Технология высокочастотной адсорбционно-контактной сушки при подготовке семян пшеницы к посеву тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Шахматов, Сергей Николаевич

• Шахматов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шахматов, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ.

1.1. Обшие характеристики объекта обработки.

1.1.1 Сорбционные, гидроскопические и теплофизические свойства зерна 1.

Анализ технологий и методов сушки зерна.

Анализ технических средств сушки семян зерновых культур.

Энергосберегающие приемы и технологии сушки и обработки семян зерновых культур .л,,.,.

1.4.1 Технология сушки с использованием электромагнитной эенргии

1.4.2 Технология сушки с использованием адсорбентов.

1.4.2.1 Регенерация адсорбента в каталитическом генераторе тепла неизотермического типа.

1.4.3 Анализ способов и средств обеззараживания семян зерновых культур.

1.5 Экономия энергетических затрат в процессе подготовки семян к посеву

1.6 Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ СЕМЯН.

2.1 Анализ процесса расчета нагрева и сушки влажных материалов и конструкции сушилки.

2.2 Материальный баланс сушилки.

2.3 Тепловой баланс сушилки.

2.4 Основные факторы, определяющие процесс сушки.

2.5 Тепломассоперенос при решении внутренней задачи.

2.6 Методика теоретической разработки конструкции ВЧ установки

2.7 Выводы.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ.

3.1 Методика проведения эксперимента и исследования процесса высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян пшеницы.

3.2 Выбор плана эксперимента.

3.3 Получение уравнений регрессии.

3.4 Проверка адекватности математического описания.

3.5 Обоснование режимов высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян зерновых культур при их термическом обеззараживании

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4 СПОСОБЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И УСТРОЙСТВА, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СЕМЯН В ЭМПВЧ.

4.1 Энергосберегающие конструкции сушилок.

4.2 расчет количества используемого осушителя.

4.3 Устройство поддержания температуры обрабатываемого материала в заданных пределах.,.

4.4 Расчет напряженности в рабочей камере при обработке семян

4.5 Согласование нагрузки рабочего конденсатора с колебательным контуром.

4.6 Расчет параметров колебательной системы высокочастотного генератора.

4.7 Расчет ВЧ установки и согласования мощности ВЧ генератора с емкостью рабочей комеры.

4.8 Расчет производительности полупромышленного образца ВЧ установки.

4.9 Управление режимом работы технологической линии.

4.10 Выводы.

ГЛАВА 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ ЗЕРНА ПРИ ИХ ПОДГОТОВКЕ К ПОСЕВУ.

5.1 Расчет экономической эффективности высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян зерновых культур при их подготовке к посеву.

5.2 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология высокочастотной адсорбционно-контактной сушки при подготовке семян пшеницы к посеву»

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ.9

1.1. Обшие характеристики объекта обработки .9

1.1.1 Сорбционные, гидроскопические и теплофизические свойства зерна .10

1.2 Анализ технологий и методов сушки зерна.12

1.3 Анализ технических средств сушки семян зерновых культур. 20

1.4 Энергосберегающие приемы и технологии сушки и обработки семян зерновых культур.26

1.4.1 Технология сушки с использованием электромагнитной эенргии 26

1.4.2 Технология сушки с использованием адсорбентов.32

1.4.2.1 Регенерация адсорбента в каталитическом генераторе тепла неизотермического типа.35

1.4.3 Анализ способов и средств обеззараживания семян зерновых культур.36

1.5 Экономия энергетических затрат в процессе подготовки семян к посеву .40

1.6 Цель и задачи исследования.41

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ СЕМЯН.42

2.1 Анализ процесса расчета нагрева и сушки влажных материалов и конструкции сушилки.42

2.2 Материальный баланс сушилки.47

2.3 Тепловой баланс сушилки.49

2.4 Основные факторы, определяющие процесс сушки.50

2.5 Тепломассоперенос при решении внутренней задачи.52

2.6 Методика теоретической разработки конструкции ВЧ установки 62

2.7 Выводы.64

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ.65

3.1 Методика проведения эксперимента и исследования процесса высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян пшеницы.65

3.2 Выбор плана эксперимента.70

3.3 Получение уравнений регрессии.72

3.4 Проверка адекватности математического описания.73

3.5 Обоснование режимов высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян зерновых культур при их термическом обеззараживании . 78

3.6 Выводы.86

ГЛАВА 4 СПОСОБЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И УСТРОЙСТВА, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СЕМЯН В ЭМПВЧ.87

