего влагообмена и сбалансированностью взаимодействия зерновых слоев и потоков сушильного агента, позволили разработать конструкции позонных зерносушилок шахтного, камерного, бункерного и барабанного типов, отличающиеся в 1,5-2,3 раза меньшей неравномерностью распределения агента сушки и возможностью регулирования его расхода и температуры. Повышается равномерность (в среднем в 3-4 раз) и диапазон (в 1,5-2 раза) регулирования экспозиции (общей и по зонам сушки). Это позволяет сократить число пропусков и в большинстве случаев ограничиваться однократным, что сокращает затраты в 1,15-1,47 раз, повышает качество сушки и технологичность сушильных установок.

5. На основании проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости для настройки имитационных моделей. Разработанные алгоритмы идентификации, объединенные в многоступенчатую систему, позволяют проводить: настройки модели и ее алгоритмизацию с решением задачи оптимального управления; предвычисления оценочных характеристик; прогнозирования выходных параметров; контроль переменных состояния и регулирования процессов сушки зерна в режиме реального времени. Модель мониторинга процессов сушки зерна позволила обосновать систему позонного контроля параметров состояния. Методика контроля качества технологического процесса позволила установить предельные значения дисперсии входной влажности зерна (в зависимости от т,Го), при которых выходной процесс не выходит за границы агротехнических требований. Вероятность сохранения допуска (относительная длительность нормального функционирования технологического процесса) возрастает с 0,45-0,60 (в существующих) до 0,70-0,80 (в реконструированных) и 0,75-0,85 (в предлагаемых) зерносушилках.

6. Дифференцированный подвод сушильного агента по высоте сушильной камеры, разделенной в отношениях 1:(1—2):1, интенсифицирует процессы сушки зерна по производительности. Во всех случаях, когда это позволяют качественные характеристики сушимого материала и обусловлено схемой технологических процессов, рекомендуется использовать убывающий метод построения режимов по температуре сушильного агента, а в других — возрастающе-убывающий. При построении дифференцированных режимов сушки, определении предельно допустимых значений температуры нагрева зерна (<2доп) необходимо учитывать не только влажность Ж01, но и температуру <201, а также экспозицию сушки в данной зоне и режим сушки (отлежки, отволаживания, нагрева, охлаждения) в предыдущей зоне (1-1), что позволяет обеспечивать необходимую сбалансированность процессов по параметрам времени, скорости, температуры, которые определяются по разработанным регрессионным моделям позонной сушки зерна, задающим величины основных параметров состояния на выходе каждой из зон сушки.

7. Технико-экономический анализ предлагаемых методов построения эффективных режимов интенсифицированных процессов сушки зерна показал, что они позволяют повысить показатели работы зерносушилок всех типов: удельного расхода топлива - на 10. 14%, удельных затрат теплоты на удаление условной влаги — на 12. 15%. Экономический эффект от предлагаемых режимов сушки зерна составляет 150-180 руб. на 1 пл. т обработанного материала, а в масштабах Восточной Сибири расчетное значение составляет более 110 млн руб. в год.

ключения.

Существующие конструкции зерносушилок (ШС, КС, БАВ, БС) используют статический способ управления, что вступает в противоречие с динамическим распределением параметров процессов сушки зерна и не позволяет дифференцированно задавать режимные параметры сушки по высоте и времени, что приводит к снижению интенсивности процесса сушки для обеспечения качественных показателей сушимого зернового материала.

Системы управления известных конструкций зерносушилок осуществляют не распределенное по параметрам, а сосредоточенное и статическое задание скалярными величинами управляющих параметров (температуры агента и экспозиции сушки, а также скорости сушильного агента и др.). Поэтому целесообразно использовать сушилки, осуществляющие позонный способ сушки, предусматривающий дифференцированные режимы и векторное управление процессом.

Зерносушилка должна иметь блочно-модульную структуру с несколькими камерами разного целевого назначения. Сушильная камера должна состоять из нескольких зон сушки (число зон не менее трёх), содержать внутренние системообразующие элементы, совмещенные с воздухораспределителями, слоеформи-рующими, зернонаправляющими, перемешивающими и задерживающими элементами.

