Механико-технологическое обоснование и разработка энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Павлушин, Андрей Александрович

• Павлушин, Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Павлушин, Андрей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ стр. ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ЗЕРНА.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Анализ средств механизации тепловой обработки зерна

и их эффективность

1.2 Свойства зерна как объекта теплового воздействия

1.3 Особенности процесса сушки зерна

1.3.1 Анализ способов сушки зерна

1.3.2 Оптимальные режимы сушки зерна

1.3.3 Анализ конструкций и классификация средств механизации процесса сушки зерна

1.4 Основные этапы развития и современное состояние исследований процессов тепловой обработки зерна

1.5 Цель и задачи исследования. Обоснование проблемы

2 МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УСТАНОВОК КОНТАКТНОГО ТИПА

ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

2.1 Основы моделирования процессов тепловой обработки зерна

2.2 Основы разработки установок для тепловой обработки зерна

2.3 Особенности исследования процессов тепловой обработки зерна

Выводы

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗЕРНО

3.1 Конструктивно - технологические схемы установок контактного

типа для тепловой обработки зерна и принципы их работы

3.2 Обоснование конструктивно-режимных параметров транспортирующих рабочих органов установок контактного типа

для тепловой обработки зерна

3.3 Особенности контактного способа теплоподвода

3.3.1 Распределение тепловых потоков

3.3.2 Механизм воздействия теплоты на зерно

3.3.3 Перенос теплоты и влаги при тепловом воздействии на зерно

3.4 Особенности процесса контактной сушки зерна

3.4.1 Физическая интерпретация процесса сушки зерна

3.4.1.1 Температурное поле в первом периоде сушки

3.4.1.2 Температурное поле во втором периоде сушки

3.4.2 Механизм тепло-, влагообмена при сушке зерна

3.4.2.1 Перемещение влаги внутри зерновки

3.4.2.2 Испарение влаги с поверхности зерна

3.4.3 Определение интенсивности процесса сушки зерна

3.5 Тепловой баланс средств механизации тепловой обработки зерна

3.6 Особенности охлаждения зерна после теплового воздействия

Выводы

4 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

И ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Программа и методика исследований разработанных средств механизации тепловой обработки зерна в лабораторных условиях

4.2 Программа и методика исследований разработанных средств механизации тепловой обработки зерна в производственных условиях

4.3 Методика обработки результатов экспериментальных исследований. 208 Выводы

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА В УСТАНОВКАХ

КОНТАКТНОГО ТИПА

5.1 Исследование процессов тепловой обработки зерна

в лабораторных условиях

5.2 Исследование процессов тепловой обработки зерна

в производственных условиях и определение их эффективности

5.3 Экономическая эффективность использования разработанных

средств механизации процессов тепловой обработки зерна

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механико-технологическое обоснование и разработка энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Тепловая обработка сырья является одной из основных видов воздействий в сегменте мирового аграрного производства -доля этих процессов в общемировом объёме потребления энергетических ресурсов превышает 40 %. Практически все сельскохозяйственные материалы в процессе их производства и переработки подвергают тепловому воздействию (сушке, варке, прожариванию, термическому обеззараживанию, стерилизации, пастеризации и т.п.) [259].

Одним из основных и стратегически важных видов продукции сельскохозяйственного производства в Российской Федерации является зерно. Так, в структуре производства основных продуктов растениеводства на зерновые культуры приходится до 50 % от общего объема производства. При этом ежегодный валовый сбор зерновых превышает 100 млн. тонн.

Продукты переработки зерна содержат почти всё, что необходимо организму человека для полноценного питания. Они богаты углеводами (82...83 %), белками (14... 15 %), в них есть жиры (2,0...2,5 %), соли фосфора, калия, магния, кальция и другие необходимые для жизни людей элементы. Почти треть дневной нормы в пище человек удовлетворяет хлебными и крупяными изделиями. При этом через хлебные изделия человек получает от 30 до 50 % всей необходимой для жизнедеятельности энергии, до 40 % потребности в белке, до 60 % витаминов группы В и до 80 % витамина Е. Человек, используя хлеб, практически удовлетворяет свои физиологические потребности при минимальных затратах на продукты питания. Кроме того, растительные белки намного дешевле животных. Белок пшеничного хлеба в 4. ..9 раз дешевле белка мяса, в 1,4. ..3,8 раза - белка рыбы и в 2,7 раза - белка молока. Зерно является также сырьём для выработки таких ценных продуктов, как крахмал, пищевые концентраты и др. Оно - основной компонент комбикормов.

Процессы воздействия на зерно теплотой обусловлены комплексом одновременно протекающих и взаимосвязанных теплофизических, физико-

химических и биохимических процессов. Одним из наиболее необходимых и энергоемких видов теплового воздействия на зерно в аграрном производстве является его послеуборочная сушка.

В результате этого вида теплового воздействия зерновые продукты значительно улучшают своё качество, повышается их стойкость при хранении или временной консервации.

Параллельно ведущим российским производителям средств механизации для производства и переработки продукции растениеводства множество крупных зарубежных промышленных холдингов успешно представляют свои машины для тепловой обработки зерна на рынке сельскохозяйственной техники. Импортная техника в ряде случаев значительно превосходит отечественные аналоги по энергоэффективности, безопасности и экологичности производства, и многим другим важным технологическим показателям. Однако она создана по европейским стандартам и отвечает требованиям и особенностям зарубежного производства и последующего комплекса воздействий по доведению показателей сельскохозяйственной продукции к параметрам, обеспечивающих её качественную сохранность. Эти особенности производства значительно отличаются от реальных условий аграрного сектора России. Всё это приводит к тому, что, приобретая и используя высокоэффективную, дорогостоящую технику ведущих иностранных товаропроизводителей, отечественные аграрии вынуждены перестраивать весь цикл сельскохозяйственных работ, что в конечном итоге увеличивает суммарные затраты энергии и ресурсов на производство сельскохозяйственной продукции требуемого качества. Также к существенным недостаткам зарубежной техники относят её сравнительно высокую цену и эксплуатационные затраты.

Следует отметить, что увеличение производства зерна для решения государственной проблемы по обеспечению продовольственной безопасности страны по-прежнему остаётся одной из основных задач аграрного производства.

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации

ООН, за последние пятилетие количество недоедающих людей в мире составляет более 1 миллиарда человек, то есть фактически это каждый седьмой житель планеты. Для доведения объёма производимой сельскохозяйственной продукции до уровня, необходимого чтобы полностью обеспечить всё население Земли продовольственными запасами, необходимо интенсивно использовать передовые технические решения по производству и переработке основных видов продукции сельскохозяйственного производства.

Для решения этой задачи особое значение приобретает совершенствование существующих технологий и средств механизации процессов хранения, обработки и переработки зерна. Важно грамотно организовать в технологическом и экономическом планах указанные процессы. При этом разрабатываемые и внедряемые перспективные и инновационные технологии и средства механизации, реализующие их, должны способствовать снижению потерь, повышать сохранность и улучшать качества обрабатываемого продукта, обеспечивая минимизацию затрат всего производственного цикла.

Несмотря на то, что обеспечение сохранности свежеубранного зерна, его обработка и переработка в масштабах нашей страны сложное и дорогостоящее дело, требующее современной материально-технической базы, опыт передовых аграрных предприятий показывает, что производство высококачественного зерна выгодно - уровень рентабельности не менее 40 %. В последние годы наблюдается повышенный спрос на новую технику для послеуборочной обработки зерна. Увеличение валовых сборов зерна и уменьшение удельных затрат на его производство и переработку возможно лишь путём разработки и внедрения высокоэффективных технических средств, соответствующих мировому уровню развития техники и технологий, созданных на основе научно-обоснованных положений.

Следует отметить, что согласно Государственной программе развития сельского хозяйства в Российской Федерации на 2013 — 2020 годы, одним из приоритетных направлений является развитие малых форм хозяйствования -крестьянских (фермерских) хозяйств [70]. Кроме того, Правительством Рос-

сийской Федерации принят ряд правовых актов, направленных на повышение энергоэффективности производства валового внутреннего продукта страны к 2020 г. не менее чем на 40 %.

При этом в нашей стране уже функционируют свыше 300 тыс. крестьянских (фермерских) хозяйств, валовый сбор зерна в которых достигает 22-106 т., что составляет почти треть от общего объёма производства зерна в хозяйствах РФ всех категорий. Обеспечение требуемого уровня рентабельности производства зерна сельскохозяйственными предприятиями подобного типа возможно лишь при использовании энергоэффективных установок для послеуборочной обработки зерна.

Существующие, серийно выпускаемые устройства для тепловой обработки зерна ориентированы на высокую пропускную способность, которая, в отдельных случаях, превышает 100 т/ч и их использование при переработке небольших партий зерна в условиях фермерских хозяйств не целесообразно. Следовательно, перспективными являются миниустановки, обладающие сравнительно небольшой потребляемой мощностью, высокоэкономичные, простые в эксплуатации и техническом обслуживании, способные выполнять несколько технологических операций, а главное - обладающие невысокой стоимостью. Использование наиболее распространённого, конвективного способа подвода теплоты к зерну в подобных средствах механизации является бесперспективным направлением развития из-за сложности, а в отдельных случаях и невозможности обеспечить требуемый уровень энергоэффективности тепловых конвекционных процессов. Кроме того, существенный недостаток характерный большинства зерносушилок конвективного типа - несоответствие экологическим требованиям. Так, на сушку 1 т зерна при снижении его влажности на 6 % требуется в среднем сжечь около 60 кг жидкого топлива, при этом в окружающую среду выделяется до 2 кг вредных веществ. Это приводит к тому, что при эксплуатации наиболее распространённой зерно-сушильной техники концентрация вредных веществ в рабочей зоне персонала, обслуживающего зерносушилку в несколько раз превышает предельно

допустимую. В конечном итоге ухудшается не только экологическое состояние окружающей среды и высушиваемого зерна, но и условия труда обслуживающего персонала.

Таким образом, научное обоснование, разработка, апробация и внедрение в производство энергосберегающих, экологически безопасных средств механизации тепловой обработки зерна, соответствующих требованиям современного российского аграрного производства является актуальной, важной научно-технической проблемой имеющей существенное значение для развития страны.

Степень разработанности темы. Решению проблем повышения эффективности процессов тепловой обработки зерна, большое внимание уделено в фундаментальных исследованиях и разработках В.И. Анискина, В.И. Атаназевича, А.Е. Баума, Н.П. Булыгина, А.П. Ворошилова, А.П. Гержоя, A.C. Гинзбурга, A.B. Голубковича, В.П. Горячкина, Б.В. Даммана, Н.И. Денисова, Г.А. Егорова, В.И. Жидко, А.П. Журавлёва, Е.Д. Казакова, В.В. Красникова, Н.П. Козьминой, B.J1. Кретовича, А.И. Купреенко, В.И. Курдю-мова, A.A. Курочкина, П.Д. Лебедева, Д.М. Левина, И.И. Ленарского, М.Ю. Лурье, A.B. Лыкова, Л.Н. Любарского, И.Л. Любошица, Н.И. Малина, В. Мальтри, С.К. Манасяна, Н.М. Михайлова, В.Ф. Некрашевича, С.Д. Птицы-на, В.А. Резникова, С.П. Рудобашты, В.Ф. Самочётова, Н.И. Соседова, Н.И. Стружкина, Л.А. Трисвятского, И.М. Фёдорова, Г.К. Филоненко, а также многих других отечественных и зарубежных учёных. Несмотря на значительное количество научных изысканий, посвящённых обоснованию различных аспектов процессов тепловой обработки зерна в сельскохозяйственном производстве, вопросы повышения энергоэффективности процессов теплового воздействия, снижения металлоёмкости средств механизации, минимизации их вредного воздействия на окружающую среду и на обрабатываемый продукт остаются нерешёнными и в настоящее время. С развитием технологий тепловая обработка зерна постоянно совершенствуется, что приводит к созданию новых высокоэффективных средств механизации указанных про-

цессов.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА: на 2001-2005 гг. «Разработка технологий, средств механизации и технического обслуживания энергосберегающих процессов производства и переработки продукции сельского хозяйства» (per. № 01200203528); на 20062010 гг. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (per. № 01200600147); на 2011-2015 гг. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (per. № 01201157951). Кроме того, часть исследований по работе выполнены в рамках финансирования на 2009-2011 гг. Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Тема НИОКР: «№ 5 - Исследование, разработка биотехнологий, инноваций в сфере энергосбережения и внедрения инноваций в технологическое производство на территории Ульяновской области», проект «Энергосберегающая тепловая обработка зерна» (контракт № 16776). Также часть исследований по диссертационной работе выполнены в рамках реализации гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских учёных на 2012-2013 гг. Тема НИР «Энерго-, ресурсосберегающая, экологически безопасная технология и технические средства тепловой обработки сыпучих материалов» (per. № МК-2516.2012.8).

