CC BY
21
05.20.03 УДК 697.921.47
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
© 2020
Евгений Борисович Миронов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис» ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», г. Княгинино (Россия)
Анастасия Николаевна Шишарина, аспирант
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», г. Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение: рассмотрено значение качественной сушки перед нанесением антикоррозионных составов в процессе консервации и постановки на хранение сельскохозяйственной техники, а такжепредставлены отдельные устройства для очистки и подогрева воздуха, используемые в различных отраслях промышленности. Предложены технические пути усовершенствования существующих установок для сушки сельскохозяйственной техники. Материалы и методы: представлена экспериментальное устройство, отличительной особенностью которого является рекуперация теплоты посредством входящей в конструкцию приточно-вытяжной установки, а также использование подогретого воздуха для сушки как сельскохозяйственной, так и автотранспортной техники. Результаты: теоретические исследования показывают, что энергоэффективность процесса сушки можно значительно повысить за счет использования специальной сменной насадки, обеспечивающей концентрацию воздушного потока в локальной зоне, а также контроль её приближения к поверхности объекта сушки. Обсуждение: выявлена необходимость в обосновании процесса испарения влаги с поверхности машин, при котором не должны изменяться физико-химические свойства насадки экспериментальной установки для ускоренной сушки сельскохозяйственной техники. Анализ теоретических зависимостей показал, что скорость сушки прямо пропорционально зависит от скорости воздушного потока и его температуры. Заключение: предлагаемое устройство по сравнению с другими техническими средствами обладает рядом существенных преимуществ, однако в настоящее время не определены зависимости режимов сушки в зависимости от степени приближения насадки до объекта, что будет являться дальнейшим продолжением данной работы. Ключевые слова: воздушный поток, испарение влаги, насадка, скорость сушки, сушка техники, теплообмен, техника сельскохозяйственная, устройство для сушки, хранение техники.
Для цитирования: Миронов Е. Б., Шишарина А. Н. Экспериментальная установка для сушки сельскохозяйственной техники // Вестник НГИЭИ. 2020. № 3 (106). С. 62-70.
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR DRYING AGRICULTURAL EQUIPMENT
© 2020
Evgeny Borisovich Mironov, Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Technical services» Nizhny Novgorod State Engineering-Economic University, Knyaginino (Russia) Anastasiya Nikolaevna Shisharina, post-graduate student
Nizhny Novgorod State Engineering-Economic University, Knyaginino (Russia)
Abstract
Introduction: the importance of high-quality drying before applying anti-corrosion compounds in the process of conservation and storage of agricultural equipment is considered, as well as individual devices for cleaning and heating air used in various industries are presented. Technical ways of improving existing installations for drying agricultural machinery are proposed.
Materials and methods: the experimental plant is presented. Its distinctive feature is the recovery of heat by means of the supply and exhaust unit included in the design, as well as the use of heated air for drying both agricultural and motor vehicles.
Results: theoretical studies show that the energy efficiency of the drying process can be significantly improved through the use of a special replaceable nozzle, which ensures the concentration of air flow in the local zone, as well as control of its proximity to the surface of the drying object.
Discussions: the need to justify the process of evaporation of moisture from the surface of machines, in which the physicochemical properties of the nozzle of the experimental setup for accelerated drying of agricultural machinery is
identified, is revealed. The analysis of theoretical dependences showed that the drying speed is directly proportional to the speed of the air flow and its temperature.
Conclusions: the proposed installation in comparison with other technical means has a number of significant advantages, however, at present, the dependences of the drying regimes are not determined depending on the degree of approach of the nozzle to the object, which will be a fUrther continuation of this work.
Keywords: air flow; heat exchange; moisture evaporation; nozzle; drying speed; equipment storage; drying equipment; agricultural machinery; device for drying.
For citation: Mironov E. B., Shisharina A. N. Experimental installation for drying agricultural equipment // Bulletin NGIEI. 2020. № 3 (106). P. 62-70.
Введение
Сушка сельскохозяйственной техники является необходимой технологической операцией при постановке сельскохозяйственной техники на хранение либо перед нанесением консервационных и антикоррозионных составов. Наличие влаги как на поверхности машины, так и в труднодоступных соединениях снижает адгезию защитных покрытий к поверхности металла, что приводит к ускоренному развитию коррозионных процессов. Проблема усугубляется особенно в осенний период в связи с нехваткой теплых и ясных дней, а также пониженными температурами окружающей среды [1, с. 34]. Для сушки и обдува техники используют тепловые пушки [2; 3] или компрессор [4, с. 20]. Применение данных технических средств имеет ряд недостатков, так при использовании тепловых пушек нельзя локализовать воздушный поток в узкой зоне [5, с. 21], например, в скрытых полостях или щелях, что, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения длительности процесса, так как влага с этих поверхностей испаряется значительно труднее, чем с открытых.
