Совершенствование технологического процесса работы аэрожелобной сушилки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Смирнов Иван Альбертович
Смирнов Иван Альбертович
кандидат наук
2016
- Специальность ВАК РФ05.20.01
- Количество страниц 160
Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов Иван Альбертович
ВВЕДЕНИЕ
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАУЧНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ отечественных и зарубежных конструкций аэрожелобных сушилок
1.2 Анализ теоретических сведений, касающихся факторов,
влияющих на эффективность сушки в сушилках аэрожелобного типа
1.3 Применение ультразвука для управления технологическими процессами
1.4 Анализ работ по определению порозности, размеров движущегося полидисперсного слоя
1.5 Цели и задачи научного исследования
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ АЭРОЖЕЛОБНОЙ СУШИЛКИ
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой
2.2 Обоснование способа управления порозностью движущегося зернового слоя и устройства для его осуществления при сушке материала
в аэрожелобной сушилке
2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы теплогенератора прямого действия, интегрированного в тепловентиляционную систему аэрожелобной сушилки
2.4 Обоснование конструктивно-технологической схемы воздухообменника
2.5 Выводы по разделу
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Программа научного исследования
3.2 Методика научного исследования
3.2.1 Описание экспериментальных и производственных установок
3.2.2 Измерительные приборы
3.2.3 Методика лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука
3.2.4 Методика лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
3.2.5 Методика проведения лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
3.2.6 Методика проведения производственных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Результаты лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука
4.2 Результаты лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
4.3 Результаты лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
4.4 Результаты производственных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
4.5 Выводы по разделу
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
5.1 Сравнительный энергетический анализ эффективности применения усовершенствованной аэрожелобной сушилки
5.2 Сравнительный экономический анализ эффективности применения усовершенствованной аэрожелобной сушилки
5.3 Выводы по разделу
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», 05.20.01 шифр ВАК
Обоснование и совершенствование процессов и аэрожелобных устройств для послеуборочной обработки зерна2007 год, доктор технических наук Волхонов, Михаил Станиславович
Разработка и исследование установки с многоканальной системой подвода теплового потока для сушки семенного зерна в плотном и псевдоожиженном слое2001 год, кандидат технических наук Крутов, Виктор Семёнович
Исследование и разработка методов и средств для повышения эффективности процесса сушки семян зерновых культур в сушилках аэрожелобного типа2002 год, кандидат технических наук Полозов, Сергей Александрович
Повышение эффективности обработки семян зерновых колосовых культур на аэрожелобах путем совершенствования технологического прогресса и основных рабочих органов1999 год, кандидат технических наук Волхонов, Михаил Станиславович
Разработка конвейерной СВЧ-установки для сушки семян подсолнечника с обоснованием ее параметров и режимов работы2015 год, кандидат наук Файзрахманов, Шамиль Филаридович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологического процесса работы аэрожелобной сушилки»
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Зерновое хозяйство составляет основу растениеводства. Без развитого зернового хозяйства невозможно развитие животноводства, т.к. зерно - это не только продукт питания для населения, но и незаменимый корм для скота и птицы. Поэтому производство зерна является основой аграрного производства [1], [2].
Хлеб и хлебопродукты выступают важными продуктами питания для населения стран мира. По калорийности они занимают около половины всего пищевого баланса в рационе человека. Люди получают от зерна половину всех необходимых углеводов, 1/3 белков, витамины В и С. В 1 кг пшеничного хлеба содержится 2000-2500 ккал1 [1].
По оценкам ООН ежегодный прирост населения равняется примерно 82 миллионам человек и около четверти этого прироста приходится на страны Азии, Африки и Латинской Америки. Если в 1994 г. в мире насчитывалось около 5,7 млрд. человек, то сегодня нас уже 7,2 млрд. [3]. При этом в мире насчитывается 795 млн. человек, страдающих от голода. Это означает, что каждый девятый житель планеты страдает от недоедания [4].
Мировая продовольственная безопасность зависит от размера запасов зерна, которое хранится до следующего урожая (переходящие запасы), и от уровня производства зерна на душу населения. Как считают эксперты Продовольственной сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), переходящие запасы в стране должны составлять 17% от потребления зерна за год, т.е. соответствовать 60 дням потребления. Для России этот показатель должен составлять примерно 12 млн. тонн [1], [5].
По данным ФАО, зерна, особенно продовольственного, производится в мире недостаточно. Мировой сбор производства зерна составил 2 млрд. 75 млн. тонн в 2014 году и 2 млрд. 53 млн. тонн - в 2015 году, за последние 20 лет рост составил около 10%. Наибольшие темпы по производству зерна
1 Примечание. В данном разделе символы приняты в соответствии с использованными литературными источниками.
наблюдаются в Азии (48%). Страны-лидеры по производству зерна: Китай (20%), США (16%), Индия (11%), Канада (4%), Россия (3,5%) [1], [6].
В настоящее время производство зерна в России достигло 103,4 млн. тонн в чистом весе и составляет 706,7 кг на человека. По статистике на одного человека в год должна приходиться одна тонна зерна. Принимая во внимание перепись населения, россиянам, чтобы нормально питаться, необходимо собирать только для себя примерно 150 млн. тонн зерна [7], [8].
В России при валовом сборе зерна на уровне 80 - 100 млн. тонн в сушке нуждается обычно 40 - 45% [9] со снижением влажности в среднем от 25 до 14%, хотя в отдельные годы количество влажного и сырого зерна увеличивалось до 60 - 70%, а в некоторых регионах все зерно необходимо было подвергать сушке. Роль сушки возрастает с увеличением производства зерна, которое к 2020 году должно составить около 120 млн. тонн [10], [11].
Зерносушильный парк России насчитывает около 9 тыс. сушилок. Из которого большую часть занимают зерносушилки советского производства [10]. Во многих хозяйствах Костромской, Ивановской и других областей, сушильное хозяйство в силу сложившейся экономической ситуации пришло в упадок. Существующее сушильное оборудование зерноочистительных сушильных пунктов (ЗОСП) технически и морально устарело. В целом по стране 25-30% зерносушилок изношены и требуют замены, но переоснащение и замена зерносушилок осуществляется медленно [12], [13],
[14].
Сушка зернового материала является одной из самых энергоемких и дорогостоящих операций в процессе послеуборочной обработки зерна. Ее реализация требует значительных энергетических затрат жидкого или твердого топлива, а также электрической энергии [15]. По экспертным оценкам, из общего количества энергоресурсов, затраченных на производство зерна, прямые энергозатраты на сушку достигают 35-55%, а доля энергозатрат в себестоимости сушки составляет 70 - 75% [10], [16], [17], [18].
За последние 3-5 лет энергоресурсы значительно подорожали и имеют тенденцию к дальнейшему увеличению стоимости [19]. Поэтому разработка новых технологий и оборудования, направленных на снижение затрат топлива и электроэнергии на сушку, имеет определяющее значение для снижения энергозатрат при производстве зерна [12].
Помимо высоких энергозатрат, процесс сушки очень трудоемкий технически и технологически сложный, поскольку изменение некоторых параметров процесса сушки может привести к необратимым последствиям -зерно потеряет товарный вид, всхожесть. При неправильной реализации теплового режима в зерне образуются канцерогены, способные вызывать онкологические заболевания [15].
Для сушки зерна используют различные зерносушилки. С недавнего времени все большее распространение получают шахтные аэрожелобные сушилки. Изучение процесса сушки в сушилках аэрожелобного типа и положительный опыт их использования показали преимущества и перспективность этого вида сушилок в сравнении с другими зерносушилками. Сушилки аэрожелобного типа демонстрируют высокую эксплуатационную надежность, простоту обслуживания, компактность и др., при этом они имеют и ряд недостатков:
- возможен перегрев зерна выше допустимых пределов из-за высокой температуры и скорости агента сушки;
- неравномерный нагрев зерна;
- отсутствие автоматических систем управления порозностью зернового слоя, а также подачи материала и агента сушки в сушильную камеру;
- использование большого количества вентиляторов в многоканальных сушилках;
- сложность систем рециркуляции отработавшего агента сушки.
Целью исследования является повышение эффективности сушки
зерна в сушилке аэрожелобного типа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать способ управления порозностью движущегося зернового слоя и устройство для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке;
- в лабораторных условиях применить ультразвук для определения порозности псевдоожиженного зернового слоя, семян трав;
- разработать конструктивно-технологическую схему аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой и интегрированным в неё теплогенератором прямого действия, ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры и изготовить опытный образец. Провести лабораторные и производственные испытания сушилки с целью определения области рациональных значений основных технологических факторов при сушке зерна на семенном, продовольственном и фуражном режимах;
- дать технико-экономическую оценку работы аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой.
Объект исследования. Технологический процесс работы тепловентиляционной системы аэрожелобной сушилки.
Предмет исследования. Параметры технологического процесса работы тепловентиляционной системы аэрожелобной сушилки.
Гипотеза исследования. Если использовать ультразвук в системе управления подачей агента сушки в сушильные камеры, а также интегрировать теплогенератор в тепловентиляционную систему сушилки, то это позволит снизить удельные энергозатраты на технологический процесс сушки сыпучего материала без снижения качества высушиваемого материала.
Методы исследования. В исследовании использованы методы математической статистики, теории эксперимента. Использование данных
методов основывалось на применении современных технических средств и измерительных приборов.
Экспериментальные методы исследования реализованы на физических моделях и опытном образце шахтной аэрожелобной сушилки в производственных условиях. Результаты экспериментов были обработаны методом математической статистики в среде специализированного пакета по статическому анализу и обработке данных STATGRAPHICS Plus для Windows, а также редактора электронных таблиц MS Excel. Натурные испытания опытного образца шахтной аэрожелобной сушилки проведены в соответствии с СТО АИСТ 10.2-2010 (ГОСТ Р 55262-2012 Сушильные машины и установки сельскохозяйственного назначения. Методы испытаний).
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО Костромской ГСХА по теме «Совершенствование технологического процесса работы аэрожелобной сушилки».