4.1 Энергосберегающие конструкции сушилок.87

4.2 расчет количества используемого осушителя.96

4.3 Устройство поддержания температуры обрабатываемого материала в заданных пределах.98

4.4 Расчет напряженности в рабочей камере при обработке семян . 101

4.5 Согласование нагрузки рабочего конденсатора с колебательным контуром.102

4.6 Расчет параметров колебательной системы высокочастотного генератора.105

4.7 Расчет ВЧ установки и согласования мощности ВЧ генератора с емкостью рабочей комеры.109

4.8 Расчет производительности полупромышленного образца ВЧ установки.113

4.9 Управление режимом работы технологической линии.113

4.10 Выводы.117

ГЛАВА 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКИ ЗЕРНА ПРИ ИХ ПОДГОТОВКЕ К ПОСЕВУ.118

5.1 Расчет экономической эффективности высокочастотной адсорбционно-контактной сушки семян зерновых культур при их подготовке к посеву.118

5.2 Выводы.125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.126

ЛИТЕРАТУРА.128

ПРИЛОЖЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

Важное место в системе технологических мероприятий, направленных на получение высоких и экологически чистых урожаев зерновых культур, принадлежит послеуборочной и предпосевной обработке семян.

В свою очередь в системе технологических операций по послеуборочной обработке зерна важное место занимает сушка. Она позволяет не только обеспечить сохранность собранного урожая и предотвратить его потери, но и в ряде случаев повысить качество зернового материала. В целом по стране сушке необходимо подвергать 40-45% собранного зерна. Для проведения своевременной и качественной сушки свежеубранного зерна сельскохозяйственные предприятия должны быть оснащены высокопроизводительными, надежно работающими сушильными комплексами и установками, обеспечивающими минимальные затраты энергии на реализацию технологического процесса сушки.

В процессе сушки зерна, протекающей при Т=40-70°С, энергозатраты о составляют 5,2-7,3 Дж -10 на 1 тонну высушенных семян. Среднегодовое расходование условного жидкого топлива по России и странам СНГ на обработку зерна примерно составляет 1,0-1,2 млн. тонн, электрической энергии -около 5,5 млрд. кВтч. Из этого количества энергозатрат много расходуется не рационально в связи с тем, что в целом по стране и СНГ высевают только 40-45% семян 1 класса всхожестью 90-95%, даже при этом по крайней мере 10% высеянных семян исключается из процесса формирования урожая.

Потери семян увеличиваются также из-за использования на посеве некондиционных по всхожести семян и широко практикуемого в хозяйствах завышения нормы высева. По этим причинам ежегодно теряется не менее 2 млн. тонн не всхожих, но полноценных по пищевым или кормовым качествам семян.

Доказано, что существующие методы не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к процессам сушки и обеззараживания по энергетическим затратам и получения экологически чистого продукта. Использование электромагнитных полей высокой частоты для этой цели, ограничивается, главным, образом из-за недостаточной проработки вопроса воздействия ЭМПВЧ на обрабатываемый материал с агентом сушки и из-за отсутствия промышленно-экспериментальных рабочих камер.

Существенный вклад в развитие классической теории сушки и тепло-массопереноса внесли A.B. Лыков и его школа, A.C. Гинзбург, П.А. Ребин-дер, П. Д. Лебедев, С.Д. Птицын, С.П. Рудопашта, Ю.М. Михайлов и многие другие.

Значительную роль в становлении и развитии применения электромагнитных полей для сельскохозяйственного производства (сушка, обеззараживание, стерилизация и т.д.) сыграли работы И.Ф. Бородина, Ф.Я. Изако-ва, И.А. Рогова, С.П. Лебедева, В.Т. Мустяца, Н.В. Цугленка, Р.Л. Филлипо-ва, Фогеля, И.Г. Фёдоровой и многих других отечественных и зарубежных учёных.

Применение ЭМПВЧ при обработке влажных материалов позволяет полностью контролировать и управлять температурным режимом нагрева материала, что позволяет получить конечный продукт высокого качества. В то же время применение ВЧ полей в подготовке семян к посеву позволят исключить из оборота применение ядохимикатов для обеззараживания семян.

Следует отметить, что в концепции развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на период 2000 г. определены приоритетные направления по разработке и производству новых видов электротехнического и электротеплового оборудования и созданию на их основе высокоэффективных электротехнологий по сушке, обработке и хранению сельскохозяйственной продукции с использованием ВЧ и СВЧ энергии.