Цель исследований - повышение эффективности процессов контактной тепловой обработки зерна путём разработки и научного обоснования энерго,- ресурсосберегающих средств механизации.

Задачи исследований.

1. Проанализировать технологии и средства механизации тепловой обработки зерна, дать их классификацию и определить перспективные направления повышения их энергоэффективности.

2. Разработать механико-технологические модели процессов тепловой обработки зерна, реализуемые в установках с контактным способом передачи

теплоты, на основе которых выявить требования к разработке установок при соблюдении принципов энергосбережения, экологичное™ и обеспечении требуемого качества готового продукта.

3. Разработать конструкции устройств для тепловой обработки зерна с контактным способом передачи теплоты и выполнить теоретическое обоснование их конструктивных параметров и режимов работы.

4. Исследовать разработанные средства механизации тепловой обработки зерна в лабораторных условиях и определить их оптимальные режимы работы.

5. Исследовать предложенные средства механизации тепловой обработки зерна в производственных условиях и оценить экономическую эффективность их применения.

Объект исследований - технологические процессы тепловой обработки зерна, включающие в себя сушку, термическое обеззараживание и обжаривание.

Предмет исследований - закономерности технологических процессов тепловой обработки зерна, позволяющие оптимизировать конструктивно-режимные параметры средств механизации этих процессов.

Научную новизну выполненных исследований составляют:

- результаты систематизации и анализа существующих перспективных технологий и средств механизации тепловой обработки зерна;

- научно-обоснованные требования к разработке энергоэффективных средств механизации тепловой обработки зерна и концепция создания установок, реализующих контактный способ подвода теплоты с тонкослойным движением материала;

- функциональная физическая, информационная и математическая модели процесса теплового воздействия на зерно при контактном способе теп-лоподвода;

- результаты теоретического обоснования процессов теплового воздействия на зерно при контактном способе передачи теплоты;

- результаты экспериментальных исследований процессов тепловой обработки зерна при контактном способе передачи теплоты;

- технические решения высокоэффективных энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна, новизна которых подтверждена 38 патентами РФ на изобретения и полезные модели.

Теоретическая и практическая значимость работы. Обобщена и развита теория тепло,- влагообменных процессов, характеризующих механизм теплового воздействия на зерно в процессе его обработки в созданных средствах механизации. Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют определить оптимальные конструктивные параметры и режимы работы средств механизации процессов сушки зерна, его термического обеззараживания и обжаривания при подготовке к скармливанию скоту. Применение разработанных средств механизации процессов тепловой обработки зерна позволяет получать на выходе продукт с требуемыми стандартами качеством и конечной влажностью 13... 14,5 % (при сушке зерна). Суммарные удельные затраты энергии на процесс испарения влаги из зерна при использовании разработанных средств механизации процессов тепловой обработки зерна в сравнении с наиболее энергоэффективными установками для тепловой обработки зерна отечественного и зарубежного производства снижаются в 1,2... 1,6 раза, а удельная металлоёмкость конструкций разработанных средств механизации в 1,1...2,2 раза. Использование предлагаемых средств механизации позволяет получить экономический эффект свыше 400 руб./т.

Методология и методы диссертационного исследования. Для

решения поставленных задач применяли дифференциальное и интегральное исчисления; численные методы; методы математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях. Достоверность полученных данных обеспечена применением методов математической обработки и

статистического анализа результатов исследований, многофакторного анализа, лицензионных математических программных пакетов для ПЭВМ: «Statistica-10», «MathCAD-14», «Derive-6» и «Microsoft Office Excel 2010».

Реализация результатов исследований. Разработанные и исследованные средства механизации процессов тепловой обработки зерна успешно внедрены и используются в хозяйствах ряда субъектов Российской Федерации и Украины, специализирующихся на производстве и переработке зерна (Ульяновская, Самарская, Одесская области, Республика Чувашия, Красноярский край). Результаты исследований одобрены секцией «Научно-технической политики» научно-технического совета (НТС) Минсельхоза России (2010 г.), НТС Минсельхозов Ульяновской (2010 г.), Самарской (2012 г), Пензенской (2012 г.) областей, НТС ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина (2010 г.), Учёным советом ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА» (2011 г.) и рекомендованы к внедрению в производство и использованию в учебном процессе.

На основе проведённых исследований сформулированы исходные требования, а также подготовлены технические задания и проектная документация на разработку и создание энергоэффективных средств механизации процессов тепловой обработки зерна. Результаты исследований по обоснованию режимно - конструктивных параметров, методы расчета и разработки, чер-тежно-техническая документация переданы на предприятия, специализирующиеся на производстве сельскохозяйственной техники: ООО «Агрозерно-маш» г. Брянск, ООО «Сельмаш» г. Сызрань Самарской области и ООО «Аг-роСтройСервис» г. Тула. По предоставленной документации изготовлены производственные образцы предложенных энергоэффективных установок для тепловой обработки зерна, которые прошли успешные приёмочные испытания. Ведётся подготовка к запуску в серийное производство разработанных средств механизации. Кроме того в ООО «АКРО» г. Ульяновск переданы разработанные технические задания и рабочие чертежи комплектующих к устройствам для тепловой обработки зерна. Согласно полученной докумен-

тации на базе ООО «АКРО» изготовлена партия деталей и агрегатов для отладки и запуска серийного производства устройств для тепловой обработки зерна в Ульяновской области. Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении к работе.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки и решения задач с использованием фундаментальных положений теории тепло,- влагообмена, процессов тепловой обработки зерна, обработкой экспериментальных данных общепринятыми методами с использованием компьютерной техники, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийских научно-практических конференциях-. «Аграрная наука и образование в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Ульяновская ГСХА, 2006 г.), «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновская ГСХА, 2007, 2010 г.), «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновская ГСХА, 2008 г.), «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути их решения» (Башкирский ГАУ, 2008 г.), «Перспективы развития агропромышленного комплекса России» (МГАУ им. В.П. Горячкина, Москва, 2008 г.), «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Чувашская ГСХА, 2011 г.), на Международных научно-практических конференциях: «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орловский ГАУ, 2006, 2012 г.), «Экология и безопасность жизнедеятельности промыш-ленно-транспортных комплексов ELPIT-2007» (Тольяттинский ГУ, 2007 г.), «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Институт механики и энергетики МГУ им. Н.П. Огарёва, Саранск, 2007...2012 гг.), «Актуальные вопросы аграрной науки и образования» (Ульяновская ГСХА, 2008 г), «Использование инновационных технологий

для решения проблем АПК в современных условиях» (Волгоградская ГСХА, 2009, 2010 гг.), «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути решения» (Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина, 2009...2013 гг.), «Развитие инновационного потенциала агропромышленного производства, науки и аграрного образования» (Дон ГАУ, 2009, 2010 гг.), «Технология и продукты здорового питания» (Саратовский ГАУ, 2009 г.), «Научное обеспечение агропромышленного производства» (Курская ГСХА, 2010 г.), «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинская ГА А, 2010... 2012 гг.), «Инновационному развитию АПК -научное обеспечение» (Пермская ГСХА, 2010 г.), «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011 г.), «Научное сопровождение инновационного развития агропромышленного комплекса: теория, практика, перспективы» (Рязанский ГА ТУ им. П. А. Костычева, 2014 г.), «Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий» (ВИМ, Москва, 2014 г.), на заседаниях научно-технических сообществ: Комитета Российского союза научных и инженерных общественных объединений по проблемам сушки и термовлажностной обработки материалов (г. Москва, 2012 г.), Межрегионального совета по науке и технологиям (г. Миасс, Челябинская область, 2012 г.), научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (Ульяновский ГТУ, 2013 г.), Союза машиностроителей Германии «VDMA» и Ассоциации по сотрудничеству в области сельского хозяйства, экологии и развития села в Восточной Европе «APOLLO e.V.» (Emsbüren, Germany, 2013 г.). Разработанные средства механизации процессов тепловой обработки зерна удостоены золотой медали на XVI Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая осень» (г. Москва, ВДНХ, 2014 г.).

Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 140 печатных работ, в том числе получено 38 патентов РФ на изобретения и полезные модели, издана монография объёмом 18,12 п.л., 27 статей опубликованы в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ. Общий

объем опубликованных работ составляет 55,45 п.л., из них 34,6 п.л. принадлежит соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы (349 наименований) и приложений. Основное содержание работы изложено на 310 страницах, включая 91 рисунок и 23 таблицы.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту профессору Курдюмову В.И. за оказанную им всестороннюю помощь на всех стадиях подготовки диссертации, также автор благодарен сотрудникам кафедры «Безопасность жизнедеятельности и энергетики» Ульяновской ГСХА им. П.А. Столыпина Карпенко Г.В., Зозуле И.Н. и Сутягину С.А. за оказанную помощь в проведении отдельных этапов совместных исследований. Кроме того, автор искренне признателен члену-корреспонденту РАН Артю-шину A.A. за оказанную им методическую помощь при выполнении диссертационной работы.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Научно-обоснованные требования к энерго-, ресурсосберегающим, экологически безопасным средствам механизации тепловой обработки зерна и аспекты их разработки.

2. Конструктивное обоснование высокоэффективных энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна.

3. Теоретическое обоснование режимов тепловой обработки зерна в разработанных средствах механизации с контактным способом передачи теплоты.

4. Математические модели процессов тепловой обработки зерна в разработанных средствах механизации.

5. Результаты лабораторных и производственных исследований по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы созданных средств механизации при сушке зерна, его термическом обеззараживании и обжаривании.

1 ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ЗЕРНА.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Анализ средств механизации тепловой обработки зерна

и их эффективность

Тепловое воздействие на зерно широко используют в различных технологиях производства и переработки продукции растениеводства.

В общем смысле тепловая обработка зерна - это процесс воздействия на него температуры, как индивидуального физического фактора. Применяют также и совместное действие на зерно температуры с влагой или давлением (гидротермическая и баротермическая обработка соответственно). Выбор способа тепловой обработки зерна зависит от требуемых технологических свойств готового продукта.

На рисунке 1.1 представлены основные виды тепловой обработки зерна в различных процессах его послеуборочной обработки и переработки в кормовые и продовольственные продукты.

Рисунок 1.1 - Виды тепловой обработки зерна Пропаривание - один из важных этапов обработки зерна в процессе его подготовки к переработке в крупу. Этот вид теплового воздействия на зерно осуществляют при высокой температуре (свыше 100 °С) и избыточном дав-

лении до 0,3 МПа [3]. Сущность химических преобразований в процессе пропаривания заключается в частичной клейстеризации крахмала, образовании небольшого количества декстринов, обладающих клеящими свойствами, и т.д.

В мукомольном производстве пропаривание зерна используют при его гидротермической обработке. Основная цель гидротермической обработки -направленное изменение исходных технологических свойств зерна для стабилизации их на оптимальном уровне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлушин, Андрей Александрович, 2015 год

Л' источнику тока

IV

V I

■¡с;

1А - 1

V

~ГГ—

ж

ПУП УТ) 4

Рисунок 1.23 — Зерносушилка контактного типа (обозначения в тексте)

Площадь окон 10 увеличивается по направлению движения зерна. Бункер 11 расположен над загрузочным 10 окном и снабжён заслонкой 13. Спирально-винтовой транспортирующий рабочий орган 5 получает привод от электродвигателя 14 посредством ременной передачи 15 через вал 16, который опирается на подшипники 17.

Отверстия для удаления влаги расположены по верхней образующей кожуха по углу а от загрузочного до разгрузочного окон.

Температуру нагрева зерна регулируют изменением напряжения, частоты вращения транспортирующего рабочего органа, а также подачи материала из бункера.

По итогам исследования опытного образца авторами изобретения выявлено [14, 15], что суммарный удельный расход энергии у предлагаемой сушилки составляет 4,3 МДж/кг испаренной влаги Пропускная способность данной зерносушилки составляет 82 кг/ч.

Зерносушилка контактного типа по патенту РФ № 2297582 (рисунок 1.24) работает следующим образом.

При попадании зерна из загрузочного бункера в кольцевой зазор между перфорированным кожухом и стаканом, оно захватывается транспортирующим спирально-винтовым рабочим органом.

Контактируя с нагретыми поверхностями перфорированного кожуха и стакана, зерно теряет влагу. При движении воздух охлаждает внешнюю поверхность кожуха, нагревается и поступает через перфорацию кожуха в зону сушки, где дополнительно подогревает зерно.