Научная новизна заключается:
- в разработанном способе и устройстве управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала и математической модели процесса. Новизна разработанного способа и устройства подтверждена патентом РФ на изобретение №2558737;
- обосновании конструктивно-технологической схемы аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой;
- обосновании конструктивно-технологической схемы теплогенератора прямого действия, интегрированного в тепловентиляционную систему аэрожелобной сушилки;
- математических выражениях зависимости пути ультразвуковой волны от порозности слоя;
- математических выражениях влияния температуры агента сушки на производительность сушилки, температуру зерна на выходе из аэрожелобной
сушилки, влияния влажности отработавшего агента сушки на фактический и приведенный расходы теплоты и интегральный расход энергии.
Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных с использованием современных методик, положительными результатами производственных испытаний аэрожелобной сушилки.
Практическая ценность и реализация результатов исследования заключается в разработанном и изготовленном устройстве управления состоянием псевдоожиженного слоя в аэрожелобной сушилке.
В лаборатории кафедры «Технические системы в АПК» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА разработан и изготовлен опытный образец аэрожелобной сушилки с усовершенствованной тепловентиляционной системой, состоящий из двух шахт, в которых установлены аэродинамические короба с перфорированными перегородками; воздухораспределительных коробов с заслонками, управляемыми сервоприводами системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры; системы рециркуляции отработавшего агента сушки и теплогенератора прямого действия, интегрированного в тепловентиляционную систему сушилки, который прошел лабораторные испытания в уборочном сезоне 2014 года на семенах пшеницы, полученных с опытного поля ФГБОУ ВО Костромской ГСХА, а также производственные испытания в условиях СПК «Имени Ленина» Нерехтского района Костромской области в уборочном сезоне 2015 года.
Определены режимные параметры сушки зерна в усовершенствованной аэрожелобной сушилке.
Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе ФГБОУ ВО Костромской ГСХА при чтении лекций и выполнении практических занятий, при курсовом и дипломном проектировании студентами, обучающимися по направлению подготовки 35.03.06 -«Агроинженерия», при организации научно-исследовательской работы и
производственной практики студентов на кафедре «Технические системы в АПК».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных и научно-практических конференциях: XVI областной научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее» в 2013 году; ежегодной международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в АПК» ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА, состоявшихся в 2013 - 2015 гг.; международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов - вклад молодых ученых» ФГБОУ ВПО Ярославской ГСХА, состоявшейся 30 января 2014 года; международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и научное обеспечение АПК» ФГБОУ ВПО Великолукской ГСХА, состоявшейся 17 апреля 2014 года; международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «АПК России: прошлое, настоящее, будущее» ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургском государственном аграрном университете - 30 января 2015 года; XII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации» ФГБОУ ВПО Чувашской ГСХА - 10 апреля 2015 года.
На защиту выносятся:
- способ управления порозностью псевдоожиженного слоя в аэрожелобной сушилке и устройство для его осуществления;
- результаты экспериментальных исследований применения ультразвука для определения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав;
- конструктивно-технологическая схема аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой и интегрированным в неё
теплогенератором прямого действия, результаты лабораторных и производственных испытаний её работы;
- технико-экономические показатели работы усовершенствованной аэрожелобной сушилки.
Публикации. Основные положения работы отражены в 14 публикациях, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК, в патенте РФ на изобретение № 2558737.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы, приложений. При объёме 160 страниц, содержит 114 страниц основного текста, 59 рисунков, 7 таблиц, 13 приложений. В приложениях приведены: результаты исследований; документы, подтверждающие апробацию работы, отражающие практическое использование результатов исследования и другие вспомогательные материалы. Список использованных источников включает 117 наименований.
Диссертационная работа оформлена в соответствии с ГОСТ Р 7.0.112011 [20].
Автор пользуется возможностью выразить глубокую признательность научному руководителю - заслуженному изобретателю Костромской области, доктору технических наук, профессору М.С. Волхонову; сотрудникам и аспирантам кафедры «Технические системы в АПК» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА за оказанную помощь и содействие при выполнении данной работы.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАУЧНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ отечественных и зарубежных конструкций аэрожелобных сушилок
За рубежом выпускают большое количество разнообразных конструкций зерносушилок различной производительности.
Фирма Alvan Blanch [21], [22] выпускает зерносушилки двойного беспрерывного потока модели DF (рисунок 1.1) производительностью от 11 до 53 т/ч.
Зерно | Холодный воздух | Горячий поток Воздух выхлопа | Рециркулируемый воздух
4
Горячий и сухой воздух Горячий воздух по каналу Выхлоп с нижнего ложе
из секции охлаждения Впуск в секцию переходит в нижнюю (удаляются легкие
рециркулируется охлаждения секцию просушки примеси и мякина)
Рисунок 1.1 - Зерносушилка двойного беспрерывного потока модели DF 6000, производительность - 6 т/ч
Производителем заявлено, что сушилка может просушивать неочищенное зерно с любой начальной влажностью и степенью загрязнения, ворох находится в подвешенном состоянии (псевдоожиженном), а движение зерна осуществляется планчатым жалюзийным ложем (транспортером) [21].
Следует отметить, что у данных сушилок сложная конструкция при этом использование планчатого транспортера для движения зерна может
приводить к травмированию зерновки, а его поломка приведет к полной остановке процесса сушки.
Фирма Scolari (Италия) [23] и ТВН (Швейцария) [24] выпускают зерносушилки аэродинамического типа производительностью 2...21,5 т/ч. Отличительной чертой сушилок этих фирм является универсальность, простота конструкции и относительно небольшие габариты. Однако из-за конструктивных особенностей не обеспечивается дифференцированный подвод по температуре и удельной подаче агента сушки к материалу, что снижает экономические и качественные показатели работы зерносушилки.
Менее распространенных сушильные аппараты виброкипящего слоя (рисунок 1.2) [25], [26], [27]. Они отличаются от предыдущего типа тем, что газораспределительная решётка и, вместе с ней, слой высушиваемого продукта подвергаются вибрационному возмущению в процессе сушки.
Рисунок 1.2 - Сушилка вибрационная конвективная - СВК
Вибрационная конвективная сушилка обладает рядом преимуществ [25], среди которых можно выделить следующие:
- значительная экономия энергоресурсов;
- минимальная адгезия высушиваемого продукта к внутренним элементам сушилки;
- возможность качественной обработки продукта любой толщины;
- возможность высушивания плохоожижаемых продуктов;
- отсутствие разбрызгивания и распыления частиц продукта из аппарата;
- повышенный теплообмен.
Основные недостатки данной сушилки это сложность конструкции, наличие вибрирующих частей, а так же трудности в использовании привода, который может нагревается через кронштейн крепления привода [25]. В установках с виброкипящим слоем работающих с использованием электрических нагревательных элементов, под воздействием вибрации происходит разрушение токоподводящих контактных соединений, что снижает эксплуатационную надёжность. Так же в данных установках активное перемешивание обрабатываемого материала происходит лишь на вибрирующей поверхности, а в более удалённых местах образуются застойные зоны.
Установки для сушки зерна с псевдоожиженным зерновым слоем (рисунок 1.3) можно классифицировать следующим образом [28]:
- установки кипящего слоя с самопроизвольным перемещением зерна (рисунок 1.3 а, е);
- установки разрыхлённого полувзвешенного зернового слоя с принудительным перемещением зерна (рисунок 1.3 б, в, г, д).
По способу формирования зернового слоя:
- установки с виброкипящим слоем (рисунок 1.2);
- установки с псевдоожижением зернового слоя воздушным потоком (рисунок 1.3 а, б, в, г, д, е);
- установки с кипящим без разделения слоем (рисунок 1. 3 а, б, д, е);
- с кипящим разделяющимся слоем (рисунок1.3 в, г).
По конструктивным особенностям установки можно подразделить на камерные (рисунок1.2 а), каскадные (рисунок 1.3 е), аэрожёлобные (рисунок 1. 2 б, в, д), лотковые (рисунок 1. 2).
а - камерная; б, д - аэрожёлобные; в, г - с разделяющимся слоем;
е - каскадная.
Рисунок 1.3 - Конструктивно-технологические схемы установок для сушки зерна с псевдоожижением зернового слоя [28]
В установке разработанной, А.В. Голубковичем, А.Г. Чижиковым и Л.С. Ударовым [29], (рисунок 1.3 а), использование вращающихся частей шнекового питателя с лопатками для рыхления плотного слоя снижает надёжность работы установки. Применение многокамерной сушки с дополнительным вентилятором усложняет конструкцию сушилки и снижает надёжность конструкции.
В шведской многоярусной сушилке [24] (рисунок 1.3 б) на каждый сушильный короб установлены вентиляторы, что усложняет конструкцию и снижает эксплуатационную надёжность.
В установке А.А. Аудзявичуса [30] (рисунок 1.3 в) из-за поочередной выгрузки высушенного и разделенного на фракции материала из секций снижается производительность сушилки, также это приводит к неравномерности сушки. Установка нагревательного элемента отдельно от сушилки приводит к потере тепловой энергии через стенки воздуховодов.
В сушилке американской фирмы Farm Fans Inc [24] (рисунок1.3 г) подвод теплоты происходит конвективным способом, что ведет к снижению эффективности тепломассообмена.
В зерносушилке предложенной В.С. Уколовым [31] (рисунок 1.3 д), вдоль продольных стенок установлены аэрожелоба, процессы сушки и выгрузки материала разделены по времени, это приводит к снижению производительности. Размещение электрокалорифера за пределами сушилки приводит к потере тепловой энергии.
В зерносушилке с каскадным расположением сушильных камер кипящего слоя и с самопроизвольным перемещением зерна (рисунок 1.3 е) [24], в результате интенсивного движения и перемешивания вороха длительность пребывания зёрен в сушилке неодинаково. Это может привести к неравномерности сушки.
