CC BY
54
5. Курдюмов, В.И. Энергосберегающие средства механизации гребневого возделывания пропашных культур / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 1(21). - С.144-149.
6. Курдюмов, В.И. К обоснованию угла атаки плоского диска рабочего органа гребневой сеялки / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 4 (20). - С. 127 - 130.
7. Курдюмов, В.И. Исследование катка-гребнеобразователя в лабораторных условиях / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - № 2 (9). - С. 91 - 95.
8. Экспериментальные исследования универсального катка-гребнеобразователя / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин, И.А. Шаронов, В.П. Зайцев // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 4 (16). - С. 107 - 112.
УДК 631:362.7
ОБОСНОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ЗЕРНОСУШИЛКЕ КОНТАКТНОГО ТИПА
Курдюмов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и энергетика»
Павлушин Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и энергетика»
Карпенко Галина Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и энергетика»
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; тел.: 89084788926;
e-mail: andrejpavlu@yandex. ru.
Ключевые слова: тепловой режим зерносушилки, сушка зерна, экспозиция сушки, контактный теплоподвод.
Рассмотрены теоретические особенности контактного теплоподвода. Определены условия передачи теплоты зерну от греющей поверхности при выполнении её в форме цилиндра. Обоснован механизм распределения температуры в тепловой камере установки для тепловой обработки зерна. Выявлены оптимальные значения режимных параметров разработанной установки при сушке семян подсолнечника.
Введение
Одним из наиболее необходимых и энергоемких видов теплового воздействия на зерно в аграрном производстве является его послеуборочная сушка. В результате этого вида теплового воздействия зерновые продукты значительно улучшают своё качество, повышается их стойкость при хранении или временной консервации.
Сушка зерна является не только тепло-физическим, но и технологическим процессом, причём в физической природе протека-
ния этого процесса определяющее значение имеет форма связи влаги с объектом теплового воздействия - зерном.
Основой теории теплового воздействия на зерно при контактном способе передачи теплоты служат закономерности передачи теплоты от греющей поверхности к обрабатываемому зерну.
Цель настоящих исследований - обоснование режимов сушки семян подсолнечника.
Объекты и методы исследований
Для достижения поставленной цели применяли дифференциальное и интегральное исчисления; численные методы; методы математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой в лабораторных и условиях. Достоверность полученных данных обеспечена применением методов математической обработки и статистического анализа результатов исследований, многофакторного анализа, лицензионных математических программных пакетов для ПЭВМ: «Statistica-10», «MathCAD-14», «De-rive-6» и «Microsoft Office Excel 2010».
При контактном способе передачи теплоты энергия подводится к обрабатываемому зерну от греющей поверхности установки посредством теплопроводности.
Энергетический баланс для элементарного объёма зерна, подвергаемого тепловому воздействию в установке для тепловой обработки зерна (УТОЗ)может быть представлен в виде[1, 3]:
Л-^l + q, (1)
где с - удельная теплоёмкость материала греющей поверхности, кДж/(кг-°С); Р -теплота парообразования, кДж/кг; - температура греющей поверхности, °С; т - экспозиция теплового воздействия, с; ^ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); д = —
дт - количество теплоты, передаваемое от греющей поверхности к единичному объёму зернового материала, кДж.
При этом систему дифференциальных уравнений передачи теплоты можно представить в следующем виде:
Яг
а9(£г)
'tfU&T) Г did,т)
(Ж
г а?
£рдв(£,т)
с)т
7)т
>0(£г) , Г дв&т)
dâ2 â dâ
t (£0 ) = f (£)
(2) (3)
(4)
аг(о ,т)
H
дв(0,т)
= 0, tzn{0,r)<oo
= 0, 0(O,r)<oo
(5)
где а - коэффициент температуропроводности, м2/с; Г - фактор формы греющей поверхности: для горизонтальной пластины Г=0, для цилиндра Г=0; 8 - критерий фазового перехода; глубина зоны испарения, м; 0=[/(О,г) -/,„] - разность между переменной температурой обрабатываемого зерна *{0,Т) и постоянной температурой греющей поверхности , °С.
Выявим условия передачи теплоты зерну от греющей поверхности УТОЗ при выполнении греющей поверхности в форме цилиндра (рис. 1).
