Разработка вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Каримов Хасан Талхиевич

• Каримов Хасан Талхиевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Каримов Хасан Талхиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СУШКИ ЗЕРНА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

1.1 Анализ существующих способов сушки зерна сельскохозяйственных культур

1.2 Зерно ячменя как объект сушки

1.3 Выбор источника инфракрасного излучения для сушки зерна ячменя

1.4 Применение вакуума для ускорения процесса сушки

1.5 Обзор техники и технологий для сушки зерна

Основные выводы, постановка целей и задач исследования

ГЛАВА 2 .ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ, ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВАКУУМНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Теоретические предпосылки для разработки сушильной установки

2.2 Разработка математической модели вакуумной инфракрасной сушки зерна ячменя

2.3 Теоретические обоснование расстояния между инфракрасными излучателями

2.4 Определение и обоснование оптимальных габаритов сушильной камеры

2.5 Конструктивно-технологическая схема установки для сушки зерна сельскохозяйственных культур

2.6 Теоретическое обоснование оптимальных режимных параметров разработанной сушильной установки

Результаты и выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМЕ

3.1 Программа и методика исследования вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя в лабораторных условиях

3.2 Экспериментальное оборудование

3.2.1 Лабораторная установка для сушки зерна ячменя

3.2.2 Измерительные приборы и оборудования

3.3 Методика проведения эксперимента

3.3.1 Методика определения максимальной температуры нагрева инфракрасных излучателей

3.3.2 Методика определения оптимальных режимных параметров процесса сушки зерна ячменя

3.4 Программа и методика исследования вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя в производственных условиях

3.5 Методика определения удельных затрат теплоты на процесс сушки зерна ячменя в разработанной установке

Выводы

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СУШКИ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМЕ

4.1 Определение и обоснование оптимальной температуры нагрева зерна ячменя

4.2 Обоснование расстояния между инфракрасными излучателями

4.3 Влияние режимных параметров на процесс сушки зерна ячменя

4.4 Удельные затраты на сушку зерна ячменя в разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установке

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ОЦЕНКА ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1 Результаты производственных исследований совместного использования вакуума и инфракрасного нагрева при сушке зерна ячменя

5.2 Экономическая эффективность сушки зерна ячменя инфракрасным излучением в вакууме

5.2.1 Определение капиталовложений на изготовление вакуумной инфракрасной сушильной установки для сушки зерна ячменя

5.2.2 Определение экономической эффективности применения вакуумной инфракрасной сушильной установки для сушки зерна ячменя

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Климатические условия значительной части территории Российской Федерации не позволяют убрать урожай зерновых культур при кондиционной влажности. В отдельные годы доля зерна, подлежащего сушке, достигает 80 %. Для этих целей используют разнообразные по типу и способу действия сушильные установки.

Большинство методов сушки сопряжено со значительным термическим и механическим воздействием, в связи с чем зерно ячменя теряет свою жизнеспособность и продовольственные качества при производстве солода. Поэтому конструкции установок для сушки зерна ячменя целесообразно рассматривать в аспекте снижения на него температурного и механического воздействия, повышения скорости сушки и производительности, снижения энергетических и капитальных затрат, экологической нагрузки на окружающую среду.

В настоящее время возможности по улучшению традиционных способов сушки зерна и конструкций сушильных установок практически исчерпаны. Наиболее перспективным является направление разработки комбинированных способов сушки, в которых значительно больше имеется резервов для повышения эффективности процесса сушки зерновых культур. Имеются многочисленные подтверждения эффективности применения нескольких способов сушки в различных сочетаниях, например: применению контактной сушки с конвекцией, СВЧ-излучение в сочетании с конвективной сушкой, микроволновая сушка с вакуумной. Причем возможны варианты, когда эти способы сушки протекают в сушильной установке одновременно или чередуются, сменяя друг друга. Одним из перспективных направлений является разработка сушильной установки, обеспечивающей инфракрасный нагрев в вакууме.

Работа выполнена по плану НИОКР (рег. № 01.201.060414) и на средства гранта Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам (2018 год).

Степень разработанности темы. Теоретическое и экспериментальное обоснование совместного применения инфракрасного нагрева с созданием вакуума для сушки зерна сельскохозяйственных культур недостаточно изучено. Вследствие этого, математическое обоснование процесса сушки зерна в вакуумной инфракрасной установке является актуальным направлением.

Цель исследования. Повышение эффективности сушки зерна ячменя путем совместного применения вакуума и инфракрасного излучения.

Объект исследования. Технологический процесс сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке.

Предмет исследования. Технологические параметры процесса вакуумной инфракрасной сушки зерна ячменя и конструктивные параметры установки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса сушки в вакуумной инфракрасной установке с учетом совместного воздействия на зерно инфракрасного нагрева и вакуума.

- обоснованы оптимальные режимы сушки зерна в вакуумной инфракрасной сушильной установке из условия минимизации энергопотребления.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана вакуумная инфракрасная сушильная установка для сушки зерна ячменя и методика определения оптимальных режимов сушки зерна ячменя для семенных и продовольственных целей.

Использование в производстве разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установки позволяет получить экономический

эффект на 1 тонну высушенного зерна в размере 558,7 рублей по сравнению с сушильной установкой СЗ-0,3.

Методика исследований включала основные положения теории сушки влажных материалов, аналитической механики, методы математического анализа, компьютерного моделирования, планирования многофакторного эксперимента и математической статистики, оптимизации целевой функции.

Экспериментальные исследования базировались на общепринятых методиках и проводились в лабораторных и производственных условиях.

Обработка результатов производились с помощью компьютерных программных продуктов: MS Excel, Mathcad, Statu, прикладной программы APM WinMachine и специально разработанного программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

■ математическая модель кинетики процесса сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке;

■ экспериментальная оценка влияния режимов сушки на показатели качества зерна ячменя;

■ обоснование конструктивных и режимных параметров вакуумной инфракрасной сушильной установки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается адекватностью полученных математических моделей. При экспериментах применялось современное сертифицированное оборудование и приборы, прошедшие поверку.

Основные научные положения доложены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях Челябинского ГАА (г. Челябинск, 2013 г.), Башкирского ГАУ (г. Уфа, 2012-2016 гг.), Мордовского ГУ им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2013 г.), Воронежского ГАУ им. Императора Петра I (г. Воронеж, 2013 г.), Курганского ГСХА имени Т.С. Мальцева (с. Лесниково, 2014 г.), Уральского ГАУ (г. Екатеринбург, 2015 г.), Ульяновского ГАУ (г. Ульяновск, 2016 г.).

Конструкция разработанной сушильной установки демонстрировалась на выставках и форумах: Всероссийском стартап-туре 2015 г. Уфа, 2015 г. (диплом финалиста) (Приложение Д6), XVIII Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» г. Москва, 2016 г. (серебряная медаль) (Приложение Д9), XXVIII Международной специализированной выставке «Агрокомплекс 2018», г. Уфа (золотая медаль, диплом 1 степени) (Приложение Д10).

По теме диссертационной работы в составе коллектива молодых ученых кафедры механики и инженерной графики Башкирского ГАУ, был выигран грант Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам (Уфа, 2018 год) (Приложение Д8).

Разработанная вакуумная инфракрасная сушильная установка прошла производственные испытания и была внедрена в производство в ООО МТС «Илишевская» Илишевского района Республики Башкортостан (Приложение Г1).