Авторами Е.М. Зиминым и М.С. Волхоновым разработана аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов (рисунок 1.4), содержащая шахту, в которой установлены сушильные короба с перфорированными перегородками. Над шахтой установлен надсушильный бункер, а под шахтой закреплен подсушильный бункер с дозатором. На боковых стенках шахты закреплены воздухораспределительные короба с подвижными заслонками, которые распределяют воздушные потоки по коробам [32].
Недостатком указанной установки (рисунок 1.4) является то, что каждая распределительная заслонка регулирует воздушный поток в двух сушильных коробах, что затрудняет управление состоянием слоя, а также при отсутствии высушиваемого семенного материала на одном из коробов
приводит к снижению транспортирующей способности другого сушильного короба (т.к. воздух идет по пути наименьшего сопротивления), потерям агента сушки в атмосферу и к снижению экономической эффективности сушки.
1 - шахта; 2 - сушильные короба; 3 - перфорированные перегородки; 4 -переливной порог; 5 - надсушильный бункер; 6 - воздухораспределительные короба; 7 - подвижные заслонки; 8 - подсушильный бункер; 9 - дозатор Рисунок 1.4 - Аэродинамическая установка для сушки сыпучих
материалов [32]
Производственная установка авторов Е.М. Зимина, М.С. Волхонова, С.И. Сидорова и др. (рисунок 1.5), включает вентиляторы, соединенные воздухораспределителями с сушильными коробами. Над верхним сушильным коробом установлен надсушильный бункер, а нижний снабжен выпускным устройством. В воздухораспределителях имеются каналы с поворотными щитками, предназначенными для регулировки распределения воздуха по каналам. Сушильные короба выполнены из воздухоподводящих и
транспортирующих каналов, между которыми жестко установлены перфорированные решета. Первый, третий и пятый сушильные короба связаны с одной рамой, второй четвертый и шестой - другой рамой [33].
1, 2 - вентиляторы; 3, 4 - воздухораспределители; 5 - сушильные короба; 6 -надсушильный бункер; 7 - выпускное устройство; 8 - каналы; 9 -поворотные щитки; 10 - воздухоподводящие каналы; 11 -транспортирующие каналы; 12 - перфорированные решета; 13, 14 - рама Рисунок 1.5 - Аэродинамическая установка для сушки сыпучих
материалов [33]
Недостатком устройств (рисунок 1.4, 1,5) [32], [33] является отсутствие системы автоматического управления положениями воздушных заслонок, оператору вручную необходимо осуществлять контроль за количеством подаваемого воздуха, при этом отсутствует возможность поддержания оптимальных расходов воздуха в сушильных коробах в зависимости от их загрузки.
Сушка в кипящем (псевдоожиженном) слое, как отмечают Г.А. Ровный, Н.К. Вальднер и др. [24], получил распространение во многих отраслях промышленности так как имеет более высокие удельные показатели
производительности по сравнению с сушилками барабанного типа. Однако они отмечают что внедрение в практику сушилок с кипящим слоем имеет ряд трудностей: из-за высокой скорости агента сушки в сочетании с высокой температурой может происходить перегрев зерна выше допустимых пределов; при уменьшении температуры агента сушки все преимущества сушилок с кипящим слоем значительно снижаются; понижение интенсивности нагрева материала за счет увеличения высоты кипящего слоя приводит к значительному повышению энергозатрат на подачу агента сушки из-за возросшего гидравлического сопротивления слоя. Для снижения энергозатрат на продувку, уменьшения неравномерности сушки во многих сушилках кипящего слоя применяются механические побудители (шнеки, планчатые транспортеры, вибрация и др.), при этом снижается надежность конструкции.
Эффективность использования установок с псевдоожиженным слоем для предварительного нагрева, сушки и охлаждения зерна по мнению Н.Я. Попова, Г.Н. Сутягина, М.И. Черникова [34] во многом зависит от равномерности перемещения в них отдельных зерен.
Широкое применение находит активное вентилирование зернового вороха в приемных отделениях, оборудованных аэрожелобами, при агрегатировании с существующими зерноперерабатывающими комплексами. При вентилировании без разгрузки влажность зернового вороха за сутки снижается на 3...5% [35], [36], [37], [38]. Известно, что эти установки одновременно могут выполнять несколько операций: вентилирование, отделение пыли и легких примесей, подогрев, транспортировку и т.д.
Т.о., существующие установки для сушки зерна в кипящем (псевдоожиженном) слое обладают рядом общих существенных недостатков:
- при контакте зерна с агентом сушки происходит интенсивный нагрев материала до предельной температуры при незначительном влагосъёме;
- в установках с самопроизвольным перемещением материала, из-за хаотичного движения слоя, происходит неравномерный нагрев зерна;
- в изученных конструкциях аэродинамических сушилок поддержание удельных подач агента сушки в обрабатываемый слой, и соответственно скорость газа в слое, а также состояние (псевдоожижение) и наличие материала контролируется вручную или вовсе отсутствует.
- в многоканальных сушилках вентиляторы подают воздух, как правило, в один или два распределительных канала и поэтому их количество велико - 5 и более, при этом снижается эксплуатационная надежность сушилки.
Указанные недостатки, на наш взгляд, являются основной причиной сдерживающей использование данных установок в зерноперерабатывающей отрасли. В связи с чем работа по их совершенствованию является актуальной.
1.2 Анализ теоретических сведений, касающихся факторов, влияющих на эффективность сушки в сушилках аэрожелобного типа
Температура сушки. Известно, что повышение температуры агента сушки приводит к значительному сокращению времени сушки, повышает ее экономичность и оказывает наиболее существенное интенсифицирующее влияние на процесс сушки [39], [40], [41], [42], [18] и др.
Похожие диссертационные работы по специальности «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», 05.20.01 шифр ВАК
Совершенствование системы управления экспозицией сушки зерна в аэрожелобной сушилке2020 год, кандидат наук Джаббаров Игорь Александрович
Обоснование конструктивно-технологических параметров противоточной зерносушилки2010 год, кандидат технических наук Зырин, Илья Сергеевич
Совершенствование технологического процесса сушки зерна гречихи с обоснованием параметров сушилки с псевдоожиженным слоем2001 год, кандидат технических наук Сидорчук, Анатолий Павлович
«Обоснование конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева»2022 год, кандидат наук Исаев Самир Хафизович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА В БУНКЕРАХ АКТИВНОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ2016 год, кандидат наук Северинов Олег Викторович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов Иван Альбертович, 2016 год
Источник /
В основу функционирования дефектоскопа данного типа положено свойство проникновения ультразвуковых волн в твёрдые тела. Скорость распространения ультразвуковой волны в основном зависит от следующих параметров среды: плотность среды, упругость среды, наличие дефектов (трещины, пустоты).
Датчик имеет источник и приёмник ультразвуковых волн. Если между источником (А) и приёмником (В) поместить исследуемый объект и измерять время прохождения волн от А к В, можно, зная расстояние АВ, определить скорость распространения ультразвуковой волны через конкретный участок твёрдого тела. Это даёт возможность исследовать внутреннюю структуру твёрдого тела на наличие дефектов, колебаний плотности и модуля упругости.
\ Источник (А!
Рисунок 1.10 - Обнаружение скрытого дефекта с помощью ультразвукового
дефектоскопа
Т.о., что для определения порозности слоя сыпучих сельскохозяйственных материалов предпочтительнее использовать устройства, основанные на использовании физических свойств ультразвуковой волны, так как они имеют множество достоинств, однако существует сложность их применения в системах со стохастическим изменением плотности материала, например, зернового вороха, в процессе
Приемник (В)
Фрагмент шдёрдого тепа
\
его обработки, т.к. не учитываются размерные характеристики элементов слоя и его изменяющаяся «насыпная» плотность.
1.4 Анализ работ по определению порозности, размеров движущегося полидисперсного слоя
Порозность слоя - это отношение объема пустот в слое к общему объему слоя.
Авторами Зиминым Е.М., Волхоновым М.С. и др. изучался вопрос об определении состояния и порозности слоя сыпучих материалов с помощью установки для определения высоты и степени псевдоожижения зернового слоя (рисунок 1.11) [84], [85].
1 - фотоприемник; 2 - прозрачные лопатки аэрожелоба; 3 - воздухораспределительный канал аэрожелоба; 4 - линейка; 5 - зерновой слой; 6 - видеокамеры; 7 - источник света; 8 - лабораторный автотрансформатор; 9 - люксометр Рисунок 1.11 - Установка для исследования аэродинамического сопротивления сыпучих и плохосыпучих сельскохозяйственных материалов
Для оценки состояния и структуры псевдоожиженного зернового слоя этими авторами был разработан экспресс-метод, в основе которого заложено фиксирование изменяющейся структуры слоя фотоприемником путем измерения интенсивности волнового потока, пронизывающего зерновой слой от источника света [84], [85].
Недостатком указанной установки является то, что используется видимый спектр волн, поэтому данную систему сложно применить в сушилке с псевдоожиженным слоем для управления воздушными потоками, из за высокого содержания пыли в шахте во время работы.
Для определения размеров частиц полидисперсного слоя в основном используются приборы спектрального анализа.
Электро-акустический спектрометр (рисунок 1.12) применяется для вычисления распределения частиц по размерам с использованием теоретических моделей взаимодействия частиц с ультразвуком и между собой [86], [87].
Принцип действия ультразвукового прибора заключается в том, что при прохождении через суспензию частично поглощаются звуковые волны, обуславливая необратимые потери энергии вследствие трения, теплопроводности и излучения. В отличие от оптических методов (динамическое светорассеяние, лазерная дифракция), применение ультразвука позволяет избежать ряда мешающих факторов при исследовании концентрированных суспензий и эмульсий: высокое поглощение излучения в непрозрачных образцах, возникновение мешающего явления многократного рассеяния света, искажающее влияние взаимодействий частиц между собой.
Прибор Dispersion DT-1202 [86] совмещает в себе возможности всего спектра акустических методов исследования дисперсных систем. Прибор использует метод измерения спектра акустического затухания и скорости звука в среде путем зондирования образца высокочастотными ультразвуковыми импульсами очень малой интенсивности.
