CC BY
64
-- 1_______
Инженерия /&/
автономная зерносушилка на альтернативных источниках энергии
A. А. БАКЛИН,
кандидат технических наук, доцент,
B. М. ГОЛОЩАПОВ,
кандидат технических наук, доцент,
А. Б. ТЕРЕНТЬЕВ,
кандидат технических наук, доцент,
C. А. ХАРЛАШКИН,
аспирант, Пензенская государственная технологическая академия
440605, г. Пенза, пр. Байдукова, 1 а, ул. Гагарина, 11 а; тел. 8(8412)49-61-37
Ключевые слова: зерносушилка, альтернативныеисточники энергии. Keywords: grain dryer, alternative energy.
Данная статья является первой в цикле «Альтернативная энергетика в сельском хозяйстве».
Ресурсосбережение, энергоэффективность и экологичность приняты прио -ритетными направлениями модернизации и развития современной России. Наряду с реализацией проектов разумного и эко -номного расходования традиционных видов энергии, во многих регионах нашей страны ведутся интенсивные исследования по использованию широкого спектра возобновляемой, или альтернативной, энергетики. Применение возобнов -ляемых экологически чистых источни-ков энергии основано на использовании и преобразовании энергии ветра, воды, солнца, тепла Земли и магнитных сил в энергию, пригодную для потребительских нужд. Правительством РФ принято реше -ние к 2020 г. довести использование возобновляемой энергии до 4,5 % от общего объема потребляемой энергии.
Однако на данный момент широкое внедрение альтернативной энергетики сдерживается по ряду причин.
Энергия ветра. Во-первых, исследо-вателями установлено [1], что в качестве единственного источника энергии ветроэнергетические установки могут успешно конкурировать с традиционными источни -ками электроснабжения только в местах со среднегодовыми скоростями ветра выше 5-6 м/с. Согласно ветровому кадастру России, лишь 40 % ее территории может использоваться для выработки промышленной электроэнергии. Вторая причина связана с особенностями пре -образования энергии ветра в электри-ческую: непостоянством ветра и силь-ной зависимостью мощности от скорости ветра. В-третьих, нужны достаточно высокие первоначальные затраты, особенно если речь идет о промышленных и больших объемах энергии.
Энергия Солнца. На большей части России эта энергия вполне может быть использована, но и здесь есть свои трудности. Во-первых, из-за сложного учета суточного изменения солнечной радиации. Во-вторых, использование солнеч -ных батарей для большинства потенци -альных пользователей является непо-сильной задачей из-за дороговизны, например, батарея в 200 Вт стоит около 135 000 руб. Хотя долговечность солнеч -ных батарей и составляет более 30 лет, первоначальная цена держит покупателя
на расстояние. В-третьих, менее дорогие солнечные коллекторы, предназначенные для получения горячей воды, не находят широкого применения из-за предубежде -ния (часто ложного), что такие устройства не могут эффективно использоваться в погодных условиях России.
Энергия Земли. Такой тип энергии используется в основном через тепловые насосы, конструкции которых сейчас вполне надежны при эксплуатации круглый год. Срок службы их доходит до 25 лет. Они обладают высокой энергоэф-фективностью: так, на 1 кВт затрачивае -мой энергии можно получить 3 кВт полезной энергии. Несмотря на срок окупаемо -сти в 4...5 лет, внедрение сдерживается все-таки значительными первоначальными затратами.
Все перечисленные сложности относятся в основном к объемам энергии, сопоставимым с промышленным производством энергии. В то же время для АПК, малого и среднего бизнеса сельскохозяйственного направления в циклах выращивания, переработки, сушки, хранения и производства продуктов питания, а также технического сырья для промышленности вполне реально применение автономных замкнутых систем возобновляемой энергии, не требующих больших мощностей [2].
Ниже приводится пример комплексного использования энергий ветра, Солнца и Земли для оригинальной, не имеющей аналогов конструкции зерносушилки.
Проблема сохранения заложенных на хранение зерновых культур является весьма актуальной, т. к. они обладают повышенной влажностью, что может привести к процессу гниения с выделением энергии (зерно «горит»). Выпускаемые промышленностью зерносушилки требуют затрат традиционной энергии [3, 4] и, конечно, не могут сами вырабатывать
какую-либо энергию.
Исходя из этого была сформулиро -вана задача разработать установку для сушки зерна (зерносушилку), которая обладала бы независимостью от традиционных источников энергии, отвечала тре -бованиям экологии и одновременно являлась бы источником электрической энергии и горячего водоснабжения.
Решение поставленной задачи было реализовано в автономной зерносушилкой на альтернативных источниках энергии [5], структура которой приведена на рис. 1.
