CC BY
34
Б и бл и о г р а фи ч ес к и й сп и со к
1 . Па те н т RU 82984 . Со ш н и к / В .И . Ку р -дюмо в, Е . С. Зы ки н, И . В . Б и р ю ко в; О публ .
20.05 . 2009 г. Б юл . N 9 14 .
2 . Па те н т RU 82985 . Со ш н и к / В .И . Ку р -дюмо в, Е . С. 3ы1 ки н, И . В . Б и р ю ко в; О публ .
20.05 . 2009 г. Б юл . N 9 14 .
3 . Па те н т RU 84663 . Со ш н и к / В .И . Ку р -дюмо в, Е . С. 3ы1 ки н, И . В . Б и р ю ко в; О публ . 20.07. 2009 г. Б юл . N9 20 .
4 . Па те н т RU N9 2399 189 . Со ш н и к / В . И . Ку рдю м о в, Е . С. 3 ы і к и н , И.В . Б и р ю ко в; О публ .
20.09. 20 10 г. Б юл . N9 2 6.
5 . Па те н т RU N9 2408 180 . Со ш н и к / В . И . Ку рдю м о в, Е . С. 3 ы к и н , И.В . Б и р ю ко в; О публ .
1 0 . 0 1 . 20 1 1 г. Б юл . N 9 1 .
6 . Па те н т RU N9 100872 . Ко м б и н и р о-в а н н ы і й с о ш н и к / В . И . Ку рд ю м о в, Е . С . 3 ы і к и н , И . В . Б и р ю ко в ; О п убл . 1 0 . 0 1 . 2 0 1 1 г. Б юл . N 9 1 .
7 . Гре б н е вая техн ол о гия и ком пл е кс машин для возделывания кукурузы на сил ос / Н . С. Ка б а ко в, В .М. Ба л а ш о в, В . И . Та р а -то н е н ко и д р . - М. : ВИМ, 1990. - 28 с .
УДК 631:362.7
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ КОНТАКТНОГО СПОСОБА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ ПРИ СУШКЕ ЗЕРНА
Ку рдю м о в Вл а д и м и р И в ан о в и ч, д о кт ор т ехн и ч е ских н аук, пр о ф е ссор, з а в е д у-ю щ и й ка ф е др о й « Без о п асн о ст ь ж изн е д ея т ел ь н о ст и и э н ер ге т и ка »
Па вл у ш и н Ан д р е й Ал е кс а н д р о в и ч, ка н д и д а т т ехн и ч е ских н аук, д о и е н т ка ф е -др ы «< Без о п а сн о ст ь ж из н е д ея т ел ь н о ст и и э н ер ге т и ка »;
ФГБОУ ВПО «< Ул ья н о в ская го суд ар ст в е н н ая сел ь скохозя йст в е н н ая а ка д ем ия » 432063, г. Ул ья н о в ск, Бул ь в ар Но в Ы1 й Ве н е и, 1 Тел.89084788926; Е-таИ: andrejpavlu@уапЬех.ги
Кл юч е в ы е сло ва : т еор ия экспер имен т а, т епло вая о бр а бот ка, ко нт акт н Ы1 й сп о со б п ер е д а ч и т е пл о т ы1, р еж им н Ы1 е п ар ам е тр Ы1 пр о и е сса суш ки, по в ерхн о ст и о т -клика, уровни варьирования.
Рассмо тр ена возможн о ст ь и спользован ия кон т акт ного спо со ба пер еда ч и т епло т Ы1 пр и сушке зер н а. Вы/явлен Ы1 пут и реал изаи и и д анн ого сп осо ба пер еда ч и т е пл о т Ы1. Пр е дложе н а уст а н о в ка ко н т а кт н о го т и п а для суш ки зер н а. Пр и в е д ен Ы1
о сн о в н Ы1 е т е ор е т и ч е ски е з а в и сим о ст и п о о пр е д ел е н и ю р еж им н ы/х п ар ам е тр о в пр о -и е сса суш ки з ер н а. Оп и са н а м е т о д и ка и ссл е д о в а н и й пр о и е сса суш ки з ер н а в пр е дл о -женной установке и представлены результаты экспериментов.