1 - источник ультразвука; 2 - приемник ультразвуковых колебаний;
3 - пульпопровод Рисунок 1.12 - Акустический спектрометр Полную картину распределения частиц по крупности, прибору позволяет сделать такое явление как дифракция звуковых волн.
Пример, который показывает как работает прибор, используемый дифракцию звуковых волн на крупных и мелких частицах, представлен на рисунке 1.13.
Рисунок 1.13 - Дифракция звуковых волн на крупных и мелких частицах Звуковые волны проходят через образец с материалом, на верхнем представлен образец с мелкими частицами (менее 1 мм), а на нижнем крупные (более 1 мм), в результате дифракции происходит огибание волнами препятствий, искаженные волны регистрируются и обрабатываются ЭВМ. В результате чего получают гранулометрическую характеристику.
Основной недостаток данного прибора это сложность конструкции и его высокая стоимость.
Лазерный спектрометр (рисунок 1.14) используется для экспрессного спектрального анализа токонепроводящих образцов, анализа элементного состава твердых монолитов (стёкол, керамик, пластмасс, металлов, сплавов, гранитов и т.п.), различных порошков (включая почвы, породы, геологические образцы и т.п.). Спектрометр может быть применен для микроанализа неоднородных образцов (как по поверхности, так и по глубине), для анализа микрообразцов, образцов сложной формы [86], [88].
Анализируемый спектр получается путем регистрации флуоресценции после воздействия на исследуемое вещество лазерным излучением.
Основной недостаток этого метода заключается в том что, необходимо разбавлять пульпу водой (до 1% содержания твердого вещества) что бы лучи проникали через весь поток, иначе результаты будут неправдоподобны.
Рисунок 1.14 - Схема лазерного спектрометра Т.о., что ультразвуковой метод для определения порозности псевдоожиженного слоя более предпочтительный, он выдает информацию о продукте в режиме реального времени, является бесконтактным способом определения гранулометрического состава и его точность в меньшей степени зависит от многих неблагоприятных факторов (пыль и др.).
На основании вышеизложенного можно сделать следующие обобщения:
1. Сушилки аэрожелобного типа демонстрируют высокую эксплуатационную надежность, простоту обслуживания, компактность и др., при этом они имеют и ряд недостатков:
- возможен перегрев зерна выше допустимых пределов из за высокой температуры и скорости агента сушки;
- неравномерный нагрев зерна;
- отсутствие автоматических систем управления порозностью зернового слоя, а так же подачи материала и агента сушки в сушильную камеру;
- использование большого количества вентиляторов в многоканальных сушилках;
- сложность систем рециркуляции отработавшего агента сушки.
2. Для определения порозности псевдоожиженного слоя сыпучих сельскохозяйственных материалов предпочтительнее использовать устройства, основанные на использовании физических свойств ультразвуковой волны, так как они выдают информацию о продукте в режиме реального времени и точность определения в меньшей степени зависит от многих неблагоприятных факторов (пыль и др.), однако существует сложность их применения в системах со стохастическим изменением плотности материала, например, зернового вороха, в процессе его обработки, т.к. не учитываются размерные характеристики элементов слоя и его изменяющаяся «насыпная» плотность.
1.5 Цели и задачи научного исследования
Целью исследования является повышение эффективности сушки зерна в сушилке аэрожелобного типа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать способ управления порозностью движущегося зернового слоя и устройство для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке;
2. В лабораторных условиях применить ультразвук для определения порозности псевдоожиженного зернового слоя, семян трав;
3. Разработать конструктивно-технологическую схему аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой и интегрированным в неё теплогенератором прямого действия, ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры и изготовить опытный образец. Провести лабораторные и производственные испытания сушилки с целью определения области рациональных значений основных технологических факторов при сушке зерна на семенном, продовольственном и фуражном режимах;
4. Дать технико-экономическую оценку работы аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой.
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ АЭРОЖЕЛОБНОЙ СУШИЛКИ
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой
Нами разработана конструктивно-технологическая схема аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой, ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры (заявка на патент №2015112804/06), с интегрированным теплогенератором прямого действия (заявка на патент №2015108518/06) (рисунок 2.1) [89].
Она состоит из двух шахт 2, в которых происходит сушка сыпучего материала в псевдоожиженном слое за счет подогретого воздуха в смеси с топочными газами. Агент сушки вырабатывается теплогенератором прямого действия 13 и нагнетается с помощью вентилятора 16 через воздухораспределительные короба 9 в аэродинамические короба 6 под грузонесущие перфорированные перегородки 4. При этом отработавший агент сушки выводится из шахт через циклон 18 для очистки его от легких примесей и по воздуховоду 12 всасывается вентилятором 17 и направляется на частичную или полную рециркуляцию при помощи воздухообменника 15 обратно в теплогенератор и далее в сушилку.
Использование двух вентиляторов (рисунок 2.1) - один из которых работает на разряжение, а другой на нагнетание агента сушки в шахты позволяет добиться стабильной работы аэрожелобов при различных режимах работы сушилки.
1 - шнек; 2 - шахта; 3 - конфузор; 4 - перфорированная перегородка; 5 - надсушильный
бункер; 6 - аэродинамические короба; 7 - ультразвуковой датчик; 8 - заслонка; 9 -воздухорапсределительные короба; 10 - подсушильный бункер; 11 - сервопривод; 12 -воздуховод; 13 - теплогенератор прямого действия; 14 - привод насоса; 15 -воздухообменник; 16 - вентилятор; 17 - вентилятор системы рециркуляции отработавшего
агента сушки; 18 - циклон; 19 - вентилятор охладителя; 20 - охладитель Рисунок 2.1 - Конструктивно-технологическая схема аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой
Очевидно, что для построения суммарной характеристики последовательно работающих вентиляторов достаточно алгебраически сложить величины давлений, развиваемых каждым вентилятором при равных подачах воздуха [90].
При этом сила F воздушного потока, которая воздействует на частицу материала на выходе из отверстия перфорированной перегородки, может быть определена по известной зависимости:
F=АPS•а, (2.1)
где АР - разница давлений, Па;
5 - площадь отверстия перфорированной перегородки, мм2;
а - аэродинамический коэффициент, зависящий от параметров поверхности частицы.
Для исключения потерь агента сушки, а также с целью обеспечения нормальных условий загрузки материала, шахты должны находится под разряжением, поэтому мощность вентилятора 17 должна быть выше, чем вентилятора 16, а сопротивление сети магистрали работающей на разряжение ниже, чем сети работающей под давлением.
Разработанная схема аэрожелобной сушилки позволяет уменьшить количество вентиляторов без снижения технологической надежности процесса и обеспечивает снижение энергозатрат на сушку.
Необходимо разработать систему управления воздушными потоками в каждой сушильной камере, независимо друг от друга.
2.2 Обоснование способа управления порозностью движущегося зернового слоя и устройства для его осуществления при сушке материала в аэрожелобной сушилке
Машины для послеуборочной обработки зерна функционируют, как правило, в составе поточной линии, поэтому характер изменения параметров материала, поступающего на обработку (его влажность, засоренность,
плотность и др.) стохастический, что неизбежно вызывает стохастическое изменение всех переменных состояния процесса и существенным образом сказываются на их производительности, качестве и технологической надежности процесса работы. Контроль режимов возможен только с помощью динамических моделей, в основе которых - переменная состояния слоя материала на рабочих органах аэродинамических систем [91], [92], [93], [94].
Управление состоянием слоя материала в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, как правило, сводится к поддержанию удельных подач воздуха и, соответственно, скорости газа в слое. При повышенном расходе воздуха увеличивается вынос основного материала из слоя, что приводит к повышению нагрузки на пылеулавливающие устройства, увеличению потерь продукта и энергозатрат, при пониженном расходе - к снижению качества процесса (сушки, транспортирования, разделения на фракции материала). В существующих конструкциях сушилок и зерноочистительных машин регулирование подачи воздуха в слой материала осуществляется вручную, а оптимальность выполненной регулировки контролирует оператор.
Рассмотренные в первой главе устройства для определения порозности слоя, гранулометрического состава продукта, а так же возможность применения ультразвука для управления технологическими процессами, позволили прийти к выводу, что для определения порозности слоя сыпучих сельскохозяйственных материалов возможно разработать устройство основанное на использовании физических свойств ультразвуковой волны [91], [92], [93], [94].
Теоретический кратчайший «путь» ультразвуковой волны от излучателя до приемника через слой материала (рисунок 2.2), зависит от состояния (порозности) слоя, которое при соблюдении условий дифракции ультразвука с учетом затухания (ослабления, поглощения) ультразвукового
сигнала при взаимодействии с частицами материала неоднородной среды определится по формуле (2.2):
г г л 1э ' к
Ь3 = Ь - ёэ - п + - п, (2.2)
где: Ь3 - теоретический кратчайший «путь» ультразвуковой волны через слой материала, мм;
Ь - расстояние между излучателем и приемником, мм; йэ - эквивалентный диаметр частицы материала, мм; п - количество частиц материала на кратчайшем пути ультразвуковой волны;
к - коэффициент, зависящий от соотношения длины ультразвуковой волны и размеров частиц материала, их взаимного расположения и других факторов неоднородной среды;
ёъ = 3 а - Ь - с,
'Э =* а - Ь - с' (2.3)
где а,Ь,с - соответственно длина, ширина и высота частицы, мм.
I
к =
р
¡э ' (2-4)
где: 1Р - «путь» ультразвуковой волны, вдоль поверхности частицы, мм; 1Э - эквивалентная длина окружности частицы, мм.
¡э =П' ёэ. (2.5)
Очевидно Ь3, может принимать значения
Ь < Ьз < Ьз.п. , (2.6)
где Ьз.п. - «путь» ультразвуковой волны, пройденный через слой плотного материала.
В аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала оптимальному состоянию слоя (рабочий режим) соответствует вполне определенное Ьз.опт, которое на практике может быть рассчитано с учетом зависимостей (2.2-2.5) и оптимальной порозности слоя или определенно опытным путем.