Доказано, что наибольший экономический эффект получается при применении ВЧ нагрева в тех процессах, в которых термообработка занимает много времени. Это связанно с тем, что ВЧ энергия позволяет резко интенсифицировать процессы тепло- и массопереноса. Однако на пути применения высокоэффективной ВЧ технологии по сушке и обеззараживанию семян стоят нерешенные задачи, связанные прежде всего с выбором экономически целесообразной технологии обработки и разработкой установки, совмещающей в себе процесс сушки и процесс термического обеззараживания без применения ядохимикатов.

Поэтому разработка новых энергосберегающих технологий и технических средств, совмещающих два технологических процесса на основе ВЧ энергии, является актуальной.

Объект нашего исследования - технологический процесс высокочастотной сушки семян при их подготовке к посеву.

Исследование осуществлялось на основе теоретических методов: теории теплопроводности, тепло-электродинамики, математического и физического моделирования с использованием измерительной и вычислительной техники, с применением аппарата теории активного планирования технологического процесса.

В результате проведенных исследований были получены следующие основные положения, определяющие научную новизну работы: разработана математическая модель сушки и обеззараживания семян в высокочастотном поле; установлена взаимосвязь основных факторов высокочастотной ад-сорбционно-контактной сушки, влияющих на качественные показатели семян пшеницы; представлены технические устройства, реализующие высокочастотный способ предпосевной обработки семян зерновых культур; разработаны статистические модели решения задач исследования высокочастотной обработки семян пшеницы, позволяющие определять показатели эффективности и осуществлять выбор рациональных технологических режимов; получены адекватные уравнения регрессии, связывающие результативный признак (температура нагрева, скорость снижения влагосодержания, всхожесть, урожайность, зараженность) с режимными параметрами высокочастотной обработки семян (напряженность, соотношение объемов (зерно-адсорбент), экспозиция); 8 разработан алгоритм управления технологическим процессом обработки семян и определены режимы, обеспечивающие максимальный эффект прибавки урожая и снижение зараженности семян при снижении энергозатрат.

Практическая ценность работы заключается в следующем: выполненные исследования создают базу для проектирования технологии и технических средств ВЧ оборудования для предпосевной и послеуборочной обработок семян пшеницы; разработанные техническое задание, техническое условие и техническая документация на установку предназначены для проектирования и изготовления ВЧ установок по подготовке семян к посеву; разработан алгоритм управления технологическим процессом; разработана программа для ПЭВМ, позволяющая определять оптимальный режим технологического процесса обработки семян в ЭМПВЧ. Реализация и внедрение результатов работы: установка по предпосевной обработке семян испытана в производственных условиях учхоза "Миндерлинское" Сухобузимского района; результаты исследований использованы в методических рекомендациях "Интенсификация тепловых процессов подготовки семян к посеву энергией ВЧ полей", которые утверждены на НТС Госагропрома СССР; результаты исследований использованы в учебном процессе Крас

ГАУ; техническая документация на ВЧ сушилку принята к внедрению «Ук-рсортсемовощ».

Работа выполнена на кафедре системоэнергетики Красноярского государственного аграрного университета в соответствии с планом НИР Крас-ГАУ и ВИЭСХа в соответствии с поручением СМ СССР и Постановлением ГКНТ СССР (№121 от 9.04.82 г., №552 от 11.04.91 г.).

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Шахматов, Сергей Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Анализ существующих методов подготовки семян к посеву показывает, что большинство способов и технических средств для их осуществления по сушке и обеззараживанию семян сельскохозяйственных культур в настоящее время не нашли широкого применения из-за высоких энергозатрат, низкой удельной производительности установок, противоречивых сведений об эффективности методов сушки и обеззараживания.

2. Теоретическая модель процесса нагрева и сушки семян пшеницы позволила определить рациональные параметры и пределы их варьирования, которые должны изменяться в пределах: средняя температура нагрева массы семян 36.53 °С, экспозиция обработки 3.5 мин., соотношение объемов зерно-адсорбент У=1,2.1,5. Для сохранения максимального эффекта увеличения всхожести и обеззараживания семян необходимо проводить при тех же параметрах температуры и времени.

3. На основе методики активного планирования эксперимента разработана установка и проведены исследования влияния технологических параметров сушки на показатели эффективности процесса высокочастотной обработки семян. Применение модели и результатов исследования позволили найти оптимальные параметры обработки в электромагнитном поле высокой частоты, при напряженности поля Е=4,25 кВ/см, средней температуре нагрева и времени обработки 4.5 мин.

4. На основе экспериментальных исследований изготовлена установка диэлектрического нагрева сыпучих материалов (а.с. № 1428895) и разработано устройство для поддержания температуры обрабатываемого зерна в заданных пределах и