CC BY
95
УДК 631.365.2
Анализ и оптимизация параметров сушки
рулонов льнотресты
Шушков Роман Анатольевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технические системы в агробизнесе
e-mail: roma970@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Михайлов Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технические системы в агробизнесе
e-mail: andrej-35@yandex.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Бирюков Александр Леонидович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой энергетических средств и технического сервиса
e-mail: biryukov_alex@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация: В статье обоснована необходимость досушивания рулонов льнотресты при уборке урожая льна в неблагоприятных погодных условиях. Определены основные параметры, управляющие процессом сушки рулонов льнотресты. Проведен анализ технических средств для сушки рулонов льнотресты. Предложено устройство, позволяющее сушить рулоны льнотресты равномерно по высоте, представлены результаты его экспериментальных исследований.
Ключевые слова: льняная треста, рулон, досушивание.
В Вологодской области используется комбайновая технология уборки льнотресты с прессованием её в рулоны. Согласно ГОСТ Р 53143-2008 для уборки льнотресты в рулонах влажность льносырья в ленте не должна превышать 23 % (абс.). Но часто данные требования не выдерживаются из-за неблагоприятных погодных условий, обуславливающих повышенную влажность убираемого льносырья, при которой хранение льнотресты в рулоне невозможно ввиду развития биохимических процессов гниения [1, 2].
В связи с этим назрела острая необходимость в применении машин и оборудования для сушки (досушивания) рулонов льнотресты перед закладкой их на хранение и первичной переработкой [3].
Анализ тепло-влагообмена позволяет определить основные направления и способы интенсификации процесса сушки рулонов льнотресты [4]:
- процесс сушки необходимо проводить при температуре нагрева льнотресты близкой к предельно допустимой, обеспечивающей сохранность её качества;
- выполнять процесс сушки при скорости теплоносителя, позволяющей максимально использовать его влагопоглотительную способность;
- для увеличения коэффициентов тепло-влагообмена необходимо определить оптимальные значения плотности прессования рулонов льнотресты.
Следовательно, основными параметрами, управляющими процессом сушки, являются температура (^ °С) и скорость теплоносителя (V, м/с) на входе в рулон, а также плотность прессования льнотресты (р, кг/м3).
Для сушки рулонированного материала известны различные конструкции сушилок [5-10]. Исходя из глубокого анализа этих конструкций, для совершенствования технических средств для досушивания рулонов льнотресты следует направить усилия на снижение неравномерности и времени сушки, а также обеспечить независимую сушку более двух рулонов.
Для достижения этой цели в ФГБОУ ВО Вологодская ГМХА разработана установка (рис. 1), позволяющая сушить независимо друг от друга одновременно до 20 рулонов [11].
12 3 4
Рис. 1 Общий вид установки: 1 - рама П-образная; 2 - ролик прижимной; 3 - рулон льнотресты; 4 - подвижный распределитель теплоносителя; 5 - основание сушилки; 6 - направляющая распределителя; 7 - рычаг; 8 - гидроцилиндр; 9 - каретка подвижная; 10 - колесо каретки; 11 - воздуховод гибкий
Предлагаемая установка имеет распределитель теплоносителя 4 (он же является прокалывателем рулона), состоящий из цилиндра с круглыми отверстиями, в
верхней части которого установлен конус для центрирования распределителя при проколе рулона.
Устройство работает следующим образом. Установленный на сушилку рулон льнотресты центрируется и удерживается при помощи специального устройства, состоящего из П-образной рамы 1, подвижной каретки 9 и прижимных роликов 2. В сердцевину рулона при помощи гидропривода и системы рычагов вводится распределитель теплоносителя (прокалыватель рулона).
Теплоноситель с заданными параметрами (температура, скорость) посредством гибкого воздуховода 11 подается непосредственно внутрь рулона и равномерно распределяется в нем.
Для равномерности процесса сушки рулона по высоте нами предлагается приспособление - подвижный поршень, расположенный внутри распределителя. На предлагаемое устройство для сушки рулонов льна получен патент на изобретение [12].
Суть изобретения заключается в следующем (рис. 2): внутри распределителя закреплен стержень с наружной резьбой, на котором установлен подвижный поршень. Установка внутри распределителя поршня 1, способного перемещаться по высоте, позволяет варьировать объем теплоносителя, подаваемый в различные зоны рулона 2.
Рис. 2 Схема разбивки рулона по зонам: I - нижняя зона; II - верхняя зона; 1 - регулятор потока теплоносителя по высоте рулона (подвижный поршень); 2 - рулон льнотресты; 3 - крышка
В связи с этим предлагается условно разбить рулон на две зоны (нижнюю и верхнюю) и сушить его по зонам, причем вначале сушится нижняя зона. При сушке нижней зоны, теплоноситель, выходя из распределителя под давлением, частично направляется к наружной поверхности рулона, часть воздуха направляется вдоль стеблей по пути наименьшего сопротивления к верху рулона, крышка 3, установленная сверху рулона, направляет этот воздух к наружной поверхности, происходит процесс досушки материала.