Наличие высокотемпературных (ШС, БС, АКС), среднетемпературных (КС) и низкотемпературных (БАВ) сушилок, имеющих большой диапазон экспозиций сушки (от очень малых значений для АКС, средних для БС и ШС, больших для КС и очень больших для БАВ) позволяет организовать эффективную работу сушильных линий с рациональным использованием технологических приемов для оптимизации сушки зерна.

В начале процесса в первой зоне целесообразно использовать псевдоожи-женное состояние слоя зернового материала (фонтанирующее, кипящее или взвешенное), позволяющее быстро нагреть зерно до допустимых температур.

В следующих зонах сушки и отлёжки использовать слои зернового материала с меньшими порядковыми номерами (плотные и рыхлые), позволяющие осуществить требуемый влагосъём при соблюдении необходимых для качества и интенсивности балансов температуры, времени, внешнего влагообмена и внутреннего влагопереноса.

В существующих конструкциях сушильных камер (ШС, БС, КС, БАВ) и в сушильных линиях (из нескольких сушилок) путем конструктивных изменений и дифференцированного выбора режимных параметров в начале, середине и в конце периода сушки, возможно добиться качественного изменения характера сушки.

Целесообразно использовать предварительный подогрев зернового материала в бункере-накопителе перед входом в сушильную камеру, а также промежуточную отлёжку, перемешивание или охлаждение.

В первой зоне использовать сушильный агент с повышенными до допустимых значений температурой и влагосодержанием (нисходящие режимы в случае, когда параметры зернового материала и агента сушки находятся в допустимой области; а в противном случае, напротив, применять восходящий режим). В следующих зонах значения этих параметров уменьшать.

В целях экономии топлива использовать рециркуляцию сушильного агента в сушильной камере.

Выбирать конструктивные и режимные параметры, способствующие механическому перемешиванию зерна в сушильной камере, увеличению активной поверхности, т.е. увеличению "разрыхленности" слоя (например, переход от плотного малоподвижного к плотному подвижному и к разрыхленному состоянию), увеличению порядкового номера слоя в пределах группы слоев, соответствующих типу данной зоны сушильной камеры.

При использовании дифференцированных режимов процесс приближается к изотермическому, уменьшается экспозиция сушки, увеличивается производительность сушилки. В отличие от режимов с постоянной температурой сушильного агента и режимов с рециркуляцией зерна, в этом случае отпадает необходимость создания в сушильной камере зон отлежки и зон промежуточного охлаждения (осциллирующих режимов).

Дифференцированный ускоренный метод сушки: одновременное изменение нескольких режимных параметров (увеличение Т0,у,Д0) не приводит к нежелательным последствиям, которые имели бы место при таком изменении каждого из них в отдельности или в другой зоне сушильной камеры (например, в конце периода сушки) или при другой (большей) экспозиции данного изменения: увеличение Ур— к перегреву, увеличение Д0-к увлажнению, увеличение V - к недосушке.

Предусмотреть возможность рециркуляционного режима, который может быть вызван соответствующими условиями функционирования ПОЗ в сушилках непрерывного действия. Применение этого метода в сушилках периодического действия особенно важно, так как позволяет увеличить их производительность и обеспечить поточность обработки.

Для повышения ритмичности работы технологических сушильных линий и сглаживания действия неравномерности поступления зерна культуры, обрабатываемой на данной линии ПОЗ, а также в случае одновременного поступления нескольких культур необходимо использовать многоцелевые и специализированные бункера активного вентилирования, общая емкость которых выбирается исходя из характерных для данного хозяйства значений коэффициента накопления.

Эффективность сушильных установок во многом зависит от выбранных методов и режимов сушки, типа сушильной установки и ее расчета. Эти вопросы решаются при проектировании сушильных установок. Проектирование и расчет сушильных установок должны базироваться на известных принципах технологии сушки, в зависимости от объекта сушки выбираются наиболее рациональный метод и оптимальный режим сушки, и на этой основе производят выбор или разработку конструкции и расчет.

