CC BY
12
УДК 631:362.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТАНОВКИ КОНТАКТНОГО ТИПА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА
В. И. Курдюмов, доктор техн. наук, профессор; А. А. Павлушин, канд. техн. наук, доцент; И. Н. Зозуля, инженер
ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия», т. (8) 8422 55 23 75; е-таН: andrejpavlu@yandex.ru
Рассмотрен процесс тепловой обработки зерна. Обоснована актуальность проводимых исследований, подробно описана методика. Выполнено теоретическое обоснование структурной схемы установки контактного типа для тепловой обработки зерна. Предложена новая установка со шнековым транспортирующим рабочим органом. Экспериментально обоснованы оптимальные значения основных режимных факторов, характеризующих процесс тепловой обработки зерна в предложенной установке.
Ключевые слова: установка, тепловая обработка, контактная сушка, затраты энергии, методика исследований, план эксперимента.
В настоящее время имеются высокопроизводительные автоматизированные средства механизации процесса сушки зерна. Однако с переходом на рыночную экономику появилась потребность в переработке зерна непосредственно в производящих хозяйствах. Применение зерно-сушильных установок большой пропускной способности нерентабельно в условиях небольших фермерских хозяйств, так как связано с большими капитальными вложениями. Кроме того, существующие установки энерго- и металлоемки, загрязняют зерно и окружающую среду токсичными продуктами горения топлива.
В связи с этим разработка технических средств сравнительно небольшой пропускной способности, интенсифицирующих процессы тепловой обработки зерна с учетом энерго-, ресурсосбережения, а также
экологических требований является актуальной и важной научно-технической задачей.
Всё вышесказанное позволило сформулировать цель проводимых исследований: разработать установку для тепловой обработки зерна и обосновать ее оптимальные конструктивные параметры и режимы работы, обеспечивающие снижение затрат энергии и требуемое качество готового продукта при заданной пропускной способности.
При анализе существующих средств механизации тепловой обработки выявлено, что тепловая энергия при сушке расходуется в следующих пропорциях: 10 % - на перемещение зерна и вентиляцию; 90 °% -на нагрев зерна и испарение из него влаги. Применение конвективного способа подвода теплоты в зерносушилках приводит к
Рис. 1. Структурная схема установки контактного типа для тепловой обработки зерна
Нива Поволжья № 2 (15) май 2010 57
большим безвозвратным потерям тепловой энергии в окружающую среду. Использование же контактного способа передачи теплоты с одновременным транспортированием исходного материала, при хорошей термоизоляции установок для тепловой обработки зерна, позволяет большую часть генерируемой теплоты передать на нагрев зерна и испарение из него влаги.
Для обеспечения заданных параметров процесса обработки, соблюдения эксплуатационных, технологических требований установку для тепловой обработки зерна необходимо выполнить с основными элементами, показанными на рис. 1. Основу конструкции контактной установки для тепловой обработки зерна должны составлять теплообменный аппарат с электрическими источниками теплоты и транспортирующий шнековый рабочий орган.
Нами предложена установка для тепловой обработки зерна (УТОЗ) (рис. 2), которую можно использовать как для сушки зерна, так и для его термического обеззараживания [1, 2].
Новизна технических решений предложенной конструкции установки контактного типа для тепловой обработки зерна подтверждена тремя патентами РФ на изобретение.
Установка работает следующим образом. Включают нагревательные элементы 12. После достижения необходимой температуры каждой из составных частей кожуха 1 подают зерно в загрузочный бункер 3, откуда оно поступает к шнеку 5 и перемещается им к выгрузному окну 4. Контактируя с нагретой поверхностью кожуха 1, зерно также нагревается, теряет излишки влаги, которые в виде пара отсасываются
через перфорацию шнека 5 и далее - через воздуховод 7 потоком воздуха, продуваемого вентилятором 6 через отверстия 11 в кожухе 1. Сухое зерно удаляется из установки через выгрузное окно 4. При использовании зерна другой культуры меняют температуру нагрева кожуха 1 с помощью индивидуальных нагревательных элементов 12, а также изменяют частоту вращения шнека 5.