/
Теоретический кратчайший
Ультраздукойой Зернобка УльтразЬукойой
приемник излучатель
Рисунок 2.2 - Теоретический кратчайший «путь» ультразвуковой волны от излучателя до приемника через слой псевдоожиженного материала
На основе теоретических предпосылок нами разработан способ управления порозностью слоя в аэродинамической системе аэрожелобной сушилки для послеуборочной обработки материала и устройство для его осуществления (патент РФ на изобретение №2558737 - приложение А).
На основе полученного патента на изобретение была разработана ультразвуковая система управления подачей агента сушки в сушильные камеры аэрожелобной сушилки (рисунок 2.1).
Аэрожелобная сушилка, оснащенная разработанным устройством, работает следующим образом (рисунок 2.3). Материал под собственным весом из надсушильного бункера 5 поступает на перфорированную перегородку 3 аэродинамического короба 2, где попадает под воздействие струй воздуха, выходящих под острым углом из щелей перфорированной перегородки 3.
12 3 4 5 ^=1 б
о - Воздух ( - Ультразвуковой сигнал
1 - шахта; 2 - аэродинамические короба; 3 - перфорированные перегородки; 4 - переливной порог; 5 - надсушильный бункер; 6 - ультразвуковой излучатель; 7 - воздухораспределительные короба; 8 - подсушильный бункер; 9 - дозатор; 10 - распределитель; 11 - жалюзийные заслонки;
12 - ультразвуковой приемник Рисунок 2.3 - Схема шахты аэрожелобной сушилки
Распределение потока воздуха по аэродинамическим коробам 2 производится с помощью распределителя 10, а его расход устанавливается жалюзийными заслонками 11. Во время работы сушилки за наличием и состоянием материала на перфорированных перегородках 3 аэродинамических коробов 2 следят ультразвуковые дальномеры, состоящие из излучателя 6 и приемника 12 ультразвуковой волны, установленные на торцевых стенках аэродинамических коробов (рисунок 2.3).
В процессе перемещения материала по аэродинамическим коробам происходит постепенный съём влаги и разделение слоя материала на фракции, отличающихся по аэродинамическим свойствам и размерным характеристикам. При этом мелкая тяжёлая фракция перемещается вдоль поверхности перфорированных решёток 3, основная масса материала занимает среднее положение в слое, а лёгкая взмывает в верхний слой и с отработанным воздухом выносится в циклоны. Подсоры мелкой тяжёлой примеси через щель активного переливного порога 4 возвращаются вновь в пространство между аэродинамическими коробами. Охлаждение материала производится в охладительной колонке.
Устройство для управления подачей агента сушки в сушильные камеры аэродинамической системы аэрожелобной сушилки для послеуборочной обработки материала работает следующим образом (рисунок 2.4). В начале схема управления дальномером формирует сигнал запуска измерения расстояния. При поступлении данного сигнала в ультразвуковой дальномер генератор формирует пакет из прямоугольных импульсов с частотой, зависящей от геометрических размеров частицы материала, который с помощью излучателя в виде ультразвуковой волны, посылается в пространство, которая принимается приемником, отстоящим от излучателя на расстоянии Ь (рисунок 2.2, 2.3). При наличии материала на перфорированной перегородке 3 ультразвуковые волны проходят сквозь материал и попадают в приемник, но уже со сдвигом по времени ^ (рисунок 2.5). После чего приемник передает полученные импульсы на
преобразователь принятого сигнала (рисунок 2.4), где происходит определение времени сдвига фронта исходящих и принятых импульсов (рисунок 2.5). Сдвиг фронта tl пропорционален «пути» прохождения стохастического слоя ультразвуковой волной (ходу ультразвуковой волны в стохастическом слое). На основании сравнения сдвига фронтов формируется импульс с длительностью, пропорциональной косвенно измеренному расстоянию «пути» (ходу) ультразвуковой волны.
Рисунок 2.4 - Блок-схема ультразвуковой системы управления подачей
3
агента сушки в сушильные камеры 3
Далее импульс передается в схему сравнения блока оценки информации, которая сопоставляет оптимальное ЬЗ.опт для работы аэродинамической системы на конкретном материале или состояние (псевдоожижение) слоя с измеренным расстоянием ЬЗ (текущим состоянием
3 Примечание. Элементы системы управления были созданы при участии аспиранта кафедры «Технические системы в АПК» Габалова Сергея Леонидовича.
слоя). При необходимости корректировки угла положения жалюзийной заслонки схема сравнения передает сигнал на схему управления сервоприводом, которая в свою очередь изменяет угол положения сервоприводов по установленной программе. Если же перфорированная перегородка 3 не занята материалом (Ьз.опт = Ьз), то жалюзийные заслонки 11 повернутся в положение «жалюзийные заслонки закрыты». В зависимости от состояния материала и программных установок в схеме режима центральный процессор управления задает режим работы блока оценки информации.
В зависимости от влажности, вида и других параметров материала программой формируется сигнал управления сервоприводом жалюзийных заслонок 11, обеспечивающий поддержание оптимальных параметров подачи воздуха в обрабатываемый материал.
Рисунок 2.5 - Сдвиг фронтов принятого сигнала по отношению к
излучаемому
В качестве ультразвуковых дальномеров в конструкции используются датчики эхолокации HC-SR04, а центральный процессор создан на основе управляющего контроллера STM32F100C4T6B. Электропривод управления заслонками - сервопривод Tower Pro MG995R [95]. Рассояние между излучателем и приемником в каждой сушильной камере составляет 735 мм.
Ц В
Излучатель Приемник
СдЬиг фронтод
t с
Т.о. при наличии материала на перегородке путь ЬЗ, пройденный ультразвуковой волной будет всегда больше Ь - расстояния между излучателем и приемником. При изменении состояния слоя (его псевдоожижения) количество частиц на пути ультразвуковой волны и ЬЗ изменяется, по этому показателю контролируется состояние псевдоожиженного слоя.
2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы теплогенератора прямого действия, интегрированного в тепловентиляционную систему аэрожелобной сушилки
Для снижения энергоемкости процесса сушки зерна нами разработана конструктивно-технологическая схема теплогенратора прямого действия (заявка на патент №201510851806) [96], [97], [98], [99], [100].
Для обеспечения стабильного и полного процесса сгорания топлива при сушке влажного материала не зависимо от расхода агента сушки, нами было проведено теоретическое обоснование размеров камеры сгорания теплогенератора прямого действия.
Примем следующие допущения:
- потери теплоты в окружающую среду отсутствуют;
- топливо полностью сгорает и вся полученная энергия идет на испарение влаги из зерна.
Определим требуемую тепловую мощность топки Q, Вт, для подогрева необходимого количества воздуха для сушки по известной зависимости:
б = с • тс • - (2.7)
где с - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кг К;
тс - массовый расход воздуха в сушилке, кг/с;
tl и t2 - температура соответственно подогреваемого воздуха, и требуемая температура агента сушки (задается в зависимости от режима работы сушилки), К.
Тепловую мощность Q.> необходимую для испарения влаги из зерна при его сушке с начальной он. до конечной ок. можно определить по зависимости [101]:
£ = 7404,1
Гщв ■ 0 ^ • е-0,001'1 - - о"°'39 • К
к зв (100-о) к 2у
(2.8)
где т3.в - подача влажного материала в сушилку, кг/с; Он и ок - влажность зерна в начале и в конце сушки, %; е - основание натурального логарифма, е=2,71828...; ^.з. - температура зерновки в начале сушки; К;
к2 - коэффициент снижения производительности сушилки в зависимости от вида культуры.
Массовый расход воздуха в сушилке. тС. находим по известной зависимости:
тс - 1с 'Ре, (2.9)
где ЬС - объемный расход воздуха в сушилке, м3/с; рв - плотность воздуха, кг/м3.
Объемный расход воздуха в сушилке может быть определен по зависимости:
Ьс =иер ' ^еч , (2.10)
где ¥ сеч - площадь сечения воздуховода, м2; иср - средняя скорость воздушного потока, м/с.
По известной зависимости рассчитаем секундную подачу топлива, кг/с:
Г - £
где gуд - удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг. Известно что для полного сгорания 1 части топлива необходимо подавать определенное количество воздуха. тт. с коэффициентом избытка воздуха. ¡лт (например для оптимального сгорания 1 части дизельного
топлива в факельных топках необходимо подать около 14 частей воздуха с коэффициентом избытка воздуха 1,15).
В результате получим:
Ув - О - тт т (2.12)
Чтобы исключить контакт распыляемого топлива со стенками камеры сгорания ее объем, Ук.с., должен быть больше суммы объёмов воздуха и топлива, поступающих в единицу времени:
Ук.с. > Ув + Ут (2.13)
Объемный расход топлива, УТ, определим по формуле:
г - О
Кт - Рт' (214)
где О - секундная подача топлива, кг/с;
Длина камеры сгорания определится как:
V
I ,
5 ' (2.15)
где 5 - площадь поперечного сечения камеры сгорания, м2.
^ >л- г (2.16) где г - радиус основания конуса, образованного факелом распыляемого топлива форсункой, м.
Гв + V
I >
2 • (2.17)
л-г v '
Преобразовав зависимость (2.17) с учетом (2.7... 2.14) получим:
(о - т -
С /
С- тс • (Л - ^
I >
^ ё уд' Рт )
л - г
или
2-' (2.18)
7404, 1
' 'т,. ■ (Щ> ) . е-0,00 ^. . к Л
36 (100-() к
■ ^^ ■ ^^
Я уд
/ >
+
ГС ■ тс ■ (V2 - О Л у Я уд ■ РГ у
п г2 (2.19)
Для анализа полученной теоретической зависимости нами приняты следующие изменяемые конструктивно-технологические параметры: т3.в = 0,3 - подача влажного материала в сушилку, кг/с; (Он = 26 - влажность зерна в начале сушки, %; (К = 14 - влажность зерна в конце сушки, %; е = 2,71828 - основание натурального логарифма; и3= 287,15 - температура зерновки в начале сушки; К; к2 = 0,9 - коэффициент снижения производительности сушилки в зависимости от вида культуры;
тТ = 15 - теоретически необходимое количество воздуха, кг; ¡лт = 1,15 - коэффициент избытка воздуха;
gуд = 42700 - удельная теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг с = 1,005 - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кгК; тс = 2,262 - массовый расход воздуха в сушилке, кг/с; ^ = 293,15 - температура подогреваемого воздуха, К; 12 = 373,15 - требуемая температура агента сушки, К; рТ = 860 - плотность топлива, кг/м3;
г = 0,1 - радиус основания конуса, образованного факелом распыляемого топлива форсункой, м.