Пропускная способность представленной зерносушилки, по утверждению авторов [266], достигает 250 кг/ч при суммарных удельных затратах теплоты на процесс испарения влаги из зерна 3,62 МДж/кг.

а) б)

Рисунок 1.24 - Зерносушилка контактного типа (патент РФ № 2297582): а) общий вид: 1 - мотор-редуктор; 2 - загрузочное окно; 3 - погрузчик;

4 - теплообменник; 5 - выгрузное окно; 6 - вентилятор; 7 - фильтр; б) конструктивная схема: 1 - теплоизоляционный корпус; 2 - цилиндрический перфорированный кожух; 3 - перфорированный стакан; 4 - загрузочный бункер;

5 - выгрузное окно; 6 - транспортирующий спирально-винтовой рабочий орган; 7 - вентилятор; 8 - воздуховод; 9 - фильтр; 10 - привод; 11 - прорези; 12 -нагревательные элементы; стрелками показано направление движения воздуха

Отдельное место в перечне зерносушильного оборудования занимают зерносушилки, реализующие принцип активного вентилирования зернового слоя. В этом случае скорость движения зерна равна нулю, а скорость движения воздуха не превышает критическую скорость витания зерна обрабатываемой культуры. Основные параметры подобных устройств: температура по-

даваемого воздуха - 30...40 °С, съём влаги 0,5... 1,5 % за час при удельном расходе теплоты на испарение влаги из зерна 8...20 МДж/кг (таблица Б 3 приложения Б). Зерносушилки указанного типа имеют низкий КПД и не обеспечивают требуемую равномерность сушки [7, 30, 43].

На рисунке 1.25 представлена схема бункера БВ-40 отечественного производства. Принцип его работы следующий. Зерно поступает в приёмный бункер 11 и равномерно заполняет пространство между корпусом 10 и воздухораспределительной трубой 13.

Рисунок 1.25 - Вентилируемый бункер БВ-40: а) общий вид; б) схема: 1 - тяга цилиндра; 2 - корпус бункера; 3 - влагорегу-лятор; 4 - трос; 5 - лестница наружная; 6 - пробоотборник; 7 - датчик уровня зерна; 8 - трособлочная система; 9 - лестница внутренняя; 10 - корпус; 11 - бункер приёмный; 12 - клапан плавающий; 13 - труба воздухораспределителя; 14 - секция корпуса; 15 - корпус; 16 - рама; 17 - патрубок; 18 - вентилятор; 19 - стойка; 20 - электрокалорифер; 21 - шибер; 22 - конус обратный; 23 - лебедка ручная; 24 - тумба

При подсушивании зерна воздух, подогретый на 3...5 °С выше температуры окружающей среды, нагнетается вентилятором 18 в воздухораспреде-

лительную трубу 13, пронизывает слой зерна и уходит в атмосферу. Когда зерно охлаждается, электрокалорифер 20 отключают [38, 155].

Таким образом, в настоящее время в сельскохозяйственном производстве применяют разнообразное зерносушильное оборудование, которое отличается конструктивно-технологическими схемами исполнения. Проведенный анализ конструкций существующих устройств для тепловой обработки зерна показал, что они рассчитаны на крупные зернопроизводящие предприятия и их использование при переработке небольших партий зерна не целесообразно. Выпускаемые промышленностью серийные средства механизации процессов тепловой обработки зерна, ориентированные на небольшую производительность также неэффективны, так как в них резко возрастают суммарные удельные затраты энергии на нагрев зерна, испарение из него влаги и удаление её из сушильной камеры (таблица Б 4 приложения Б) [164, 165, 237].

Сравнительно низкие суммарные удельные затраты теплоты в установках ведущих зарубежных производителей достигаются, в основном, посредством использования комплексных систем автоматического регулирования и управления процессами тепловой обработки. При этом существенных особенностей реализации процессов тепловой обработки в предлагаемой на российском рынке иностранной технике в сравнении с отечественными аналогами не имеется [236].

Стоит отметить, что сравнительно небольшие аграрные предприятия (фермерские хозяйства), специализирующиеся на производстве и переработке зерна, которые в последнее время получили повсеместное распространение в регионах России, нуждаются в инновационных, созданных на основе передовых научных идей, энергоэффективных устройствах для тепловой обработки зерна. В связи с этим необходимо создавать и внедрять конструкции подобных устройств, отличающихся относительно небольшой пропускной способностью, которые позволили бы фермерам получить необходимое качество зерна, подвергнутого тепловому воздействию при минимальных энерге-

тических затратах [16, 17, 29].

Как отмечалось выше контактный способ передачи теплоты обладает существенным недостатком - высокая неравномерность нагрева обрабатываемого продукта. Для исключения этого нужно организовать постоянное движение единичного зернового слоя по греющей поверхности при постоянном его перемешивании. При тепловой обработке единичного слоя зерна сложно обеспечить высокую пропускную способность разработанных устройств. Однако при оптимальном сочетании конструктивных и режимных параметров в подобных устройствах можно достигнуть пропускной способности, удовлетворяющей нуждам мелких сельскохозяйственных предприятий и фермерских хозяйств.

1.4 Основные этапы развития и современное состояние исследований процессов тепловой обработки зерна Решению проблем, возникающих в процессе теплового воздействия на зерно, большое внимание уделено в исследованиях и разработках В.И. Анис-кина, В.И. Атаназевича, А.Е. Баума, Н.П. Булыгина, А.П. Ворошилова,

A.П. Гержоя, A.C. Гинзбурга, A.B. Голубковича, В.П. Горячкина, Б.В. Дам-мана, Н.И. Денисова, Г.А. Егорова, В.И. Жидко, А.П. Журавлёва, Е.Д. Казакова, В.В. Красникова, Н.П. Козьминой, B.JI. Кретовича, А.И. Купреенко,

B.И. Курдюмова, A.A. Курочкина, П.Д. Лебедева, Д.М. Левина, И.И. Ленар-ского, М.Ю. Лурье, A.B. Лыкова, Л.Н. Любарского, И.Л. Любошица, Н.И. Малина, В. Мальтри, С.К. Манасяна, Н.М. Михайлова, В.Ф. Некрашевича,

C.Д. Птицына, В.А. Резникова, С.П. Рудобашты, В.Ф. Самочётова, Н.И. Со-седова, Н.И. Стружкина, Л.А. Трисвятского, И.М. Фёдорова, Г.К. Филоненко и многих других отечественных и зарубежных учёных.

В проведённых ими исследованиях подробно рассмотрены теоретические и практические аспекты протекания различных видов теплового воздействия на зерно при конвективном способе теплоподвода. Также научно обоснованы и экспериментально подтверждены пути улучшения существующих технологий и средств механизации процессов тепловой обработки зерна.

Кроме того, проведена значительная работа по обоснованию и исследованию новых, перспективных технологий теплового воздействия на зерно, а также созданию и внедрению высокоэффективных средств механизации реализующих предлагаемые технологии.

Следует отметить, что развитие и изучение теоретических и практических аспектов процессов тепловой обработки зерна было бы затруднительным без становления и развития соответствующих научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных организаций. В нашей стране исследованиям процессов тепловой обработки зерна особое внимание уделяют в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН, Всесоюзном научно-исследовательском институте зерна и продуктов его переработки РАСХН (ВНИИЗ), Московском государственном университете пищевых производств (МТУ11] 1), Государственном научно-исследовательском институте хлебопекарной промышленности РАСХН (ГОСНИИХП), Всероссийском научно - исследовательском институте электрификации сельского хозяйства РАСХН (ВИЭСХ), Всероссийском дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехническом научно-исследовательском институте (ВТИ), Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства РАСХН (ВИМ), Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина (ВИСХОМ) и многих других.

Результатом объединённых усилий учёных указанных выше организаций стало обоснование режимов сушки зерна различных культур для различного целевого назначения (продовольственное, семенное), создание и внедрение новых, эффективных конструкций зерносушилок.

К первооснователям теоретических основ процесса теплового воздействия на зерно можно отнести М.В. Ломоносова. Открытый им закон естественного движения газов в рудниках (1742 г.) в дальнейшем был положен в основу описания различных процессов, в том числе процесса сушки зерна. Примерно в этот же период Г.В. Рихман, объяснив действие психрометра,

сделал ряд важных выводов, которые позволили впоследствии естествоиспытателю Д. Дальтону сформулировать закон об испарении воды со свободной поверхности.

Дальнейшее развитие теории сушки относят к 1900... 1911 годам. Этот период характеризуется появлением основ гидродинамики и термодинамики влажного газа. В это время В.Е. Грум-Гржимайло развил теорию движения газов в зерносушилках. Благодаря дальнейшим проведённым исследованиям А.П. Ворошилова, М.Ю. Лурье, Н.М. Михайлова метод сушки топочными газами значительно интенсифицировался.

В 1918 году Л.К. Рамзин предложил / - d диаграмму влажного воздуха (на 5 лет раньше аналогичной психрометрической диаграммы немецкого теплотехника Р. Молье). Рамзин также является основателем классического графоаналитического метода теплового расчёта зерносушилок. Позже эти исследования продолжили Гирш, Гаусбранд и др. Было создано научное направление в зерносушильной технике, позволяющее на основе статических законов термодинамики и закона Дальтона определять и анализировать тепловую эффективность процессов теплового воздействия на зерно.

Последующее развитие теории сушки было нацелено на проведение фундаментальных исследований кинетики процесса сушки (обоснование на основе законов тепло- и влагообмена продолжительности и механизма теплового воздействия на зерно). Значительный вклад в это направление внесли Льюис, Гирш, Шервуд, Маршалл, М.Ю. Лурье, А.П. Ворошилов, Н.М. Михайлов, И.М. Фёдоров, В.А. Поснов, Я.М. Миниович, Т.К. Филоненко, A.B. Лыков, П.Д. Лебедев, A.A. Гинзбург и многие другие. Проведённые этими учёными исследования позволили научно обосновать выбор способов и режимов сушки зерна. Так, академик A.B. Лыков в 1934 году открыл и научно обосновал перенос влаги под влиянием термовлагопроводности [250].

Результатами проведённых исследований учёными указанного периода стало получение и интерпретация кривых сушки (в координатах скорость сушки - влажность зерна), кривых скорости сушки (в координатах влажность

зерна - время) и температурных кривых (в координатах температура зерна -влажность зерна) [253].

Данные для построения этих графиков получали при сушке контрольных партий зерна, замеряя через определённые периоды экспозиции теплового воздействия его влажность и температуру. При этом режимные параметры процесса (температуру агента сушки, скорость движения зерна и агента сушки, исходную влажность зерна) поддерживали постоянными [252].

Влажность зерна в процессе теплового воздействия определяли расчётным путём по убыли массы влаги. Для этого через определённые промежутки времени взвешивали обрабатываемое зерно.

Ниже приведены кривые сушки, раскрывающие характер изменения скорости сушки в зависимости от изменения влажности зерна (рисунок 1.26 а) и разового влагосъёма (рисунок 1.26 б).

а) б)

Рисунок 1.26 - Кривые сушки: (обозначения в тексте) Так, в стадии прогрева скорость сушки зерна увеличивается от 0 до максимального значения N°.

На протяжении первого периода (I) скорость сушки постоянна, поэтому этот период называют периодом постоянной скорости сушки. Затем, начиная от первой критической влажности, на протяжении всего второго периода скорость сушки зерна снижается. В связи с этим второй период (II) называют периодом падающей (убывающей) скорости сушки. При достижении равно-

весной влажности скорость сушки зерна равна нулю.

Скорость сушки (изменение влажности обрабатываемого зерна в единицу времени, doo/dr, %/ч) в установленный момент времени определяли как тангенс угла наклона касательной (tg\p), проведённой через точку кривой сушки (рисунок 1.27), соответствующую определённой влажности обрабатываемого зерна.

Вначале процесса влажность зерна, подвергаемого тепловому воздействию, уменьшается незначительно по кривой линии АВ (рисунок 1.10). При этом зерно интенсивно прогревается. Продолжительность прогрева зависит от размеров обрабатываемого зерна и от теплового режима. Так, для мелкозерновых культур при жёстких режимах стадия прогрева настолько кратко-временна, что на графическом отображении соответствующей кривой сушки она отсутствует.

603 - влажность зерна, %; (индексы 1 и 2 - параметры зерна до и после сушки, соответственно); Ьс — температура в зоне сушки (сушильной камере), °С; ср - относительная влажность воздуха в сушильной камере, %; V - скорость движения воздуха в сушильной камере, м/с

По мере прогрева зерна интенсивность испарения влаги из него все более усиливается, и далее влажность изменяется по линии ВС. Это первый пе-

Рисунок 1.27 - Кривая скорости сушки:

риод сушки. Он обусловлен линейной зависимостью изменения влажности зерна, подвергаемого тепловому воздействию. После достижения определённого значения влажности (так называемая первая критическая влажность, точка С на рисунке 1.27) процесс испарения затормаживается. С этого момента и до завершения процесса сушки влажность обрабатываемого зерна уменьшается по кривой СИ. Это второй период сушки. В конце процесса тепловой обработки кривая сушки приближается к линии равновесной влажности шр. При ее достижении сушка зерна прекращается.