УТОЗ универсальна, так как она может работать с зерном любых сельскохозяйственных культур. Кроме того, выполнение кожуха составным и снабжение каждой составной части индивидуальным нагревательным элементом позволяет осуществить быстрый прогрев зерна и поддерживать температуру в пределах, которые не снижают посевных или технологических качеств зерна.
Теоретическое исследование имело цель установить количественные и качественные связи между параметрами, изменяющимися в процессе тепловой обработки, и параметрами разрабатываемой установки, а также обосновать требования к установке контактного типа.
На основании теоретических исследований на практике можно получить оптимальные режимные параметры винтового транспортирующего устройства установки для тепловой обработки зерна, что позволит решить одну из основных проблем при проектировании сушилок контактного типа со шнековыми рабочими органами - определить оптимальное соотношение времени тепловой обработки зерна и пропускной способности устройства.
Для обоснования теплофизических параметров установки помимо температуры
Рис. 2. Установка для тепловой обработки зерна: 1 - кожух; 2 - материал теплоизолирующий; 3 - бункер загрузочный; 4 - окно выгрузное; 5 - шнек; 6 - вентилятор; 7 - воздуховод; 8 - электродвигатель; 9 - вариатор; 10 - передача ременная; 11 - отверстия; 12 - элементы нагревательные; 13 - кольца
поверхности теплообменника необходимо знать и характер распределения температуры по объёму зерновой массы, находящейся в контакте с нагретой поверхностью, т. к. эта величина ограничивается технологическими условиями.
Интенсивность подвода теплоты к материалу существенно зависит и от поверхности теплообмена Р. Чем меньший объём материала приходится на единицу его поверхности, тем благоприятнее его форма для более интенсивного теплообмена. При снижении размеров частиц материала площадь теплообмена, естественно, возрастает. Однако при сушке материала в неподвижном слое не вся поверхность его частиц участвует в процессе теплообмена. Увеличение активной площади теплообмена до величины, близкой к общей поверхности материала, достигается сушкой во взвешенном состоянии или в кипящем (псевдоожиженном) слое, а также при сушке зерна единичном слоем, особенно при вращении частиц материала.
Следовательно, повышения скорости передачи теплоты от кожуха сушильной установки к материалу можно добиться использованием установки для тепловой обработки зерна контактного типа, в которой зерно движется слоем, толщина которого не превышает размеры единичного зерна, а греющая поверхность представляет собой бесконечную плоскость (цилиндр).
Проведённые теоретические исследования позволили установить, что пропускная способность установки для тепловой обработки зерна зависит от многих конструктивно-режимных параметров, к которым относятся шаг винта 5, частота вращения шнека п, радиусы внутренней поверхности кожуха и вала гв, насыпная плотность зерна у0 и др.
Основные затраты энергии на процесс тепловой обработки зерна в предложенной установке идут на нагрев зерна и удаление влаги с его поверхности. При этом важно минимизировать потери энергии в окружающую среду и на нагрев конструктивных элементов установки.
Для оптимизации конструктивно-режимных и теплофизических параметров установки для тепловой обработки зерна и, главное, для подтверждения теоретических предпосылок и выводов, в исследованиях принята следующая программа экспериментальных исследований:
- определение физико-механических свойств зерна;
- разработка и изготовление экспериментальной установки для тепловой обра-
ботки зерна; выявление эффективности ее работы;
- экспериментальное исследование влияния теплофизических параметров установки на скорость сушки зерна;
- определение пропускной способности устройства для тепловой обработки зерна и сравнение ее с расчетной пропускной способностью;
- обоснование конструктивно-режимных параметров установки для тепловой обработки зерна с учетом выявленных теоретических закономерностей и полученных результатов исследований (угла подъема винтовой линии шнека, диаметра и длины кожуха, шага винта, частоты вращения шнека);
- исследование влияния выбранных конструктивно-режимных параметров на затраты энергии и качество продукта тепловой обработки;
- проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных результатов исследований.