1.3. Свойства зерна как объекта сушки

В процессе послеуборочной обработки зерна сушка занимает важное место, так как от параметров сушильных установок и процесса сушки зависит качество зерна, и его хранение также будет благополучным лишь при соблюдении надлежащих правил сушки. Сушка является основной технологической операцией по удалению избыточной влаги; от ее эффективности во многом зависят качественные показатели зерна.

Внедрение новых методов и прогрессивных технологий в процесс сушки зерна является важнейшим средством повышения эффективности работы зерно-сушильного оборудования. К нему предъявляются жесткие требования по качеству просушенного зерна (сохранность, незагрязненность продуктами сгорания топлива, сохранение качественных характеристик массы); возможность сушки зерна различного диапазона влажности; использование сушильного оборудования для различных культур; высокие технико-экономические и технико-технологические параметры; минимальная масса, габаритные размеры и прочность передвижных зерносушилок; простота, надежность и безопасность сушильного оборудования; возможность автоматизированного контроля и управления процессом для минимизации потерь и затрат на сушку, сохранения и повышения качества зерна.

Основы теории процесса и технология сушки зерна базируются на работах таких ученых, как A.C. Гинзбург, В.П. Горячкин, И.И. Ленарский, Г.К. Филонен-ко, И.М. Федоров, A.B. Лыков, A.B. Нестеренко, В.Л. Кретович, Н.П. Козьмина, Л.Н. Любарский, Н.И. Соседов, С.Д. Птицын, В.И. Атаназевич, П.К Платонов, В.И. Жидко, В.А. Резчиков, Г.С. Окунь и других.

Эффективность процесса сушки зерна во многом зависит и от режимов, методов и типов сушильных установок. Принципы технологии сушки, в зависимости от объекта сушки, должны использовать наиболее рациональный метод и оптимальный режим сушки для достижения требуемых параметров. Доведение зерна до определенной влажности зернового слоя определяется количеством агента сушки, его скоростью и соотношением его основных параметров (влажности и температуры) с параметрами сушимого материала [31-37].

Влага в зерне, как в любом живом организме, - это среда, в которой совершаются все реакции обмена веществ. При увеличении влажности зерна выше определенного уровня, так называемой кондиционной влажности, в зерне появляется свободная влага, что приводит к активизации жизнедеятельности зерна. Задача сушки заключается в снижении влажности зерна до кондиционной. Влажность зерна, поступающего на сушку, зависит от многих факторов, т.е. от так называемой предыстории зерна. Различают четыре состояния зерна по влажности: сухое, средней сухости, влажное и сырое (табл. 1.4), которые определяют стойкость зерна при хранении. Интервалы, характеризующие состояние зерна по влажности, для разных культур имеют разные значения. Влажность зерна зависит от условий, в которых оно находится. Зерно - хороший сорбент, что объясняется высокой скважистостью зерновой массы и капиллярно-пористой структурой зерновок. Вся зерновка пронизана микрокапиллярами, радиус которых менее Ю-5см, и макрокапиллярами, радиус которых более 10~5 см, вследствие чего активная поверхность зерна, через которую происходит влагообмен с окружающей средой, в сотни тысяч раз превышает площадь геометрической поверхности [38,39].

Зерна различных культур имеют свои особенности сушки, обусловленные их биолого-технологическими свойствами. В структурном отношении зерновка любой культуры представляет собой анизотропное коллоидное капиллярно-пористое тело со сложным строением отдельных частей. Верхние или плодовые оболочки пшеницы состоят из трех слоев плотных одревесневевших клеточных стенок с большим количеством капилляров и микропор, через которые пары воды легко могут проникать внутрь зерновки и этим же путем удаляться при сушке. Второй слой оболочек, - семенной, также состоит из трех слоев: верхнего (прозрачного), среднего (пигментного) и нижнего (прозрачного набухающего). Они отличаются от плодовых оболочек относительно малой проницаемостью для газов и паров. Всего на оболочки приходится 5-8% массы зерновки. Алейроновый слой состоит из одного ряда толстостенных клеток, на него приходится 5 — 8% массы зерна. Основная часть зерна, — эндосперм, состоит из тонкостенных крупных клеток, заполненных в основном крахмальными зернами. На эндосперм в пшенице приходится 77-85% массы зерна, 1,5-3% массы зерна приходится на зародыш, состоящий из живых клеток, очень чувствительных к воздействию теплоты. В состав зерна входят вода, белки, жиры, углеводы (крахмал, сахар и др.), клетчатка, зола, минеральные вещества (ка, К, Са, М§, Р, Бе), витамины (В., В2, РР, С).