Конструктивно сушилка состоит (рис. 2) из кругового солнечного коллектора 1, башни-конфузора 2, направляющей решетки 3, трансформируемой решетки
4, вертикального солнечного коллектора
5, магнитоэлектрического генератора 6, турбины 7, внешней ветроэнергетической
Рисунок 1
Автономная зерносушилка на альтернативных источниках энергии:
1 — кругового солнечный коллектор, 2 — башня-конфузор, 3 — направляющая решетка, 4 — трансформируемая решетка, 5 — круговой солнечно-вихревого коллектора, 6 — магнитоэлектрический генератор, 7 — турбина, 8 — внешняя ветроэнергетическая установка, 9 -люк, 10 — лоток, 11 — приемный бункер, 12 — загрузочный бункер, 13 — вентили регулировки горячего водоснабжения, 14 — трубопроводы вертикального солнечного коллектора, 15 — крышки-отражатели кругового солнечного коллектора
Инженерия
установки (ВЭУ) 8, люка 9, лотка 10.
Структура автономной зерносушилки на альтернативных источниках энергии-приемного бункера 11, загрузочного бункера 12, аккумуляторных батарей (не показаны), теплового насоса 17 (рис. 3). Башня-конфузор 2 представляет собой сварную металлическую конструкцию в виде усеченного конуса, обшитую листами оцинкованного железа. Преобразование солнечной энергии состоит из двух частей: первая — это круговой солнечный коллектор 1, расположенный в нижней части башни в специальных держателях, вторая — вертикальный солнечный коллектор — представляет собой металлические трубы 14, обвитые по наружной поверхности башни.
Круговой солнечный коллектор 1 выполнен в виде комплекса из сопрягаемых конфузоров переменного сечения: на входе прямоугольного, а в месте перехода в башню — треугольного, что обеспечивает неразрывность потока воздуха. Трубы солнечного коллектора 14 для теплоизоляции закрыты поликар-бонатным кожухом 5 по всей поверхно -сти башни. Внешняя ВЭУ 8 роторного типа имеет лопасти аэродинамического профиля.
Предлагаемая конструкция обеспечивает сушку зерна культурных растений в восходящем теплом воздушном потоке, который генерируется в конфузорной части башни 2, во-первых, за счет естественной тяги, создаваемой перепадом температур на входе и выходе, а также турбинной 7, создающей искусственную тягу; во-вторых, за счет разгона воздушного потока круговыми солнечными коллекторами 1; в-третьих, за счет подогрева воздуха трубопроводами 14, аккумулирующих солнечную энергию, а также подогрева нижних листов коллектора 1 с помощью теплового насоса (рис. 3).
В режиме сушки установка рабо-тает следующим образом (рис. 2): влажное зерно через загрузочный бункер 12 подается в конфузорную часть башни 2, где размещается на трансформируемой решетке 4, которая имеет отверстия определенного размера для прохождения воздушного потока. В процессе сушки зерна решетка 3 находится в вертикальном положении для обеспечения свободного прохода восходящего воздушного потока.
Таблица 1
Скорости воздушного потока на выходе из башни-конфузора
Температура, Т0, оС -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Скорость на выходе из башни V., м/с б’ 10,8 10,2 9,5 8,8 8,1 7,5 6,2 5,8 5,1
По окончанию сушки решетка 4 складывается и зерна ссыпаются на направляющую решетку 3, которая к концу сушки принимает наклонное положение под углом 45°С. Зерно перемешивается в псевдоожиженном состоянии по решетке 3 к люку 9 и через лоток 10 выгружается в приемный бункер 11.
Созданию псевдосжиженного слоя зерна и интенсификации процесса его выгрузки способствует восходящий поток воздуха. Скорость восходящего потока воздуха в башне конфузоре Vб ориентировочно можно определить по следующей зависимости [6]:
Ув = с
2 дН
Т,~ТП
Ті
Рисунок 3 Схема теплового насоса:
1 — круговой солнечный коллектор; 17 — тепловой насос; 16 — схема теплообмена; 18 — теплообменники; 19 — трубопроводы низкого тепла; 20 — пульт управления; 21 — аккумуляторы; 22 — трубопроводы с теплоносителем подогрева, 23 — корпус технического помещения
где с — коэффициент учитывающий трение (0,65-0,7);
д — ускорение свободного падения (9,81 м2/с);
Н — высота башни — конфузора, м;
Т — средняя температура в основание башни-конфузора, К;
То — средняя абсолютная теперату-ра снаружи у выхода из башни-конфузора, К.
При расчетах учитывался коэффициент п сужения башни-конфузора О
71 “ Л
где О — диаметр основания башни-конфузора, м;
d — диаметр на выходе, м.
В качестве примера рассчитаны скорости воздушного потока на выходе из башни-конфузора, при следующих исходных данных: Н = 10 м, температура То принята в диапазоне от 240 до 323 К; температура Т = 333 К.