Теоретическая зависимость необходимой длины камеры сгорания от количества влаги в начале сушки ( н показана на рисунке 2.6, при ( н = 26...18, %,.
Теоретическая зависимость необходимой длины камеры сгорания от радиуса основания конуса г показана на рисунке 2.7, при г = 0,1.0,4, м.
при ан = 26...18, %; m3,в = 0,3, кг/с; ак = 14, %; íK3.= 287,15, К; fe = 0,9; тТ = 15, кг; = 1,15; g^ = 42700, кДж/кг; mc = 2,262, кг/с; t1 = 293,15, К; fc = 373,15, К; г = 0,1, м.
Рисунок 2.6 - График зависимости для определения длины камеры сгорания
от начальной влажности зерна
при г = 0.1.0,4, м; m3.в = 0,3, кг/с; он = 26. %; о = 14. %; 287.15, К; к2 = 0.9; mТ = 15, кг; ¡т = 1.15; gуд = 42700, кДж/кг; mС = 2.262, кг/с;
и = 293.15, К; ¿2 = 373.15, К.
Рисунок 2.7 - График зависимости для определения длины камеры сгорания
от радиуса основания конуса, образованного факелом распыляемого топлива
форсункой
По результатам теоретических расчетов был сконструирован теплогенератор прямого действия с системой управления подачи воздуха в топку и расхода топлива [100].
2.4 Обоснование конструктивно-технологической схемы воздухообменника
Для управления потоками свежего воздуха, отработавшего агента сушки, их смешиванием нами разработан воздухообменник (рисунок 2.8) [102]. [103]. который может использоваться в устройствах автоматического регулирования работы тепловентиляционной системы сушилки. Определены режимы работы воздухообменника.
Режим работы (рисунок 2.9 а) «Многократное использование агента сушки» следует использовать в начале работы сушилки и в первые моменты после полной замены отработавшего агента сушки. В этом режиме через патрубок 3 в камеру смешивания 4 нагнетается частично отработавший агент сушки, прошедший через сушилку и сразу же направляется в теплогенератор.
Второй режим (рисунок 2.9 б) «Частичная замена агента сушки» характерен для нормальной работы сушилки. Отработавший частично воздух нагнетается в камеру смешивания 4, где часть его потока сбрасывается в окружающую среду, а другая поступает в теплогенератор. Одновременной из окружающей среды подсасывается свежий воздух, который смешивается с потоком частично отработавшего агента сушки и направляется в теплогенератор.
В режиме работы (рисунок 2.9 в) «Полная замена агента сушки» сушилка будет работать, когда насыщение агента сушки влагой будет выше критического значения. Агент сушки полностью себя «отрабатывает» и сбрасывается с удаленной влагой в атмосферу, одновременно в теплогенератор поступает свежий воздух.
Положение подвижной заслонки 2 зависит от температуры и влажности отработавшего агента сушки, подаваемого в камеру смешивания 4, и атмосферного воздуха и устанавливается с помощью системы управления.
1 - подвижная заслонка; 2 - патрубки; 3 - неподвижная заслонка; 4 - цилиндрический корпус (камера смешивания) Рисунок 2.8 - Конструктивно-технологическая схема воздухообменника
1 - неподвижная заслонка; 2 - подвижная заслонка; 3 - патрубки; 4 - цилиндрический корпус (камера смешивания) Рисунок 2.9 - Схема режимов работы воздухообменника: а - многократное использование агента сушки; б - частичная
замена агента сушки; в - полная замена агента сушки
Разработанное устройство позволяет использовать энергию частично отработавшего агента сушки, тем самым снижются энегозатрты на сушку. Во время режима работы воздухообменника «Многократное использование агента сушки» вся аэродинамическая ситема находится в замкнутом состоянии. При этом в начале сушки в кратчайшие сроки происходит прогрев всей системы и выход сушилки на заданный режим, и, как следствие, снижаются затраты топлива на прогрев сушилки.
2.5 Выводы по разделу
1. Теоретичеки обоснован и разработан способ управления порозностью слоя, и математическая модель процесса (2.2) на основе явления дифракции ультразвуковых волн, а также устройство для осуществления данного способа (патент РФ №2558737) на основе ультразвуковых датчиков эхолокации HC-SR04, управляющего контроллера STM32F100C4T6B и электропривода управления заслонками - сервопривода Tower Pro MG995R. Расстояние между излучателем и приемником в каждой сушильной камере составляет 735 мм.
2. Теоретически обоснована конструктивно-технологическая схема аэрожелобной сушилки с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой и ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры (заявка на патент №2015112804/06), и теплогенератором прямого действия, интегрированным в тепловентиляционную систему сушилки (заявка на патент №2015108518/06).
3. Теоретически обоснованы конструктивно-технологические параметры теплогенератора прямого действия.
Определена теоретическая зависимость конструктивных размеров камеры сгорания теплогенератора прямого действия (2.19) от вида топлива и параметров топливной аппаратуры, подачи и влажности материала.
4. Необходимо провести экспериментальные исследования для проверки выдвинутых теоретических положений.
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Программа научного исследования
В соответствии с поставленными задачами принята следующая программа исследования:
3.1.1 Изготовить и исследовать работу устройств определения порозности слоя с помощью ультразвука;
3.1.2 Изготовить опытный образец аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой: замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой. ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры, теплогенератором прямого действия;
3.1.3 Провести лабораторные испытания и производственные испытания аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой с целью определения области рациональных значений основных технологических факторов при сушке зерна на семенном, продовольственном и фуражном режимах;
3.1.4 Провести энергетическую и экономическую оценку сушки семян зерновых и мелкосемянных культур в аэрожелобной сушилке с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой.
3.2 Методика научного исследования
3.2.1 Описание экспериментальных и производственных установок
В соответствии с принятой программой научного исследования нами были созданы следующие лабораторные установки и опытные образцы (рисунок 3.1 - 3.5).
Нами была изготовлена установка для определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука (рисунок 3.1), которая состоит из ультразвукового излучателя 1; ультразвукового приемника 4
(датчик эхолокации НС-БЯ04), установленных в короб 2 со звукопоглощающими стенками, шариков 3; управляющего контроллера 8ТМ32Б100С4Т6Б 5; жидкокристаллического экрана 6.
Для определения диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав разработана и изготовлена установка (рисунок 3.2, 3.3), включающая в себя: блок измерения 7 (управляющий контроллер STM32F100C4T6B), ультразвуковой излучатель 5 и приемник 6 (датчик эхолокации НС-БЯ04), установленные на парусном классификаторе 3 Р1111-30 с циклоном 1 (воздуховоды и вентилятор условно не показаны), заслонку для регулировки расхода воздуха 2 и линейку 4 для определения высоты подъема сыпучего материала.
В соответствии с задачами научного исследования была разработана и изготовлена мобильная универсальная шахтная аэрожелобная сушилка СУША-М [89], [104] с замкнуто-разомкнутой аэродинамической системой, ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры, предназначенная для сушки семенного, продовольственного и фуражного зерна колосовых и семян мелкосеменных культур (рисунок 3.4 -3.9). В ходе поисковых опытов [89] нами была изучена аэродинамика сушилки с двумя вентиляторами вместо пяти, на основании которых принята следующая конструкция.
Сушилка содержит две шахты 2, состоящих из восьми сушильных камер, в которых установлены аэродинамические короба 6 с перфорированными перегородками 4. Сверху установлен конфузор 3 системы рециркуляции отработавшего агента сушки. Система рециркуляции содержит воздуховоды 12, направляющие отработавший агент сушки сначала на отчистку от легких и мелких примесей в циклон 18, а затем через вентилятор 17 в воздухообменник 15, где происходит полная или частичная смена агента сушки, или многократное использование отработавшего агента сушки. Вентилятор 16 направляет смесь частично отработавшего агента
сушки и свежего воздуха в воздуховод 12, внутри которого установлен теплогенератор прямого действия, где происходит подогрев агента сушки до требуемой температуры [104].
На боковых сторонах шахт закреплены воздухораспределительные короба 9 с заслонками 8, управляемыми сервоприводами 11 ультразвуковой системой управления подачей агента сушки в сушильные камеры4 (рисунок 3.5. 3.6. 3.7). Над каждой шахтой установлен надсушильный бункер 5, а под шахтой закреплён подсушильный бункер 10. Транспортировка материала в шахты и выгрузка высушенного материала из охладителя 20 осуществляется гибкими безвальными шнеками 1 (рисунок 3.9) [104].
В работе М.С. Волхонова [28] установлено, что исходя из условий равномерного движения материала по перфорированной перегородке её ширина не должна превышать 400 мм, конструктивно приняли 370 мм. Длина перфорированной перегородки 640 мм. получена исходя из отношения к её ширине и производительности сушилки.
Исходя из размеров перфорированной перегородки, чтобы не происходило поджатия и гидроударов воздушных потоков, были получены размеры сушильных камер, воздухораспределительных коробов, воздуховодов тепловентиляционной системы, воздухообменника и циклона.
Высота шахты 2 сушилки (рисунок 3.4) составляет 840 мм, длина 726 мм, ширина 370 мм, высота сушильной камеры 210 мм, перфорированные перегородки 4 установлены под углом 4 градуса с живым сечением 8%.
Габаритные размеры опытного образца мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой (рисунок 3.4) составляют 6000x2000x3500 мм.