При обдувке компрессором без подогрева воздуха наблюдается сбегание воды, дробление капель жидкости и её оседание на сопряженные поверхности [6], что характеризует низкую эффективность и высокую трудоемкость процесса.
Недостатком такого метода является еще и то, что щелевые насадки для компрессора с соплом плоского сечения укреплены жестко [7], что не обеспечивает необходимое направление воздушного потока, поэтому только небольшая часть сжатого воздуха попадает на высушиваемую поверхность, затягивая время сушки.
В настоящее время существует много устройств, где применяется принудительная циркуляция воздушных масс, поглощающая водяные пары с поверхности высушиваемой машины. Например, «Устройство для подготовки воздуха с использованием теплового насоса» (рисунок 1) [8] или «Устройство непрерывного действия для подготовки воздуха в системах воздухообмена» (рисунок 2) [9]. Данные устройства используются для очистки и нагрева потока газов, как вариант, в машинах для сушки в пищевой илихимической отраслях промышленности [10] или в вентсистемах сооружений [11, с. 157]. Утилизирующая теплота вместе с испаряющейся влагой смешивается с окружающей средой и удаляется из цеха или сушильной камеры через систему приточно-вытяжной вентиляции, при этом повышается коэффициент полезного действия очистки воздуха. Слабостью указанных конструкций является незначительная продуктивность и надежность (для лакокрасочных материалов) высушивания [12].
Материалы и методы
Воздух для сушки внашем устройстве (рисунок 3) (патент РФ на изобретение № 2710111 от 24.12.2019) для снижения энергозатрат предлагается заранее подогревать приточно-вытяжной установкой 1 помещения, а затем подогревать дополнительно воздушным нагревателем 15. Далее подогретый воздух направляется к предмету сушки через шланг гибкой формы 20 и ручку 21, которые оснащены двумя датчиками - приближения 27 и звуковым 29 (рисунок 4). Сушка происходит благодаря теплоте, аккумулируемой материалом при его соприкосновении с нагретой поверхностью, за счет теплоты, передаваемой материалу воздушным потоком.
17_ \J9_\J7_ Рис. 1. Устройство для подготовки воздуха с использованием теплового насоса (патент РФ на изобретение № 2514556): 1 - корпус устройства; 2 - цепной конвейер; 3 - маслозаборное устройство; 4 - ванна с маслом; 5 - верхняя звездочка; 6 - направляющая; 7 - поперечные перегородки; 8 -запорное устройство; 9 - трубопровод; 10 - основной фильтр для масла; 11 - контрольный фильтр для масла; 12 и 15 -запорные устройства для отключения системы очистки масла при ее ремонте; 13 - трубопровод; 14 - тепловой насос; 16 - насос; 17 - воздуховод; 18 - вспомогательный калорифер; 19 - основной калорифер Fig. 1. A device for preparing air using a heat pump
(RF patent for the invention № 2514556): 1 - device body; 2 - chain conveyor; 3 - oil intake device; 4 - a bath with oil; 5 - upper sprocket; 6 - guide; 7 - transverse partitions; 8 - locking device; 9 - pipeline; 10 - main oil filter; 11 - control filter for oil; 12 and 15 - locking devices to turn off the oil purification system during its repair; 13 - pipeline; 14 - heat pump; 16 - pump; 17 - duct; 18 - auxiliary heater; 19 - the main air heater
Рис. 2. Устройство непрерывного действия для подготовки воздуха в системах воздухообмена (патент РФ на изобретение № 2367870): 1 - корпус с подводящим воздуховодом отработанного воздуха и отводящим воздуховодом (очищенного воздуха); 2 - цепной конвейер; 3 - сетки; 4 - ванна с маслом; 5 - патрубок; 6 - запорное устройство; 7 - коллектор; 8 - фильтр для масла; 9 - трубопровод; 10 - входной патрубок насоса для масла; 11 - фильтр контрольной очистки; 12 - масло; 13 - воздуховод; 14 - основной калорифер для подогрева воздуха; 15 - запорное устройство Fig. 2. A continuous device for preparing air in air exchange systems (RF patent for the invention № 2367870): 1 - a housing with a supply exhaust air duct and a discharge duct (purified air); 2 - chain conveyor; 3 - grids; 4 - a bath with oil; 5 - pipe; 6 - locking device; 7 - collector; 8 - oil filter; 9 - pipeline; 10 - inlet pipe of the pump for oil; 11 - control filter; 12 - oil; 13 - duct; 14 - the main air heater for heating air; 15 - locking device
8 12 6 J 10 5 11 7 1*