Личный вклад автора в проведенные исследования. Уточнена классификация существующих технологий и средств механизации сушки зерна сельскохозяйственных культур, выполнены экспериментальные исследования процесса сушки зерна ячменя инфракрасным излучением в вакууме, разработана экспериментальная вакуумная инфракрасная сушильная установка, выполнено теоретическое обоснование ее конструктивных параметров, проведены исследования установки в лабораторных и производственных условиях.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 36 работах, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, одна статья в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus. Новизна технических решений защищена патентом на изобретение и патентом на полезную модель (Приложение Б1 , Б2). Общий объем опубликованных работ составляет 7,6 п.л., из них принадлежат автору - 3,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 124 наименований и приложений на 55 страницах. Основной текст изложен на 1 16 страницах, содержит 29 рисунков и 25 таблиц.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных технологических операций в послеуборочной обработке зерна является доведение его влажности до кондиционного значения путем сушки. Важно при этом обеспечить качественные показатели высушенного зерна при минимальных энергетических затратах. Из существующих видов сушилок зерна представляют практический интерес экологичные сушильные установки, работающие с использованием электроэнергии. Это дает возможность полностью исключить использование газа, нефти, угля, обеспечив при этом экологическую чистоту процесса сушки.

Сокращение энергозатрат возможно обеспечить за счет совершенствования требуемого технологического режима и создания новых инновационных решений.

Зерно, как живой организм при взаимодействии с окружающей средой меняет свою структуру и свойства. Протекание химико-физических процессов в зерне связано с изменением температуры и влажности, как в окружающей среде, так и в самой зерновке.

Основной задачей сушки является доведение влажности материала до требуемой по технологическому регламенту. В результате своевременной и качественной проведенной сушки зерна получаем сохранность качественных показателей зерна и улучшение его стойкости при хранении.

Задача улучшения качества высушиваемого материала и сокращения энергозатрат требует совершенствования процесса сушки, как в энергетическом, так и в технологическом процессе. В настоящее время сушку сельскохозяйственных продуктов производят преимущественно конвективным способом.

Однако, в литературе часто встречается применение инфракрасного излучения в сушке пищевой, химической промышленности. Структура

используемых лучей является одним из главных свойств сушильного процесса. Высокая эффективность процесса сушки это результат использования нужных лучей. Многофункциональность - определяющее преимущество инфракрасного сушильного оборудования.

Также необходимо упомянуть о еще одном способе сушки - вакуумной сушке. Значительно сократить продолжительность процесса сушки, а значит, и снизить ее себестоимость, позволяет сушка материала в условиях вакуума. Кроме этого, возможность проведения процесса сушки при более низких температурных режимах позволяет исключить снижение качественных характеристик высушиваемого материала.

Однако при сушке в условиях вакуума появляется проблема подвода энергии тепла к высушиваемому материалу. Общеизвестные методы подвода теплоты, такие как контактный, конвективный или нагрев в СВЧ-поле не всегда приводят к получению требуемого качества продукта и поэтому происходит значительное удорожание стоимости процесса сушки. Исходя из этого наиболее перспективным направлением, как с точки зрения качества высушиваемого продукта, так и с точки зрения себестоимости считается применения вакуума с совместным использованием инфракрасного излучения.

Однако данные технологии являются совершенно новыми и не имеют технологических рекомендаций, позволяющих получить оптимальные режимные параметры сушильного процесса.

Следовательно, разработка и научное обоснование основных принципов технологии сушки сельскохозяйственных культур на примере зерна ячменя с совместным применением инфракрасного излучения и вакуума будет способствовать получению продукта высокого качества, обладающего высокой биологической ценностью и сохранностью при хранении.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СУШКИ ЗЕРНА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

1.1 Анализ существующих способов сушки зерна сельскохозяйственных культур

Необходимость снижения влагосодержания в исходном продукте (зерна) обусловливается сохраненностью его качества в процессе хранения. Требование сокращения сроков уборки урожая зерновых и закладки зерна на хранение вынуждает искать новые подходы к технологическому процессу сушки и разработке эффективных технических средств.

Основной задачей исследования является выбор перспективного способа сушки для исследуемого вида зерна, а также обоснование технологических и режимных параметров обработки. Разрабатываемая технология сушки, должна обеспечить необходимые показатели качества продукта и минимум затрат энергии.

Ниже приводится обзор источников научно-технической информации, результатов исследовании по процессу сушки растительного сырья.

Различные технологии и способы сушки растительного сырья были исследованы и описаны в работах многих ученых [6, 22]. Большую роль при создании научной базы техники, технологии и процесса сушки, сыграли работы А.С. Гинзбурга, А.В. Лыкова, П.Д. Лебедева, В.И. Курдюмова, Н.М. Иванова, А.А. Павлушина и других. В их работах рассмотрены и разработаны теоретические положения сушки влажного материала с применением различных способов и режимов удаления влаги, что позволило разработать установки, работающие на эффективных методах и средствах интенсификации процесса.

Существуют два основных способа сушки продукта сельскохозяйственного производства: естественный и искусственный.

Естественный способ сушки наиболее простой. Он основан на использовании тепловой энергии солнца, естественного движения воздуха, что делает затраты на разработку и строительство пунктов для сушки незначительными [70].

Недостатком естественной сушки является то, что сырье можно высушить до влажности близкой к равновесной за длительный промежуток времени (до 3-х суток) [60, 106]. В природно-климатических условиях России такие факторы как сезонность, значительная длительность процесса, необходимость больших открытых пространств для размещения сырья, состояние атмосферного воздуха, сложность автоматизации, малое количество дней в году с повышенной и стабильной солнечной активностью делает естественную сушку не эффективной и относительно дорогой. [87, 91, 101].

Искусственная сушка продуктов сельскохозяйственного производства, в настоящее время, подразумевает использование огромного количества различных способов удаления влаги и типов установок [70].

Сушильные установки можно классифицировать:

1) по характеру работы:

- сушильные установки, работающие непрерывно;

- сушильные установки, работающие с периодами;

2) по способу подвода тепла к объекту сушки:

- конвективные сушильные установки;

- кондуктивные сушильные установки;

- радиационные сушильные установки;

3) по конструктивному решению в сушильной установки:

- сушильные установки шахтного типа;

- сушильные установки барабанного типа;

- сушильные установки коридорного типа;

- сушильные установки тоннельного типа;

- сушильные установки камерного типа;

- сушильные установки вальцевого типа;

4) по давлению воздуха в сушильной камере:

- вакуумные сушильные установки;

- атмосферные сушильные установки;

5) по типу сушильного агента, применяемого при сушке:

- сушильные установки, применяющие нагретый атмосферный воздух;

- сушильные установки, использующие смесь воздуха с продуктами горения дров, природного газа и угольного топлива;

6) по способу подогрева агента сушки:

- сушильные установки с калорифером, работающим на пару;

- сушильные установки с электронагревателями;

- сушильные установки с калорифером, работающим от огня;

7) по количеству использования агента сушки:

- с использованием агента сушки один раз;

- с использованием агента сушки многократно;

8) по виду высушиваемого объекта:

- твердые материалы;

- жидкие материалы;

- пастообразные материалы;

Различия обусловлены термодинамическими, теплофизическими, структурно-механическими и массообменными характеристиками, а также затратами энергии на испарение одного кг влаги, определяющими производительность основной части существующего сушильного оборудования.

По энергетическим показателям выделяют два основных типа сушки: механическая и тепловая.

Влагу из внешних слоев и поверхности материала, можно удалить механическим путем. К данному способу можно отнести отжим,

центрифугирование, фильтрацию, сепарирование или же смешивание влажного зерна с другим веществом (с сухим зерном) который в процессе поглотит влагу.

Прочно связанную с сухим веществом зерна влагу, можно удалить только в процессе изменения ее физического состояния. В этих целях получило широкое распространение метод, при которой происходит фазовый переход льда или жидкости в парообразное состояние или же переход воды в состояние льда. Необходимо отметить, что данный способ является более энергозатратным, по сравнению с механическим воздействием. Основная часть энергии будет затрачиваться на преодоление силы связи влаги в зерне с сухим веществом и на теплоту парообразования [8].