4 Примечание. Элементы системы управления были созданы при участии аспиранта кафедры «Технические системы в АПК» Габалова Сергея Леонидовича.
В ультразвуковой системе управления подачей агента сушки в сушильные камеры использованы ультразвуковые дальномеры HC-SR04, имеющие диапазон измерения расстояний 20 - 3000 мм, обеспечивающие интервал между измерениями не менее 50 мс. В качестве исполнительных механизмов для управления заслонками использовали электронные сервопривода Tower Pro MG995, имеющие крутящий момент до 12 кг/см с временем поворота вала 4 мс/град, угол поворота вала в диапазоне 0 - 180° с удержанием установленного положения, вал сервопривода соединен с осью заслонки через мягкую муфту (рисунок 3.7) [95].
В теплогенераторе использована топливоподающая аппаратура высокого давления (рисунок 3.4), состоящая из гидромеханической форсунки высокого давления 13 и привода насоса 14 (электродвигатель, цепная передача и насос высокого давления Д - 144 4УТНИ-Э-1111005) [96], [97], [98], [99], [100].
Теплогенератор работает на дизельном топливе. Температура агента сушки, создаваемая теплогенератором - не более 140°С. Расход топлива регулируется в пределах от 0 до 6 кг/ч. Прогрев агента сушки и выход сушилки на заданный температурный режим, происходил за 1 -2 мин. Габаритные размеры теплогенератора: длина 1220 мм, ширина 280 мм, высота 350 мм. Длина камеры сгорания 500 мм, радиус вершины усечённого конуса камеры сгорания 0,09 м, радиус основания усечённого конуса камеры сгорания 0,12 м, объём камеры сгорания 0,0174 м3. Масса теплогенератора (вместе с насосом и его приводом) 40 кг [96], [97], [98], [99], [100].
Воздухообменник изготовлен из листовой стали (рисунок 3.8), ось подвижной заслонки 1 (рисунок 2.8, 2.9) установлена на подшипниках качения. Отверстия патрубков 2 (рисунок 2.8) воздухообменника имеют размеры 280x280 мм, радиус и высота цилиндрического корпуса 280 мм.
а) б)
а - модель псевдоожиженного слоя; б - блок измерения 1 - ультразвуковой излучатель; 2 - короб со звукопоглащающими стенками; 3 - шарики; 4 - ультразвуковой приемник;
5 - управляющий контроллер STM32F100C4T6B; 6 - жидкокристаллический экран Рисунок 3.1 - Установка определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука
1 - циклон; 2 - заслонка; 3 - парусный классификатор РПП-30; 4 - линейка; 5 - ультразвуковой излучатель; 6 - ультразвуковой приемник; 7 - блок измерения; 8 - исследуемый материал. Рисунок 3.2 - Конструктивно-технологическая схема лабораторной установки для определения диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
а - общий вид установки; б - блок измерения и ультразвуковые датчики Рисунок 3.3 - Лабораторная установка для определения диапазонов применения ультразвука при контроле изменения
порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
1 - шнек; 2 - шахта; 3 - конфузор; 4 - перфорированная перегородка; 5 - надсушильный бункер; 6 - аэродинамические короба; 7 - ультразвуковой датчик; 8 - заслонка; 9 - воздухораспределительные короба; 10 - подсушильный бункер; 11 - сервопривод; 12 - воздуховод; 13 - штифтовая форсунка; 14 - привод насоса; 15 - воздухообменник; 16 - вентилятор; 17 - вентилятор системы рециркуляции отработавшего агента сушки; 18 - циклон; 19 - вентилятор охладителя; 20 - охладитель Рисунок 3.4 - Схема мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М с усовершенствованной конструктивно-технологической
схемой
а) б)
а - печатная плата микроконтроллера; б - соединение печатных плат Рисунок 3.5 -Система управления подачей агента сушки в сушильные
камеры5
1 - система управления подачей агента сушки в сушильные камеры; 2 -блоки питания; 3 - блок силовой коммутации; 4 - блок управления теплогенератором; 5 - блок управления вентиляторами Рисунок 3.6 - Шкаф системы управления сушилкой5
5 Примечание. Элементы системы управления были созданы при участии аспиранта кафедры «Технические системы в АПК» Габалова Сергея Леонидовича.
а, б - шахта аэрожелобной сушилки с установленными ультразвуковыми датчиками и сервоприводами; в - шахта аэрожелобной сушилки и шкаф системы управления; г - привод заслонки 1 - сервопривод Tower Pro MG995; 2 - ультразвуковой приемник; 3 -ультразвуковой излучатель; 4 - контрольный кабель; 5 - система управления подачей агента сушки в сушильные камеры; 6 - ось заслонки; 7 - мягкая
муфта; 8 - вал сервопривода Рисунок 3.7 - Ультразвуковая система управления подачей агента сушки в
сушильные камеры
а - вид с боку; б - соединение воздухообменника с вентилятором 1 - воздуховод из охладителя; 2 - воздухообменник; 3 - воздуховод; 4 -
вентилятор системы рециркуляции отработавшего агента сушки; 5 -механизм поворота и фиксации подвижной заслонки воздухообменника
Рисунок 3.8 - Воздухообменник
Рисунок 3.9 - Опытный образец мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М с
усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
3.2.2 Измерительные приборы
Экспериментальные и производственная установки были оснащены всеми необходимыми приборами и системами для проведения испытаний в соответствии с требованиями СТО АИСТ 2010 [105].
В процессе проведения экспериментальных исследований, согласно принятой программе, необходимо измерять и оценивать следующие величины:
- температуру и относительную влажность окружающего воздуха;
- температуру агента сушки;
- температуру и относительную влажность отработавшего агента сушки;
- барометрическое давление;
- температуру зернового вороха;
- расход воздуха;
- расход агента сушки;
- расход отработавшего агента сушки;
- влажность зернового материала;
- высоту зернового слоя;
- расход топлива;
- производительность установки по выгрузке зернового материала;
- мощность электроэнергии, потребляемую сушилкой.
Для измерения температуры воздуха и агента сушки применялся ртутный термометр, а так же измеритель-регулятор температуры ТРМ1 с датчиком типа ТСМ (рисунок 3.10).
Температуру отработавшего агента сушки, температуру атмосферного воздуха, влажность отработавшего агента сушки и влажность атмосферного воздуха определяли электронным анемометром с крыльчаткой Testo 410-2 (рисунок 3.12), температуру зерна до и после сушки определили с помощью пирометра MS6530 (рисунок 3.14) и ртутного термометра.
Рисунок 3.10 - Измеритель-регулятор температуры ТРМ1 с датчиком типа
ТСМ
Расход воздуха и агента сушки определяли косвенным методом с помощью многопредельного микроманометра с наклонной трубкой ММН-240 (рисунок 3.11), расход отработавшего агента сушки определяли косвенным методом электронным анемометром с крыльчаткой Testo 410-2 и UNI-T UT362 (рисунок 3.12), измерения проводились в соответствии с ГОСТ Р 55262-2012 [106] (СТО АИСТ 10.2-2010).
Для измерения атмосферного давления использовали барометр -анероид метеорологический БАММ-1 (рисунок 3.13).
Массу топлива, подаваемую топливным насосом высокого давления определяли с помощью весов SCARLETT (рисунок 3.15) методом отсечек по 10 секунд каждая. Число отсечек принималось равным 7. Время определяли по секундомеру TORNEO (рисунок 3.15).
Определение влажности зерна проводили в соответствии с СТО АИСТ 2010 [105] (ГОСТ 12041-82 [107]) с применением сушильного шкафа, ювелирных весов и лабораторной мельницы (рисунок 3.17), а также с помощью влагомера Farmpoint-Digital (рисунок 3.16).
Производительность сушилки и расход топлива (во время лабораторных испытаний) определяли электронными напольными весами методом отсечек по 1 минуте каждая (рисунок 3.18). Число отсечек принималось равным 5. Время определяли по секундомеру TORNEO (рисунок 3.15).
Потребляемая мощность электроэнергии замерялась
токоизмерительными клещами косвенным методом (рисунок 3.18).
Высоту зернового слоя определяли по ученической линейке, фиксируя изменение высоты слоя на зеркальный фотоаппарат Nikon D5200 с функцией видеозаписи.
Использованные измерительные приборы обеспечили заявленную точность измерений.
Рисунок 3.11 - Многопредельный микроманометр с наклонной трубкой
ММН-240
Рисунок 3.12 - Измерительные приборы для определения расходов воздуха: 1 - электронный анемометр Testo 410-2,
2 - электронный анемометр UNI-T UT362
Рисунок 3.13 - Барометр БАММ-1
а) б)
а - вид спереди; б - вид сбоку
Рисунок 3.14 -Пирометр МБ6530
Рисунок 3.15 - Измерительные приборы: 1 - секундомер TORNEO,
2 - весы SCARLETT
*
Ш О
\Ш о
FARMPOWT
Рисунок 3.16 - Влагомер Farmpoint-Digital
Рисунок 3.17 -Приборы и оборудование для определения влажности зерна: 1 - сушильный шкаф, 2 - лабораторная
мельница, 3 - ювелирные весы
Рисунок 3.18- Измерительные приборы: 1 -
3.2.3 Методика лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука
Для подтверждения гипотезы, описанной в разделе 2.2 на разработанной установке определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука (рисунок 3.1) был проведен трехфакторный двухуровневый эксперимент.
В качестве основных факторов (рисунок 3.19, 3.20) были приняты: количество частиц материала на кратчайшем пути ультразвуковой волны п, шт, взаимное расположение частиц материала относительно ультразвуковых датчиков и друг друга Х, и эквивалентный диаметр частицы материала (шариков) йэ„ мм. Основные уровни варьирования факторов были определены опытным путем и представлены в таблице 3.1.