Рис. 3. Устройство для сушки техники (патент РФ на изобретение № 2710111): 1 - приточно-вытяжная установка; 2 - корпус; 3 - первый вентилятор; 4 - второй вентилятор; 5 - рекуператор; 6 - первый фильтрующий элемент; 7 - второй фильтрующий элемент; 8 - первый датчик температуры; 9 - второй датчик температуры; 10 - первый датчик потока; 11 - второй датчик потока; 12 - поддон; 13 - трубка для отвода конденсата; 14 - тройник; 15 - первый нагревательный элемент; 16 - второй нагревательный элемент; 17 - первый автоматический воздушный клапан; 18 - второй автоматический воздушный клапан; 19 - конусообразный переходник; 20 - гибкий шланг; 21 - ручка; 22 - блок управления
Fig. 3. A device for drying equipment (RF patent for the invention No. 2710111): 1 - supply and exhaust unit; 2 - case; 3 - the first fan; 4 - second fan; 5 - recuperator; 6 - the first filter element; 7 - the second filter element; 8 - the first temperature sensor; 9 - a second temperature sensor; 10 - the first flow sensor; 11 - a second flow sensor; 12 - pallet; 13 - condensate drain pipe; 14 - tee; 15 - the first heating element; 16 - second heating element; 17 - the first automatic air valve; 18 - second automatic air valve; 19 - conical adapter; 20 - a flexible hose; 21 - pen; 22 - control unit
30
29 \ 27 28 23
Рис. 4. Ручка устройства для сушки техники (патент РФ на изобретение № 2710111): 23 - корпус ручки; 24 - сменная насадка; 25 - отвод; 26 - тумблеры; 27 - ультразвуковой датчик приближения; 28 - третий датчик температуры; 29 - звуковой сигнализатор; 30 - электронно-цифровой блок Fig. 4. The handle of the device for drying equipment (RF patent for the invention № 2710111): 23 - handlebody; 24 - interchangeable nozzle; 25 - challenge; 26 - toggle switches; 27 - ultrasonic proximity sensor; 28 - the third temperature sensor; 29 - a sound signaling device; 30 - electronic digital block
Результаты
В конструкции изобретения устройства для сушки техникиручкаконусной формы универсальная, так как имеет сменные насадки 24 для высушивания разнообразных поверхностей, дополнительно оснащена датчиками контролирующими нагрев и
расстояние до поверхности машины. Основное назначение данного устройства является катализа-ция сушки после мойки, уменьшение возможности дефекта защитных лакокрасочных материалов на поверхности машины при сушке.
Таким образом, внутрь ручки подведен электрический кабель 25, с помощью переключателей 26 включается/выключается второй нагревательный элемент 16 и открывается/закрывается второй автоматический воздушный клапан 18, а также третий датчик температуры 28. Сверху корпуса ручки в введенном электронно-цифровом устройстве 30 располагается звуковой датчик.
Для предлагаемой выше насадки, с помощью которой будет осуществляться сушка сельскохозяйственной техники, важен учет температуры [13] (чем выше температура, тем большее число молекул
обладают достаточной для вылета из жидкости кинетической энергией, тем быстрее идёт испарение) и скорость потока воздуха [14] (быстрее уносятся образующиеся молекулы пара жидкости), направляемые на предмет сушки.
Поскольку гибкий шланг в такой насадке представляет из себя гофрированную ПВХ трубу длиной 6 м, ручки и насадки также сделаны из пластика (рисунок 5), то по правилам максимальная температура сушки должна быть на 30-40 °С ниже температуры плавления вещества [15, с. 161], то есть около 80-90 °С.
Рис. 5. Насадка на ручку устройства для сушки техники (патент РФ на изобретение № 2710111) Fig. 5. Nozzle on the handle of a device for drying equipment (RF patent for the invention № 2710111)
С увеличением скорости потока воздуха растут затраты электроэнергии, а также давление воздушного потока на поверхность тела, например, при скорости воздуха 2,5 м/с оно составляет 5 Па, а при 20 м/с - 350 Па. Поэтому при скорости свыше 20 м/с необходима звукоизоляция сушильного устройства [16], следовательно, ограничения на скорость потока воздуха примем от 1,5 м/с до 20 м/с.
Обсуждение Движение воздушных масс в каналах вентиляции обеспечивают вентиляторы, скорость которых не ограничивается и не нормируется, ее принимают по результатам расчета, исходя из соображений экономической выгоды. В нашей идее применения приточной вентиляции для сушки сельскохозяйственной техники и ее частей эти вентиляторы также обеспечат нас необходимым потоком воздуха. Однако в любой аэродинамической системе всегда присутствуют потери давления на всех элементах системы.
Задача состоит в том, чтобы определить эти потери исходя из скорости воздушного потока (м/с) в подводящем шланге к насадке (гофрированная
труба длиной 6 м и диаметром d = 35 мм). Потерями давления на соединениях и переходных муфтах можно пренебречь.