Механический способ удаления влаги и контактный влагообмен более целесообразны с точки зрения энергосбережения, чем тепловая сушка [21, 22, 83]. Однако данные способы не подходят для сушки продуктов сельскохозяйственного производства в связи с тем, что при данном способе происходит изменение биологических и физических свойств сырья [88, 98].

На сегодняшний день конвективная сушка является наиболее распространенным способом сушки сельскохозяйственной продукции. Сушилки, работающие по конвективному способу, отличаются общеизвестной конструкцией, дающая преимущество при ремонте и эксплуатации, а также есть возможность работать на разнообразных источниках энергии [29, 90, 106, 110, 112, 114].

В то же время, у этого способа есть ряд немаловажных недостатков, из-за чего у сельскохозяйственных производителей возникает потребность в поиске новых способов и средств переработки сырья. К этим недостаткам относятся: зависимость эффективности работы установки от влажности окружающего воздуха, негативное влияние горячего воздуха на качество высушенного продукта и большие потери тепла с уходящим использованным агентом сушки. Вышеприведенные недостатки являются основной причиной

специфики объекта сушки и его взаимодействием с подогретым воздухом на разных этапах сушильного процесса.

На первостепенных этапах сушильного процесса связь прогретого воздуха и объекта сушки проходит достаточно эффективно, энергоемкость незначительна, а скорость сушки наоборот высокая. Однако в процессе сушки и связанного с этим уменьшения его массо- теплопроводящих характеристик, все больше энергии тратится не эффективно. Время сушки увеличивается в несколько раз, а энергоемкость процесса возрастает и из-за этого происходит перегрев сырья, это отражается на качестве высушенного продукта. Например, для продуктов сельскохозяйственного происхождения увеличение времени и температуры процесса сушки приводит к потере семенных свойств продукта [86, 87, 88].

Одновременное протекание массо- теплообменных процессов характеризует конвективную сушку как достаточно сложный процесс. Если режим нагрева сырого материала приводит к появлению в нем не только градиента влажности, но и градиента температуры, то влага из внутренних слоев материала будет перемещаться как за счет градиента влажности, так и благодаря градиенту температуры [21].

Необходимо отметить, что скорость сушки на прямую зависит от величины градиента температуры. Чем больше подвергаем зерно нагреву, тем быстрее происходит процесс сушки до кондиционной влажности.

Однако свойство термолабильности зерна большинства сельскохозяйственных культур остро регулирует на высокий температурный нагрев. Из за этого приходится подвергать сушке при более низких температурах

При понижении температуры воздействия на объект сушки, происходит понижение потенциала процесса сушки в конвективной сушилке.

Это приводит к увеличению времени процесса сушки в следствии и к уменьшению производительности сушильной установки.

С учетом свойства термоустойчивости капиллярнопористых коллоидных тел, которые диктуют правило зависимости качества высушенного продукта от температуры и времени нагрева при разныой начальной (исходной) влажности материала, довольно часто испольщуют осциллирующего режима сушки [49, 92, 108].

Данный режим подразумевает под собой переменный нагрев и охлаждение материала при небольших временных отрезках, которая позволяет использовать агент сушки с более высокой температурой и при этом сохранять качественные показатели высушиваемого продукта. Использование осциллирующего режима сушки при конвективном подводе теплоты обеспечивает более высокие технико-экономические показатели процесса сушки. Однако возникает потребность в разработке автоматизированной системы контроля и управления температуры теплоносителя, что в свою очередь ведет к усложнению технологии сушки и к повышению ее стоимости.

В целом для конвективного способа сушки характерны высокое потребление жидких и газообразных видов топлива, значительные потери энергии и снижение качественных показателей зерна [31, 47, 105]. В то же время, коэффициент теплоотдачи к поверхности материала от сушильного агента при конвективной сушке является маленькой величиной - 11,6-23,2 (Вт/м2*К) [70].

Такие же недостатки имеют место при применении технологии сушки в псевдокипящем слое.

Кондуктивный способ сушки основывается на передаче тепла продукту при соприкосновении с горячей поверхностью. Для выведения водяного пара из сушильной установки используют воздух, который выступает в роли влагопоглотителя. При данном способе сушки коэффициент теплоотдачи, в десятки раз выше, чем при конвективной сушке, и составляет 170-180 Вт/м2*К [33].

В основу вальцевых сушильных установок заложен кондуктивный способ сушки. Они отличаются экономичностью и высокой интенсивностью [7, 102].

Недостатком конвективной сушки является низкое качество высушенного продукта.

Совершенно новым направлением в области сушки продуктов сельскохозяйственной и пищевой промышленности является применение обратного термоакустического эффекта. Этот способ представляет собой использование энергии акустической волны для формирования градиента температур в пористой среде. Из-за высокой стоимости оборудования, использование данного способа в сушильном производстве является нецелесообразным. Это также связано с недостаточно высоким коэффициентом полезного действия термоакустических излучателей. Велики затраты на сжатие воздуха (реагента сушки). При применении рассматриваемого способа необходимо приобретение дополнительного оборудования предназначенного для снижения шума в устройстве сушки. Указанные выше недостатки сдерживают производственное применение рассматриваемого способа сушки пищевого и растительного сырья.

Более перспективной является СВЧ сушка. [2, 25] и другие ученые изучали воздействие магнитных и электрических полей на эффективность процесса сушения капиллярнопористых коллоидных тел.

Было выявлено, что поле коронного разряда интенсифицирует внутренний массообмен в материале и улучшает его внешний вид, а за счет ионизации сушильного агрегата влагосодержание в зерне значительно уменьшается. Вышеупомянутые авторы установили, что энергозатраты при этом способе снижаются на 10%.

Наряду с преимуществами, данный способ сушки обладает серьезными недостатками, существует возможность образования в материале канцерогенов а так же дороговизна оборудования. В данный момент времени

1кВт*ч микроволновой энергии примерно в десять раз дороже электроэнергии [70]. Высокая стоимость оборудования, потребность в высококвалифицированном обслуживающем персонале и большое потребление электроэнергии замедляют распространение метода для сушки зерна сельскохозяйственных культур.

Усилия многих ученых направлены [32, 48, 49, 57, 68, 78] на применение в процессах сушки, новых нетрадиционных технологий, с использованием электротехнологий на основе оптических методов воздействий. Главной целью этих исследований является интенсификация технологического процесса, позволяющая получить сырье (зерно) лучшего качества, с высокими органолептическими показателями. Основой этих технологий являются своеобразные носители энергии: переменное магнитное поле сверхнизкой и высокой частоты, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, обработка лазерным лучом и т.п.

Преимущественными отличиями использование инфракрасного излучения, от традиционного метода нагрева и сушки зерна сельскохозяйственных культур является [36, 50, 59, 68, 115]: малая теплоинертность; простота конструкции; сравнительная безопасность в работе; интенсивность нагрева материала зависит от диэлектрических и оптических свойств; отсутствие перегрева материла из-за объемности тепловыделения и повышенной температуры материала по сравнению с температурой стенок сушильной установки и агента сушки в сушильной установке; не происходит загрязнение высушиваемого материала в виду отсутствия теплоносителя (газ, уголь); отсутствие взрывоопасных канцерогенов и в последствии минимизация потери материала (зерна) [26, 86, 87, 88].