В табл. 1 приведены результаты расчетов скорости воздушного потока на выходе из башни-конфузора в зависимости от наружной температуры в верхней части башни при п = 3,0. Для удобства чтения градусы Кельвина переведены в градусы Цельсия.
Дальнейшая задача заключается в определении действительной скорости воздуха Vвд, и сравнении ее с расчетной скоростью Vб.
Скорость воздушного потока для организации псевдоожижения зерновых культур определяют по зависимости:
где Vp — рабочая скорость ^р = КVVкр), м/с;
^ — число псевдоожижения, в рассмотренном случае равно 1,6;
Vкр — критическая скорость воздушного потока, м/с;
£ — коэффициент порозности, определяемый по таблицам Ly = ^Аг);
Ly — критерий Лященко;
Аг — критерий Архимеда.
Например, для размеров зерна пшеницы: толщина 3 мм; высота 3 мм; длина 7 мм, а также его насыпная плотность рн = 700 кг/м2, плотность самого зерна рз = 1300 кг/м2, и при начальной
температуре То = 333 К получено действительное значение скорости воздуха, равное Vвд = 4,94 м/с (“5,0 м/с).
Сравнивая расчетную скорости Vвд и скорость Vб на выходе из башни-конфузора, получаем для рассмотренного примера, что Vвд = 5 м/с меньше для всех расчетных значений Vб. (табл. 1).
Таким образом, можно сделать вывод, что конструкция сушилки по скоростям воздушного потока внутри башни-конфузора вполне обеспечивает работоспособность принятого технического решения по способу организации сушки зерна культурных растений на основе «альтернативной энергии» и позволяет выполнить главные цели — автономность, экологичность, качество сушки, снижение цены на зерно для потребителей.
Важной особенностью разработанной конструкции является возможность, кроме сушки зерна, вырабатывать электроэнергию за счет использования энергии восходящего потока воздуха внутри башни-конфузора и энергии ветра. Для этих целей в верхней части установки размещена турбина 7 (рис. 2), получающая вращение от восходящего потока воздуха, а также ВЭУ 8 роторного типа с вертикальной осью вращения, которая преобразует энергию ветра в электрическую. Турбина и ВЭУ размещены соосно, между ними находится генератор электрического тока
6, который имеет два ротора — внешний и внутренний, встречного вращения, что повышает КПД и возможность работать при низких скоростях ветра от 2,5 м/с. Турбина 7 при работе создает дополнительную тягу в башне-конфузоре.
При отсутствии ветра генератор электрического тока переходит в режим электродвигателя, получая энергию от аккумуляторов 21, тем самым продолжается вытяжка воздуха из башни-конфузора. Ветролопасти ВЭУ в это время не вращаются за счет срабатывания обгонной муфты. Конструкция ВЭУ имеет вертикальные лопасти аэродинамического профиля и три яруса горизонтальных лопастей аэродинамического профиля, создающих дополнительный крутящий момент и подъемную силу, которая снижает нагрузку на подшипниках генератора электрического тока, увеличивая их долговечность, обеспечивая коэффициента полезного действия (КПД) использования энергии ветра до
0,42-0,46. ВЭУ имеет аэродинамические тормозные устройства для защиты от ветра, имеющего скорость более 25 м/с.
В установке также предусмотрена возможность получения горячей воды для потребительских нужд, которая обеспечивается солнечным коллектором 5 и работой теплового насоса 16 (рис. 3) в период, когда процесс сушки зерна отсутствует.
Рассмотренное использование альтернативной энергетики для объектов сельскохозяйственного назначения не ограничивается приведенным приме-ром. В следующих статьях этого цикла мы надеемся познакомить читателей
Инженерия
еще с рядом оригинальных разработок в направлении использования альтернативной энергетики при выращивании, переработке и производстве продуктов питания на базе агропромышленного комплекса.
Выводы.
1. Принцип комплексного использования энергии Солнца, ветра, Земли, обеспечивая круглогодичное использование установки без затрат традиционных источников энергии, явно снижает
затраты на сушку зерна и обеспечивает возможность одновременно получить электрическую энергию и горячую воду для потребительских целей.
2. Модельный ряд рассматриваемой конструкции позволяет получить установки для сушки зерна, в необходимых объемах исходного материала и требуемой мощности, а также вариантов комплектации для сушки других видов сельскохозяйственных материалов.
3. Конструктивные элементы
зерносушилки не требуют специального технологического оборудования, и могут изготавливаться на любом машинострои -тельном предприятии.
4. Стоимость установки для параме -тров, рассмотренных в примере, при мел -косерийном производстве составляет от 300 тыс. руб.
5. Срок окупаемости установки 4-5 лет, при расчетном сроке службы 20 лет, при ежегодном техническом обслужи -вании и соответствующем ремонте срок службы может быть продлен до 30 лет и более.