В рассматриваемом примере теплота
от нагревательных элементов, располо-
Рис. 1 - К обоснованию передачи теплоты зерну от цилиндрической греющей поверхности:
I - длина цилиндра, м; Ь - толщина цилиндра, м; г1 - радиус внутренней поверхности цилиндра, м; г2 - радиус наружной поверхности цилиндра, м; гнэ - температура нагревательного элемента (внешней поверхности цилиндра), °С; Х.гп - температура греющей поверхности (внутренней поверхности цилиндра), °С; - температура воздуха в сушильной камере, °С; д - количество теплоты, подводимое к греющей поверхности от нагревательного элемента, кДж
1 ( х,т)-¡0 =—г
2Ро - 0,251 1 - 2— --У 1п—
Рис. 2 - УТОЗ при проведении лабораторных исследований:
1 - рама; 2 - кожух 3 - бункер загрузочный; 4 - лоток выгрузной; 5 - заслонка; 6 - шибер; 7 - вентилятор; 8 - выпрямитель тока; 9 - электродвигатель; 10 - редуктор; 11 - воздуховод; 12 - комплект измерительных приборов; 13 - теплообменник
женных на внешней поверхности цилиндра, передаётся посредством теплопроводности через стенку цилиндра к его внутренней поверхности. Зерно в процессе тепловой обработки контактирует с внутренней поверхностью цилиндра (греющей поверхностью) и также нагревается. Кроме того, от поступающей в сушильную камеру теплоты происходит нагрев винтового транспортирующего рабочего органа (шнека), расположенного в ней (на схеме не указан). В процессе теплового воздействия шнек также нагревается и начинает выполнять функцию источника теплоты. Зерно, расположенное в зазоре между внутренней поверхностью цилиндра и внешней поверхностью вала шнека, равномерно нагревается.
Для упрощения обоснования процесса теплопередачи ограничимся подводом теплоты к обрабатываемому зерну только от греющей поверхности (внутренней поверхности цилиндра).
Тогда распределение температуры в тепловой камере УТОЗ, как функцию от радиуса цилиндрической греющей поверхности и времени теплового воздействия (экспозиции), при качественной теплоизоляции внешней поверхности цилиндра, т.е. д1 (г2,т) = о, можно представить в виде: дх
18
м
и
к
■ ■ ■ ц
ш ва ®§ 21 В з
л[ «Л I л («п)
Л2\ «п-11-/12(Мп)
* о\ м-I К «А - Го мп-
«»V
ехР (-«М Ро )|
Ра = ау
где
- критерий Фурье;
корни характеристического урав-
; и
функции Струве первого и
нения
нулевого порядков; Г и Го - функции Бесселя второго рода первого и нулевого порядков.
Следовательно, процесс передачи теплоты зерну в зерносушилках контактного типа зависит от параметров греющей поверхности, а также от скорости изменения температурного поля, физических характеристик и размеров высушиваемого зерна.
Кроме того, качественная теплоизоляция внешней части греющей поверхности и выполнение её из материалов, характеризующихся высокими значениями коэффициента теплопроводности (алюминий, медь и т.п.), позволяет на практике достигнуть высокой энергоэффективности процесса теплового воздействия (максимальное количество подводимой теплоты будет затрачиваться на нагрев зерна, испарение из него влаги и удаление её из тепловой камеры).
Результаты исследований
Для подтверждения теоретических аспектов об эффективности использования контактного способа подвода теплоты при сушке зерна и выявления оптимальных тепловых режимов процесса нами была разработана и исследована установка контактного типа для тепловой обработки зер-на[4...14] (рис. 2).
В ходе проведения исследований при сушке зерна подсолнечника сорта «Поволж-ский-60» нами были получены необходимые данные для составления математических моделей указанного процесса в разработанной установке.
Уравнение регрессии, характеризу-
2
ющее влияние температуры греющей поверхности и скорости движения воздуха на суммарные удельные затраты теплоты на испарение влаги из семян подсолнечника, имеет вид:
д = -19,4851 + 0,3543/ - 0,0173ие - 0,0014/2 + + 0,0085/с -0Д343гг,
(7)
где t - температура греющей поверхности, ^С.
Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия температуры греющей поверхности и скорости движения воздуха и их совместного влияния на суммарные удельные затраты теплоты на испарение влаги из семян подсолнечника приведено на рисунке 3.
Рис. 3 - Графическая интерпретация уравнения 7
Зависимость суммарных удельных затрат теплоты на испарение влаги из семян подсолнечника от температуры греющей поверхности, скорости движения семян подсолнечника и их взаимодействия имеет вид:
д = -16,4708 + 0,4094/ -1916,0205из - 0,0014/2 -6,7019^+203640и:.
(8)
Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия температуры греющей поверхности и скорости движения семян подсолнечника, и их влияние на критерий оптимизации приведено на рисунке 4.
В таблице приведены результаты критериальной оценки полученных уравнений регрессий [2].
Сравнение полученных расчётных зна-
Рис. 4 - Графическая интерпретация уравнения 8
Крите
зиальная оценка уравнений регрессий
Таблица 1
№ уравне- Критерии*
ния Я ? р ? т t р t т в р в т
7 0,947 2,31 2,4 7,28 2,004 0,0879 0,1131
8 0,941 2,05 2,4 4,92 2,004 0,0954 0,1131
* - в таблице принято: 1 - корреляционное отношение; - расчётное значение критерия Фишера; Гт - табличное значение критерия Фишера; t - расчётное значение критерия Стьюдента; tт - табличное значение критерия Стьюдента; вр - расчётное значение критерия Кохрена, в - табличное значение критерия Кохрена.
чений критериев с их табличными значениями показало адекватность полученных математических моделей, значимость их коэффициентов и достоверность проведённых исследований.
Выводы
На основании интерпретации полученных моделей были выявлены оптимальные параметры теплового режима в исследуемой УТОЗ.
Так, оптимальная температура греющей поверхности УТОЗ составляет 130 0С. Указанная температура достигается при экспозиции сушки 184 с (соответствует скорости движения семян подсолнечника в УТОЗ 0,0068 м/с)и скорости движения воздуха в установке 2,83 м/с. Суммарные удельные затраты теплоты на испарение влаги из семян на полученных режимах минимальны и составляют 3,59 МДж/кг. Разовый влагосъём при этом находился в пределах 2,5...3,5 %.
Выявленные параметры теплового режима УТОЗ позволяют обеспечить качественную сушку семян подсолнечника без снижения их семенных свойств.
Библиографический список
1. Курдюмов, В.И. Повышение эффективности послеуборочной обработки зерна / В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, A.A. Павлу-шин, С.А. Сутягин // Доклады Россельхозака-демии. - 2011. - № 6. - С. 56-58.
2. Курдюмов, В.И. Тепловая обработка зерна в установках контактного типа // В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, Г.В. Карпенко, С.А. Сутягин: монография. - Ульяновск: УГ-СХА им. П.А. Столыпина, 2013. - 290 с.
3. Курдюмов, В.И. Теоретические и экспериментальные аспекты контактного способа передачи теплоты при сушке зерна / В.И. Курдюмов, A.A. Павлушин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 3. - С. 106110.
4. Патент 59226 РФ, МПК F26B17/20. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А. Павлушин. - Заявлено 19.04.2006; опубл. 10.12.2006 г. Бюл. № 34.
5. Патент 2323580 РФ, МПК A23B9/08. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А. Павлушин. - Заявлено 28.03.2006; опубл. 10.05.2008 г. Бюл. № 13.
6. Патент 2428642 РФ, МПК F26B11/16. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдю-мов, А.А. Павлушин. - Заявлено 14.04.2010; опубл. 10.09.2011 г. Бюл. № 25.
7. Патент 2371650 РФ, МПК F26B11/14. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, И.Н. Зозуля. - Заявлено 18.02.2008; опубл. 27.10.2009 г. Бюл. № 30.
8. Патент 90970 РФ, МПК A23B9/08. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдю-мов, А.А. Павлушин, С.А. Сутягин - Заявлено 07.10.2009; опубл. 27.01.2010 г. Бюл. № 3.
9. Патент 2436630 РФ, МПК B02B1/00. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, С.А. Сутягин - Заявлено 31.05.2010; опубл. 20.12.2011 г. Бюл. № 35.
10. Патент 2465527 РФ, МПК F26B17/04. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, С.А. Сутягин - Заявлено 13.05.2011; опубл. 27.10.2012 г. Бюл. № 30.
11. Патент 2428642 РФ, МПК F26B 11/16. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдю-мов, А.А. Павлушин - Заявлено 14.04.2010; опубл. 10.09.2011 г. Бюл. № 25.
12. Патент 2453123 РФ, A23B 9/08. Устройство для сушки пищевых продуктов. В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, С.А. Сутягин - Заявлено 10.11.2010; опубл. 20.06.2012 г. Бюл. № 17.
13. Патент 96639 РФ, F26B 3/00. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, И.А. Постников - Заявлено 24.02.2010; опубл. 10.08.2010 г. Бюл. № 22.
14. Патент 119862 РФ, F26B 11/16. Устройство для сушки зерна. В.И. Курдю-мов, А.А. Павлушин - Заявлено 11.01.2012; опубл. 27.08.2012 г. Бюл. № 24.