При инфракрасной сушке происходит управляемый нагрев сырья [81, 82, 85]. В результате испарения влаги и тепломассообмена с окружающей средой внешние слои сырья обезвоживаются и теряют теплоту, из-за этого

влажность и температура материала внутри сырья выше, чем в наружних слоях. Это приводит к возникновению градиента температуры, и градиента влагосодержания, под воздействием которых влага из внутренних слоев перемещается к поверхностным слоям зерна. При этом в сравнении с конвективной сушкой, характер движения обоих градиентов совпадают, что увеличивает скорость сушки. Отсутствие инерции, обширность нагрева и возможность сосредоточенности энергии в единице объема представляет возможность сократить процесс в 1,5-2,0 раза по сравнению с конвективной сушкой при этом максимально сохраняя вкусовые качества высушенной продукции. [70, 106]. При этом для сушки небольших слоев зерна использование ИК - нагрева очень эффективно. Использование инфракрасных лучей интенсифицирует проникновение теплового излучения на определенную глубину обезвоживаемого материала. В научных работах А.С Гинзбурга говорится, что максимальная глубина проникновения лучей инфракрасного излучения при сушке продуктов сельскохозяйственного производства составляет 25-35 мм, этого достаточно для сушки зерна ячменя. [23]. Увеличение проницаемости наблюдается с уменьшением толщины слоя и понижением влажности материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каримов Хасан Талхиевич, 2019 год

- ->г

Рисунок 3.2 - Диаграмма процесса нагрева зерна ячменя в сушильной

установке

Период нагрева зерна, характеризуемый ростом температуры до значения Ьик , составляет тн . В этот период инфракрасные излучатели работают на полную мощность. В дальнейшем в течение времени тк благодаря терморегулятору инфракрасные излучатели переходят в прерывистый режим работы и поддерживают постоянную температуру нагрева ¿ик. В зависимости от принятых времен тг и т2 максимальную температуру ¿ик. зерно может достигнуть как в период времени^, так и т2 (этот случай показан на рисунке 3.2), а может и не достигнуть.

Таблица 3.10 - Матрица планирования эксперимента по определению режима сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной

установке

Номер опыта Факторы Влагосъём А И, %

Н ч ИЬ АИг аи2 АИ3 аи4

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 +1 +1 0 0 5.00 4.13 4.00 4.50

2 +1 -1 0 0 2.04 2.50 2.47 2.40

3 -1 +1 0 0 2.20 2.50 1.74 2.10

4 -1 -1 0 0 1.65 1.05 1.40 1.30

5 0 0 +1 +1 5.04 5.90 5.60 5.23

6 0 0 +1 -1 1.30 1.70 2.05 1.80

7 0 0 -1 +1 2.30 2.70 1.80 2.33

8 0 0 -1 -1 0.05 0.40 0.05 0.10

9 0 0 0 0 2.70 2.21 2.00 2.43

10 +1 0 0 +1 5.10 5.60 5.90 5.63

11 +1 0 0 -1 1.85 1.50 1.15 1.53

12 -1 0 0 +1 3.58 3.10 3.80 3.43

13 -1 0 0 -1 0.75 1.00 0.35 0.60

14 0 +1 +1 0 4.35 3.60 3.97 4.10

15 0 +1 -1 0 1.44 1.20 0.80 1.03

16 0 -1 +1 0 2.20 2.84 2.31 2.53

17 0 -1 -1 0 0.20 0.05 0.09 0.07

18 0 0 0 0 2.10 2.74 2.20 2.43

19 +1 0 +1 0 5.40 4.90 4.50 5.03

20 +1 0 -1 0 0.64 1.25 0.90 0.70

1 2 3 4 5 6 7 8 9

21 -1 0 +1 0 2.50 2.00 2.80 2.40

22 -1 0 -1 0 0.61 0.90 0.30 0.50

23 0 +1 0 +1 5.80 5.10 4.70 5.20

24 0 +1 0 -1 1.40 1.67 1.00 1.30

25 0 -1 0 +1 2.60 3.10 3.50 3.07

26 0 -1 0 -1 0.75 0.45 0.90 0.63

27 0 0 0 0 2.71 2.20 2.00 2.43

После нагрева зерна в вакууме производили его охлаждение. Охлаждение зерна ячменя производили воздушным потоком с температурой 20.25°. Данный температурный диапазон был выбран с целью приблизить лабораторные исследования к производственным работам. Время уборочных работ зерна ячменя приходится на месяцы август и сентябрь, в эти месяцы температура воздуха меняется от 18 до 30°.

3.4 Программа и методика исследования вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя в производственных условиях

Для подтверждения теоретических и лабораторных исследовании, а так же возможности использования разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установки в условиях небольших сельскохозяйственных предприятий и фермерских хозяйствах, были проведены производственные исследования данной установки. Кроме того, целью производственных исследовании было уточнение ряда предположении, которые легли в основу разработки теоретических предпосылок, процесса сушки зерна ячменя и

энергоэффективного сушильного оборудования с определением экономической эффективности разработанным средством механизации.

Исследуемая сушильная установка входила в состав существующих технологических линий по послеуборочной обработке зерна ячменя (сушке).

Процесс организации и проведения производственных исследований состоял в следующем. По договоренности с сельскохозяйственным предприятием, занимающимся производством зерна и ее переработкой, в течение, определенного за ранее, времени производилось изучение и анализ существующих технологических процессов сушки зерна ячменя. Затем заменяли существующую сушильную установку на разработанную и производили дальнейшие исследования. Результат данных исследовании позволил уточнить эксплуатационные и режимные параметры работы разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установки.

В процессе производственных исследований, сушке подвергалось зерно ячменя сорта Михайловского с различной начальной влажностью.

Качество зерна ячменя после сушки в условиях предприятия сельского хозяйства оценивали в специальных сертифицированных лабораториях. На основе полученных результатов были сделаны выводы по эффективности использования вакуумной инфракрасной установки для сушки зерна ячменя.

3.5 Методика определения удельных затрат теплоты на процесс сушки зерна ячменя в разработанной установке

Одним из главных параметров влияющих на удельные затраты теплоты являются: исходная влажность зерна, время предварительного нагрева, время нагрева в вакууме и значение вакуума.

Общая мощность для сушки зерна ячменя складывается из нижеперечисленных параметров:

- затраты энергии на загрузку материала с помощью шнекового транспортера;

- затраты энергии на инфракрасный нагрев;

- затраты энергии на создание вакуума;

- затраты энергии на продувку зерна атмосферным воздухом.

Общая мощность, кВт, потребляемая вакуумной инфракрасной сушильной установкой:

Мобщ = МТр + Ы + Ывн + Мв, (3.1)

где Ытр - мощность шнекового транспортера, кВт;

N - общая мощность инфракрасных излучателей, кВт; Мвн - мощность привода вакуумного насоса, кВт; М- мощность вентилятора, кВт. Массу испарившейся влаги определяли по следующему выражению:

™н-™к

твл=тн^^ (3.2)

вл н mn_W V '

100-WK

где твл - масса испарившейся влаги, кг; тн - масса влажного зерна, кг; WH - начальная влажность зерна ячменя, %; WK - конечная влажность зерна ячменя, %. Удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги составляет:

Q = «¡в* (3.3)

тв

где г - время сушки, ч.

Q - удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги, кДж/кгвлаги ; Полученные в процессе лабораторных исследований результаты обрабатывались в программе Microsoft Oficce Excel 2007 и Statistica 6.0.

Далее по результатам всех проведенных исследований установили диапазон параметров для различных режимов сушки зерна ячменя.

Выводы

Исходя из вышеприведенных методик и программ, экспериментальных исследовании предложенных средств по сушке зерна ячменя в лабораторных условиях можно констатировать, что данные методики позволяют качественно спланировать и провести исследования с дальнейшим получением требуемых данных для разработки математической модели, описывающий данный процесс.

Статистическая обработка полученных данных с использованием лицензированных программ и специально разработанного программного обеспечения дает возможность определить оптимальные режимные параметры созданной сушильной установки.

Программы и методы исследований для производственных испытаний разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установки позволяют обосновать экономическую эффективность его использования в небольших сельскохозяйственных предприятиях.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СУШКИ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМЕ

4.1 Определение и обоснование оптимальной температуры нагрева зерна ячменя

Эффективность работы описанной выше вакуумной инфракрасной установки зависит от принятых режимов сушки, а именно максимальной температуры нагрева зерна, величины вакуума, времени нагрева без вакуума и с вакуумом. Влияние этих параметров на процесс сушки зерна ячменя в настоящее время не изучен. Поэтому экспериментальные исследования были направлены на обоснование режима сушки зерна ячменя на семенные и пивоваренные цели.