литература
1. Толмачев В. Н., Орлов А. В., Булат В. А. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения / под общ. ред. докт. техн. наук А. В. Орлова. СПб., 2002. 203 с.
2. Агафонов А. Н., Сайданов В. О., Гудзь В. Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2005.
3. Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А. Процессы и аппараты пищевых производств. М. : КолосС, 2006. 760 с.
4. Машины и аппараты пищевых производств / С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков, В. А. Панфилов, О. А. Ураков. М. : Высшая школа, 2001. Т. 1-2. 1384 с.
5. Терентьев А. Б., Голощапов В. М., Баклин А. А. [и др.]. Автономная энергоэффективная установка для сушки зерна сыпучих материалов. Заявка на изобретение № 2010122992 (932712) от 04.06.2010.
6. Павлов К. Ф., Романов П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». Л. :
Химия, 1981. 560 с. --------- — — — — — — ------------
ИЗМЕНЕНИЕ ВяЗКОСТИ ЭКСТРУДАТА РАПСА В ПРОЦЕССЕ ОТжИМА МАСлА
Е. В. СЛАВНОВ,
доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией,
И. А. ПЕТРОВ,
аспирант, Институт механики сплошных сред УрО РАН
614013, г. Пермь, ул. Акад. Королёва, д. 1
Ключевые слова: экструдат рапса, вязкость, содержание масла, скорость сдвига, температура, отжим масла. Keywords: rape extrudate, viscosity, oil fraction, shear rate, temperature, oil extraction.
Ограниченность мировых запасов технических решений, определение наи-
мировых запасов органического топлива вызывает интерес к поиску других источников. Одним из заменителей может служить биотопливо, обладающее возможностью еже -годного воспроизводства за счет практически неиссякаемым поступлением на поверхность Земли солнечной энергии. За последние 10 лет произошел резкий подъем производства биоэтанола и био -дизеля [1]. Рост производства биодизеля в этот период был достигнут преимущественно за счет использования маслич-ных культур [2], в том числе рапса. Кроме того, рапсовое масло широко используется в пищевой промышленности. Наиболее современным способом получения масел является процесс отжима его на шнек-прессе.
В процессе шнек-прессовой экструзии происходит разрыв клеточной структуры семядоли, в результате чего жидкая фаза высвобождается из сферо-сомы в матрицу. Экструдат предлагается рассматривать как двухкомпонентную среду, представляющую смесь жидкости (масла), и деформируемую пори -стую основу, состоящую в основном из клетчатки. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, в результате чего изменяются реологические и фильтрую -щие свойства смеси.
Создание конкурентноспособного оборудования, нахождение удачных
лучших технологических режимов связаны с моделированием процесса, вклю -чая адекватное описание изменения свойств перерабатываемого материала в процессе отжима.
Цель и методика исследования.
Целью представленной работы является определение зависимости вязких свойств рапса, подвергнутого предварительно экструзии, от скорости сдвига и температуры при различных массовых долях компонентов.
В качестве исходных образцов в эксперименте был использован экструдат семян рапса, полученный на лабораторном экструдере с диаметром шнека 32 мм, при частоте вращения 2 • П сек '1 (60 об./мин.), без внешнего нагрева.
Измерение вязких свойств образцов проводилось на установке, разработанной в Институте механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь) [3]. В измерительном узле установки использована схема ротационной вискозиметрии. Рабочая камера имеет боковые стенки и два диска. Диски имеют рифления для уменьшения эффекта скольжения исследуемого материала по их поверхностям. Установка позволяет задавать и контро -лировать в рабочей камере необходимое давление, температуру, скорость нижнего диска и измерять момент нагрузки на верхнем диске.
Для получения образцов с заданной
массовой долей компонентов, характеризующей остаточное количество масла, определялась начальная массовая доля масла (в нашем случае 0,446). Образец взвешивался, помещался в плунжерный пресс и отжимался. После отжима образец снова взвешивался и рассчитывалась массовая доля оставшегося в образце масла.
Образец с остаточным количеством масла помещался в рабочую камеру установки. Задавалось гидростатическое под-жатие образца в рабочей камере в пре -делах 0,05-0,1 МПа и скорость верхнего диска. В конце поджатия по прибору реги -стрировалась величина зазора между дисками. В режиме заданных оборотов нижнего диска регистрировались текущие параметры эксперимента: время, угловая скорость верхнего диска, силовой момент на нижнем диске, температура камеры. Затем устанавливали более высокие обороты нижнего диска, и процесс повторялся. Параметры эксперимента с дискретностью 0,8 секунды записывались в память компьютера и в дальнейшем обрабатывались.
Обработка заключалась в том, что по двадцати точкам каждого параметра в установившемся режиме определяется среднее значение и диспер-сия. Полученные значения служат исхо -дными данными для определения скорости сдвига и касательных напряже-ний на внешней окружности дисков [4].