Изменение средней (интегральной) температуры нагрева зерна Г в процессе сушки характеризует температурная кривая (рисунок 1.28).

О

Рисунок 1.28 - Температурная кривая В начале процесса в стадии прогрева зерна температура его поверхности быстро повышается, достигая температуры мокрого термометра психрометра. В дальнейшем на всем протяжении первого периода сушки температура зерна постоянна. В этот период испарение влаги происходит с наибольшей скоростью. Вся теплота, сообщаемая зерну от греющей поверхности УТОЗ, расходуется на испарение влаги. Таким образом, первый период сушки зерна характерен не только постоянством скорости сушки, но и постоянством температуры обрабатываемого зерна.

Начиная с первой критической точки (С) температура зерна, подвергаемого тепловому воздействию, повышается. В соответствии с закономерно-

стями изменения скорости сушки и температуры зерна второй период сушки называют периодом убывающей скорости сушки и возрастающей температуры зерна.

Первая критическая точка разделяет весь процесс сушки на два периода, отличающихся между собой и скоростью сушки, и температурой зерна. Таким образом, в первом и втором периодах создаются разные условия сушки зерна, по-разному влияющие на его конечное качество.

Критическая влажность зерна а)к, колеблется в довольно широких пределах (17.. .24 %) и зависит от таких факторов, как исходная влажность зерна, режим теплового воздействия и т.д.

Было выявлено, что чем больше исходная влажность зерна, подвергаемого тепловому воздействию, тем интенсивнее скорость сушки в первый период, но тем он и короче, т. е. больше первая критическая влажность. Такая закономерность объясняется различной связью влаги с белками и крахмалом зерна. Гигроскопичность белкового комплекса зерна значительно выше гигроскопичности крахмала, а скорость сушки белков соответственно ниже. Поэтому в более влажном зерне влага связана белками прочнее. В результате удаления влаги из крахмала скорость сушки в начале процесса значительна, однако первый период быстро заканчивается, и характер процесса определяется сушкой белкового комплекса. Поскольку сушка белков происходит с меньшей скоростью, наступает период убывающей скорости.

Существенное значение для развития науки и техники сушки стало создание В.М. Кирпичёвым теории подобия и моделирования.

Благодаря исследованиям П.А. Ребиндера, С.М. Липатова, A.B. Думан-ского, Ю.Л. Кавказова появилась научная база для изучения технологии сушки в неразрывной связи молекулярного переноса теплоты и влаги внутри обрабатываемого зерна с предельно-допустимыми напряжениями, возникающими в процессе тепловой обработки. В дальнейшем учения о формах связи влаги в зерне, о процессах внутреннего влагопереноса были расширены трудами A.C. Гинзбурга, Е.Д. Казакова, Г.А. Егорова [57, 244].

Большое влияние на развитие отрасли зерносушения оказали научные изыскания в области биохимии зерна, технологии его хранения и переработки - А.Н. Баха, В.П. Горячкина, А.И. Опарина, B.JI. Кретовича, Н.П. Козьми-ной, JI.A. Трисвятского, Я.Н. Куприцы, С.Д. Птицына и др.

Первые русские исследователи процесса сушки зерна (И. Чернопятов, 1867 г., Н. Румянцев, 1896 г.) обратили внимание на то, что зерно под действием высоких температур теряет всхожесть. Ими также было замечено, что высокая температура особенно пагубно действует на сырое зерно. По мере подсыхания зерна высокие температуры менее опасны. По данным, полученным академиком В.П. Горячкиным, сухие семена (со3 < 5 %) переносят нагрев до температуры 110... 120 °С и выдержку в нагретом состоянии в течение 20 минут без снижения всхожести и энергии прорастания, в то время как сырые и влажные семена (ш3 > 20 %) в значительной степени теряют всхожесть при нагреве лишь до 45...50 °С [65]. На основе изучения термоустойчивости зерна различных культур С.Д. Птицын установил зависимость максимально допустимой температуры нагрева зерна, °С, для злаковых культур [230]:

2340

где а>з - относительная влажность зерна, %; т - экспозиция (время выдержки) зерна, мин.

Значения t3trias, подсчитанные по формуле для различных значений экспозиции сушки, показали, что чем выше влажность зерна и больше его выдержка в нагретом состоянии, тем ниже максимально допустимая температура нагрева зерна.

До последнего времени методы математического расчёта процессов сушки не получали должного развития, что в значительной степени объяснялось недостаточными сведениями о теплофизических свойствах зерна. Решению этой проблемы посвящены труды Г.И. Красовской, Г.А. Егорова, E.H. Сизаковой, В.А. Казаряна, С.Д. Птицына и др. Проведённые ими исследования теплофизических характеристик единичного зерна и зернового слоя по-

казали, что коэффициенты теплопроводности, температуропроводности единичного зерна значительно отличаются от тех же показателей неподвижного слоя зерна [223, 224].

Отдельное место в теории теплового воздействия на зерно занимают исследования его термического обеззараживания. Впервые термическое обеззараживание было применено в Германии и США в тот период, когда более 50 % посевов зерновых было заражено пыльной головнёй. В 1888 г. впервые Генсен применил против пыльной головни нагрев семян в горячей воде. Аппель внёс изменения и дополнения в эту методику, её признали как единственный метод борьбы с пыльной головнёй [179, 225].

В 1918 г. в США были организованы пункты на мельницах, консервных заводах и других производствах, где имелись паросиловые установки. Зерно прогревали в воде в мешках или во вращающихся барабанах, изготовленных из проволочных сеток, затем охлаждали и сушили [177].

В нашей стране термическое обеззараживание впервые было применено на Верхнянской селекционной станции. Предварительно зерно замачивали в металлических желобах ёмкостью по 100 кг в течение 4...5 ч при температуре воды 30 °С. Затем семена прогревали в горячей воде в специальных резервуарах, куда опускали корзины с зерном массой по 24 кг. Корзины с целью равномерного прогрева зерна до температуры 52...53 °С периодически вынимали и опускали, затем выдерживали 7 минут, при 54 °С - 6 минут и 55 °С - 5 минут. После этого зерно охлаждали и высушивали [176, 247].

Исследованием процесса сушки и дезинсекции зерна занимались П.С. Воробьёв и A.A. Климов, которые установили, что инфракрасные лучи эффективно уничтожают клещей и долгоносиков в заражённом зерне [304].

Многочисленными наблюдениями (B.JT. Кретовича и ЯМ. Раутенштей-на и др.) доказано, что сушка зерна в зерносушилках при распространённых в настоящее время режимах не оказывает существенного стерилизующего действия, т. е. не приводит к массовой гибели микроорганизмов. В результате тепловой сушки происходят лишь некоторые изменения в количественном и

качественном составе и состоянии микрофлоры. Эти изменения зависят от исходной влажности зерна, состояния самой микрофлоры (наличия вегетативных клеток или спор), температуры агента сушки, температуры и продолжительности нагревания зерновой массы.

Опыты показали, что сушку всех партий зерна нормального качества со свойственной ему эпифитной микрофлорой следует рассматривать лишь как процесс, в результате которого повышается концентрация субстрата (зерна) и удаляется свободная вода, в связи с чем понижается жизнедеятельность зерна и микроорганизмов.

Иные результаты получают в процессе тепловой сушки зерновых масс, в которых наблюдается активное развитие микроорганизмов и самосогревание. В этих случаях обильно развившаяся микрофлора в значительной степени подвергается действию агента сушки, наблюдается сильное снижение общей численности микроорганизмов, в том числе плесневелых грибов. Так, по данным О.П. Подъяпольской, количество зародышей плесеней снижалось с 400...500 тыс. до нескольких тысяч в 1 г зерна [234].

Опыты по сушке зерна в пневмогазовых сушилках, когда температура агента сушки достигает 400...600 °С и более, показали, что в этих условиях наблюдается заметное снижение численности микрофлоры даже в зерне с влажностью 16 %. По данным ВНИИЗ в таком зерне число бактерий по сравнению с первоначальным (до пропуска через сушилку) снижалось в 3 раза, а плесневелых грибов в 7...8 раз [180, 254, 255]. Значительно большее воздействие тепловая сушка оказывает на находящихся в зерновой массе клещей и насекомых.

В настоящее время также многие учёные уделяют значительное внимание решению проблем, возникающих в процессе тепловой обработки зерна (повышение энергоэффективности процесса, снижение металлоёмкости устройств для тепловой обработки зерна и т.д.).

Следует отметить, что благодаря проведённым ранее исследованиям механизм воздействия теплоты на зерно в процессе его обработки практиче-

ски полностью изучен и обоснован. Конечно, это не исключает появления инновационных исследований в этом направлении, однако вероятность их появления в ближайшее время очень мала.

Поэтому отличительной особенностью современных исследований является оптимизация режимов теплового воздействия на зерно на основе использования существующих теоретических закономерностей и передовых достижений науки и техники применительно к существующим, серийно выпускаемым средствам механизации процессов тепловой обработки зерна, реализующих конвективный способ теплопередачи.

Переходом на новый этап в развитии экспериментально-аналитических методов расчета послужила идея совмещения методов теории подобия и математического планирования эксперимента, т. е. получение уравнений регрессии в виде функциональной связи между обобщенными переменными. Этот подход в настоящее время получает все большее применение [161].

Однако при всей его простоте трудности, связанные с расчетом переменных режимов обработки, коррелирующих с изменением текущих свойств объекта исследований, до последнего времени оставались непреодолимыми, так как существующие методы планирования эксперимента позволяют получить уравнения регрессии, описывающие процесс только в статике. Если же разбить процесс на ряд зон, в каждой из которых рассматривать процесс теплового воздействия в статике за счет осреднения кинетических параметров по зонам, то в этом случае применение методов планирования эксперимента оправдано. Чем больше зон, тем выше точность получаемых результатов.

Применение метода аналогий характерно для современного этапа развития науки и техники как эффективного средства решения актуальных научных и практических задач [162].

В расчётах кинетики процесса теплового воздействия на зерно всё большее распространение получают методы аналогии процессов тепломассообмена и тепломассопереноса. При этом практическое использование этих методов при исследовании и расчёте указанных процессов является сложной

задачей, так как использование данных, полученных на пилотной модельной установке, при разработке промышленной установки связано с трудностями масштабного перехода. Это, в частности, обусловлено различной термодинамической обстановкой, которая может быть создана в натуре и модели. Так, известно, что одним из условий однозначности является равенство соответствующих критериев. На практике часто проектируют многосекционные установки, состоящие из отдельных секций, размеры которых соответствуют пилотной модели.

Подытоживая вышесказанное, следует отметить, что благодаря многочисленным экспериментальным исследованиям процессы тепловой обработки зерна достаточно развиты, а существующие средства механизации этих процессов достаточно совершенны. Тем не менее, в теории и практике тепловой обработки зерна есть не разрешенные полностью актуальные проблемы, что не исключает появления нового в этом направлении. С развитием технологий тепловая обработка зерна постоянно совершенствуется, постоянно появляются новые средства механизации. Актуальность проблемы реализации процессов тепловой обработки зерна на высоком технологическом уровне, с минимальными энергозатратами, при обеспечении экологичности процесса, с каждым годом возрастает.

1.5 Цель и задачи исследования. Обоснование проблемы

Тепловая обработка сырья является наиболее распространенным технологическим процессом. В частности только на сушку зерна в нашей стране затрачивают более 700 тыс. тонн топлива.

Во многих административных округах Российской Федерации период уборки зерновых совпадает с дождливым периодом, вследствие чего свеже-убранное зерно имеет высокую влажность. Поэтому тепловая сушка зерна является одной из главных технологических операций послеуборочной обработки зерна.

Проведенный анализ существующих технологий и средств механизации процессов тепловой обработки зерна позволяет сделать заключение, что

имеющиеся конструкции устройств, использующих различные способы обработки, не совершенны и имеют ряд недостатков (повышенные затраты теплоты на процесс тепловой обработки, повышенную металлоемкость, неравномерность нагрева зерновой массы и т.д.).

К тому же, существующие, серийно выпускаемые устройства для тепловой обработки зерна ориентированы на высокую пропускную способность, которая, в отдельных случаях, превышает 100 т/ч. Однако современные тенденции развития аграрного сектора Российской Федерации свидетельствуют о том, что наряду с высокопроизводительными комплексами для тепловой обработки зерна целесообразно создавать и устройства относительно невысокой пропускной способности, требующиеся для фермерских хозяйств [163, 256].