При достижении кондиционной влажности в нижней зоне поршень поднимается вверх и происходит досушивание верхней зоны.
С использованием подвижного поршня сушка рулона будет происходить более интенсивно и равномерно, а теплоноситель будет расходоваться эффективнее.
Отличительными особенностями данной сушилки являются:
- простота конструкции и обслуживания;
- малые вес, размеры и металлоемкость;
- вертикальное расположение рулона, обеспечивающее возможность сушки с коробочками;
- возможность одновременной сушки нескольких рулонов разной влажности и независимо друг от друга;
- возможность варьировать количество подключаемых сушильных секций (до
20);
- процесс погрузки/разгрузки механизирован. Данный вид работ осуществляется с помощью фронтального погрузчика или кран-балки со специальным устройством захвата рулонов;
- сушилка может работать, даже если загружены не все сушильные секции, благодаря наличию заслонок на воздуховодах;
- воздушный поток в сушилке организован так, что сушка материала происходит равномерно, теплоноситель используется эффективно.
В ФГБОУ ВО Вологодская ГМХА разработаны также варианты данной сушилки с двумя подвижными поршнями, с синхронным и независимым приводами [13], позволяющими более точно задавать зону сушки, изменяя ее высоту и смещая ее вдоль оси рулона, а также вариант с двумя соосно расположенными распределителями [14].
Для оценки досушивания льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона был реализован многофакторный эксперимент, направленный на определение влияния основных факторов (температура и скорость теплоносителя, плотность прессования льнотресты) на ход процесса, характеризуемый временем сушки рулона (т, ч) и удельным расходом электроэнергии на испарение влаги ^уд, кВт-ч/ кг). Предельные значения входных параметров (факторов) установили в результате анализа литературных источников: t = 40-70 °С; v = 5-8 м/с; р = 100-150 кг/ м3 [15].
Другие исходные данные: распределитель с наружным диаметром цилиндрической части 108 мм, диаметр выходных отверстий на распределителе 26 мм, общее количество отверстий - 128 (16 рядов по 8 отверстий в каждом равномерно расположены по высоте распределителя); размеры рулона (высота х диаметр) -1,1x1,2 м; начальная влажность льнотресты в рулоне - 40 % (абс.); конечная влажность льнотресты в рулоне - 19 % (абс.); температура окружающего воздуха + 20 °С; относительная влажность окружающего воздуха - 60 %; повторность опытов - трехкратная.
С целью определения влияния выбранных факторов на параметры оптимизации использовали матрицу трехуровневого плана 2-го порядка Бокса-Бенкена для трех факторов. Перед реализацией плана матрицы производили рандомизацию опытов с использованием таблиц случайных чисел. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Statgraphics Centurion XV.
При статистической обработке данных эксперимента по сушке рулонов льнотресты были получены следующие уравнения регрессии, где факторы представле-
ны в натуральном виде:
т = - 14,256 + 0,516667-t + 3,25-v - 0,0764286-р -- 0,006-t-p - 0,04-v-p + 0,00368571-р2,
(1)
Nуд = - 0,815513 + 0,286256-t + 0,0333333-v -
- 0,130754-р - 0,00228718-t2 + 0,000760615-р2,
(2)
Полученные регрессионные модели адекватны, о чем свидетельствует проверка уравнений по критерию Фишера, также проведена проверка значимости коэффициентов регрессии с помощью критерия Стьюдента.
По уравнениям регрессии построены поверхности отклика в трехмерном изображении, отражающие влияние двух основных факторов (температура теплоносителя t и плотность прессования льнотресты р) на параметры оптимизации т и N (рис. 3 и 4).
уд
v=6,5
v=6,5
150
40 45 50 55 60
65 70
100
6,8 5,8 4,8 3,8 2,8 1,8
150
40 45
50
55 60 65
t
70
100
Рис. 3 Зависимость времени сушки рулона льнотресты (т) от температуры теплоносителя (t) и плотности (р) v = const = 6,5 м/с
Рис. 4 Зависимость расхода электроэнергии на испарение влаги (Ыуд) от температуры теплоносителя (t) и плотности (р) v = const = 6,5 м/с
На рисунках 5 и 6 представлены зависимости времени сушки рулонов льнотресты и удельного расхода электроэнергии от выбранных факторов. Из графиков, представленных на рисунке 5, можно сделать вывод, что увеличение температуры и скорости теплоносителя сокращают время сушки рулонов льнотресты, между ними обратнопропорциональные зависимости. Между плотностью прессования и временем сушки прямопропорциональная зависимость. Это можно объяснить тем, что при увеличении плотности тресты в рулоне увеличивается сопротивление, которое должен преодолеть подаваемый теплоноситель, в результате это ведет к снижению скорости влагообмена и увеличению продолжительности сушки.