Активная поверхность зерен, способная адсорбировать влагу, представляет собой площадь поверхности стенок капилляров, пронизывающих зерно. Вследствие отсутствия макрокапилляров при сушке может происходить разрушение структуры зерна. Интенсивность перемещения влаги внутри зерна способствует образованию и развитию микротрещин (на поверхности зерна или внутри эндосперма); при этом могут быть повреждены алейроновый слой, а затем и оболочки. Величина образующегося в процессе сушки градиента влагосодержания в первый момент времени значительна. Влага, находящаяся в капиллярах оболочек зерна, вследствие углубления зоны испарения быстро превращается в пар. Резкое увеличение объема образующегося пара вызывает деструктивные изменения оболочек и поверхностного слоя зерна. Большинство трещин в зернах образуется при сушке в диапазоне влажности 19—14%, но они наиболее многочисленны, когда сушка начинается при высокой влажности. Быстрое охлаждение высушенного зерна способствует увеличению количества трещин. Если трещины и нарушают алейроновый слой, служащий хранилищем питательных веществ для зародыша, то посевные качества зерна при этом не снижаются. Однако технологические, в частности крупяные, достоинства зерна в этом случае ухудшаются, так как алейроновый слой и оболочки не могут служить надежной защитой ядра от раскалывания при переработке. Поэтому изменения технологических свойств зерна могут возникать не только по причине его перегрева, но и вследствие искусственного нарушения связи влаги с твердым скелетом зерна. Скорость и продолжительность теплового воздействия влияют также на состояние углеводного и липидного комплексов зерна.

Рассмотрение зерна как объекта сушки показывает, что при разработке технологии сушки необходимо учитывать коллоидную капиллярно-пористую структуру зерна, его гигроскопичность, зависимость теплофизических характеристик от влажности, зависимость коэффициента диффузии влаги от температуры зерна, термоустойчивость (термочувствительность) зерна, а также физические свойства зерновой массы.

Степень денатурации белков - сложная функция температуры нагрева зерна, его влажности, времени действия температуры, она зависит от природы белка. Количественная сторона воздействие этого комплекса факторов была определена скоростью денатурации, пропорциональной концентрации воды (влажности зерна) и температуре нагрева зерна. Так, с повышением температуры зерна на 10 °С (при постоянной влажности) скорость денатурации увеличивается в 2 - 4 раза, с повышением влажности при неизменной температуре скорость денатурации также увеличивается, причем, увеличение влажности на 3- 4 % эквивалентно увеличению температуры на 10 °С. В начальной стадии денатурации наблюдается процесс обратимости денатурации (процесс ренатурации). Благодаря этому при длительном хранении зерна растворимость альбуминов и глобулинов, а также энергия прорастания и всхожесть частично или полностью восстанавливаются.

В связи с тем, что белки зародыша более чувствительны к нагреву, чем белки эндосперма, предельная температура нагрева семенного зерна в зерносушилках всех типов ниже, чем продовольственного. Согласно действующей инструкции максимальный нагрев семян пшеницы, ржи, ячменя, подсолнечника, гречихи, проса, овса не должен превышать 40°С, а температура агента сушки - 70°С. При сушке бобовых культур и риса-зерна нагрев семян не должен превышать 35°С, а температура агента сушки - 60°С [1,2].

Состояние зерновой массы характеризуется влажностью, температурой, теплоемкостью, теплопроводностью, температуропроводностью, сыпучестью, объемным весом, скважистостью, плотностью, парусностью, критической скоростью, удельным весом, упругостью.

Влажность зерна. Может быть выражена в процентах ко всей зерновой массе, или в процентах к массе абсолютно сухого вещества, т.е. iv ш = — 100;™с=—100, (1.1) где м> — влажность зерна, % по отношению ко всей массе влажного зерна; м>с — влажность зерна, % по отношению к массе абсолютно сухого вещества; IV— С количество влаги, содержащейся в массе влажного зерна, кг; — масса влажного г1 зерна, кг; с — масса абсолютно сухого вещества зерна, кг.

Состояния по влажности (т.е. содержание влаги в процентах к общей массе, по которому зерно подразделяют на сухое, средней сухости, влажное и сырое, для некоторых культур) приведены в таблице 1.4.

В практике сушки зерна и при расчете сушилок пользуются обычно влажностью м>, но при лабораторных исследованиях процесса сушки часто удобнее вести расчеты по влажности wc. Пересчет и (%) можно сделать по следующим формулам:

100м> 100м>

--=--П 9 Л

100-ту с Ш-\»с9 1}

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Манасян, Сергей Керопович, 2009 год

1. Федеральный закон РФ «Об энергосбережении» // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1997. — №6. — С. 28-32.

2. Типовые нормы выработки на стационарные сельскохозяйственные работы. М.: Центр, нормативно-исследоват. станция РосНИС arpo пром, 2001.-130 с.

3. Лачуга Ю.Ф. Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции // Техника в сельском хозяйстве, 2004. №1. - С. 3-7.

4. Лачуга Ю.Ф. Новые технологии и техника для сельского хозяйства России // Техника в сельском хозяйстве, 2004. — №6. С. 3-9.

5. Жалнин, Э.В. Стратегия перспективного развития механизации уборки зерновых культур / Э.В. Жалнин // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004. №9. - С. 3-15.

6. Елизаров, В.П. Принципы формирования федеральной системы технологий и машин для растениеводства / В.П. Елизаров, В.М. Бейлис // Тракторы и с.-х. машины, 2005. №1. - С. 9-10.

7. Цугленок Н.В. Энергетический подход и энергосберегающая политика при возделывании сельскохозяйственных культур / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион, науч. конф. -Красноярск, 2006. С. 135-136.

8. Тарасенко, А.П. Снижение затрат энергии при послеуборочной обработке• N чзерна / А.П. Тарасенко, М.Э. Мерчалова // Энергосбережение в сельском хозяйстве: мат-лы международной научно-технической конференции. — М., 1998.-С. 99-100.

9. Малин Н.И. Теория и практика энергосберегающей технологии сушки зерна / Н.И. Малин. М., 2003. - 112 с.

10. Рябова, Т.Ф. Совершенствование нормирования и снижение удельных затрат топлива на сушку зерна Текст. /Т.Ф. Рябова, И.Н. Новак//

11. Экспресс-информация. Серия «Элеваторная промышленность». — М.: ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР, 1983, вып. 21. 22 с.

12. Анискин, В.И. Обоснование энергосберегающих технологий сушки зерна / В.И. Анискин // Труды ВИМ. Вып. 52. М., 1982. - С. 43-47.

13. Чижиков, А.Г. Основные направления развития технологии и технических средств сушки зерна и семян //Сб. науч. тр./ВИМ: Механизация уборки, послеуборочной обработки и хранения урожая с.-х. культур. Т. 132. - М., 2000. - С. 79-90.

14. Егоров, Г.А. Управление технологическими свойствами зерна /Г.А. Егоров. М.: Колос, 2000. - 348 с.

15. Малин, Н.И. Снижение энергозатрат на сушку зерна Текст. / М.И. Малин М.: ЦНИИТЭИ хлебопродуктов, 1991. - 54 с.

16. Чижиков, А.Г. Анализ конструкций современных зерносушилок и пути их совершенствования Текст. /А.Г. Чижиков, Г.С. Окунь // Земледельч. механика в растениеводстве: Сб. науч. докл./ Междунар. науч.-практ. конф. М.: ВИМ, 2001.- Т. 3, ч.2. - С. 174-183.