Основным путём решения проблемы создания конкурентоспособных, рентабельных в условиях современной экономики средств механизации процессов тепловой обработки зерна служит создание новых и совершенствование существующих средств механизации процессов тепловой обработки зерна у его производителя (зернопроизводящие хозяйства, крестьянские (фермерские) хозяйства и т.п.).

Для успешной реализации этого направления в настоящее время необходимы установки для тепловой обработки зерна сравнительно небольшой пропускной способности, позволяющие перерабатывать те объёмы зерновой массы, которые производят указанные выше хозяйства.

В настоящее время практически обоснована возможность эффективного использования электронагрева для осуществления процессов тепловой обработки зерна. Созданы, апробированы и успешно внедрены установки для тепловой обработки зерна с инфракрасным и высокочастотным нагревом обрабатываемого продукта. Зерно, подвергаемое тепловому воздействию в подобных устройствах, соответствует основным предъявляемым требованиям по качеству, а иногда даже превосходит по качеству зерно, обработанное при конвективном способе подвода теплоты. Следует также отметить, что экс-

плуатация существующих высокопроизводительных устройств для тепловой обработки зерна, характеризующихся сравнительно большими энергетическими затратами при частичной загруженности малоэффективна и даже неприемлема. Экономические изменения, произошедшие в России за последние десятилетия, выявили спрос на миниустановки, обладающие сравнительно небольшой потребляемой мощностью, высокоэкономичные, простые в эксплуатации и техническом обслуживании, способные выполнять несколько технологических операций, а главное - обладающие невысокой стоимостью.

Следует отметить, что существующие высокопроизводительные установки для тепловой обработки зерна снабжены преимущественно огневым, а не электрическим способом получения теплоты. Это обусловлено в частности тем, что для больших объемов обработки зерна при обеспечении высокой производительности установок необходимо использование дополнительных устройств для обеспечения термовлажностного градиента. Поэтому электрический нагрев (контактный, ИК, СВЧ) вследствие высокого расхода электроэнергии на процесс теплового воздействия на зерно в установках большой пропускной способности неэффективен и не нашёл широкого использования [170, 171].

При конструировании же миниустановок для тепловой обработки зерна условия резко изменяются. В подобных устройствах при расположении зерна в сушильной камере толщиной, соизмеримой толщине единичного зернового слоя, изменяется физическая сущность удаления влаги. Так как воздействию теплоты подвергается малый объем зерна, то возникают более эффективные возможности для обеспечения градиента влажности, который интенсифицирует процесс удаления влаги из зернового слоя.

Важным обстоятельством, ограничивающим повсеместное внедрение контактного способа нагрева (в сравнении с конвективным способом подвода теплоты) является и то, что во время развития средств механизации процессов тепловой обработки зерна необходимо было обеспечить зернопроизво-дящие и зерноперерабатывающие хозяйства устройствами высокой пропуск-

ной способности. Применение в подобных устройствах контактного способа передачи теплоты экономически нецелесообразно. Однако накопленный опыт показывает, что небольшие установки на основе использования контактного способа передачи теплоты обрабатываемому зерну от электрического нагревательного устройства необходимы в настоящее время.

Тепловая энергия при конвективном способе подвода теплоты расходуется в следующих пропорциях: на испарение влаги - 40 %, на нагрев зерна -10 %, на нагрев зерна и нагрев содержащейся в нём влаги до температуры агента сушки - 20 %, потери в теплообменнике через стенки газопроводов и рабочей камеры - 30 % [181].

В то время как применение конвективного способа подвода теплоты в зерносушилках связано с большими потерями тепловой энергии в окружающую среду, использование, к примеру, контактного способа передачи теплоты с одновременным транспортированием исходного материала, при хорошей термоизоляции установок позволяет большую часть от общих затрат теплоты передать на нагрев и испарение влаги из зерна. Так, в устройствах с контактным способом подвода теплоты энергозатраты распределяются следующим образом: 10 % на перемещение и перемешивание зерна и удаление влаги из зоны сушки, 90 % на тепловое воздействие.

Использование в миниустановках для тепловой обработки зерна огневого нагрева агента сушки является бесперспективным направлением развития из-за сложности, а в отдельных случаях и невозможности обеспечить требуемый уровень энергоэффективности тепловых конвекционных процессов. В связи с этим основным способом передачи теплоты обрабатываемому зерну в миниустановках должен быть контактный электронагрев. Как уже было обозначено выше, лучистый и высокочастотный нагрев при небольших объемах обрабатываемого зерна также малорациональны. Следовательно, косвенный электронагрев в этом случае является достойным конкурентом традиционным способам подвода теплоты к объекту теплового воздействия.

Применение электронагрева и контактного способа передачи теплоты

зерну позволит достичь максимального соответствия разрабатываемых на этой основе устройств требованиям, предъявляемым при эксплуатации их в условиях небольших фермерских хозяйств (энергоэффективность, экологич-ность, универсальность и т.д.). Таким образом, перспективным направлением развития средств механизации процессов тепловой обработки зерна является создание малогабаритных контактных установок, позволяющих осуществлять такие виды теплового воздействия как: сушка, прожаривание и обеззараживание зерна.

Следовательно, научное обоснование, разработка, апробация и внедрение в производство энергосберегающих средств механизации процессов тепловой обработки зерна, соответствующих требованиям современного российского аграрного производства является актуальной и важной научно-технической проблемой.

С учётом вышесказанного выдвинута научная гипотеза, сформулирована цель исследования и поставлены задачи для её реализации.

Научная гипотеза. Существенного снижения энергоёмкости процессов тепловой обработки и повышения качества готового продукта можно добиться посредством реализации контактного способа передачи теплоты с обеспечением равномерного постоянного перемешивания перемещающегося зерна, слой которого соразмерен толщине единичного зернового слоя, с качественной теплоизоляцией соответствующих средств механизации и постоянным отводом испаряющейся влаги.

Цель исследований - повышение эффективности контактной тепловой обработки зерна путём разработки и научного обоснования энерго-, ресурсосберегающих средств механизации.

Для достижения указанной цели исследований поставлены следующие задачи исследований.

1. Проанализировать технологии и средства механизации тепловой обработки зерна, дать их классификацию и определить перспективные направления повышения их энергоэффективности.

2. Разработать механико-технологические модели процессов тепловой обработки зерна, реализуемые в установках с контактным способом передачи теплоты, на основе которых выявить требования к разработке установок при соблюдении принципов энергосбережения, экологичности и обеспечении требуемого качества готового продукта.

3. Разработать конструкции устройств для тепловой обработки зерна с контактным способом передачи теплоты и выполнить теоретическое обоснование их конструктивных параметров и режимов работы.

4. Исследовать разработанные средства механизации тепловой обработки зерна в лабораторных условиях и определить их оптимальные режимы работы.

5. Исследовать предложенные средства механизации тепловой обработки зерна в производственных условиях и оценить экономическую эффективность их применения.

2 МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРИ РАЗРАБОТКЕ УСТАНОВОК КОНТАКТНОГО ТИПА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

2.1 Основы моделирования процессов тепловой обработки зерна

Научное обоснование, разработка и внедрение новых технологий тепловой обработки зерна заключается в решении комплекса взаимосвязанных задач, к которым относят исследование и учёт свойств зерна, выбор способа подвода теплоты и обоснование оптимального режима теплового воздействия, расчёты тепло- и влагопереноса и тепло- и влагообмена, конструктивное оформление тепловых установок, оснащение их современными контрольно-измерительной аппаратурой, а также системами автоматического регулирования и управления и т. п.

На начальном этапе создания энергоэффективных средств механизации тепловой обработки зерна указанные задачи решают, используя моделирование. Это позволяет обосновать не только оптимальные режимы теплового воздействия и конструктивные параметры разрабатываемых средств механизации, но и выбрать наиболее целесообразный (рациональный) способ управления этими процессами в производственных условиях.

Моделирование процессов теплового воздействия на зерно, как и средств механизации реализующих эти процессы, основывается на изучении динамических систем и процессов, происходящих при тепловой обработке. При этом используют различные виды моделирования, среди которых - физическое, информационное, математическое и др.

Физическое моделирование осуществляют различными способами. Принципиальной особенностью такого моделирования является полное или частичное сохранение физической природы изучаемого процесса. Так, физические модели процессов тепловой обработки зерна представляют в виде систем уравнений, описывающих характер изменения режимных и конструктивных параметров (системы уравнений, характеризующие особенности перемещения зерна в установках для тепловой обработки зерна (УТОЗ) транс-

портирующим рабочим органом, системы уравнений, характеризующие механизм тепло-, влагообмена и тепло-, влагопередачи при тепловом воздействии на зерно и т. д.), а также в виде функциональных схем, раскрывающих механизм теплового воздействия на зерно.

Физические модели разрабатываемых средств механизации, реализующих процессы теплового воздействия на зерно, могут быть представлены в виде опытных установок, позволяющих получить идентичные копии реальных динамических систем и процессов, протекающих при воздействии на зерно теплотой. При этом некоторые элементы системы воссоздают моделями, обладающими и отличительной физической природой.

Следует отметить, что физическое моделирование УТОЗ начало применяться значительно раньше, чем математическое моделирование. Это объясняется тем, что аналитические методы расчёта тепловых установок и протекающих в них процессов теплового воздействия на зерно очень сложны.

Тепловую обработку зерна в установках с контактным способом передачи теплоты можно представить в виде функциональной физической модели параметрических зависимостей (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Функциональная физическая модель теплового воздействия на зерно в установке контактного типа: 4с— температура агента сушки, °С; соас — влажность агента сушки, %; /3 — температура зерна, °С; со3 - влажность зерна, %; т3 - масса зерна, кг; /гп - температура греющей поверхности, °С; и3 - скорость движения зерна, м/с; -

скорость движения агента сушки, м/с; -/Уп - мощность, требуемая на привод транспортирующего рабочего органа, кВт; 7УНЭ - мощность, потребляемая нагревательным элементом, кВт; /ю - температура нагревательного элемента, °С; - мощность, потребляемая вентилятором, кВт; Ьъ - производительность (подача) вентилятора, м3/ч; Яв - давление (напор), создаваемое вентилятором, Па

В рассматриваемом случае на зерно, находящееся в сушильной (тепловой) камере, воздействуют воздушный поток, создаваемый вентилятором и теплота, передающаяся от нагревательных элементов. В конечном итоге эта модель характеризуется такими параметрическими факторами, как пропускная способность устройства для тепловой обработки зерна Q, кг/ч, и суммарные удельные энергозатраты на процесс испарения влаги из зерна д, МДж/кг.

Информационную модель технологического процесса теплового воздействия на зерно в установке с контактным способом подвода теплоты можно представить в следующем виде (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Информационная модель теплового воздействия на зерно в установке контактного типа В этой модели, построенной по типу «вход-выход», примем, что процесс теплового воздействия на зерно - это система мероприятий и средств,

направленная на преобразование исходного состояния зерна (массив А) в продукцию различного назначения: продовольственное, фуражное и семенное зерно (массив В).

При этом массив А (вход модели) характеризует вектор-функция внешних факторов (возмущений):

Х= {ХЬХ2,ХЗ,Х4,Х5}, (2.1)

где XI - исходная влажность зерна; х2 - исходная температура зерна; х3 - вид зерновой культуры; х4 - температура окружающего воздуха; х5 - влажность окружающего воздуха.

В качестве выходной переменной (массив В) принимаем вектор-функцию качественных показателей процесса теплового воздействия:

У={уьу2,уз}, (2-2)

где у] — конечная влажность зерна; - температура зерна на выходе из тепловой камеры; у3 - травмируемость зерна.

Управляющими воздействиями в рассматриваемой модели являются: скорость движения зерна в УТОЗ гь средняя температура греющей поверхности г2, скорость движения воздушного потока в тепловой камере г3, направление движения воздушного потока в тепловой камере по отношению к направлению движения обрабатываемого зерна (противоток, прямоток и т. Д.) г4.

Математическое моделирование процессов теплового воздействия в УТОЗ характеризуется системами уравнений, связывающих выходные переменные с входными воздействиями, или взаимосвязью параметра (критерия) оптимизации процесса теплового воздействия на зерно с независимыми действующими факторами.

Этапы математического моделирования при планировании эксперимента по определению оптимальных режимных параметров процесса теплового воздействия на зерно в установках с контактным способом подвода теплоты можно представить в виде следующей схемы (рисунок 2.3).

