CC BY
123
УДК 621.316: 631.371 М.Н. Строков
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДОГРЕВА ЗЕРНА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЕЙ
Показана актуальность разработки новых энергоэффективных технологий подогрева зерна в зерноперерабатывающей промышленности.
Приведены результаты расчета, проектирования и опытно-промышленных испытаний систем подогрева зерна, использующих поверхностно-распределенный электрический обогрев на базе объемных и пластинчатых многоэлектродных композиционных электрообогревателей, где в качестве связующего использован бутилкаучук, а токопроводящей фазой является композиция с техническим углеродом. Доказана эффективность применения аппаратного электрического подогрева зерна с использованием разработанных композиционных электрообогревателей.
Введение. Проблема подогрева зерна в зерноперерабатывающей промышленности неизменно остается актуальной, так как представляет собой энергозатратный и сложный технологический процесс [1, 2]. Так, например, аппарат для подогрева зерна БПЗ обеспечивает подогрев зерна от минус 5 до 15°С при производительности 3,5^4,0 т/ч за счет сухого насыщенного пара, расход которого составляет около 110 кг/ч. Для приготовления такого объема теплоносителя необходимо затратить тепловой энергии около 300 МДж, что эквивалентно установленной мощности аппарата примерно в 85 кВт. При эксплуатации воздушноводяного кондиционера расход тепловой энергии для подогрева 1 т/ч зерна составляет 55,8 кВт.
Аналогичные устройства, а также известные способы подогрева зернового материала обладают как общими, так и конкретными для каждого случая недостатками:
низкой эффективностью процесса подогрева зернового материала, обусловленной высокими энергозатратами при больших потерях тепловой энергии, связанных с применением вторичного энергоносителя, в качестве которого используют насыщенный пар, и отсутствием возможности обогрева любого пути прохождения зернового материала;
отсутствием автоматического управления процессом подогрева зернового материала, исключающим возможность регулирования температуры последнего при контактировании со стенками кольцевых паропроводов;
повышенной материалоемкостью оборудования, реализирующего способ, из-за необходимости использования кольцевых паропроводов с вмонтированными трубами для пропускания насыщенного пара и коммуникаций подачи пара под давлением;
повышенной трудоемкостью технического обслуживания оборудования и исключением возможности использования вышеназванных способов в фермерских хозяйствах, малых мельницах при отсутствии котельных, что связано с необходимостью нагрева замкнутого объема транспортирования зернового материала изнутри кольцевыми паропроводами;
невысоким КПД, составляющим 35-40%.
Разработанные теоретические основы расчета многоэлектродных композиционных электрообогревателей пластинчатой МКЭ-1 и объемной МКЭ-2 форм, изготовленных на основе бутилкаучука и технического углерода, позволяют выполнить проектирование энергоэффективных способов и систем подогрева зерна [35], в этом случае при заданной производительности значительно снижаются энергоемкость и металлоемкость процесса подогрева зерна, повышается в 2-3 раза КПД установки, сокращаются затраты на техническое обслуживание [6].
Функциональная схема и основы расчета технологического процесса подогрева зерна
Функциональная схема существующего технологического процесса на примере ЗАО «Союзмука» (г. Барнаул) представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Функциональная схема технологического процесса
Зерно со склада через бункеры 1 поступает на аппараты подогрева зерна БПЗ 2, затем на двухсекционный винтовой транспортер-шнек 3 и далее через трехсекционный винтовой транспортер-шнек 4 на норию 5. Производительность установки регулируется задвижками 6, а температура зерна измеряется датчиками 7-10, включенными в технологический процесс и имеющими выход информации на головной компьютер 11. На шнеках 3 и 4 установлены электрообогреватели МКЭ-1 12 и МКЭ-2 13 соответственно.
Анализ технологии подогрева зерна показал следующее:
при заданной производительности устройства 7^8 т/ч в холодное время года не обеспечивается выход подогретого зерна, свыше 12°С при температуре на датчиках 7 и 8, менее 4°С;
температура поступающей в аппарат БПЗ воды не превышает 70°С;
температура воды на выходе из аппарата БПЗ менее 40°С;
разность температур, измеренных с помощью датчиков 9 и 10, составляет 1-2°С в сторону уменьшения.
Для расчета разрабатываемой системы подогрева зерна необходимо составить энергетический баланс, то есть определить необходимую тепловую энергию при заданных производительности и температурном диапазоне подогрева зерна и соответствующую электрическую энергию с учетом потерь, которая будет затрачена при шнековом обогреве с использованием объемных многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ-2, а также обогреве с дополнительной установкой пластинчатых электрообогревателей МКЭ-1.
С учетом технологической схемы (см. рис. 1) определим энергетический баланс системы с использованием электрообогревателей МКЭ-1 и МКЭ-2.
Шнеки 3 и 4 диаметром 0,2 м, длиной 4 и 6 м соответственно оборудованы лентами с пластинчатыми электрообогревателями МКЭ-1 и объемными трех- и пятиэлектродными электрообогревателями МКЭ-2, технические характеристики которых приведены в таблице 1 [5].
Затраты тепловой энергии на подогрев зерна Qнз определяются в соответствии с [2]:
Qнз = ^ш * сз * ЛО,
где Gш - физическая производительность шнека, кг/с;
Сз - удельная теплоемкость зерна, Дж/(кг К);
Лв' - разность температур зерна, К.
Таблица 1
Технические характеристики электрообогревателей МКЭ
Параметр Электрообогреватель МКЭ
объемный (седлообразный) пластинчатый
Габариты (внутренний / внешний диаметр, длина), мм 02ОО/024Ох3ООх12 -
Габариты, мм 200х135х10
Напряжение, В 380/220±10% 220±10%
Мощность Рн, Вт 150±15 35±3,5
Температура на поверхности Т, °С при ТоФ.ср= 18°С 50±5 70±5
Удельная мощность, Вт/м2, не более 1000 1200
Масса, кг 3,2±2% 0,315±2%
Производительность шнека рассчитывается по выражению [2]
п-О2
О =-----------п - 60 - г-р - К , (2)
ш • нас зап * >
где D - внутренний диаметр шнека, м;
п - частота вращения шнека, мин-1;
ї - шаг шнека, м;
Рнас - насыпная плотность зерна, кг/м3;
Кзап - коэффициент заполнения шнека.
Удельная теплоемкость зерна определяется на основании справочных данных и принимается сз = 1550 Дж/(кг- К) [1].
С другой стороны, количество тепловой энергии Qn за любой промежуток времени через единицу поверхности определяется уравнением теплопроводности
Г\
Оп =~^-4Л-р-С - (гп -в")-(ліТ2 -4*1 ) ’ (3)
где Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м - К). На теплопроводность зерна влияют различные факторы: способ подведения тепла, пористость насыпи, влажность материала и др., поэтому допускается введение эквивалентной теплопроводности Лэ = 0,16 Вт/(м - К) [1];
р- плотность зерна, кг/м3;
їп - постоянная температура стенки шнека, К;
в" - средняя температура зерна, К;
ті, Т2 - начальное и конечное время взаимодействия зерна с обогреваемой поверхностью, с.
Таким образом, для соблюдения теплового баланса шнекового подогрева зерна необходимо равенство тепловых энергий Qнз и Qn, распределенных по поверхности обогреваемого пути прохождения зерна. То есть, исходя из технологических параметров существующего способа обогрева зерна, требуется определить основные показатели при наличии шнекового обогрева и без него, а также определить количество подогреваемых шнеков электрообогревателями МКЭ-2 при заданных производительности процесса и температуре зерна на входе в норию без использования аппаратов БПЗ (см. рис. 1).
Учитывая, что при объемном обогреве на основе МКЭ-2 происходит концентрация тепла внутри обогревателя и то, что Амат.шнека >> дрезины [3, 5], принимаем допущение, что электрическая мощность электрообогревателей равна тепловой мощности, затрачиваемой на подогрев зерна. В этом случае для расчета величин прироста температур Дв’ и Дв" тепловые мощности Qнз и Qn соответствуют общей электрической мощности обогревателей.
Для расчета дополнительного обогрева примем время т за ноль, время т рассчитаем по формуле
Т = —, (4)
г-п
где L - длина шнеков, м;
п - частота вращения шнеков, мин-1;
? - шаг шнека, м.
Прирост температуры А0" =(?п - 9') находим из формулы (3).
Ав" =—-------- ^----------------, (5)
“П ■ >М ■ р ■с ■ ~у!Т1 ) ■ ^ш
где Sш - площадь обогрева шнеков, м2, определяемая как сумма поверхностей электрообогревателей
МКЭ-1 и МКЭ-2, прилегающих к шнекам.
На основании расчета шнекового обогрева без использования аппаратов БПЗ по разработанной методике для следующих технологических параметров:
Ош = 7 т/ч = 1,9 кг/с; Dшн = 0,5 м; \ш = 0,5 м; Кзап = 0,2; 00 = - 5°С; 01= 15°С; А0""=20°С =20К определяем мощность нагрева зерна Qm~ 60 кВт и время прохождения зерна по шнеку т « 16 мин.
Экспериментальные исследования системы подогрева зерна. Для подтверждения правильности выполненных теоретических расчетов необходимо провести экспериментальные исследования и установить температурный градиент подогрева зерна при существовавшей системе и при наличии обогреваемых шнеков, а также определить максимальную производительность при комбинированном обогреве. Исследования проводились по специально разработанной и утвержденной программе и включали три независимых эксперимента по измерению температуры в трех точках технологического процесса.
Результаты измерений, выполненные электронной системой, приведены в таблицах 2-4.
Таблица 2
Результаты измерений температуры подогрева зерна при отключенном обогреве
шнеков и включенных БПЗ
№ измерения Время, мин Значения температуры, °С
датчик №1 датчик №2 датчик №3
1 0 5,1 4,5 10,6
2 10 4,3 4,2 10,5
3 20 4,2 4,0 10,6
4 30 9,3 6,0 11,0
5 40 10,5 7,1 11,2
6 50 8,1 6,0 10,8
7 60 4,8 4,5 10,6
Таблица 3
Результаты измерений температуры подогрева зерна при включенном обогреве шнеков
и включенных БПЗ
№ измерения Время, мин Значения температуры, °С
датчик №1 датчик №2 датчик №3
1 0 4,8 6,6 11,7
2 10 4,2 6,2 12,1
3 20 4,6 6,0 12,5
4 30 4,6 6,5 12,5
5 40 4,5 6,6 12,6
6 50 4,7 6,7 13,0
7 60 5,9 7,1 13,4
8 70 4,9 7,4 13,3
Таблица 4
Результаты измерений температуры подогрева зерна при включенном обогреве шнеков, включенных БПЗ и регулировании частоты привода
№ измерения Время, мин Частота привода, Гц Значения температуры, °С
датчик №1 датчик №2 датчик №3
1 0 50,0 6,8 5,7 11,7
2 5 45,0 6,4 6,1 12,0
3 10 40,0 6,0 5,8 12,5
4 15 40,0 6,6 6,2 12,7
5 20 35,0 7,0 6,0 14,2
6 25 50,0 9,3 7,2 16,5
7 30 50,0 9,0 6,8 14,7
8 35 50,0 8,2 6,6 13,5
9 40 50,0 8,0 6,8 12,7
10 50 50,0 6,1 5,7 12,5
11 60 50,0 5,2 5,0 12,5
С целью установки достоверности результатов измерений электронной системой были параллельно проведены измерения температуры с помощью пирометра модели ТРТ 62 FSI (Германия) на тех же участках технологического процесса, в которых установлены датчики системы: по поверхности бункеров 1 - датчики 7 (№1) и 8 (№2), на входе в норию 5 - датчик 10 (№3). Температура в месте установки датчика 9 дополнительно измерялась пирометром.
Экспериментально установлена разность измерения температуры зерна в месте установки датчика №3, она составляет 1°С в сторону уменьшения. Температура наружного воздуха - минус 18°С, внутри помещения - 16°С.
На 21 мин произошел останов БПЗ из-за срабатывания автоматики от снижения частоты вращения привода каретки подачи зерна, после этого на 25 мин подняли частоту и включили систему.
Анализ экспериментальных данных показал:
1. Измерения температуры в местах расположения датчиков №1 и 2 были проведены пирометром по корпусам бункеров и ее значения отличаются приблизительно на 3-3,5°С в сторону завышения от реальной температуры поступающего со склада зерна. Это обстоятельство необходимо учесть в определении градиента температуры при работе системы подогрева зерна.
2. Максимальная температура нагрева зерна при работе только аппаратов БПЗ составляет 9-9,5°С, а при совместном включении БПЗ и обогреве шнеков - 10-10,5°С, то есть превышение температуры составило 1-1,5°С.
3. Установлено, что температуры, измеренные в местах установки датчиков 9 и 10, при отключенных МКЭ практически одинаковы, либо их разность составляет не более 1°С в сторону уменьшения. При включенных МКЭ температура в месте расположения датчика 10 устойчиво превышает температуру в месте расположения датчика 9 на 0,5-1 °С.
4. Установлено, что производительность шнеков составляет около 15 т/ч при частоте вращения 160 мин-1, и за счет значительной линейной скорости транспортировки и аспирации зерно в шнеке 4 несколько охлаждается (до 1 °С).
5. Установлено, что при частотном регулировании и снижении производительности до 8-9 т/ч ^=40 Гц, п=120 мин-1) градиент температуры, фиксируемый датчиком №3, увеличивается на 2-3°С.
Таким образом, использование двух аппаратов БПЗ не обеспечивает подогрев зерна на АТ = 20°С при заданной производительности шнеков 15 т/ч, а использование дополнительного шнекового обогрева за счет электрообогревателей МКЭ-1 и МКЭ-2 установленной мощностью 3,6 кВт, при действующей технологии подогрева зерна, дает прирост температуры до 1-1,5°С, что подтверждается теоретическими расчетами и
экспериментальными исследованиями. Для обеспечения необходимой разности температур АТ требуется увеличить длину шнеков до 58 м при снижении производительности до 7-8 т/ч.
Электрический аппарат подогрева зерна. Анализ шнекового способа подогрева на базе МКЭ показал его недостаточную эффективность при небольшом пути прохождения зерна, при этом система обогрева на основе МКЭ может рассматриваться как дополнительное средство подогрева.
В связи с этим предлагается система подогрева зерна с использованием электрического аппарата подогрева зерна (АПЗЭ-01), который представляет собой вертикальную двухсекционную шахту, внутри которой размещены радиаторы - металлические кожухи в виде пеналов (далее, радиаторы) с электрообогревателями МКЭ-1 внутри. В нижней части шахты находится механизм для выпуска подогретого зерна (рис. 2).
Зерно через два отверстия в приемном патрубке поступает в верхнюю и нижнюю секции, пересеченные прямоугольными радиаторами. Проходя между радиаторами, зерно подогревается и через нижний бункер с выпускными воронками поступает на шнек.
Время подогрева (пребывания в зоне нагрева) зерна при расчетной производительности определяется в зависимости от начальных свойств зерна (температура, влажность) и параметров окружающей среды.
Рис. 2. Аппарат подогрева зерна АПЗЭ-01: а - вид спереди; б - вид сбоку
Экспериментально установлено, что температура на поверхности электрообогревателя МКЭ-1 мощностью Рн= 35 Вт составляет около 80°С, время выхода его на рабочий режим Тн =15 мин.
Сравнительная оценка установок БПЗ и АПЗЭ-01 приведена в таблице 5.
Заключение. В результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований основные положения можно сформулировать следующим образом:
1. Для обеспечения заданного градиента подогрева зерна АТ = 20°С, производительности 7-8 т/ч на базе аппаратов БПЗ необходимо соблюдение технологических параметров теплоносителя, при этом установленная тепловая мощность в пересчете на электрическую составит около 170 кВт.
Таблица 5
Технические характеристики аппаратов подогрева зерна
Величина Значение
БПЗ АПЗЭ-01
Производительность G, т/ч 4,0 1,9
Установленная электрическая мощность Ра, кВт - 16,4
Установленная тепловая мощность Q, кВт 85,0 -
Диапазон температур подогрева зерна ДТ, °С 15 -1- 5 - 15 -1- 5 -
Время подогрева т, мин 4 16
Удельные энергозатраты руд, кВт ч/т 21,0 8,6
Температура энергоносителя (подогретого пара) Тп, °С 110 -
Температура на поверхности нагревательного элемента Тэ, °С - 80
Цена, тыс. руб. 300 250
2. Расчет шнекового обогрева на базе объемных многоэлектродных электрообогревателей МКЭ-2 показал, что для обеспечения подогрева зерна на АТ = 20°С и производительности системы 7-8 т/ч необходимо изготовление установки, имеющей следующие технические характеристики:
установленная электрическая мощность Руст , кВт..............60;
диаметр шнека D, м..........................................0,5;
длина шнеков Ц м.............................................58;
частота вращения п, мин-1...................................7,5;
время прохождения зерна по шнеку т, мин..................16,0;
количество электрообогревателей МКЭ-2, шт...................250;
затраты на электрообогреватели МКЭ-2, тыс. руб..............125.
3. Аппарат подогрева зерна электрический АПЗЭ-01 на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ-1 является современным энергоэффективным оборудованием, снижающим удельные энергозатраты более чем в 2 раза по сравнению с известными аналогичными устройствами.
4. Разработанный АПЗЭ-01 позволяет обеспечить:
измерение и регистрацию температуры зерна на входе в аппарат;
автоматическое управление, измерение, регистрацию и регулирование температуры зерна на выходе из аппарата;
регулирование частоты вращения привода каретки на выходе зерна из аппарата, что дает возможность изменять производительность аппарата в зависимости от свойств зерна и температуры внутри аппарата;
установку УЗО;
аварийное отключение электрооборудования при максимально допустимой температуре зерна на выходе из аппарата.
Литература
1. Гинзбург, А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов / А.С. Гинзбург. - М.: Пищевая пром-сть, 1973. - 528 с.
2. Соколов, А.Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна / А.Я. Соколов. - М.: Колос, 1975. - 496 с.
3. Расчет и проектирование низкотемпературных композиционных электрообогревателей / В.В. Евстигнеев [и др.]. - Новосибирск: Наука, 2001. - 168 с.
4. Халина, Т.М. Расчет электрической проводимости между системами электродов в композиционном электрообогревателе / Т.М. Халина // Электричество. - 2003. - №10. - С. 53-61.
5. Халина, Т.М. Система подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей / Т.М. Халина, В.Ю. Марсов // Ползуновский вестн. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. - №2. -С. 116-119.
6. Пат. 2277210 РФ МПК F26В3/34. Способ подогрева зернового материала / Т.М. Халина, М.В. Халина, А.Б. Дорош, Г.А. Пугачев. - №2005100162/06; заявл. 11.01.2005; опубл. 27.05.2006. Бюл. № 15.
---------♦-----------