При экспериментальных исследованиях были определены оптимальные конструктивно-режимные и теплофизические параметры устройства для тепловой обработки зерна, предназначенного для применения в условиях небольших зерноперерабатываю-щих и фермерских хозяйств, которое позволит повысить эффективность тепловой обработки зерна с высоким качеством получаемого продукта и минимальными затратами энергии на процесс при поддержании заданной пропускной способности.
Для реализации плана эксперимента разработана и создана лабораторная установка для тепловой обработки зерна со шнековым транспортирующим рабочим органом (рис. 3).
Предложенная установка контактного типа для тепловой обработки зерна исследовалась в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками. Данные опытов, полученные с использованием методики планирования экспериментов, статистически обрабатывались с помощью программ «Excel», «Statistika-6» и «Derive-5». Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведением сравнительных исследований установки в лабораторных и производственных условиях.
В результате реализации плана эксперимента были получены адекватные математические модели, с достаточной степе-
Нива Поволжья № 2 (15) май 2010 59
нью точности показывающие влияние каждого из независимых факторов и их сочетаний на параметр оптимизации процессов тепловой обработки зерна пшеницы и ржи. В качестве такого параметра приняты удельные затраты теплоты на испарение из зерна влаги.
Анализ математических моделей процесса сушки зерна пшеницы позволил выявить оптимальные значения независимых факторов, при которых затраты теплоты на испарение из зерна влаги составляют 3102,8 кДж/кг: средняя температура греющей поверхности 58 °С, скорость движения воздуха в установке 5,44 м/с, скорость движения зерна - 0,033 м/с при пропускной способности установки 250 кг/ч. Для зерна ржи vз опт = 0,033 м/с, а средняя температура греющей поверхности ^ опт = 61 °С при допт = 3164 кДж/кг и пропускной способности установки 250 кг/ч.
Также получен оптимальный режим термического обеззараживания зерна пшеницы: средняя температура греющей поверхности ^ опт = 100 °С, скорость движения зерна уз опт = 0,02 м/с. Удельный расход энергии при этом составляет 4,32 кВтч/т. При термическом обеззараживании зерна ячменя оптимальные сочетания режимных параметров следующие: ^ опт = 95 °С, vз опт = = 0,02 м/с; удельный расход энергии при этом составляет 4,28 кВтч/т. Время термического обеззараживания составило 2,1 минуты.
Производственные исследования установки для тепловой обработки зерна показали высокую эффективность предлагаемой установки в процессах сушки и термического обеззараживания зерна. Так, при
Рис. 3. Лабораторная установка для тепловой обработки зерна: 1 - теплообменник; 2 - вентилятор;
3 - выгрузное окно; 4 - заслонки; 5 - электродвигатель; 6 - редуктор;
7 - загрузочный бункер;
8 - автотрансформаторы; 9 - пускозащитная аппаратура;
10 - комплект измерительных приборов;
11 - воздуховод
сушке зерна пшеницы средняя температура греющей поверхности составляла 40... 75 °С, съём влаги за один проход находился в пределах 2.6 %, температура зерна на выходе из установки составляла 30.40 °С. При этом затраты теплоты на 1 кг испаренной влаги изменялись от 2,7 до 3,4 МДж. Удельные расходы энергии на термическое обеззараживание зерна составили 4,35 кВтч/т.
Таким образом, проведенные экспериментально-теоретические исследования позволили выявить основные действующие параметры и режимные факторы предлагаемой установки в процессе тепловой обработки зерна.
В результате лабораторных и производственных исследований получены и обоснованы оптимальные значения основных режимных факторов.
Выявлено, что расхождение результатов теоретических, лабораторных и производственных исследований не превышает 5 %.
Литература
1. Пат. на полезную модель № 59226 Российская Федерация, Р26В 17/20. Устройство для сушки зерна / В. И. Курдюмов, Г. В. Карпенко, А. А. Павлушин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2006113176/22; заявл. 19.04.2006; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34.
2. Пат. № 2323580 Российская Федерация, Р26В 17/20. Устройство для сушки зерна / В. И. Курдюмов, Г. В. Карпенко, А. А. Павлушин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2006109961/13; заявл. 28.03.2006; опубл. 10.05.2008, Бюл. № 13.