p
p
т, ч
Иуд, кВт-ч/кг
70
100
150
70
8 100
150
V, м/с
р, кг/м
t,°C
V, м/с
р, кг/м
Рис. 5 Зависимость времени сушки рулонов льнотресты от факторов
Рис.6 Зависимость удельного расхода электроэнергии от факторов
При прочих равных условиях с увеличением плотности льнотресты в рулоне времени на ее досушивание требуется больше. Так, например, при плотности рулона 100 кг/м3 (при t = 70 °С; v = 6,5 м/с) продолжительность сушки составила 4 часа, при увеличении плотности до 150 кг/м3 времени на досушивание потребовалось в 3 раза больше - 12 часов.
Из этого следует, что для уменьшения времени сушки необходимо увеличивать скорость и температуру теплоносителя, а плотность прессования необходимо снижать.
Как видно из графиков, представленных на рисунке 6, между факторами и удельным расходом электроэнергии прямопропорциональная зависимость. Наибольшее влияние на энергетические затраты оказывают плотность прессования и температура подогрева теплоносителя. При их увеличении существенно увеличивается расход электроэнергии. Скорость теплоносителя в сравнении с температурой и плотностью незначительно влияет на расход электроэнергии. Для получения минимальных энергетических затрат необходимо уменьшать все три фактора.
При прочих равных условиях с увеличением плотности льнотресты в рулоне увеличивается удельный расход электроэнергии. Так, например, при плотности рулона 100 кг/м3 (при t = 70 °С; v = 6,5 м/с) расход электроэнергии составил 2,94 кВт-ч/кг, при увеличении плотности до 150 кг/м3 расход электроэнергии увеличился больше чем в 2 раза до 5,89 кВт-ч/кг.
Для нахождения оптимальных параметров сушильной установки использовали нелинейное программирование, позволяющее в зависимости от поставленной задачи находить оптимальные значения факторов. Решение задачи оптимизации параметров сушильной установки выполнялось на ЭВМ в программе Microsoft Excel 2010 по методике А.М. Валге [16].
В результате были получены следующие оптимальные параметры досушивания льнотресты при подаче воздуха внутрь рулона: плотность прессования - 100110 кг/м3; температура теплоносителя - 52-70 °С; скорость теплоносителя - 7,68,0 м/с.
При проведении опытов по сушке рулонов льнотресты при оптимальных параметрах процесса с использованием внутри распределителя теплоносителя подвижного поршня получили следующие значения:
среднее время сушки рулона т = 2,7 ч;
средний расход электроэнергии на удаление влаги Ыуд = 1,82 кВт-ч/кг;
средний расход тепла на удаление влаги (без учета работы вентилятора) Qуд
= 1,7 кВт-ч/кг (или 1461 ккал/кг, или 6,12 МДж/кг).
Проведенные производственные испытания показали, что при сушке рулонов льнотресты средней плотности прессования 110 кг/м3, средней массы рулона 135 кг, с начальной влажности 40 % до кондиционной 19 % при температуре теплоносителя 70 °С и его скорости 8 м/с, удельный расход электроэнергии на удаление влаги составляет 1,98-2,11 кВт-ч/кг, время сушки одного рулона равняется 2,9-3,1 ч.
Выводы: в отдельные годы природно-климатические условия Вологодской области не позволяют убрать с полей весь урожай льносырья, это приводит к ежегодным потерям выращенного урожая. Для сохранения льносырья необходимо совершенствовать технологию уборки и используемые в этот период технические средства, в связи с чем предлагается использовать технологию активного досушивания влажных рулонов льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона.
Список литературных источников:
1. Шушков, Р. А. Сроки хранения влажных рулонов льнотресты / Р. А. Шуш-ков, Н. Н. Кузнецов, Д. Ф. Оробинский // Сельский механизатор. - 2014 -№1. - С. 20-21.
2. Шушков, Р. А. Особенности процесса досушки рулонов льна / Р. А. Шуш-ков, Н. Н. Кузнецов, Д. Ф. Оробинский // Молочнохозяйственный вестник. - 2012. - №3. - С. 84-92.
3. Чеботарев, В. П. Анализ конструкций сушилок для сушки рулонов льнотресты / В. П. Чеботарев, А. В. Новиков, И. В. Барановский, С. Б. Лавор // Механизация и электрификация сельского хозяйства: межвед. тематич. сб.: в 2 т. / РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства». -Минск, 2010. - Вып. 44. - Т. 1. - С. 173-180.
4. Сакун, В. А. Сушка и активное вентилирование зерна и зеленых кормов: учеб. пособие / В. А. Сакун. - М. : Колос, 1974. - 216 с.