Общие потери давления (в кг/кв. м.) считаются по формуле [17, а 147]:
P = Rтp • l + г, (1)
где Rтp - потери давления на трение в расчете на 1 погонный метр воздуховода, I - длина воздуховода (м), г - потери давления на местные сопротивления (случай переменного сечения).
В случае воздуховода круглой формы потери давления на трение Ртр [17, с. 148]:
PTp = Л--^, (2)
тр
где X - коэффициент сопротивления трения, г - радиус воздуховода (м), V - скорость воздушного потока (м/с), р = 1,293 кг/м3- плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа (1 атм), g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения.
В разделе испарения капель проведены масса численных [17, с. 394] и экспериментальных исследований [18], нацеленные на определение поведения испаряющейся капли, недвижной, лежащей на
подложке, движущемся в потоке, в среде с высокими температурами, с твёрдыми включениями и пр. При рассмотрении обыкновенной математической модели сушки небольшой частицы сферической формы [19] (такой малой, что внутри нее изменениями температуры и абсолютной влажностью пренебрегают), предполагают, что процесс сушки ограничивается подводом теплоты, которая вся идет на фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное, тогда тепловой баланс выглядит так [5, с. 21]:
ала2(г -0) = ■ ~~~ р (3)
где а - коэффициент теплоотдачи от воздушного потока к частице материала, Вт/(м2К); й - диаметр частицы; I, в - температуры соответственно воздушного потока и материала; рм - плотность материала; гп - теплота парообразования.
Из этого уравнения получают скорость сушки:
йы0 _ ба(С-9) йт
(4)
РмГпй
то есть скорость сушки растет с сокращением размера частицы высушиваемого материала, повышением температуры воздушного потока и коэффициента теплоотдачи, характеризующий напряженность процесса и численно равен тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.
Коэффициент теплоотдачи как правило выясняют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур At = (^ - $) в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади Е. Затем по формуле:
Q = - $) (5)
рассчитывают а. При проведении тепловых расчетов по этой формуле определяют одно из значений Q,F или At. При этом а находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов.
Интенсивность испарения воды с влажной поверхности твердого тела выражается формулой, основанной на законе Дальтона [20, с. 45]:
дх = 0,04075у0,8(Ры - Рп), кг/м2 • ч, (6) где V - скорость воздушного потока, м/с; Рн - давление насыщенного водяного пара при температуре
поверхности сушки, мм рт. ст; Рп - парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе, мм рт. ст.
Тогда скорость сушки при малых перепадах температур [10, с. 381]:
¿¡и/0 _ 1005дт йт С
■ %/ч,
(7)
где - поверхность испарения, м , G(ух - вес абсолютно сухого материала, кг.
Заключение Как видим, процесс испарения воды при сушке поверхности твердого тела, а именно поверхности сельскохозяйственной техники, особенно при постановке ее на хранение, очень сложен. Предлагаемое устройство по сравнению с другими техническими средствами обладает рядом существенных преимуществ, в частности это и возможность локализации воздушного потока в проблемных зонах, обеспечение сохранности лакокрасочного покрытия предмета сушки, энергоэффективность процесса за счет рекуперации теплоты удаляемого из помещения воздуха и многое другое. Однако в настоящее время не определены зависимости режимов сушки в зависимости от степени приближения насадки до объекта. Температура и скорость воздушного потока должны быть такими, при которых не изменяются физико-химические свойства самой насадки устройства для сушки техники, а также высущиваемого материала. Таким образом, в рамках разработки оптимального процесса сушки сельскохозяйственных машин с использованием представленного устройства можно провести полный факторный эксперимент (ПФЭ) и обобщить полученные данные одной эмпирической формулой или уравнением регрессии. По накопленному разными исследователями опыту работы с различными моделями можно считать, что самыми простыми моделями являются алгебраические полиномы, когда требуется построить уравнение регрессии, учитывая все взаимодействия факторов, проверить полученную модель на адекватность и произвести ее интерпретацию. Это является важной научно-практической задачей и будет являться дальнейшим продолжением данной работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пыдрин А. В. Разработка технологии консервации сельскохозяйственной техники на примере двигателя внутреннего сгорания : Дис. ... к-та техн. наук. Москва, 2017. 181 с.
2. Андреев К. П., Терентьев В. В., Шемякин А. В. Хранение сельскохозяйственной техники: проблемы и решения // Вестник АПК Ставрополья. 2018. № 1 (29). С. 10-13.
3. Князева Л. Г., Петрашев А. И., Прохоренков В. Д., Клепиков В. В. К вопросу эффективности хранения сельскохозяйственной техники // Наука в центральной России. 2017. № 6 (30). С. 37-49.