Параметр оптимизации процесса теплового воздействия на зерно дол-

жен быть: эффективным с точки зрения достижения цели, универсальным, статистически эффективным, имеющим физический смысл, легко вычисляемым. Так, для характеристики процесса сушки зерна таким параметром служит показатель суммарных удельных затрат энергии на 1 кг испарённой влаги q, кДж/кг, представляющий собой отношение расходуемой на сушку теплоты Q, кДж, к количеству испарённой влаги М, кг.

Выбор параметра оптимизации

/

Выбор модели

Обработка данных эксперимента; интерпретация результатов исследований; разработка рекомендаций

Г

Рисунок 2.3 - Этапы математического моделирования при планировании экспериментов по исследованию теплового воздействия на зерно Выбранные независимые факторы (количественные и качественные), характеризующие процесс теплового воздействия на зерно, должны непосредственно воздействовать на объект исследования. В совокупности действующие факторы должны обладать совместимостью и отсутствием линейной корреляции.

После выбора параметра оптимизации и действующих факторов переходят к выбору математической модели исследуемого процесса теплового

воздействия, под которой понимают вид функции отклика. Основное требование к модели - это способность предсказывать с требуемой точностью направление дальнейших опытов (адекватность модели).

Важным требованием при проведении эксперимента является уменьшение случайных и систематических ошибок опыта. Особое внимание при этом уделяют проверке однородности дисперсий, так как это одна из предпосылок, лежащих в основе корреляционно-регрессионного анализа. Для проверки однородности дисперсий используют критерии Кохрена или Бартлета.

Обработку полученных результатов эксперимента осуществляют различными статистическими методами — методом наименьших квадратов, корреляционно-регрессионным анализом. При этом необходимо проверить адекватность полученной модели по критерию Фишера и значимость коэффициентов полученных регрессий по критерию Стьюдента [267, 299].

Комплексное использование принципов математического моделирования и математической теории больших систем, а также достижений современной вычислительной техники позволяет перейти от сложной реальной модели процесса теплового воздействия на зерно, как нестационарного и обратимого процесса, к его формализованной математической модели.

В этом случае на вход формализованной физико-химической системы поступают потоки сплошной среды, характеризующиеся вектором входных переменных (составом и параметрами состояния отдельных фаз), которые в процессе обработки под действием технологических факторов преобразуются в вектор выходных переменных. При этом реальная зависимость заменяется её математической моделью, в которой отображают зависимость вектора выходных переменных от входных переменных и переменных состояния объекта тепловой обработки во времени. В явном виде модель является замкнутой системой аналитического описания процесса в виде уравнений регрессии, дифференциальных, интегральных и дифференциально-интегральных уравнений с соответствующими краевыми условиями и эмпирическими соотношениями.

2.2 Основы разработки установок для тепловой обработки зерна

При разработке установок для тепловой обработки зерна учитывают физические законы и физико-химические соотношения, которым подчиняются технологические процессы теплового воздействия на зерно, а также общие методы проведения исследований разрабатываемых средств механизации и их расчётов. Процессы тепловой обработки зерна являются нестационарными и, в ряде случаев, обратимыми процессами (например, сушка зерна), протекающими в основном с переменной (убывающей) скоростью, и поэтому расчёт кинетики процессов представляет значительные трудности. В результате этого расчёта должна быть определена продолжительность теплового воздействия (экспозиция), которая при заданных пропускной способности УТОЗ и режимных показателях процесса определяет габариты тепловой камеры (пространства, в котором непосредственно происходят процессы теплового воздействия на зерно). В ряде случаев практический интерес представляет также решение обратной задачи, т. е. расчётное определение оптимальных режимных параметров, обеспечивающих заданную пропускную способность УТОЗ и соответствующие технологические требования (температуру нагрева зерна на выходе из тепловой камеры, разовый влагосъём, конечную влажность зерна после теплового воздействия и т. д.) [300].

Анализируя процессы тепловой обработки зерна в общем виде, можно выделить пять уровней иерархий физико-химических явлений, протекающих при этом. Эти уровни в свою очередь соответствуют пяти уровням исследований явлений протекающих при тепловом воздействии на зерно (рисунок 2.4).

В настоящее время расчёт процессов тепловой обработки и средств механизации, реализующих эти процессы, ведут в основном на макроскопическом уровне, что соответствует III и IV уровням иерархии системного анализа, однако уже имеются определённые данные и перспективы более глубокого проникновения в механизм процессов тепловой обработки на атомарно-молекулярном уровне, т. е. на I уровне иерархии [114, 115, 293].

I - исследование на атомарно-молекулярном уровне;

П - исследование надмолекулярных н глобулярных структур белка; Ш - анализ физических и физико-химических явлений, протекающих в объектах тепловой обработки, н. в частности, явлений межфазного энерго- и влагоггереноса;

Г\' - исследование явлений, протекающих в пограничных слоях между объектом тепловой обработки и источником теплоты: V - анализ совокупности процессов, определяющих макрогидродинамнческую и макроэнергетическую обстановку в УТОЗ

Рисунок 2.4 - Уровни исследований теплового воздействия на зерно

До недавнего времени процесс теплового воздействия в основном изучали как макропроцесс, а объект тепловой обработки (зерно) рассматривали как непрерывную модель, в которой отдельные фазы представлены в виде сплошной среды, равномерно распределённой в объёме зернового материала, подвергающегося тепловому воздействию. В настоящее время, в связи с широким использованием новых физических эффектов в условиях воздействия внешних полей целесообразно более глубоко проникнуть в сущность микропроцессов и рассматривать объект тепловой обработки как корпускулярную модель, физические свойства которой обусловлены молекулярной структурой зерна и силами взаимодействия между образующими его молекулами, атомами и ионами [116].

Такой подход к изучению процессов тепловой обработки зерна уже даёт положительные результаты при анализе явлений, развивающихся внутри зернового материала при взаимодействии влаги с зерном, подвергаемым тепловому воздействию. Так, выявлены причины образования различных форм связи влаги, а также вскрыты специфические особенности влияния различных способов подвода теплоты к обрабатываемому зерну на удаление из него влаги.

В связи с этим на современном этапе тепловое воздействие на зерно следует рассматривать как процесс разделения фаз в гетерогенных системах

в условиях взаимодействия внешних и внутренних полей, причем определяющее влияние имеет начальная стадия этого взаимодействия - импульс.

При этом целесообразно использовать понятие «импульс силы», или импульс начального теплового воздействия на зерно. Эта величина учитывает как начальную действующую силу процесса тепловой обработки зерна, так и продолжительность её приложения (экспозицию) [301].

В соответствии с универсальным физическим принципом Ле-Шателье-Брауна, чем сильнее внешнее воздействие на объект теплового воздействия в начальный момент, тем интенсивнее протекают внутренние процессы, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия. К примеру, все методы обобщения кривых сушки и расчёта продолжительности процесса теплового воздействия базируются на использовании скорости сушки в первый период (или скорости сушки в начале второго периода, если первый период отсутствует), которая является количественной мерой начального импульса.

Таким образом, при разработке УТОЗ необходимо создать условия, обеспечивающие эффективное протекание как внешнего тепло- и массооб-мена в тепловой камере, так и тепло- и массопереноса внутри объекта теплового воздействия (зерна).

При разработке современных энергоэффективных УТОЗ учитывают ряд требований, которые можно разбить на следующие группы (рисунок 2.5):

1. Технологические - обеспечение высокой эффективности и равномерности тепловой обработки при получении однородного высококачественного продукта во всем объёме тепловой камеры, с заданными свойствами (конечные влажность и температура); комбинированность процессов теплового воздействия (возможность использования УТОЗ при различных тепловых воздействиях на зерно - сушка, обжаривание, термическое обеззараживание ит. д.) [50, 118].

2. Конструктивные - минимальная металлоёмкость, компактность, унифицированность (максимально возможное использование стандартных деталей и узлов), удобство монтажа и т. д.

Рисунок 2.5 - Требования к разработке УТОЗ

3. Эксплуатационные - безопасность, соответствие санитарным нормам, нормам пожарной безопасности, непрерывность процессов тепловой обработки, возможность включения УТОЗ в существующие технологические линии послеуборочной обработки зерна, удобство обслуживания и ремонта, эргономичность и т. д.

4. Кибернетические - соответствие требованиям автоматизации контроля, регулирования и управления процессами тепловой обработки и работой УТОЗ [142].

5. Технико-экономические, которые, по существу, являются итогом реализации перечисленных выше требований, к ним относят целый ряд показателей, причём некоторые из них желательно в определённых пределах максимизировать (МАХ), а другие, наоборот, минимизировать (MIN) (рисунок 2.6 [307, 344, 348].

В целом, максимально улучшая технико-экономические показатели УТОЗ, можно достичь минимума удельных приведённых затрат на испарение влаги (руб./кг).

пропускная способность

установки; разовый влагосъём (предельно допустимый для конкретного вида обрабатываемой культуры); качество готового продукта (семенные и технологические свойства и т.п.)

продолжительность теплового воздействия; энергоёмкость; металлоёмкость;

затраты труда; вредные выбросы в окружающую среду; количество проходов обрабатываемого зерна через установку

Рисунок 2.6 — Технико-экономические показатели УТОЗ Разработку УТОЗ осуществляют поэтапно, в следующей последовательности (рисунок 2.7). шшшшяшшшшшшшяшг

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ

1. Выбор способа подвода теплоты

2. Выбор типа установки 3. Выбор основных конструктивных элементов установки и определение их взаимного расположения 4. Выбор типа вспомогательного

оборудования (вентиляторы, калориферы и т. д.) 5. Выбор типа загрузочных и

разгрузочных устройств 6. Выбор средств контроля, регулирования и управления процессом тепловой обработки

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ

шг

1. Расчё1 расхода и параметров агента сушки

2. Расчёт устройств для нагрева теплоноагтеля

3. Расчет интенсивности теплового потока

4 Расчёт размеров тепловой камеры и плошади греюшей поверхности 5. Расчёт теплоизоляции

1. Определение оптимальных значений основных незавиасмых режимных факторов и га влияния на критерий оптимизации процессов тепловой обработки зерна 2 Апробация установки в производственных условиях, разработа рекомендаций по её эксплуатации

Рисунок 2.7 - Этапы разработки УТОЗ Расчётный этап при разработке УТОЗ является наиболее ответственным. При этом особенности расчёта УТОЗ с контактным способом подвода теплоты состоят в следующем.

Установки рассчитывают на основании условий, которые обычно содержат такие исходные данные как:

а) по установке в целом: 1) требуемая пропускная способность; 2) способ нагревания контактной поверхности (электронагрев, пар и т.п.); 3) способ загрузки и выгрузки зерна, наличие и тип транспортирующего рабочего ор-

гана;

б) по обрабатываемому зерну. 1) начальная и конечная влажность;

2) начальная и максимально-допустимая температура нагрева (предельная);

3) размерно-массовые характеристики; 4) теплофизические свойства; 5) допустимый разовый влагосъём [135];

в) по режиму теплового воздействия: 1) с обдувом или без обдува агентом сушки; 2) температура и влажность подаваемого агента сушки; 3) скорость движения агента сушки в тепловой камере; 4) направление движение агента сушки в тепловой камере (противоток, прямоток и т. д.).

Продолжительность тепловой обработки зерна в УТОЗ может быть задана или её следует вначале рассчитать по уравнениям кинетики процесса.

Примерная схема основных расчётов УТОЗ с контактным способом подвода теплоты включает в себя следующее.

Расчёт тепловой камеры: 1) расчёт массы испарённой влаги; 2) расчёт расхода электроэнергии; 3) расчёт габаритов тепловой камеры; 4) расчёт потерь теплоты в окружающую среду; 5) расчёт остальных потерь теплоты в тепловой камере; 6) расчёт общего расхода теплоты.

Расчёт привода транспортируюгцего рабочего органа: 1) выбор типа электродвигателя; 2) выбор и расчёт передающих элементов (вариатора, муфты и т. д.).

Расчёт нагревательного элемента: 1) выбор типа (огневой, электрический, паровой и т. д.) и вида (керамический, плёночный, трубчатый и т. д.) нагревательного элемента; 2) расчёт требуемой мощности нагревательного элемента; 3) определение коэффициента теплопередачи; 4) определение площади поверхности нагрева.

Расчёт системы вентиляции: 1) разработка схемы воздуховода; 2) расчёт аэродинамических сопротивлений в УТОЗ [166]; 3) определение расхода воздуха; 4) выбор вентилятора и расчёт мощности электродвигателя [126].

Расчёт теплоизоляции: 1) обоснование расчётной температуры наруж-

ной поверхности теплоизоляционного слоя; 2) выбор типа теплоизолирующего материала; 3) расчёт толщины теплоизолирующего слоя [144].