Граница нулевой степени денатурации белка может быть положена в основу выбора режимов сушки [33]. Из множества факторов, влияющих на жизнеспособность зерна после сушки, были выбраны три основных: ¿ик -максимальная температура нагрева поверхности инфракрасного излучателя, т - время нагрева, Шн - исходная влажность зерна. При этом использовали априорные сведения о повышении термоустойчивости зерна при снижении их влажности и продолжительности воздействия высоких температур [33].

Для исследования влияния отмеченных факторов на всхожесть зерна 0з в соответствии с [27, 124] был проведен трехфакторный эксперимент с трехкратной повторностью (таблица 3.9).

После нагрева зерно досушивали в атмосферных условиях до влажности 14 %, а только затем производили проверку на прорастание зерна ячменя (рисунок 4.1).

г Т V • • . / (, '"Щ' ( • г 1 N

а) б)

а - 80°С - 17,5 минут - 19% - прорастание 91%; б - 65° - 17,5 минут - 16% - прорастание 97%. Рисунок 4.1 - Результаты прорастания

Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в виде таблицы 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты экспериментов

Номер опыта Факторы Всхожесть семян 03, %

V °С 1ик, С т, мин ИН, % 01 02 0з

1 2 3 4 5 6 7

1 95 30 19 23 4 15

2 95 5 19 30 9 16

3 65 30 19 93 98 95

4 65 5 19 95 99 92

5 95 12,5 22 45 9 15

6 95 12,5 16 68 15 17

1 2 3 4 5 6 7

7 65 12,5 22 94 96 91

8 95 12,5 16 98 95 97

9 80 30 22 85 58 72

10 80 30 16 93 75 84

11 80 5 22 90 91 69

12 80 5 16 89 93 51

13 80 12,5 19 91 52 87

После экспериментального исследования по методике, описанной в п. 3.3.1, проводили статистическую обработку результатов (таблица 4.1) в программе Statu (приложение А1, А2).

Было выявлено, что время нагрева в диапазоне 5 - 30 мин и начальная влажность зерна в диапазоне 16 - 22 % не оказывают существенного влияния на термоустойчивость зерна ячменя. После исключения незначимых коэффициентов регрессии получена следующая регрессионная зависимость всхожести зерна ячменя G3 от раскодированного значения t ик.

G3 = -294,15 + 11,76tMK - 0,089tMK2 (4.1)

Данная регрессионная зависимость адекватно описывает экспериментальные данные с уровнем значимости 0,05, ей соответствует коэффициент детерминации R2 = 0,84, и представлена графически на рисунке 4.2.

Оз, % 80 60 40 20 0

■?5 ":: "5 £:: £5 ? : °с Рисунок 4.2 - Зависимость всхожести зерна ячменя от температуры нагрева поверхности инфракрасных излучателей

Из рисунка 4.2 видно, что существенное снижение всхожести зерна ячменя происходит при нагреве выше 70 °С, поэтому в дальнейшем это значение принято в качестве максимальной температуры нагрева поверхности инфракрасных излучателей, обеспечивающей максимальную интенсивность сушки при отсутствии денатурации белка.

4.2 Обоснование расстояния между инфракрасными излучателями

Для обоснования рационального расстояния между инфракрасными излучателями были проведены ряд сравнительных экспериментов с нагревом зерна ячменя.

Зерно помещали между инфракрасными излучателями, которые нагревались до максимальной температуры Ьик = 70 °С.

Расстояние между инфракрасными излучателями Д, меняли в процессе эксперимента. В это время был проведен замер температуры зерна в середине слоя.

По результатам эксперимента по определению рационального расстояния между инфракрасными излучателями был построен график (рисунок 4.3).

X, °С

65

60 55 50 45 40 35 30 25 20

0 5 10 15 20 25 X, мин

ИК - температура инфракрасных излучателей; 1 - Л = 10мм; 2 - Л = 20мм; 3 -Л = 30мм; 4 - Л = 40мм; 5 - Л = 50мм; 6 - Л = 60мм; 7 - Л = 70мм; Л -расстояние между инфракрасными излучателями.

Рисунок 4.3 - Зависимость температуры нагрева в слое

Как видим из рисунка 4.3 при расстоянии между инфракрасными излучателями до 4 см температура нагрева зерна, посередине слоя, превышает 52°, что неприемлемо для зерна, используемого на семенные и пивоваренные цели. Далее при увеличении расстояния до 50,60,70 мм, температура нагрева зерна в середине слоя равнялась соответственно Лt5 = 45 °С , Л*:6 = 35 °С , Л*:7 = 23 °С . При увеличении расстояния между инфракрасными излучателями до 80 мм нагрев зерна ячменя в середине слоя, фактически, не происходит. Необходимо отметить, что при Л < 50мм

происходит перегрев зерна и, в следствии с этим ухудшается качество зерна. При Л > 50мм происходит незначительный нагрев слоя зерна, что экономически не целесообразно [27].

Из вышеизложенного можно отметить, что наиболее рациональное расстояние между пленочными инфракрасными излучателями составляет 50 мм, при котором разница температур составило 3,3°.

По результатам теоретических исследований (формула 2.47) зависимости толщины слоя зерна (расстояния между инфракрасными излучателями) и экспериментальными, был построен график (рисунок 4.4).

^з, °С

Гч

> н ■ *

* .

► ^^^ ♦

♦

♦

- - теоретические данные;

♦ - экспериментальные данные. -1-1—

60 50 40 30 20 10 о

0 0.02 0.04 0,06 А>м

Рисунок 4.4 Зависимость температуры зерна ячменя от расстояния между

инфракрасными излучателями

Сравнительный анализ экспериментов и теоретических исследовании показал адекватность полученных данных.

Как следует из рисунка 4.4, задаваясь максимальной возможной температурой нагрева зерна , можно определить оптимальное расстояние между инфракрасными излучателями Л.

4.3 Влияние режимных параметров на процесс сушки зерна ячменя

В результате проведения эксперимента по определению режимных параметров сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке, по методике, описанной в п. 3.3.2, получили результаты представленные в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты эксперимента по определению режима сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке

Номер опыта Факторы Влагосъём ЛШ, %

Н, кПа , мин ^2, мин инн, % ЛШ1 ЛШ2 ЛШ3 ЛШ4

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 80 60 33 19 5,00 4,13 4,00 4,50

2 80 0 33 19 2,04 2,50 2,47 2,40

3 20 60 33 19 2,20 2,50 1,74 2,10

4 20 0 33 19 1,65 1,05 1,40 1,30

5 50 30 60 22 5,04 5,90 5,60 5,23

6 50 30 60 16 1,30 1,70 2,05 1,80

7 50 30 6 22 2,30 2,70 1,80 2,33

8 50 30 6 16 0,05 0,40 0,05 0,10

9 50 30 33 19 2,70 2,21 2,00 2,43

10 80 30 33 22 5,10 5,60 5,90 5,63

11 80 30 33 16 1,85 1,50 1,15 1,53

12 20 30 33 22 3,58 3,10 3,80 3,43

13 20 30 33 16 0,75 1,00 0,35 0,60

1 2 3 4 5 6 7 8 9

14 50 60 60 19 4,35 3,60 3,97 4,10

15 50 60 6 19 1,44 1,20 0,80 1,03

16 50 0 60 19 2,20 2,84 2,31 2,53

17 50 0 6 19 0,20 0,05 0,09 0,07

18 50 30 33 19 2,10 2,74 2,20 2,43

19 80 30 60 19 5,40 4,90 4,50 5,03

20 80 30 6 19 0,64 1,25 0,90 0,70

21 20 30 60 19 2,50 2,00 2,80 2,40

22 20 30 6 19 0,61 0,90 0,30 0,50

23 50 60 33 22 5,80 5,10 4,70 5,20

24 50 60 33 16 1,40 1,67 1,00 1,30

25 50 0 33 22 2,60 3,10 3,50 3,07

26 50 0 33 16 0,75 0,45 0,90 0,63

27 50 30 33 19 2,71 2,20 2,00 2,43

Результаты экспериментов обрабатывали в компьютерной программе «Statu», которая позволила решить следующий пакет прикладных задач по статистике: дисперсионный анализ; множественная регрессия с расчетом матрицы коэффициентов корреляции, коэффициентов регрессии, критерия Стьюдента для оценки значимости коэффициентов регрессии, а также уровня их значимости. Также приводится дисперсионный анализ, в частности дисперсия неадекватности, число степеней свободы, критерий Фишера [66].