Рисунок 3.19 - Моделирование «пути» ультразвуковой волны через слой
материала
Таблица 3.1 - Уровни варьирования факторов
Уровни варьирования
Фактор натуральные
верхний нижний
п 8 6
аз 8 6
Х 6 3
Выходными величинами (откликами) являлись: показания теоретического кратчайшего «пути» ультразвуковой волны через слой материала, Ь3пПр, мм, по прибору; коэффициент к, зависящий от соотношения длины ультразвуковой волны и размеров частиц материала, их взаимного расположения и других факторов неоднородной среды (рассчитывался косвенным методом) по зависимости (2.4).
Рисунок 3.20 - Схема взаимного расположения частиц материала относительно ультразвуковых датчиков и друг друга
Контролируемые факторы: расстояние между излучателем и приемником Ь = 110 мм, и частота ультразвуковой волны V = 40 кГц.
3.2.4 Методика лабораторного эксперимента по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав
Нами был проведён эксперимент по определению диапазонов применения ультразвука при контроле изменения порозности псевдоожиженного слоя зерна и семян трав с помощью разработанного и изготовленного измерительного прибора (рисунок 3.2, 3.3).
В качестве основного фактора (рисунок 3.21) был принят расход воздуха Q, м3/ч, регулировался механической заслонкой, установленной на парусном классификаторе РПП-30.
Выходными величинами (откликами) являлись: порозность слоя сыпучего материала, Есл, %, определяли косвенным методом через высоту
подъема сыпучего материала, Нсл, мм; показания теоретического кратчайшего «пути» ультразвуковой волны через слой материала, Ь3.пр, мм, определяли по прибору.
Контролируемые факторы: начальная высота слоя сыпучего материала Ннач = 35 мм, атмосферное давление воздуха Ратм, Па, температура наружного воздуха в., °С, начальная влажность сыпучего матерала Wзн = 14,5 %, расстояние между излучателем и приемником Ь, мм, и частота ультразвуковой волны V, кГц.
Опыт проводился следующим образом. После установки уровней основных факторов в течении 8 минут производились запись замеров высоты кипящего слоя одной из культур и показаний прибора на видеокамеру, причем через каждую минуту увеличивали расход воздуха от 0 до 80 м3/ч с интервалом 10 м3/ч.
Рисунок 3.21 - Моделирование процесса определения порозности слоя
После чего производилась покадровая расшифровка записи и определение порозности кипящего слоя по известной зависимости (3.1) [94], [92]:
Е
СЛ
1 - Е 1 - 1—Е0-100, К
(3.1)
где Есл - порозность слоя, %;
Ео - начальная порозность слоя;
К - коэффициент, зависящий от высоты подъема слоя;
К = Нсл
Н ' (3.2)
Н о
где Нсл - высота слоя, мм;
Н0 - высота слоя без пустот, мм.
Начальную порозность слоя определили опытным путем. В мерную колбу заливалась вода до определенного уровня, после чего в неё засыпался материал. Увеличение уровня воды показывало на объем твердой фазы материала без пор. Далее по известной зависимости (3.3) рассчитывалась начальная порозность:
„ V. - V! Е =
'0
У
сл
ут ' (3.3)
где Усл - объем материала,мм3;
Утв - объем твердой фазы материала, мм3. Зная объем твердой фазы материала и размеры экспериментальной установки, находили высоту слоя без пустот.
Эксперимент проводился на семенах клевера, козлятника и пшеницы. После проведения эксперимента были расчитаны основные статистические характеристики по методике, приведенной в работе авторов Волхонова М.С., Зудина С.Ю., Зимина И.Б, Зырина И.С. [108].
Дисперсия 5 рассчитывалась по следующей зависимости [108]:
„ I(У - ¥ср )2 5 = „-1 ' (34)
где У - 1-й элемент выборки; Уср - среднее арифметическое; п - количество повторностей.
Среднеквадратическое отклонение о рассчитывалось по следующей формуле [108]:
а —
\
£ (Ъ — Ур )2
(3.5)
п — 1
Коэффициент вариации V рассчитывался по следующей формуле [108]:
^ — у- 100 (3.6)
ср
где 5 - cреднеквадратическое отклонение.
Доверительная гарантийная ошибка тд рассчитывались по следующей формуле [108], при числе повторностей опыта п > 20:
т — + а 1^табл
д— ^ ' <3-7)
где тел - табличный критерий Стьюдента.
Относительная гарантийная ошибка тдотн рассчитывалась по следующей формуле [108]:
отн 1 табл л ЛЛ
тД -100' (3.8)
ср
где тД - гарантийная ошибка.
3.2.5 Методика проведения лабораторных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
Лабораторные испытания разработанного опытного образца мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М (рисунок 3.4 -3.9) проводили на базе опытного поля и лаборатории кафедры «Технические системы в АПК» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА. Задача испытаний состояла в определении режимных параметров сушки и технико-энергетических показателей опытного образца. Испытания проводились в соответствии с рекомендациями СТО АИСТ 10.2-2010 [105].
В качестве основных факторов были приняты [104]: температура агента сушки, ta.c, °С, устанавливали в соответствии с теоретическими предпосылками, изложенными в первом разделе; расход агента сушки, Qa.c, м3/с, устанавливался максимальным, но исключающим вынос материала из сушильных коробов; влажность отработавшего агента сушки, фо.а.с, %.
Выходными величинами (откликами) являлись: производительность сушилки, G, кг/ч; температура отработанного агента сушки, а.с., °С; расход отработавшего агента сушки, Qо.a.c., м3/с; влажность материала после сушки, Wзк, %; расход топлива, qт, кг/ч; потребляемая мощность электроэнергии, Nл., кВт-ч; температура зерна на выходе из сушилки, tз.к,°С.
Контролируемые факторы: атмосферное давление воздуха Paтм; начальная влажность поступившей партии пшеницы w/; температура зерна на входе в сушилку tзм,; температура наружного воздуха ^.в. и влажность воздуха фн.в.
В каждом опыте производили отбор проб семян до и после сушки массой по 1 кг, которые помещались в полотняный мешок, после чего выделялась средняя проба для проведения анализа семян на всхожесть в лаборатории кафедры «Растениеводства, селекции, семеноводства и
луговодства» ФГБОУ ВО Костромской ГСХА в соответствии с ГОСТ 1203884 [109].
3.2.6 Методика проведения производственных испытаний аэрожелобной сушилки с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой
Производственные испытания проводили на базе СПК «Имени Ленина» Нерехтского района Костромской области при сушке семян яровой пшеницы сорта Злата и клевера сорта Пермский (рисунок 3.22, 3.23). Задача испытаний состояла в проверке полученных данных в ходе лабораторных испытаний опытного образца и определении технико-энергетических показателей сушилки. Испытания проводились в соответствии с рекомендациями СТО АИСТ 10.2-2010 [105].
Рисунок 3.22 - Шахта и шкаф системы автоматики опытного образца мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М
Рисунок 3.23 - Опытный образец мобильной универсальной шахтной аэрожелобной сушилки СУША-М на производственных испытаниях в СПК «Имени Ленина» Нерехтского района Костромской области
В качестве основных факторов были приняты: температура агента сушки, с., °С; расход агента сушки Qа.с, м3/с, устанавливался максимальным, но исключающим вынос материала из сушильных коробов; влажность отработавшего агента сушки, фо.а.с, %.
Выходными величинами (откликами) являлись: производительность сушилки, О, кг/ч; температура отработанного агента сушки, tо.а.с, °С; расход отработавшего агента сушки, Qо.а.с., м3/с; влажность материала после сушки, Wзк, %; расход топлива, дт, кг/ч; потребляемая мощность электроэнергии, ЫэЛ, кВтч; температура зерна на выходе из сушилки, tз.к,°С.
Контролируемые факторы: атмосферное давление воздуха Ратм; начальная влажность поступившей партии пшеницы wзн; температура зерна на входе в сушилку tз,н,; температура наружного воздуха ^.в. и влажность воздуха фн.в.
До и после сушки производили отбор проб семян пшеницы и клевера массой по 1 кг. Семена клевера помещались в полотняный мешок, после чего была выделена средняя проба для проведения анализа семян на всхожесть и энергию прорастания специалистами семенной инспекции ФГБУ «Россельхозцентр» (приложения Б-В). Пробы семян пшеницы были направлены в ФГБУ ГСАС «Костромская» для определения клейковины и бенз(а)пирена в семенах продовольственного назначения (приложения Г-Д).
После проведения лабораторных и производственных испытаний опытного образца аэрожелобной сушилки полученные данные были обобщены и проанализированы графоаналитическим методом с целью определения области рациональных значений основных технологических факторов при сушке зерна на семенном, продовольственном и фуражном режимах.
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Результаты лабораторного эксперимента определения порозности смоделированного слоя с помощью ультразвука
Согласно методике, изложенной в разделе 3.2.3, был проведён трехфакторный двухуровневый эксперимент (приложение Е). Измерения проводили с семикратной повторностью, при этом добивались, чтобы относительная гарантийная ошибка опыта не превышала 5%. Результаты проведённого эксперимента обрабатывались с помощью специализированного пакета по статическому анализу и обработке данных STATGRAPHICS Plus для Windows и представлены в приложении Ж и З.
В ходе многофакторного регрессионного анализа была получена математическая модель (в кодированном виде) для отклика - кратчайший «путь» ультразвуковой волны через слой материала L3.np (мм):
L3np = 120,02+4,41-n + 2,02 • d +1,45-x. (4.1)
В ходе регрессионного анализа установлено, что полученная модель информационно способна, т.к. коэффициент детерминации параметра L3,np, мм, высокий R2 = 83,16%. Заметной корреляции между опытными значениями, размещенными в матрице нет, т.к. Durbin-Watson статистика (DW) выше, чем 1,4 (DW = 2,7). Модель значима, т.к. критерий Фишера F равен 6,58 при уровне значимости модели 0,05, что говорит о статистической значимости отношений между переменными на уровне не менее 95% (приложение Ж).
Для оценки влияния входных параметров на кратчайший «путь» ультразвуковой волны через слой материала L3.np были построены поверхности отклика (рисунки 4.1 - 4.3).
Рз.пр, мм
128 125 122 119 116 113 110
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.