Расчёт технико-экономических показателей УТОЗ. На основании расчётных данных составляют таблицу указанных выше основных технико-экономических показателей установки (рисунок 2.2) для сравнения с показателями лучших, серийно выпускаемых установок. При этом апробируют выбранные на предварительном этапе разработки тип установки, способ подвода теплоты, параметры режима тепловой обработки и т. п. Предпочтение отдают наиболее рациональному экономическому варианту [312].

В частности, при тепловой обработке зерна в установках с контактным способом подвода теплоты значительного экономического эффекта можно добиться, обеспечивая единичный слой движения зернового материала в установке при электронагреве контактирующей с зерном поверхности с хорошей теплоизоляцией кожуха установки.

Интенсификации внешнего тепло- и влагообмена при контактном способе подвода теплоты достигают за счёт увеличения движущей силы обмена, т. е. градиента (разности) температуры греющей поверхности и обрабатываемого зерна. Этот градиент в большей мере зависит от режима теплового воздействия, в частности, от скорости движения зерна в установке, скорости движения агента сушки (в случае обработки зерна с обдувом нагретым воздухом) и площади поверхности их контакта.

Все вышеназванные особенности разработки УТОЗ можно представить в виде обобщённой схемы (рисунок 2.8).

Каждый их блоков этой схемы включает технико-экономические, энерго,- ресурсосберегающие, экологические аспекты, а также требования технологической адаптации. Реализация указанных условий при разработке УТОЗ позволит создать энергоэффективные средства механизации. При этом необходимо учитывать влияние на процесс тепловой обработки зерна как каждого из блоков по отдельности, так и их взаимосвязи.

3 _

- а

5В

|1 8 »

" я V 5

= 3

Энергосборе жение

1. Снижение затрат энергии на нагрев зерна, испарение

и удаление влаги из тепловой камеры,

2. Снижение затрат энергии на перемещение (транспортирование, ворошение) зернового материала,

Ресурсосбережение:

1. Снижение затрат материма на изготовление установок,

2. Снижение затрат трчда на процессы теплового воздействия на зерно

Ж

Разработки энерго-. ресурсосберегающих, экологически безопасных ^ТО'З контактного типа

Техвнко-экч>номпческпе требования (в сравнении с наиболее эффективным» из существующих)

1 Снижение эксплуатационных затрат, 2. Сохранение качества обрабатываемого зерна (отсутствие травмируемое га, соответствие температуры тепловой обработки предельно допустимой (при сушке зерна) и т д.) 3 Окупаемость капиталовложений, 4. Эффективность эксплуатации разработанных средств механизации при переработке небольших партии зерна

Возможность включения разработанных установок в технологические линии по послеуборочной обработке и переработке зерна

Универсальность УТОЗ (возможность обработки зерна различных культур)

Оснащение УТОЗ средствами автоматизации контроля н управления процессами тепловой обработки зерна

! Возможность совмешеннеразличзшх вкдов тепловой обработки

¥

Обеспечение требований охраны труда и экологии

1. Отсутствие загрязнен!« зерна н окружающей среды топочными газами и иными веществами (сажа, смазка и т д.),

2 Обеспечение требований ¿«опасности оператора УТОЗ (соответствие нормам электробезояасносга, уровня вибрации, шума, запыленности и т. д.)

Рисунок 2.8 - Схема разработки УТОЗ

Следует отметить, что тепловая обработка зерна - это сложный технологический процесс, поэтому при разработке соответствующих установок основываются на законах, которые можно разбить на три группы.

1. Законы, устанавливающие количественные соотношения - фундаментальные законы сохранения массы и энергии. На основании этих законов составляют материальные и энергетические балансы разрабатываемых УТОЗ. Например, для тепловой камеры уравнение материального баланса имеет вид:

™3i = тз2 + ™вл, (2-3)

где тз1, тз2 - масса сырого и высушенного зерна соответственно, кг; твл - масса испарённой влаги, кг.

Уравнение энергетического баланса тепловой камеры УТОЗ контактного типа можно представить в виде:

Авх = Аух = const, (2.4)

где Авх, Аух - соответственно энергия, внесённая в тепловую камеру зерном, греющей поверхностью и воздухом, и энергия, уходящая из тепловой камеры, кДж.

Так как

АуХ Апол АП0Т, (2.5)

где Апол - полезно использованная энергия, кДж; Апот - потери энергии, кДж, то в общем виде энергетический коэффициент полезного действия (КПД) установки

^7эн ~ АП0Л/(АП0Л + Апот). (2-6)

По существу, полезным расходом теплоты в УТОЗ являются затраты энергии на испарение влаги. Тогда приближённо можно принять, что

Ън ~(q + qCByq общ, (2.7)

где q — удельные затраты энергии на испарение, кДж/(кг-влаги); qCB - удельные затраты энергии на разрыв связи влаги с материалом, кДж/(кг-влаги); <7общ - общий расход энергии, кДж/(кг-влаги).

2. Законы, устанавливающие равновесные соотношения.

Влажность зерна, соответствующая состоянию равновесия, является равновесной влажностью й)р. Равновесное состояние обрабатываемого зерна (прекращение испарения влаги с его зерна) может быть достигнуто путём поглощения водяного пара из окружающего воздуха (сорбции) или же путём испарения влаги из зерна (десорбции) [136, 345].

Равновесная влажность, высушиваемого зерна зависит от парциального давления пара в воздухе рп, а, следовательно, и от его относительной влажности ср, так как

СП -Рп/

<Р ~ /рн'

где рн - давление насыщенного пара при данной температуре, Па.

Подобные зависимости для зерна графически можно представить в виде кривых -образной формы: изотермой сорбции при увлажнении зерна и изотермой десорбции при испарении влаги из зерна. Указанные изотермы частично не совпадают (при (р — const значение равновесной влажности высушиваемого зерна сорбции меньше, чем значение аналогичного показателя десорбции) - явление сорбционного гистерезиса.

На рисунке 2.9 представлена изотерма десорбции (кривая равновесной влажности). Каждая точка этой кривой соответствует равновесному состоянию обрабатываемого зерна при определённой влажности воздуха (агента сушки) в тепловой камере УТОЗ. При изменении влажности воздуха равновесие нарушается. Так, например, при относительной влажности воздуха срх высушиваемое зерно имеет равновесную влажность

Если же влажность воздуха увеличится до ср2, то равновесное состояние нарушится, влажность обрабатываемого зерна начнет возрастать за счет сорбции влаги из воздуха. Равновесие восстановится лишь при равновесной влажности зерна ш2, соответствующей влажности воздуха ср2.

Зерно может поглощать влагу путём сорбции из окружающего воздуха лишь до гигроскопической влажности сог, под которой понимают равновесную влажность зерна при полном насыщении воздуха (ср = 100 %). Даль-

нейшее увлажнение зерна происходит лишь при непосредственном его кон-

Рисунок 2.9 - Изотерма десорбции: (р - относительная влажность воздуха, %; о)н, &)г, шк - начальная, гигроскопическая и критическая (конечная) влажности высушиваемого зерна соответственно, %; (л)у - удаляемая влага, %; рп и рм - парциальное давление пара в окружающем воздухе и у поверхности зерна соответственно, Па; рн - давление насыщенного пара, Па

При понижении влажности агента сушки до <р3 влажность зерна, подвергаемого тепловому воздействию, уменьшится до £03 вследствие десорбции влаги из зерна. Обезвоживание зерна путем десорбции влаги происходит до тех пор, пока не удалится вся свободная влага. Критическая влажность зерна шк (конечное значение равновесной влажности) соответствует наличию в зерне лишь связанной влаги, которую нельзя удалить путём десорбции. В основном это химически связанная влага.

Кривая равновесной влажности (изотерма десорбции) разделяет пло-

щадь графика на две части: верхнюю, расположенную между кривой, осью ординат и прямой ср = 100 % - область сорбции; и нижнюю, ограниченную кривой, осью абсцисс и прямыми со = а)г и со = сок - область десорбции.

Характерна на этом графике гигроскопическая точка (а) = а)г, ср = 100 %,): слева от неё располагается область гигроскопического, справа -область влажного состояния обрабатываемого зерна.

Область от сон до шк (ниже изотермы десорбции) является областью сушки. Так как при тепловом воздействии на зерно при определённых режимных параметрах (скорость подаваемого воздуха, температура греющей поверхности, экспозиция теплового воздействия и т.д.) можно удалить не всю влагу, а только довести влажность обрабатываемого зерна до равновесной о)р. При этом максимальное количество удаляемой влаги можно определить из выражения:

При проведении практических исследований процесса теплового воздействия на зерно широко используют следующие соотношения парциальных давлений пара над поверхностью обрабатываемого зерна р3 и в окружающем воздухе рп\

если р3 > рп, протекает процесс десорбции (удаление влаги из зерна); движущая сила процесса р3 - рп;

при /?3 <рп протекает процесс сорбции (поглощение влаги зерном);

при р3 = рп наступает динамическое равновесие - процесс влагообмена прекращается.

Знание указанных соотношений необходимо для оценки гигроскопических свойств и теплофизических характеристик обрабатываемого зерна, что важно для выбора оптимальных режимов теплового воздействия, а также условий последующего хранения зерна.

В связи с тем, что влага в зерне находится в различных формах связи с его сухим скелетом (приложение В), аналитическое получение общего уравнения изотерм затруднительно. Поэтому в инженерной практике для расчёта

равновесной влажности используют эмпирические формулы, полученные путём обработки опытных данных.

Для расчёта удельных затрат энергии на разрыв связи влаги с обрабатываемым зерном (дсв) применяют термодинамические методы, используя при этом зависимость между равновесной влажностью зернового материала и влажностью воздуха.

Наибольшее практическое применение имеет метод академика П.А. Ре-биндера, который определил энергию связи (?св или работу отрыва единицы массы влаги от обрабатываемого зерна А, кДж, как уменьшение свободной энергии — АА, кДж, при температуре °С, так как в результате связывания влаги с зерновым материалом снижается давление пара над его поверхностью, и свободная энергия соответственно снижается:

с?св = А = -ДА - ЛС/п(рн/ри) - -т1пАъ, (2.8)

где Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-°С); рн - давление насыщенного пара свободной влаги, Па; ри - парциальное давление равновесного пара над зерновым материалом с влагосодержанием и, Па; Ав — активность влаги, Лв = Рн/Ри-

Чем прочнее влага связана с зерновым материалом, тем меньше ри, и наоборот, для свободной влаги ри =/?„, Ав= 1, дсв = 0. В процессе теплового воздействия (сушки) на зерно по мере уменьшения его влагосодержания энергия связи увеличивается, так как повышается доля влаги, более прочно связанной с зерном (влага микрокапилляров и адсорбционно связанная влага).

3. Законы, определяющие скорость процессов тепловой обработки - их кинетику. К этой группе относят законы нестационарного тепловлагообмена и тепловлагопереноса. Например, такой вид теплового воздействия на зерно как его сушка, после первой критической влажности протекает с убывающей скоростью: чем ближе текущая влажность зернового материала к равновесной, тем меньше скорость процесса теплового воздействия. Поэтому в расчёте УТОЗ учёт кинетики процесса теплового воздействия имеет решающее

значение.

В конце процесса тепловой обработки зерна обычно удаляется влага, прочно связанная с его сухим скелетом, что обусловливает не только уменьшение скорости тепловой обработки, но и требует подвода дополнительной энергии, которая затрачивается на преодоление энергии связи.

В общем виде уравнение внешнего влагообмена при тепловом воздействии на зерно может быть представлено следующим образом:

Чп = ашр(Рм ~ Рп) Внорм/В, (2.9)

или

Чп = атир0(ип - ир), (2.10)

где Ьт - интенсивность испарения влаги, кг/(м -ч); атр, ати - коэффициенты внешнего влагообмена, отнесенные к разности парциальных давлений пара, или к разности влагосодержаний соответственно, Вт/(м °С); Внорм, В - нормальное барометрическое давление и фактическое общее давление в сушильной камере соответственно, Па; ро - плотность абсолютно сухого зернового

о

материала, кг/м ; ип, ир - соответственно влагосодержание на поверхности зерна и равновесное, кг влаги/(кг сух. вещества).

Следует учесть, что в связи со сложной зависимостью коэффициентов влагообмена от текущей влажности обрабатываемого зернового материала, а также из-за интенсивного углубления поверхности (зоны) испарения внутрь зерна во второй период сушки эти коэффициенты изменяются, и поэтому использование формул (2.7), (2.8) в инженерных расчётах УТОЗов ограничено. Лучшее приближение к реальности даёт расчёт кинетики процесса теплового воздействия по зонам, при этом влагокоэффициенты считают постоянными только в пределах определённой зоны [346].