В результате статистической обработки данных (приложение А3, А4) и исключения незначительных коэффициентов, получено следующее уравнение регрессии в раскодированном виде:

^ = Ь1 + Ь2Н + Ь3Т1 + Ь4Т2 + Ь5ШН + Ь6Т22 + Ь7НТ1 + Ь8Нт2 + Ь^т^ +

ЬюНШн + ЬцТ2Шн + Ь12Н2 + Ь^Шн2, (4.2)

где Ь1,Ь2,... Ь13 - коэффициенты регрессии: Ь1 = 0,1985; Ь2= -0,003944; Ь3 = -0,002695; Ь4 = -0,0005455; Ь5 = -0,02336; Ь6= -0,0000213; Ь7= 0,00001857; Ь8= 0,00003635; Ь9= 0,00015467; Ь10= 0,0001181; Ь11= 0,0001419; Ь12= 0,0000124; Ь13= 0,0007684.

Коэффициент множественной корреляции составил Я = 0,979. Данная математическая модель адекватно описывает всю область эксперимента и позволяет исследовать влияние режима сушки на ряд параметров оптимизации.

На рисунках 4.5 - 4.7 представлены графические зависимости средней скорости сушки от исследуемых факторов

^ = f(Wн, Н, Т1, т-2); г = Т1+Т2+т3 + тв, (4.3)

где т3 - время загрузки зерна в сушильную камеру, мин; тв - время удаления влаги и охлаждения зерна, мин.

1 - Жн = 22 %; 2 - Жн = 19 %; 3 - Жн = 16 % Рисунок 4.5 - Зависимость средней скорости сушки от времени нагрева в вакууме т2, величины вакуума н при т1 = 30 минут и начальной влажности

зерна

ДW/т, %/мин

0.10

-Величина вакуума 80 кПа — -Величина вакуума 50 кПа ----Величина вакуума 20 кПа

1

^ У 1 '7'~

2

2 \ ~ - - - ^^

2 / / / / * / ✓ ____ - л* 3

—

/ / / / / ' / и» / Г ' ______ г -- —

3 3

0,08 0,06 0,04 0,02 0,00

5 15 25 35 45 55 Т2, МИН

1 - Жн = 22 %; 2 - Жн = 19 %; 3 - Жн = 16 % Рисунок 4.6 - Зависимость средней скорости сушки от времени нагрева в вакууме т2, величины вакуума н при тг = 0 и начальной влажности зерна Жн

ДW/т, %/мин 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

-Величина вакуума 80 кПа — -Величина вактма 50 кПа _

V1 V \ ----Вел •мина вакуу ма20 кПа

\ \ ч \ \ \ ч V \

\ \ ^ \

1

2

3 3

0 10 20 30 40 50 т2, МИН

1 - Жн = 22 %; 2 - Жн = 19 %; 3 - Жн = 16 %

Рисунок 4.7 - Зависимость средней скорости сушки от времени нагрева без вакуума тг, величины вакуума н при т2 = 0 и начальной влажности зерна Жн

Анализ этих зависимостей показал, что средняя скорость сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке напрямую зависит от начальной влажности зерна . Чем больше начальная влажность тем выше средняя скорость сушки. Более интенсивная сушка происходит при сокращении времени нагрева зерна без вакуума т1 и известном значении времени нагрева зерна в вакууме т2 . Дальнейшее увеличение времени т2 приводит к снижению средней скорости сушки вследствие уменьшения влажности зерна. Увеличение вакуума Н приводит к увеличению средней скорости сушки.

Во время эксперимента фиксировались время нагрева поверхности инфракрасных излучателей до Ьик = 70 °С (время срабатывания терморегулятора) и температуру инфракрасных излучателей в конце периода т2, когда она не достигала 70 °С. (приложение А6, А7) Это позволило получить следующее уравнение регрессии:

тн = -10,02 + 074г + 0,1925Р - 0,0115ШНР - 0,000983Р2; Я2=0,906 (4.4) где t - температура нагрева поверхности инфракрасных излучателей в период работы излучателей на полную мощность, °С;

Р - абсолютное давление в сушильной камере, кПа, которое связано с атмосферным давлением Ра и величиной вакуума Р = Ра — Н.

Для определения доли времени работы инфракрасных излучателей в прерывистом режиме кт был проведен дополнительный эксперимент, заключающийся в фиксации времени работы и паузы инфракрасных излучателей. Статистическая обработка результатов эксперимента (Приложение А5) позволила получить уравнение регрессии

кт = -0,8323 + 0,1177ШН + 0,00189Н - 0,00198ШН2; Я2=0,980 (4.5) В результате расчетов по уравнению (2.55) с учетом (4.2), (4.4) и (4.5) получили экспериментальную модель, позволяющая определить суммарное энергопотребление сушильной установки с учетом входных параметров: начальная влажность зерна Шн (%), время нагрева зерна без вакуума (время

предварительного нагрева) т1 (мин); время нагрева зерна в вакууме т2 (мин) и величина вакуума Н (кПа).

В таблице 4.3 представлен фрагмент результатов полученной экспериментальной модели.

Таблица 4.3 - Фрагмент режимов сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке

щ,, % Н, кПа ть мин т2, мин кВт-ч

20 80 40 60 9,82

20 70 40 60 9,63

20 60 40 60 9,43

20 50 40 60 9,24

20 40 40 60 9,05

20 30 40 60 8,86

20 20 40 60 8,67

20 10 40 60 8,47

20 80 60 60 11,29

20 80 50 60 10,56

20 80 40 60 9,82

20 80 30 60 9,09

20 80 20 60 8,23

20 80 10 60 7,35

Как видим из таблицы при уменьшении величины вакуума, происходит уменьшение суммарного энергопотребления сушильной установки. Так же при уменьшении времени нагрева без вакуума происходит снижение энергетических затрат. Необходимо отметить, что при данных режимах не всегда происходит влагосьем до кондиционной влажности в 14%.

4.4 Удельные затраты на сушку зерна ячменя в разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установке

В процессе проведения экспериментального исследований было выявлено, что при увеличении таких параметров как величина вакуума, время предварительного нагрева и время нагрева в вакууме можно значительно интенсифицировать процесс сушки. Однако необходимо отметить, при слишком увеличении данных параметров происходит снижение энероэффективности процесса сушки.

Так как эффективность сушильной установки оценивается по величине затрат на испарение 1 кг влаги из зерна ячменя, поэтому оптимизацию процесса сушки производили по данному критерию. Результаты экспериментальных исследований, проводимые по методике, описанной в п. 3.3.2, 3.5, по определению оптимальных режимов сушки зерна ячменя, были обработаны в программе 31а1!81:1са 6.0. (Приложения В1-В4). Фрагмент результатов приведен в таблице 4.4.