5. А.с. 1204898 СССР, МПК4 F26B9/06. Сушилка для спрессованных в рулонах материалов. / Тарлецкий А. Г.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт льна. - №3706767/24-06; заявл. 02.03.84.; опубл. 15.01.86, бюл. № 2.
6. А.с. 1205824 СССР, МПК4 А0^25/12, 25/08. Установка для сушки биологического материала, смотанного в имеющие центральный канал рулоны / Диджгальвис Р. В., Матеконис Т. П., Новошинкас Г. С., Трапикас И. Э., Шпокас Л. И.; заявитель и патентообладатель Литовская ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия. - №3777581/30-15; заявл. 18.07.84; опубл. 23.01.86, бюл. № 3.
7. Пат. 2040882 Российская Федерация, МПК6 А0^25/08, F26B17/02. Способ сушки льняной тресты и устройство для его осуществления / Смирнов А. С.; заявитель и патентообладатель Смирнов А. С. - №45049528/15; заявл. 24.06.1992; опубл. 09.08.1995.
8. А.с. 1687653 СССР, МПК5 D01B1/48. Устройство для сушки мокрой тресты лубяных культур / Дьячков В. А.; заявитель и патентообладатель Костромской технологический институт. - № 4699304/12; заявл. 31.05.89; опубл. 30.10.91, бюл. № 40.
9. Вощанов, Н. А. Обоснование формы и конструктивных параметров распределителя теплоносителя для сушки сена в рулонах: дис. ... канд. техн.
наук: 05.20.01 / Вощанов Николай Алексеевич. - Челябинск, 1999. - 159 с.
10. А.с. 1606006 СССР, МПК5 A01F25/08, F26B9/06. Сушилка для рулонов сельскохозяйственных культур / Огнев Е. М., Зеленко В. И., Тарлецкий А. Г.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научно-исследовательский институт льна. - №4651759/30-15; заявл. 20.02.89; опубл. 15.11.90, бюл. № 42.
11. Шушков, Р. А. Энергосберегающая установка для досушки рулонов льна / Р. А. Шушков, Н. Н. Кузнецов, Д. Ф. Оробинский // Международный экологический форум: материалы в трех томах. - СПб. : СЗНИИМЭСХ, 2013.
- Т. 2. - С. 141-146.
12. Пат. 2524265 Российская Федерация, МПК8 A01F25/08. Устройство для сушки рулонов льна / Шушков Р. А., Оробинский Д. Ф., Кузнецов Н. Н., Попов В. Д., Зыков А. В., Власенков А. Н.; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакаде-мии). - №2012152685/13; заявл. 06.12.2012; опубл. 27.07.2014, бюл. № 21.
13. Пат. 153133 Российская Федерация, МПК A01F25/08 (2006.01). Устройство для сушки рулонов льна / Бирюков А. Л.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГМХА имени Н.В. Верещагина (RU). - №2015108544; заявл. 11.03.2015; опубл. 10.07.2015 Бюл. № 19.
14. Пат. 153131 Российская Федерация, МПК A01F25/08 (2006.01). Устройство для сушки рулонов льна / Бирюков А. Л., Шушков Р. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГМХА имени Н.В. Верещагина (RU). -№2015110224; заявл. 23.03.2015; опубл. 10.07.2015 Бюл. № 19.
15. Шушков, Р. А. Повышение эффективности послеуборочной обработки льнотресты в рулонах путем оптимизации параметров процесса сушки и режимов работы оборудования (на примере Вологодской области : дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Шушков Роман Анатольевич - Вологда ; Молочное, 2014. - 180 с.
16. Валге, А. М. Использование систем Excel и Mathcad при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (Методическое пособие) / А. М. Валге; ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.
- СПб., 2013. - 200 с.
Analysis and Optimization of Parameters of Drying Flax
Bales
Shushkov Roman Anatol'yevich, Can. of Science (Technics), Senior lecturer of the Technical Systems in Agribusiness Chair
e-mail: roma970@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereschagin Vologda State Dairy Farming Academy of Vologda
Mikhailov Andrei Sergeevich, Can. of Science (Technics), Associate Professor of the Technical Systems in Agribusiness Chair
e-mail: andrej-35@yandex.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereschagin Vologda State Dairy Farming Academy of Vologda
Biryukov Alexander Leonidovich, Can. of Science (Technics), Associate Professor, Head of the Energy Resource and Technical Service Chair
e-mail: biryukov_alex@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereschagin Vologda State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract: The article justifies the necessity of final drying flax bales while harvesting in adverse weather conditions. The main parameters that control the process of drying flax bales are determined. The article gives the analysis of technical equipment for drying flax bales. The authors propose the device that allows drying flax bales evenly along the height. The experimental research results are given in the article.
Keywords: flax, a bale, final drying.