17. Авдеев, A.B. Расчет энергозатрат в слоевых зерносушилках /A.B. Авдееви др. // Тракторы и с.-х. машины, 2004. №10. - С. 40-42.

18. Волхонов, М.С. Термодинамический метод расчета производительности,энергозатрат и КПД сушилок / М.М. Волхонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2007. — №9. С. 51.

19. Сычугов, Ю.В. Новые технологии и технические средства послеуборочной обработки зерна / Ю.В. Сычугов // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004. №6. - С. 22-24.

20. Тарасенко, А.П. Совершенствование средств механизации послеуборочной обработки семян // А.П. Тарасенко и др. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2006. №1. - С. 50-51.

21. Галкин, А.Д. Реконструкция семяочистительно-сушильных линий / А.Д. Галкин и др. // Тракторы и с.-х. машины, 2004. №5. - С. 27.

22. Авдеев, A.B. Перспективная зерносушильная техника/А.В. Авдеев, М.А. Жуков, В.Д. Сапожников// Землед. механика в растен-ве: Сб. науч. тр./ Междунар. науч.-практ. конф. Т. 3, ч.2. - М.: ВИМ, 2001.- С. 75-85.

23. Начинов, Д.С. Совершенствование линий для послеуборочной обработки зерна / Д.С. Начинов, A.B. Авдеев // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2005. №1. - С. 18-20.

24. Цугленок, Н.В. Место сушки в поточной комплексной организации послеуборочной обработки зерна Текст. / Н.В. Цугленок, Т.Н. Бастрон, С.К. Манасян [и др.]// Аграр. наука на рубеже веков: мат-лы регион, науч. конф. КрасГАУ. Красноярск, 2007. - с. 235-237.

25. Подконаев, В.Н. Повышение качества и сокращение потерь зерна / В.Н. Подконаев. М.: Хлебпродинформ. — М., 2002. - 4 с.

26. Манасян, С.К. Условия функционирования зерносушилок сельскохозяйственного назначения Текст. / С.К. Манасян, A.B. Корепанов, Ю.А. Книга [и др.]// Аграр. наука на рубеже веков: мат-лы регион, науч. конф. КрасГАУ. Красноярск, 2007. - С. 228-229.

27. Атаназевич, В.И. Сушка пищевых продуктов: Справочное пособие. — М.: Дели, 2000. 296 с.

28. Лурье, А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных машин. М.:1. Колос, 1989.-395 с.

29. Птицын, С.Д. Основные вопросы технологии сушки зерна / С.Д. Птицын // Современная техника сушки зерна. — Брянск, 1967. — С. 3-16.

30. Гинзбург, A.C. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов / A.C. Гинзбург. М.: Пищ. пром., 1973. - 528 с.

31. Зверев, C.B. Физические свойства зерна и продуктов его переработки Текст. / C.B. Зверев. -М.: Де Ли принт, 2007. 175 с.

32. Стрий, В.А. Исследование белковых веществ пшеницы в процессе сушки зерна // Автореф. дис. .канд. техн. наук. Одесса, 1978. — 21 с.

33. Гинзбург, A.C. Массовлагообменные характеристики пищевых про-дуктов / A.C. Гинзбург, И-.М. Савина. — М.: Легк. и пищ. пром., 1982. 280 с. • >

34. Никитина, Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах / Л.М. Никитина. М.: Энергия, 1968.-498 с.

35. Лыков, A.B. Тепловлагообмен: справ. / A.B. Лыков. 2-е изд., перераб. -М.: Энергия, 1978. - 479 с.

36. Гинзбург, A.C. Теплофизические свойства зерна, муки и крупы. Текст. / А.С Гинзбург, М.А. Громов -М.: Колос, 1984. 304 с.

37. Горячкин, В.П. Собр. соч. т.З. -М., 1978.

38. Цугленок, Н.В. Классификация зерносушилок сельскохозяйственного назначения / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Н.В. Демский // Пробл. совр. аграр. науки. Красноярск, 2008. - С. 90-92.

39. Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины /В.М. Халанский, И.В. Горбачев М.: КолосС, 2005. - 564 с.