Таблица 4. 4 - Фрагмент результатов эксперимента

% Н, кПа ть мин т2, мин Qуд мДж/кгвлаги

1 2 3 4 5

20 100 38,8 10 3,03

20 90 38,8 10 3,43

20 80 38,8 10 3,87

20 70 38,8 10 4,35

20 60 38,8 10 4,84

20 50 38,8 10 5,32

20 40 38,8 10 5,71

1 2 3 4 5

20 30 38,8 10 5,96

20 20 38,8 10 6,02

20 10 38,8 10 5,88

20 0 38,8 10 5,54

20 100 0 60 2,29

20 90 0 60 2,49

20 80 0 60 2,71

20 70 0 60 2,96

20 60 0 60 3,23

20 50 0 60 3,53

20 40 0 60 3,84

20 30 0 60 4,17

20 20 0 60 4,48

20 10 0 60 4,75

20 0 0 60 4,96

18 100 38,8 60 3,42

18 90 38,8 60 3,75

18 80 38,8 60 4,14

18 70 38,8 60 4,59

18 60 38,8 60 5,12

18 50 38,8 60 5,75

18 40 38,8 60 6,49

По итогам обработок были получены уравнения регрессии, показывающие совместное влияние вакуума и начальной влажности зерна на удельные затраты теплоты:

Qуд = 202,316 - 0,996Н - 17,37Шн + 0,001Н2 + 0,043НШн + 0,379Шн2

(4.6)

График с изображением поверхности отклика от совместного взаимодействия начальной влажности зерна ячменя и вакуума представлено на рисунке 4.8.

Анализ полученного уравнения регрессии (4.6) показал, что среди линейных и не линейных членов уравнения наибольший вес на параметр оптимизации оказывает начальная влажность зерна ячменя, причем при уменьшении величины начальной влажности удельные затраты увеличиваются.

т1=38,8 мин; т2=60 мин.

■ <28

Рисунок 4.8 Поверхность отклика от взаимодействия начальной влажности

зерна ячменя и вакуума

Таким же образом было получено уравнение регрессии от взаимодействия вакуума и времени предварительного нагрева зерна ячменя:

Qуд = 5,306 - 0,048# + 0,037т1 + 0,0002Н2 - 0,0003Ят1 + 0,0001т12 (4.7) Графическое изображение поверхности отклика от совместного взаимодействия времени предварительного нагрева зерна и вакуума представлено на рисунке 4.9.

Анализ коэффициентов уравнения (4.7) показал, что среди линейных членов уравнения, наибольшее влияние на параметр оптимизации оказывает создаваемый вакуум. При уменьшении этого фактора происходит увеличение удельных затрат теплоты. Среди нелинейных членов наибольшее влияние так же оказывает вакуум, а наименьшее влияние время предварительного нагрева зерна ячменя.

□ <6,5 П<5,5 П<4,5

□ <3,5

□ <2,5

Рисунок 4.9 Поверхность отклика от взаимодействия времени предварительного нагрева зерна ячменя и вакуума

Аналогичным образом было получено уравнение регрессии от взаимодействия вакуума и времени нагрева в вакууме:

Суд = 6,576 - 0,024Я - 0,052т2 + 0,00001Я2 - 0,0003Ят2 + 0,0008т2:

(4.8)

Графическое изображение поверхности отклика от совместного взаимодействия времени нагрева в вакууме и величины вакуума представлено на рисунке 4.10.

Анализ коэффициентов уравнения (4.8) показал, что среди линейных членов наибольшее влияние на параметр оптимизации оказывает время нагрева в вакууме. При уменьшении этого фактора происходит уменьшение удельных затрат теплоты. Среди нелинейных членов наибольшее влияние так же оказывает время нагрева в вакууме, а наименьшее влияние создаваемый вакуум.

т1=38,8 мин; Шн=20 %;

| | > 7

□ <6.5

□ <5,5

□ <4,5

■ <3.5

■ <2,5

Рисунок 4.10 Поверхность отклика от взаимодействия времени нагрева зерна

ячменя в вакууме и величины вакуума

Из вышеприведенных изображений поверхностей отклика можно констатировать, что трехмерный график не полностью описывает процесс влияния И^, Я, т1; т2 на @уд.

Следует отметить, что при принятых значениях т1;т2 конечная

влажность зерна не соответствует заданной влажности WK то же самое относится к экстремумам функций, представленных на рисунках 4.5 - 4.10. Поэтому целесообразно решать задачу оптимизации параметров Н,т1,т2 обеспечивающих максимум средней скорости сушки зерна различной влажности WH при условии достижения в процессе сушки заданной конечной влажности WK = 14 %. Это позволит уменьшить общее время сушки зерна и увеличить производительность сушильной установки.

Задача по оптимизации времени сушки зерна с ограничением WK = 14 % решалась с помощью надстройки "Поиск решения" MS Excel (задача по оптимизации решается методом перебора, путем регулировки входных критериев или ограничений, определенных пользователем). Результаты статистических расчетов представлены графически на рисунке 4.11.

т, мин \ч\/\/\

- УУ--Т--Г'---

40 ---г-------

/ ' - - ~

Л

' 2 * "

30--f------

/ 3 / '' i

?п--------I.-----

LK} I t s >

10 --------

/ ' / ---Нагрев оез вакуума

,_^ j -Нагрев в вакууме

15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18,5 19 19,5 WH, % 1 - H = 80кПа; 2 - H = 70кПа; 3 - H = 60кПа Рисунок 4.11 - Рациональное время нагрева зерна без вакуума т1 и в вакууме т2 в зависимости от начальной влажности зерна WH, при разном значении

вакуума

ъ / 2 1 * t —7- / Л» —1" - - -

/ / t t / s r s

t t t t > / Л > ** * - - —. ^ —

i / / 4 3 / / / / J / / r Л 1

i 1 ! 1 / / f / / У / /

/ t i 1 t * t / t ---Нагрев без вакуума Нагрев в вакууме

Так, например, для сушки зерна с начальной влажностью И^ = 20 % требуется т1 = 39 минут и т2 = 60 минут при вакууме 80 кПа, а при вакууме 70 кПа уже требуется т1 = 58 минут. При начальной влажности зерна И^ = 16 % для достижения И^. = 14 % требуется время т1 = 0, а т2 = 54 минуты при вакууме 80 кПа.

Показатели режимов, полученные после оптимизации времени сушки представлены в виде таблицы 4.5.

Таблица 4.5 - Оптимальные режимы сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке

ин, % Н, кПа ть мин т2, мин @уд мДж/кгвлаги

20 80 38,8 60,0 3,14

19 80 35,2 60,0 3,57

18 80 27,3 60,0 4,07

17 80 13,1 60,0 4,59

Полученные режимы сушки, полностью совпадают с режимами, найденными из условия максимума средней скорости сушки зерна. Это объясняется тем, что в балансе энергетических затрат большая часть приходится на инфракрасное излучение и поэтому сокращение времени нагрева приводит к уменьшению общих затрат энергии.

Выводы по главе 4

1. Эксперименты на разработанной вакуумной инфракрасной сушильной установке показали работоспособность предложенной конструкции и позволили определить оптимальные режимы сушки зерна ячменя с различными начальными влажностями

2. По результатам экспериментальных исследований были определены основные технологические параметры процесса сушки зерна ячменя: максимальная температура нагрева поверхности инфракрасных излучателей, не превышающая 70 °С; рациональное расстояние между инфракрасными излучателями, при удельной мощности 800Вт/м2 - 5 см.

3. Установлено, что при сушке зерна ячменя начальной влажностью не более 20% в вакуумной инфракрасной сушильной установке кондиционная влажность 14% достигается за один цикл.