Воз м ож н ост ь и с п ол ьзо ва н ия ко н та кт-ного нагрева для сушки зерна подтверж-де на рядо м иссл едо ва н и й [2] . В ка честве нагретой поверхности могут быть использованы трубы, обогреваемые паром, горячей водо й, эл е ктр и ч е ст во м ил и га зо м . С ко р ость контактной сушки зависит от температуры греющей поверхности и толщины зернового сл оя . Ко н та ктн ую су ш ку и с п ол ьзу ют н а мукомольных и крупяных заводах, главным
образом, для подогрева зерна и небольшого снижения влажности при подготовке его к п е ре ра б отке [ 3 ] . П р и и с п ол ьзо ва н и и в ы сокопроизводительных установок контактная су ш ка в ч и сто м в и де н е э ф фе кт и в н а . Од н а ко при переработке небольших партий зерна ее можно использовать гораздо шире и на более высоком энергетическом уровне.
На м и п редл оже н а уста н о в ка ко н та кт-ного типа для сушки зерна (рис. 1), которая
чения в тексте)
состоит из цилиндрического составного кожуха 1, покрытого слоем теплоизолирующего материала 2, загрузочного бункера 3, выгрузного окна 4, соосно установленного внутри кожуха с возможностью вращения транспортирующего рабочего органа 5, выполненного в виде шнека с перфорированными витками, а также охлаждающего устройства, включающего вентилятор 6 и воздуховод 7, соединённый с внутренней полостью кожуха 1 за выгрузным окном 4 [4, 5].
Тра н с п о рти рую щи й ра боч и й о р га н 5
получает привод от электродвигателя 8 через вариатор 9 посредством передачи 10. То р це вая п о в е рх н ость кожуха 1 со сто р о н ы загрузочного бункера 3 выполнена с отвер-сти я м и 1 1 . На в н е ш н е й п о ве рх н о сти кожуха
1 под слоем теплоизолирующего материала
2 между загрузочным бункером 3 и выгрузным окном 4 размещены нагревательные эл е м е н т ы I 1 2 . Со ста в н ы1 е ч а сти кожуха 1 р а з-делены между собой кольцами 13, причем отдельным нагревательным элементом 12 снабжена каждая из частей кожуха 1.
Тео рети ч еское и ссл едо ва н и е и мел о цель установить количественные и качественные связи между параметрами, изменяющимися в процессе тепловой обработки и параметрами разрабатываемой установки.
Те м п е р ату ру и вл а госоде ржа н и е в ы су-
шиваемого зерна определяют по процессам подвода и отвода теплоты и влаги с поверх-
ности зерна в окружающую среду. При этом для определения времени сушки необходимо решить систему дифференциальных уравнений массо- и теплопере-носа при соответствующих граничных условиях. Согласно закону сохранения энергии, вся теплота, подведенная к зерну, затрачивается на испарение влаги, нагрев зерна и некоторых элементов установки.
Кол и ч ество те пл оты,
Дж/с, затр а ч и в а е мое н а и с п а -
рение влаги,
сітЕ
йт
= г
твл сїсо 100 йт
где г - удельная теплота испарения вл а ги, Дж/кг тв - ма сса вл а ги , соде ржа-ще й ся во вл а ж н о м з е р н е, к г; т э кс п оз и ц и я су ш к и , с; т вл - ма сса вл а ж н о го з е р н а , к г, ; ы = 1 00т в/т вл - вл а ж н о ст ь з е р н а , % ; р - н а -с Ы1 п н а я пл отн о сть вл а ж н о го зе р н а , к г/м3; V -объем, занимаемый влажным зерном, м3.
Кол и ч е ств о те пл оты1, Дж/с, н е о бход и -мое для нагревания зерна,
где с = с (1 - х) + с х - те п л о е м ко ст ь
^ вл О 1 7 в
вл а ж н о го з е р н а , Дж/ ( к г • К ) ; св - удел ь н ы і е теплоемкости соответственно абсолютно сухо го з е р н а и вл а г и , Дж/ ( к г • К ) ; х - м а сс о в а я дол я вл а ги в зе р н е, ґ - те м п е р атура гре ю-ще й п о в е р х н о ст и уста н о в к и , ° С .
Кол и ч е ств о те пл оты , Дж/с, затр а ч и ва -емое на нагрев элементов установки,
п =
Уусг Ст
-усттуст
где ссм - сум м а р н а я те п л о е м кость ма -те р и ал о в эл еме нто в уста н о в к и, Дж/( кг^ К); т ш - м а сс а н а г р е в а е м ы і х эл е м е н то в уста н о в -
ки, кг.