Вышеуказанные условия относят к первому классу прямых способов расчёта.

В практических расчётах тепловых установок с контактным способом передачи теплоты важное значение имеет второй класс, к которому относят

обратные задачи расчёта. В этом случае при ограничивающих условиях (обусловленных технологическими требованиями, такими как максимально допустимая температура нагрева, поверхностный градиент влажности и т. п.) определяют параметры оптимального режима процесса тепловой обработки зерна, обеспечивающие наибольшую эффективность процесса в соответствии с принятым критерием оптимизации.

В соответствии с изложенным выше общие методы расчёта УТОЗ можно разделить на три группы.

1. Приближенные инженерные расчёты - выбор типового оборудования осуществляют по действующим нормативным документам или эмпирическим зависимостям. Например, при расчёте барабанных или распылительных

зерносушилок объем сушильной камеры определяют по нормативному ко-

•j

эффициенту - напряжению по влаге Av [кг вл. /(м ч)].

2. Статические инженерные расчёты используют при обосновании периода постоянной (средней) скорости сушки зерна U, кг вл./ч. Обычно эти расчеты проводят на основании балансовых уравнений с использованием I-d - диаграммы (где I - энтальпия влажного воздуха, кДж/кг сухого воздуха; d -влагосодержание влажного воздуха, кг/кг сухого воздуха), что правомерно при протекании процесса тепловой обработки зерна в первый период или с определённым приближением при незначительном изменении скорости процесса во втором периоде. Следует также учесть, что I-d -диаграмма построена для влажного воздуха, и она не учитывает свойства зерна, как объекта теплового воздействия и тем более кинетику процесса. В связи с этим ценное практическое значение имеют проведённые исследования по развитию I-d -диаграммы и нанесению на неё линий, характеризующих гигроскопические свойства зерновой культуры, подвергаемой тепловому воздействию, а также создание IM-d -диаграмм влажного зерна и комбинированной I-u-d - диаграммы (где /м и и — соответственно энтальпия влажного зернового материала, кДж/кг сухого зерна и влагосодержание влажного зерна, кг влаги/кг сухого вещества).

3. Динамические расчёты, основанные на системах дифференциальных уравнений, описывающих изменение температуры и влагосодержания в локальных точках процесса тепловой обработки зерна. Эти расчёты отражают кинетику процесса тепловой обработки зерна в реальных условиях переменного режима в тепловой камере УТОЗ.

Статические и динамические методы расчёта УТОЗ дают возможность аналитически определить продолжительность теплового воздействия и уточнить габариты разрабатываемого средства механизации.

2.3 Особенности исследования процессов тепловой обработки зерна

Исследование процессов тепловой обработки зерна проводят с целью экспериментального обоснования их оптимальных режимов. Методы исследования процессов тепловой обработки зерна можно разбить на три основные группы: аналитические, экспериментальные и синтетические.

Аналитическое исследование процессов тепловой обработки зерна осуществляется в следующей последовательности: а) математическое описание задачи; б) формулировка краевых условий; в) решение задачи. Необходимость формулировки краевых условий вызвана тем, что уравнения кинетики тепло- массопереноса в частных производных второго порядка описывают целый класс явлений и имеют бесчисленное множество решений. Для однозначного решения этих уравнений необходимо сформулировать начальное и граничные условия, отражающие конкретную обстановку протекания того или иного процесса теплового воздействия.

По характеру реализации аналитические исследования могут быть представлены в виде информационных и имитационных моделей. По степени влияния случайных величин на полученный результат эти модели классифицируют на детерминированные (при которых для данной совокупности входных значений на выходе системы может быть получен единственный результат) и стохастические (условия функционирования и характеристики состояния моделируемого объекта представлены случайными величинами и связаны стохастическими (т. е. случайными, нерегулярными) зависимостями).

При построении информационных моделей рассматривают распределение вероятностей исследуемых факторов в новом состоянии при известном начальном состоянии. Однако для вывода и обоснования таких уравнений в случае сложных процессов необходим не только достаточно высокий уровень развития теоретических представлений о процессе теплового воздействия, но и большой объем достоверной эмпирической информации о состоянии элементов системы.

При обосновании процессов тепловой обработки зерна, о характере протекания которых отсутствует достаточно полная информация, для построения функциональной зависимости используют имитационные модели. В этих моделях моделирующий алгоритм приближённо воспроизводит функционирование процесса теплового воздействия во времени, причём имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания. Моделирующий алгоритм позволяет по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии процесса (входная информация) и его параметрах, получить сведения о состоянии процесса в произвольные моменты времени.

Несмотря на то, что имитационные модели применимы к исследованию процессов тепловой обработки, они обладают существенным недостатком. Так, полученное решение носит частный характер, отвечая фиксированным значениям параметров системы, входной информации и начальных условий.

Информационные и имитационные модели бывают преимущественно стохастическими. Поэтому обоснование процесса теплового воздействия с помощью моделей этого типа принято называть стохастическим моделированием.

Методы интерпретации результатов аналитических исследований можно разделить на следующие группы (рисунок 2.10).

Аналитическое решение возможно получить лишь для сравнительно простых систем. Если же рассматриваемая система сложна, то аналитическое решение выполнить невозможно. В этом случае исходную модель решают

путём разбивки её на несколько более простых моделей (частных случаев) и получают частные зависимости, позволяющие изучить некоторые свойства системы. Дальнейшая же интеграция и интерпретация полученных частных решений позволяет получить общее решение исходной модели.

ВИД РЕШЕНИЯ

УСЛОВИЯ ВЫБОРА

- ь

аналитическое

1

\7

когда неооходимо получить в оощем виде зависимости для искомых величин

когда отсутствует вероятность решения имеющихся уравнений в общем виде, но всё же возможно получить численные результаты при конкретных начальных данных

качественное

когда, не имея решения в явном виде, по структуре системы можно найти некоторые свойства, например, оценить её устойчивость

когда рассматриваемую систему реализуют в виде соответствующего набора графиков и номограмм

когда рассматриваемую систем)7 заменяют моделирующим алгоритмом

Рисунок 2.10 - Методы представления результатов аналитических исследований Численные методы по сравнению с аналитическими практически применимы к значительно более широкому классу функциональных уравнений, однако полученные решения носят частный характер.

Графоаналитические методы являются синтезом аналитических и численных методов реализации аналитических исследований. Они позволяют обойти трудности, связанные с решением трансцендентных уравнений, просты и удобны в практической работе и потому получили наиболее широкое

распространение в инженерной практике обоснования процессов теплового воздействия на зерно.

К примеру, широкое применение и развитие диаграммы влажного воздуха {I-d - диаграммы) свидетельствует о большом значении, которое она имеет для расчета параметров влажного воздуха при протекании различных процессов теплового воздействия и, в частности, процесса сушки зерна [75].

Указанная диаграмма составлена, исходя из предположения, что обрабатываемое зерно отдаёт столько влаги, сколько может поглотить влагопо-глотитель (агент сушки) определенных параметров. Между тем процесс теплового воздействия на зерно лимитирован внутренним переносом влаги и вследствие этого протекает с переменной (убывающей) скоростью. Диаграмма влажного воздуха позволяет увязать графоаналитический статический расчет с кинетикой процесса теплового воздействия.

Аналитические методы исследования учитывают основные закономерности процессов, протекающих в моделируемом объекте, качественно более правильно характеризуют его даже при наличии недостаточно точных в количественном отношении параметров модели. Поэтому с их помощью можно разрабатывать общие методы расчета. При возможности их полной реализации, по существу, отпадает необходимость в эксперименте, который в этом случае применяют для определения кинетических констант модели и для проверки адекватности полученных моделей.

В ряде случаев целесообразно использовать принцип суперпозиции, когда задачу со сложными краевыми условиями и переменными физическими характеристиками раскладывают на алгебраическую сумму простых задач, решения которых известны (например, в виде расчётных графиков, номограмм и т. п.). Также хорошие практические результаты даёт зональный расчёт с применением метода кусочно-ступенчатой аппроксимации.

Однако применение аналитических методов исследований не всегда возможно. В частности, когда отсутствует или весьма ограничен объём теоретических сведений об изучаемом процессе теплового воздействия, вслед-

ствие чего неизвестен ориентировочный вид соотношений, описывающих этот процесс. Даже если аналитические зависимости получены, из-за их громоздкости и сложности их часто трудно применять в практических инженерных расчётах при разработке УТОЗ.

В связи с этим доминирующее практическое значение имеет экспериментальный метод исследования (рисунок 2.11) [183].

Исследование механизма тепловой обработки зерна и получение данных для математических моделей

Формулировка конкретных исходных и краевых условий

шт

Получение эмпирических расчетных зависимостей

Л

Проверка адекватности полученных

математических моделей процессов тепловой обработки зерна

Рисунок 2.11 - Последовательность выполнения экспериментального метода исследования

При проведении экспериментальных исследований процессов тепловой обработки зерна важно:

а) определить минимально необходимое число опытов и правильно поставить эксперимент; для этого широко применяют методы планирования многофакторных экспериментов;

б) оценить погрешность проведения опытов и точность получаемых данных с использованием методов математической статистики;

в) разработать экспериментальные установки, которые должны быть физическими моделями будущих производственных (серийно выпускаемых) установок;

г) обобщить экспериментальные данные с целью получения эмпирических расчётных формул.

В конечном итоге получаемые по результатам экспериментальных исследований зависимости имеют вид корреляционных или регрессионных соотношений между входными и выходными величинами, которые носят частный характер и справедливы для сравнительно узкой области изменения параметров модели.

Ниже приведена примерная схема проведения экспериментального исследования процесса тепловой обработки зерна, в которой сочетаются этапы разработки и результаты проводимых исследований разработанных средств механизации (рисунок 2.12).

Установки для теплоВой обработки зерна

изучение оиюсниостеи лигхатпии пр<июи\» и основных шкоиоиериоетей

уточнение пираионр'н: и режимов 14x1 нес си

уточнение мемшко-экономные п<>ко шпичей

шши иг/ шцип уое./ьпы% нтрап: лп-ргии на 1ЦН>и<ч с теп итого со юсйсики/ч

опреое тие ошпиитипт пира метров и опта ми /ьиого режи ма риооты

определение основных техник'»' ж оно иичсс кт

покаштел'й

puipuotmt.ii ни-\иичаки.\ уи.тпии пи пер сую серии/ п пиикток

обеспечение качес /пей го /нового про< п кгпп

получение о г и оспы« динны.х 0.1Я сшОипин опытного оурища

ра {¡чцтпи-а технических требовании ни промышленную установку

оокатка, ричртштка реки истЬщий по монтиж\ и -»кат атонии установки

оосч печение .чинима/ьнои сачх тон чисти \ сишпопь и

Экспериментальная (фичическая модель)

Опытный ойртец

Пшотныи оортец

Серийный выпуск

Рисунок 2.12 - Этапы экспериментального исследования Приведённую схему применяют при разработке и создании новых оригинальных конструкций установок. Если речь идёт о модернизации действующих установок или разработке новых конструкций установок, реализующих известный способ тепловой обработки, количество этапов экспериментальных работ может быть сокращено.

Перейти от начального этапа разработки УТОЗ к последующему возможно, используя теорию подобия. Эта теория на основе соответствующих критериев позволяет преобразовать полученные выражения, содержащие дифференциальные операторы, в простейшие алгебраические выражения. При этом происходит замена реальных процессов на простейшие условные

схемы, в которых все дифференциальные операторы сохраняют постоянное значение в пространстве и во времени [74].

В приложении Г приведены основные критерии подобия теплового воздействия на зерно и их физический смысл.

Для получения критериев подобия необходимы уравнения математического описания изучаемого процесса, а для выявления функциональной связи между ними - большой объем экспериментальных исследований, хотя бы на пилотной установке. Если математическое описание изучаемого процесса отсутствует, то критерии могут быть получены методом анализа размерностей.

Рассмотрим некоторые критериальные уравнения (уравнения подобия), которые используют в расчётах процесса сушки зерна и зерносушильных установок.

При сушке зерна коэффициент теплообмена (теплоотдачи) ат определяют по критерию Нуссельта:

Nu = f[Re,Gr>Pr,(u/Uк)], (2.11)

где Ие, £г, Рг - критерии Рейнольдса, Грасгофа и Прандтля, соответственно; и/ик " критерий (симплекс) Лебедева, выражающий отношение среднего вла-госодержания материала в любой момент времени к среднему критическому влагосодержанию ик.

В первый период сушки, когда и > ик, критерий 1Чи при постоянном аэродинамическом режиме также можно считать постоянным [184].

Таким образом, в первый период сушки на коэффициент теплообмена ат могут оказать влияние только величины, входящие в выражение для критерия Нуссельта: