CC BY
91
сети выполняются трех- и пятипроводными. В групповых линиях, питающих розеточные сети для переносного электрооборудования, предусмотрена установка УЗО. Для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции наряду с другими мерами применяется уравнивание потенциалов [7].
Следует отметить, что еще не решенным вопросом остается осуществление бесперебойного питания электроустановок школ, относящихся к I категории электроснабжения. АВР от двух кабельных или воздушных линий от одного трансформатора (как правило, небольшой мощности) не может считаться надежным. Одним из возможных вариантов является резерв от маломощной дизельной электроустановки. Возможны и другие варианты, которые следует выбирать на основе экономических расчетов.
Литература
1. Правила устройства электроустановок: все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. Вып. 7. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. - 854 с.
2. Правила устройства электроустановок. Раздел VI. Электрическое освещение. - 7-е изд. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 1999. - 80 с.
3. Кунгс Я.А., Цугленок Н.В. Энергосбережение и энергоаудит в осветительных и облучательных установках: учеб. пособие. - Красноярск, 2004. - 266 с.
4. Федеральный закон об энергосбережении и повышении энергетической эффективности от 23 ноября 2009г. №261-ФЗ. - 11Р1_Мр:// шшш. economy.gov.ru.
5. Хайнрих М. Возможности и тенденции экономии электроэнергии при применении электронных пускорегулирующих аппаратов и светорегулирующей системы ЫхсопЬо! в осветительных установках //
Светотехника. - 1997. - № 1. - С. 20-24.
6. КунгсЯ.А. Автоматизация управления электрическим освещением. - М.: Энергоиздат, 1989. - 112 с.
7. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустано-
вок. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. - 192 с.
УДК 631.17 Т.Н. Бастрон, Н.М. Чирухина
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ СУШКИ ОВСА АКТИВНЫМ ВЕНТИЛИРОВАНИЕМ
В статье представлены результаты исследования процесса сушки зерна овса активным вентилированием на экспериментальной установке. Получены уравнения регрессии и выбраны энергосберегающие режимы в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами конечной влажности овса.
Ключевые слова: сушка, активное вентилирование, корреляционно-регрессионный анализ, энергосберегающие режимы, зерно.
T.N. Bastron, N.M. Chirukhina ENERGY SAVING MODES OF DRYING THE OATS BY MEANS OF FORCED AERATION
The research results of the process of oats grain drying by means of forced aeration on the basis of experimental installation are given in the article. Equations of regression are received and energy-saving modes are chosen in accordance with the purpose and recommended limits of final oat moisture.
Key words: drying, forced aeration, correlation-regression analysis, energy-saving modes, grain.
Одной из важных проблем в сельскохозяйственном производстве является обеспечение сохранности выращенного урожая. В поточной технологии послеуборочной обработки зерна сушка является наиболее сложной и энергоемкой операцией. Поэтому обоснование направления развития технологий и технических средств, обеспечивающих минимальные затраты антропогенной энергии при рациональном использовании природных ресурсов и возможном меньшем загрязнении окружающей среды, рассматривают сейчас как актуальную научную и практическую проблему. В практике сушки, временного хранения и вентилирования небольших партий зерна широко применяются установки активного вентилирования различных конструкций, в
частности напольная электро-тепло-вентеляционная установка. Преимущество активного вентилирования -небольшая мощность установки, выравненность высушенного материала по влажности, простота технических средств для его осуществления.
Энергосбережение в электрифицированных вентиляционных установках (ЭВУ) возможно за счет: обоснованного расчета мощности электрического подогревателя, проектирования вентиляционной сети с минимальным напором и применением вентиляторов и электрических двигателей с высоким КПД, выбора энергосберегающих режимов работы.
В качестве объекта исследования выбраны режимы работы ЭВУ активного вентилирования зерна. Основными методами исследования являются: физическое и математическое моделирование; активное планирование эксперимента для выявления уравнений регрессии влажности зерна; статистические методы обработки и оценки результатов экспериментов (дисперсионный и регрессионный анализы); численный метод.
Модельные исследования с целью получения уравнений регрессии проводились на экспериментальной лабораторной установке [1-4].
В процессе сушки овса все множество факторов, определяющих работу тепловентиляционной установки, можно разделить на:
• контролируемые управляемые переменные, которые в процессе исследования могут изменяться в соответствии с некоторым планом (влажность и скорость воздуха; мощность электрокалориферной установки, время сушки);
• контролируемые неуправляемые переменные (температура и влажность по высоте зернового слоя, начальная влажность зерна);
• неконтролируемые возмущения, вносящие свою корректировку в работу исследуемого объекта.
В качестве исследуемых параметров для модели были выбраны влажность Wз, %, и температура зерна 1з, 0С. Область исследования ограничивалась допустимыми значениями Wз, и Температура нагрева овса не должна превышать 50-55 0 С [5]. В противном случае процесс сушки может привести к появлению поджаренных, запаренных зерен, зерен с лопнувшими или вздутыми оболочками, к увеличению количества битых и дробленых зерен.
Начальная влажность зерна во всех опытах поддерживалась на уровне 21%+2%. Величина конечной влажности, до которой целесообразно сушить зерно овса, находится в пределах 12,5...16%, в зависимости от назначения высушенного продукта: на кормовые цели и на комбикорма, для крупяной промышленности, на солод [6].
На основании литературных данных из множества факторов, влияющих на процесс сушки, для исследования были выбраны факторы и их диапазон изменения, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Величины и диапазон изменения управляемых факторов
Управляемые факторы Кодированное значение управляемых факторов Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Интервал варьирования
-1 0 1 4
Влажность воздуха, % х1 60 70 80 10
Скорость воздуха, м/с х2 2,4 3 3,6 0,6
Мощность электрообогревателя, Вт х3 384 768 1152 384
Экспозиция сушки, ч х4 16 32 48 16
Размерные управляемые независимые факторы были преобразованы в безразмерные, нормированные X (I = 1, 2, ..., т) (табл.1):
XIн < X, < х1+), (1)
Х° = Х' ' . (2)
2
у(+)
Л= ' ~ 1 . (3)
где Х.(0) - основной уровень факторов; Х.(_) - нижний уровень факторов; Х.(+) - верхний уровень факторов; Л, - шаг варьирования.
Это дает возможность легко построить ортогональную матрицу планирования и значительно облегчает дальнейшие расчеты, так как в этом случае верхние и нижние уровни варьирования в относительных единицах равны соответственно +1 и -1 независимо от физической природы факторов, значений основных уровней и интервалов варьирования [7].
Для постановки опытов было применено активное планирование и выбран полный факторный эксперимент. В случае четырех независимых переменных (т = 4) хорошими свойствами обладает четырехфакторный план Бокса В4, включающий 24 опыта (N=24). В планах второго порядка каждая из независимых переменных должна принимать несколько, но не менее трех, значений. При небольшом числе переменных (т <4) это один из лучших планов с точки зрения близости к критерию О-оптимальности и числа экспериментальных точек. Матрица плана представлена в табл. 2.
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
№ опыта Х1и Х 2и Х зи Х4и Уи № опыта Х1и Х 2и х зи Х4и Уи
1 1 1 1 1 У1 13 1 1 -1 -1 У13
2 -1 1 1 1 У2 14 -1 1 -1 -1 У14
3 1 -1 1 1 Уз 15 1 -1 -1 -1 У15
4 -1 -1 1 1 У4 16 -1 -1 -1 -1 У16
5 1 1 -1 1 У5 17 1 0 0 0 У17
6 -1 1 -1 1 У6 18 -1 0 0 0 У18
7 1 -1 -1 1 У7 19 0 1 0 0 У19
8 -1 -1 -1 1 У8 20 0 -1 0 0 У20
9 1 1 1 -1 У9 21 0 0 1 0 У21
10 -1 1 1 -1 У10 22 0 0 -1 0 У22
11 1 -1 1 -1 У11 23 0 0 0 1 У23
12 -1 -1 1 -1 У12 24 0 0 0 -1 У24
Для определения количественной зависимости влажности и температуры зерна от выбранных факторов проведен корреляционно-регрессионный анализ и получены уравнения регрессии:
Уирег = 14,4651 - 0,2Х2 - \,375Х3 - 1,2903 Х4 - 0,81 X,2 - 0,6ХгХ4 (4)
Уфег = 24,535 + 0,63Х2 + 4,34Х3 + 0,77Х, - 0,91 Х,Х4 - 0,803Х3Х4 (5)
Сравнивая экспериментальные данные уш, ^ и данные, полученные с помощью уравнений регрессии
уирег, у 1рег (лепестковая диаграмма рис. 1, а,б), можно сделать вывод, что полученные уравнения (4) и (5) хо-
рошо коррелируют и адекватно описывают процесс сушки.