4. Была произведена оптимизации по критерию удельных затрат теплоты для испарения 1 кг влаги из зерна. На основе анализа полученных математических моделей и результатов исследования были определены оптимальные режимы сушки зерна ячменя приведенные в таблице 4. 6

Таблица 4.6 - Оптимальные режимы сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке

ин, % Н, кПа т1, мин т2, мин кВт-ч

20 80 38,8 60,0 9,74

19 80 35,2 60,0 9,24

18 80 27,3 60,0 8,42

17 80 13,1 60,0 7,11

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ОЦЕНКА ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1 Результаты производственных исследований совместного использования вакуума и инфракрасного нагрева при сушке зерна ячменя

Апробация и производственные испытания по сушке зерна ячменя в предложенной вакуумной инфракрасной сушильной установке проводились в условиях ООО МТС «Илишевская» Илишевского района (Приложение Р).

Во время проведения производственного исследования по сушке зерна ячменя данная вакуумная инфракрасная сушильная установка вошла в состав технологической линии, которая включала в себя шнековый транспортер Т-403/2 и сушильную установку.

Зерно ячменя после уборки с помощью шнекового транспортера Т-403/2 загружаются в сушильную камеру вакуумной инфракрасной сушильной установки, где производят сушку до момента равновесного влагосодержания (до 14%).

Режим сушки зерна ячменя следующий: максимальная температура инфракрасных нагревателей 70°, создаваемый вакуум 80 кПа, температура воздуха 20.22°, скорость потока воздуха при продувке 5,5.6,7 м/с, общая продолжительность сушки варьировалась в зависимости от начальной влажности зерна.

В процессе испытании производились замеры начальной и конечной влажности зерна. Так же контролировались температура зерна после сушки и величина вакуума в сушильной камере.

Процесс работы во время производственных испытаний, по сушке зерна ячменя, представлен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Производственные испытания в хозяйстве ООО МТС «Илишевская» Илишевского района Республики Башкортостан

Производственные испытания показали адекватность оптимальных технологических параметров сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке. Были подтверждены режимные параметры установки определенные во время экспериментальных исследовании в лаборатории Башкирского ГАУ.

При сушке зерна ячменя сорта Михайловского, съем влаги за один проход находился в пределах 4.6,6 %, температура зерна на выходе из вакуумной инфракрасной сушильной установки составляла 25.31 °С. При заданных режимных параметрах общие удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги варьировались от 3,12 до 3,42 МДж. Максимальный нагрев зерна происходил до температуры 45.48 °С, что позволило сохранить его всхожесть на 98%. Это показывает эффективность сушки зерна, используемого в дальнейшем на семенные и пивоварные цели, в разработанной установке. Сравнительный анализ полученных результатов в производственных и лабораторных условиях показал отклонение данных не

более чем на 4% (таблица 5.1). Данные результаты свидетельствуют об их хорошей сходимости.

Таблица 5.1 Показатели работы вакуумной инфракрасной сушильной установки при сушке зерна ячменя

Показатели Значения Отклонение, %

лабораторные исследования производственные исследования

Производительность установки, т/ч 0,15 0,144 -4

Влагосъем, % 6 5,8 -3,3

Удельные затраты теплоты, МДж/кгвлаги 3,14 3,25 3,5

Экспертная комиссия ООО МТС «Илишевская» отметила преимущественные показатели сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке, перед существующими методами: высокие качество высушенного продукта, сокращение времени обработки, снижение энергетических затрат, небольшие габаритные размеры, мобильность и возможность использования круглогодично.

По итогам проведенных производственных испытаний, комиссия ООО МТС «Илишевская» рекомендовала предложенный способ сушки зерна ячменя в вакуумной инфракрасной сушильной установке для внедрения в сельскохозяйственные предприятия, в мелкие перерабатывающие предприятия и фермерские хозяйства.

Соответствующие акты производственных исследований и акты внедрения приведены в приложении Р.

Целью производственных испытаний явилось моделирование предлагаемой технологии сушки в условиях конкретного хозяйства. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 70.10.1-71 «Сушильные

установки сельскохозяйственного назначения. Программа и методы испытаний». Разработанная вакуумная инфракрасная сушильная установка обеспечила сушку зерна ячменя семенного назначения сорта "Михайловский". В ходе процесса обработки зерна ячменя производили контроль температуры и влажности зерна.

Полученные результаты при испытаниях использовали в процессе расчета экономической эффективности от внедрения предлагаемой технологии сушки зерна ячменя и вакуумной инфракрасной сушильной установки в сельскохозяйственное производство. Расчет производился в соответствии с методикой экономической оценки новой

сельскохозяйственной техники (ГОСТ 23728-88 - ГОСТ 23730-88) путем сравнения предлагаемой технологии с традиционными и наиболее распространенными технологическими процессами сушки зерна ячменя семенного назначения.

5.2 Экономическая эффективность сушки зерна ячменя инфракрасным излучением в вакууме

5.2.1 Определение капиталовложений на изготовление вакуумной инфракрасной сушильной установки для сушки зерна ячменя

Затраты на изготовление вакуумной инфракрасной сушильной установки складываются из затрат на покупку расходных материалов, доставку, изготовление и сборку установки и рассчитывается по формуле [71,72]:

3 = 3МИК + 3Т3 + 3ОП + ЗОХ, (5.1)

где 3МИК - затраты на покупку материалы и изготовление установки, руб.;

3Т3 - транспортно расходы, руб.;

ЗОП -производственные расходы, руб.;

3ОХ -хозяйственные расходы, руб.

Затраты на покупку материала и изготовление установки включает в

себя:

ЗМИК = ЗСИ + ЗКД + ЗО + ЗЭП + ЗСК (5.2)

где ЗСИ - затраты на покупку стандартных изделий, руб.; ЗКд - затраты на производство корпусных деталей, руб.; ЗО - затраты на производство оригинальных деталей, руб.; ЗЭП - затраты на оплату труда рабочих, выполняющих электромонтажные работы и программирование терморегулятора, руб.;

ЗСК - затраты на оплату труда рабочих, выполняющих сборку конструкции сушильной установки, руб.;

Стоимость стандартных изделий находится по уравнению:

ЗСИ = ЗИК + ЗВ + ЗТ + ЗТР + ЗВН + ЗПЧ + ЗПУ + ЗКМ + ЗК, (5.3)

где ЗСО - стоимость инфракрасного оборудования, руб.; ЗВ - стоимость вентилятора, руб.; ЗТ - стоимость терморегулятора, руб.; ЗТР - стоимость трансформатора, руб.; ЗВН - стоимость вакуумного насоса, руб.; ЗПЧ - стоимость преобразователя частоты, руб.; ЗПУ - стоимость пульта управления, руб.; ЗКМ - стоимость крепежного материала, руб.; ЗК - стоимость колес, руб.; После подстановки исходных данных получим: ЗСИ = 10000 + 25000 + 5000 + 15000 + 20000 + 15000 + 3000 + 1500 +

5500 = 100000 руб.

Затраты на изготовление корпусных деталей:

ЗКД = КМКД1 • СД1 + КМКД2 • СД2 + КМКД3 • СД3 + КМКД4 • СД4 + ЗЗПР, (5.4)

где Кмкд1 - количество стальных листов, необходимых для сборки сушильной камеры, кг.;

Сд1 - стоимость 1 кг стального листа, руб./кг;

Кмкд2 - количество оцинкованных листов, необходимых для сборки охладительной камеры и обшивки установки, кг.;

Сд2 - стоимость 1 кг оцинкованного листа, руб./кг;

Кмкд3 - количество стальных уголков, необходимого для изготовления каркаса сушильной установки, кг.;

Сд3 - стоимость 1 кг стальных уголков, руб./кг;

Кмкд4 - количество алюминиевых профилей, необходимых для изготовления внутреннего каркаса сушильной камеры и обшивки сушильной установки, кг.;

Сд4 - стоимость 1 кг алюминиевого профиля, руб./кг;

33ПР - заработная плата рабочим, за изготовление корпусных деталей, руб.

Заработная плата рабочим, за изготовление корпусных деталей определяется по формуле: