Структурная идентификация и моделирование тепло- и влагообменных процессов при отволаживании зерна Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

664.7.536.2.001.57

СТР УКТУРНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТВОЛАЖИВАНИИ ЗЕРНА

С.А. ПОДГОРНЫЙ

Кубанский государственный технологический университет

Несмотря на важность решения вопросов прогнозирования и управления гигротермическим состоянием зерновой массы в процессе отволаживания, с учетом изменений физиологических и технологических свойств сырья, в настоящее время отсутствуют математические модели, учитывающие совокупность этих сопряженных явлений.

Структурная идентификация процесса увлажнения зерна представлена на рисунке.

Хо - вектор состояния помольной партии перед увлажнением: Х01 — стекловидность, Хог - влажность, Х0з

- состояние белково-углеводного комплекса, Х04 -температура зерна, Х05 - фракционный состав.

Кув - вектор режимно-конструктивных параметров узла увлажнения: Ку^, Кув2, Кув3 - непосредственно режимно-конструктивные параметры узла увлажнения.

ИуБ - вектор увлажняющих воздействий: Иув1 - соотношение влаги и зерна, Иув2 - температура воды, Иув3

- производительность по исходному зерну.

Хув - вектор состояния увлажненного зерна: ХуВ1 -средняя влажность, Хув2 - дисперсия влажности, Ху„з -температура смеси. Остальное (качество) как в исходном.

Иотв - вектор управления: И0ХВ1 - время отволаживания, Й0ТВ2 - способ взаимодействия с межзерновой атмосферой: а) фильтрация за счет неплотности, б) принудительная фильтрация; ИоТв3 - влагосодержание при принудительной фильтрации (вентиляции), Иотв4 -цикличность вентилирования.

Х01В - вектор состояния зерновой массы: ХОТВ| -стекловидность, Хотв2 - средняя влажность, Хотв3 - состояние белково-углеводного комплекса, Х0ТВ4 — температура зерна, Хнх„5 - скважность (изменяется в про-дессе набухания зерна).

Модель узла увлажнения позволяет определить вектор состояния увлажненного зерна {Хув} в зависимости от {Кув}, {Х0} и {Иув}.

Основу модели составляют уравнения движения сыпучей среды в шнековом смесителе, уравнения аэрогидродинамики для расчета характеристики распыления влаги (размер капель, плотность распыла и интенсивность потока) и аппарат марковских цепей для определения неоднородности смеси по влажности.

Модель узла отволаживания позволяет определить статические и динамические характеристики помольной смеси в виде полей влажности и температуры зерновой массы, а также влажность отдельных зон бункера отволаживания. В результате определяется вектор состояния зерна {Хотв}, что позволяет прогнозировать его помольные свойства через значение стекловидно-сти.

Основу модели составляют сопряженные уравнения сохранения массы для влаги слоя и межзернового воздуха, уравнения сохранения энергии (тепла) для взаимодействующих сред и уравнение сохранения импульса (аэродинамики потока в зерновых массах). Для расчета влажности непосредственно зерна по объему зерновки используются уравнения диффузии влаги в функции состояния зерна и влажности поверхности. Для определения динамики стекловидности используется корреляция среднеобъемной влажности, температуры и стекловидности.

Способы взаимодействия зерновой массы с активным воздушным потоком задаются соответствующими граничными условиями.

В настоящей работе предлагается модель, которая учитывает динамику температуры, влажности технологических свойств зерна и изменение гигротермиче-ских параметров воздуха межзернового пространства в процессе выдержки зерновой массы после увлажнения в емкости при различных способах ее взаимодействия с окружающей средой. Предлагаемая модель включает в себя уравнения движения, использованные Singh S., Leonardi Е., & Thorpe G. (1993) и Xu Y., Burfoot D.(1999), а также приведенные ниже уравнения неразрывности, сохранения энергии, влагоперено-са и кинетики технологических свойств.

Закон сохранения массы для влаги в воздухе представим в виде

dsp„

dz

+ V(ep„K) = V] pД

+ GV(T,o,<p,b)+ m, (1)

где р„,р0,р„ - плотности влаги, кислорода и остальных веществ в воздухе; р = р„ + Ро + р_ - плотность воздуха; е - скважистость зерновой массы; т = -(1 - в)р<- скорость сорбции влаги зер-

/1 „ 9iv /

ном; (1 - в) р, - плотность зерновой массы; ^ - изменение вла-

госодержания зерна за счет сорбции.

Первое слагаемое справа в (1) отвечает за диффузию влаги в воздухе. Эффективная диффузия /). определяется по молекулярной диффузии и числу Пекле (Mhimid A., Nasrallah S.B., Fohr J.P. (2000)). Влаговы-деление поверхностью зерна учитывается в объемном влаговыделении G». Гистерезис сорбции в предлагаемой математической модели гигротермического состояния не учитывается.

На основе феноменологической кинетики можно предложить следующую зависимость для скорости изменения технологических свойств зерна;

= bfb (7’,о, ф) где b - значение свойства,^- функция температуры зерна 1\ и относительной влажности воздуха ф, связанной с влажностью зерна уравнением изотермы сорбции.

Считая зерновую массу непрерывной изотропной средой, пренебрегая распределением температуры и влажности внутри отдельных зерен вследствие их малого размера и изменением температуры воздуха при изменении давления, теплоперенос в воздухе и плотном слое зерна опишем уравнениями [1]:

8рсН

jiosfäviqü- 5т

[ —+ F(Vr)| = V(eJfcV7’) + ß +

(2)

•’-* +*c„<r, -п

0-s)p

О T

-mbH + v/f(A „v(T-T:i

/ J2VU5 W

(3)

где(2 = £? (¿,7\о,ф)-тепловыделение; а/£ (г/, г)(Т- 7у-теплооб-мен воздуха с зерном по закону Ньютона; й - характерный размер зерна; /2 (й, е) - известная функция; - теплоемкость паров воды;

ДЯ - скрытая теплота парообразования.

В уравнении влагообмена для зерна помимо сорбции влаги из -----------------------------—

воздуха учитывается ковдуктивный вла-

гоперенос.

. ■ ВЫВОД

Предлагаемая система уравнений с соответствующими граничными и начальными условиями позволяет определить изменение во времени полей влагосо-держания и температуры зерна, гигротермические параметры воздуха межзернового пространства, прогнозировать характер изменения технологических признаков качества зерна в процессе отволаживания зерновой массы, а также дает возможность определить момент времени, в который технологические признаки качества зерна будут оптимальными. ,•

ЛИТЕРАТУРА

1. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопе-реноса. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

Кафедра автоматизации производственных процессов

I1потупила 29.06.04 г.

" " -* .......< ;■ ;'Ол

_ ; .. ^ ^ . 664.73.05.002.2

ДИНАМИКА ДВИЖЕНИЯ СЕМЯНОК ПО РАБОЧИМ ЛОПАТКАМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ РУШКИ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИЗНОСА >

В.В. ДЕРЕВЕНКО, И.П. ВЫРОДОВ, С.Д. ЗАПОРОЖЧЕНКО

Кубанский государственный технологический университет

Обрушивание подсолнечных семян методом однократного удара, реализованного в центробежной руш-ке (ЦБР), является наиболее эффективным способом разрушения плодовой оболочки при минимальном ее обмасливании [1]. Особое значение это имеет при переработке современных сортов семян подсолнечника, в том числе гибридных, плодовая оболочка и ядро которых практически срослись. Известны различные конструкции ЦБР с прямолинейными рабочими лопатками - А1-МЦП [2], типа МРЦ-5 [3, 4], А1-МРЦ [5] и ЦБР с криволинейным профилем лопатки ротора [6]. В ЦБР типа А1 -МЦП установлены прямолинейные радиальные лопатки, которые выполнены из керамики.

В процессе эксплуатации при попадании на них минеральных или ферромагнитных примесей происходит разрушение керамических лопаток. Поэтому для надежной эксплуатации ЦБР необходима тщательная очистка поступающих семян от различных примесей, что практически невозможно, так как равновеликие с семенами неорганические примеси будут в любом случае попадать в семенную массу.

В ЦБР с криволинейными лопатками, загнутыми назад, при работе происходит преждевременный отрыв семянки под действием аэродинамической силы от выпуклой поверхности лопатки, что ухудшает эффективность обрушивания.

Центробежные рушки МРЦ-5 и А1-МРЦ имеют прямолинейные стальные износоустойчивые лопатки, что позволяет увеличить срок их эксплуатации. Одна-