24 40
21
6 20
7 19
8 18
17
13
рег
Рис. 1. Сравнительная оценка экспериментальных данных у% у1 и данных, полученных с помощью
уравнений регрессии ушрег, у1рег.
Гипотеза об адекватности модели проверена с использованием Р-критерия Фишера при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы ^ и !2 = ^ - с1)
„2
(6 )
где Р - критерий Фишера; С - количество коэффициентов в уравнении регрессии для модели ушрег \691 _ < 2,02;
для модели уірег
18,433
9,826
= 0,324 < 2,02 .
30,294
Полученные уравнения адекватны и позволяют рассчитывать конечную влажность и температуру зерна в заданной области факторного пространства. Примеры поверхностей откликов уравнений (4) и (5) представлены на рис. 2, а,б.
Зависимость влажности зерна от мощности эл.калорифера и
экспозиции сушки влажность
зерна, %
17
16
15
14
13
12
11
10
$ ^ | £ 3 К -
16-17
15-16
□ 14-15
□ 13-14
□ 12-13
□ 11-12 10-11
Зависимость температуры зерна от мощности и экспозиции
□ 25,0030,00
□ 20,0025,00
□ 15,0020,00
мощность, Вт
экспозиция, ч
мощность, Вт
температура,
оС
30.00
25.00
20.00 15,00
экспозиция, ч
Рис. 2. Зависимость влажности и температуры зерна от мощности и экспозиции сушки
1
6
7
8
2
.У
Энергосберегающие режимы были выбраны при фиксированных значениях влажности и скорости воздуха (см. табл. 4) в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами влажности, до которой целесообразно сушить овес. Температура зерна во всех режимах сушки не превышала допустимую температуру нагрева для овса.
Таблица 3
Режимы сушки в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами влажности,
до которой целесообразно сушить зерно овса
Культура овес На переработку На хранение до 3 мес., на длительное хранение (более 1года)
Влажность воздуха Ив, % к ш у с а т а5 -У го ^ ь т с о р о к О Мощность электрокало-риферной установки Р, кВт і ^ о § оскп куш со ° Затраты электроэнергии, кВт. ч Конечная влажность зерна Изк, % Влажность воздуха Ив, % Скорость агента сушки, м/с Мощность электрокало-риферной установки Р, кВт Экспозиция сушки т, ч Затраты электроэнергии, кВт. ч Конечная влажность зерна Изк, %
Для крупяной промышленности 80 3,6 0,46 48,0 22,12 12,5- 13,5 80 3,6 0,384 46,4 17,82 13,0- 14,0
3,0 0,54 48,0 25,81 3,0 0,422 48,0 20,28
2,4 0,61 48,0 29,49 2,4 0,461 48,0 22,12
70 3,6 1,15 25,6 29,49 70 3,6 1,152 19,2 22,12
3,0 0,691 1,152 48,0 28,8 33.18 33.18 3,0 0,538 0,115 48,0 22,4 25.81 25.81
2,4 1,152 30,4 35,03 2,4 0,614 48,0 29,49
60 3,6 1,152 19,2 22,12 60 3,6 1,037 16,0 16,59
3,0 1,152 24,0 27,65 3,0 1,114 16,0 17,81 76
2,4 1,152 27,2 31,33 2,4 1,152 16,0 18,43
На кормовые цели и на комбикорма 80 3,6 0,384 33,6 12,90 14,5- 15,5 80 3,6 0,384 46,4 17,82 13,0- 14,0
3,0 0,384 35,2 13,52 3,0 0,422 48,0 20,28
2,4 0,384 36,8 14,13 2,4 0,461 48,0 22,12
70 3,6 0,806 16,0 12,90 70 3,6 1,152 19,2 22,12
3,0 0,384 0,883 36,8 16,0 14.13 14.13 3,0 0,538 1,152 48,0 22,4 25.81 25.81
2,4 0,922 16,0 14,75 2,4 0,614 48,0 29,49
60 3,6 0,653 16,0 10,45 60 3,6 1,037 16,0 16,59
3,0 0,691 16,0 11,06 3,0 1,114 16,0 17,81 76
2,4 0,730 16,0 11,67 2,4 1,152 16,0 18,43
На солод 80 3,6 0,384 28,8 11,06 16,0 80 3,6 0,384 46,4 17,82 13,0- 14,0
3,0 0,384 30,4 11,67 3,0 0,422 48,0 20,28
2,4 0,384 32,0 12,29 2,4 0,461 48,0 22,12
70 3,6 0,384 27,2 10,45 70 3,6 1,152 19,2 22,12
3,0 0,384 0,691 28,8 16,0 11,06 11,06 3,0 0,538 1,152 48,0 22,4 25.81 25.81
2,4 0,768 16,0 12,29 2,4 0,614 48,0 29,49
60 3,6 0,461 17,6 8,11 60 3,6 1,037 16,0 16,59
3,0 0,538 1,6 8,60 3,0 1,114 16,0 17,81 76
2,4 0,614 16,0 9,83 2,4 1,152 16,0 18,43
Выводы
• В практическом отношении полученная модель дает возможность с определенной точностью прогнозировать значение выходных параметров в пределах изученной области факторного пространства.
• Выполненные опыты показали: при начальной влажности зерна 21%±2% и конечной 12,5...16% затраты тепловой энергии колебались в пределах 8,11.29,4 кВгч, или 29,2.104,4 МДж, в экспериментальной установке (масса зерна 38 кг), или в пересчете на тонну 213,4.921,6 кВгч/т, или 768,32.2747,36 МДж/т. Расходы электрической энергии на тонну высушенного зерна в шахтных зерносушилках составляют 790.996 МДж.
• Сравнительный анализ степени влияния скорости агента на процесс сушки показал: при прочих равных условиях увеличение скорости агента сушки с 2,4 до 3,6 м/с дает сокращение тепловых затрат до 10 кВт'Ч (или 263,16 кВт-ч/т).
• Полученные зависимости и построенные поверхности откликов позволяют выбрать режимы сушки зерна с минимальными энергозатратами при влажности воздуха 70% и скорости агента 3,6 м/с, экспозиция сушки и затраты тепловой энергии в соответствии с целевым назначением составляют:
для крупяной промышленности 25,6 ч 29,5 кВгч
на кормовые цели и на комбикорма 16 ч 13,51 кВгч
на солод 16 ч 10,44 кВгч
на хранение 19,2 ч 22,12 кВгч
На основе выполненных исследований были проведены производственные испытания на напольной электро-тепло-вентеляционной установке. Было высушено 50 т овса влажностью 23% до конечной влажности зерна 14%, при этом затраты тепловой энергии составили 240,8 кВгч/т, или 866,8 МДж/т. Полученные результаты согласуются с результатами экспериментальных исследований.
Литература
1. Бастрон Т.Н., Чирухина Н.М., Джан У.Ф. Определение энергоэффективных режимов сушки зерна // Высокие технологии энергосбережения: тр. междунар. школы-конф. - Воронеж: Изд. дом «Кварта», 2005. - 188 с.
2. Бастрон Т.Н., Чирухина Н.М. Методика определения энергоэффективных режимов сушки зерна активным вентилированием // Энергоэффективность: достижения и перспективы: мат-лы V науч.-практ. конф. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.
3. Бастрон Т.Н., Чирухина Н.М. Рациональные режимы сушки зерна активным вентилированием // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: мат-лы VIII Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007.
4. А. с. № 58007, МПК А 01 Р 25/08. Устройство для сушки зернообразных продуктов активным вентилированием / Т.Н. Бастрон, Н.М. Чирухина. - Опубл. 10.11.06, Бюл. № 31.
5. Жидко В.И., Резчиков В.А., Уколов В.С. Зерносушение и зерносушилки. - М.: Колос, 1982. - 239 с.
6. Юкиш А.Е., Ильина О.А. Техника и технология хранения зерна. - М.: ДеЛи принт, 2009. - 718 с.
7. Пэн Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного
производства: учеб. пособие. - Красноярск: Изд-во КГУ,1982. -192 с.