Су м м а р н о е кол и ч е ст в о те п л оты і , Дж/с, затраченное на нагрев элементов установки, зерна и испарение влаги из него, равно количеству подведенной теплоты в единицу
времени от поверхности нагрева:
Q
сумм
= KAtF
где К - коэфф и ци е н т те пл о п е реда ч и, Вт/( м 2 • К ) ; At - те м п е ра ту р н ы й г ра ди е н т, К; F - п л о ща д ь г р е ю ще й п о в е рх н о ст и , м 2 .
П р и в ы ч и сл е н иях п р и н и м а е м, ч то ко н -
w Г"
ще ст вл я е тся п о в с е й е е п л о ща д и F.
Ма сса вла ги, удаля емо й из зе р н а в единицу времени, кг/с,
}
dC
d-т
V
где С - о бъ е м н ая ко нце н т р а ц и я вл а г и в
Ма сса вл а ги, уда ля е м о й со с во бодн о й поверхности зерна, кг/с,
/сп = /?(с - Ср)5
/
где W - ко эфф и ци е нт м а ссо п е реда ч и, м/с; Ср - ра в н о ве с н ая ко нце н тра ц ия вл а ги в з е р н е, к г/м 3 ; S - п л о ща д ь с в о б одн о й п о в е рх-
Коэффициент теплопередачи
К = —---------------г
■+Е^гт+
а-
тепл
я*
где а и а - с оответстве н но коэфф и -
^ тепл м т т
вл а ж н о го м а те р и а л а , Вт/( м 2 • К ) ; !гст - сум м а те р м и ч ес к и х с о п р от и вл е н и й , м 2 • К/Вт.
На ос н о ве ре ш е н ия за да ч и о к ра тко-в ре м е н но м ко нта кте б е з уч ета м а сс о п е ре -
определить по формуле [1]:
где X - ко э ф ф и ц и е н т те п л о п р о в од н ост и вл а ж н о го м а те р и а л а , Вт/( м • К ) ; ам - с редн и й ко э фф и ц и е н т те п л о отда ч и з а в р е м я т от н а-
ст ь ю, Вт/( м 2 • К ) .
В иссл едуемо й го р изо нтал ьн о й уста -н о в ке для суш к и зе р н а вел и ч и н а т п р ед-
ср
точ к и, ра с п ол оже н но й н а н а руж н о й п о ве рх-н ости в итка ш н е ка , ч е ре з да н ную точ ку гре -
В ко Н еч Н О м ито ге, п осл е п ро веде Н НЫ1 х дена к следующему виду:
dt ^ dr 100
dW
Сует ^4’CT
СвЛ"*-
m.
, +cycTm}.rr\ dr
\ ВЛ ГЛнгт J
атепл
+Y, rCT +
о cp
где W, W[j - с о от в е тст в е н но вл а ж н о ст ь р и а л а , % .
Цел ь ю э кс пе р и ме нтал ьн ых и сследо-режи м н ых па ра метро в п редложе н но го
зя й ст в . Мате р и ал о м для и ссл едо ва н ия слу-ж ил о зе р н о п ш е н и ц ы I с о рта « К и н ел ьс ка я Л 503».
Исследования влияния исходной
уравнением:
Y = 40,2068 - 4,2648* - 0,0651л:2
/
где Y - и сход н ая вл а ж н о ст ь з е р н а, % ; х - ра зо в ы I й вл а госъё м, % .
Ко р реля цио н ное отно ше н ие R для да н но го у р а в н е н ия р а в н о 0,958.
Сн иже ние вла госъё ма п р и увел иче-
су. Это с вя за н о с те м, что в зе р н е с бол ь ш е й
э н е р г и и . Та к ка к и ссл едо ва н ия п о вл ия ни ю
Та бл и ца 1
Уро в н и в а р ьи р о в а н ия н еза в и с и м ы х фа кто р о в
Уро в н и ва р ь и ро ва н ия Ва р ь и руе м ы е фа кто р ы
С р ед н я я те м п е р а ту р а г р е -ю ще й п о в е рх н о с т и t, -С скорость движе-н ия зе р н а Уз, м/с скорость движения в о здуха Ув , м /с
ве рхн и й (+1 ) 70 0,034 7,6
основной (0) 60 0,0205 3,8
нижний (-1) 50 0,007 0
интервал варьирован и я , Дх. ' 1 10 0,0135 3,8
та, следовательно, в этом случае получали м е н ь ш и й вл а го съ ё м . На п р от и в, з е р н о с н и з -кой исходной влажностью (и меньшей массой) эффективнее нагревалось, и влагосъём в этом случае возрастал.
Ап р ио р н ое и сследо ва н ие фа кто ро в, влияющих на исходные параметры процесса сушки, позволило выделить три управляемых фактора: среднюю температуру грею-ще й п о ве рх н о сти t (х1 ), с ко рост ь дв иже н и я зе р н а vз (х2 ), с ко рост ь дв иже н ия воздуха V
(х 3 ) .
На ос н о ва н и и ра н е е в ы п ол н е н н ых и с-следований процесса сушки, результатов поисковых опытов, а такие исходя из конструктивных соображений, нами приняты пределы варьирования основных независимых факторов процесса сушки (таб. 1).
В ка ч естве кр ите р ия о пти м иза ци и нами были приняты удельные затраты теп л от ь I н а 1 к г и с п а р е н н о й вл а г и q, кДж/ к г.
После об ра ботки резул ьтато в п ро ведённых опытов по сушке зерна пшеницы, в случае, когда направление движение воздуха совпадало с направлением движения зерна в установке (прямоток), было получено следующее уравнение регрессии в кодированных значениях факторов для случая, ко гда х1 = 0 ( с редн яя те м п е р атур а гре ю ще й поверхности):
У = 3103,89 + 88,51*2 + 69,93х3 — 234,91*2 +
; + З9,51х2х3 + 158,47*1 /^\
где У - удел ь н ы е за тра ты э н е р г и и н а и с п а ре н и е вл а ги, кДж/к г; х2 - с ко ро сть дв и -же н ия воздуха ; хз - с редняя те м пе ратура греющей поверхности.
П ро ведём а н ал из получе н н о го ура в-нения с закодированными величинами фак-
то р о в . П р и это м в п ол уч е н н о й м а те м а ти ч е -ской модели определим центр поверхности отклика, для чего найдем частные производные по каждому фактору, и приравняем п олуч е н н ы е в ы р аже н ия н ул ю . По сл е это го проведем каноническое преобразование моделей второго порядка и выполним графоаналитический анализ полученных вы-ра же н и й . На г ра ф и ке в коо рди н а та х н е за в и -симых переменных с натуральным масшта-
б о м н а н е се м це н тр (то ч ку 5) п о ве рх н осте й отклика, и из него проведем координатные оси главных направлений канонических у ра в н е н и й . Посл е это го, п р ида ва я р а зл и ч -ные значения критерию оптимизации в канонических уравнениях, построим серии кривых равного выхода (изолиний) в области допустимых значений варьирования н е за в и с и м ых п е ре м е н н ы х. По к р и в ы м се -чений можно судить об изменении величины критерия оптимизации в зависимости от значений независимых факторов.
Та к, дл я н а ш е го с л уч а я п о сл е п р е о б р а -зований и необходимых расчётов получаем следующий вид двухмерного сечения (рис. 3).
Р и су н о к п о ка з ы ва ет, что удел ь н ы е за -т ра ты э н е р г и и в точ ке S (л о ка л ь н ы й м и н и -мум ) У, = 3 10 2, 8 кДж/( к г вл а ги ) дост и га ются при скорости движения воздуха 5,4 м/с и средней температуре греющей поверхности 5 7, 6 ^C .
А н а л о ги ч н о б ыл п ро ведё н а н а л и з м а -тематических моделей, полученных при варьировании уровней каждой пары факторов
( х 1 - х2 ; х1 - хз ) .
В ре зул ьта те а н а л и з а п ол уч е н н ых ре -зультатов выявлено, что удельные затраты теплоты на испарение из зерна пшеницы вл а ги п р и п ря м ото ке с н ижа ются до qm.n =
ВЛЯГОСЪСМ Лм. °0
Ри с . 2 . За в и с и м о ст ь вл а го съём а от и сходн о й вл аж н о-
сти зерна
Р и с . З . Двухмер н о е сеч е н и е п о в ерхн ост и от кл и ка , ха -рактеризующей удельные затраты теплоты на испарение вл а г и , кДж/ к г
3042 кДж/к г п р и с ко рост и дв иже н ия зе р н а Узо пт = 0,0035 м/с и с р ед н е й те м п е р а ту р е п о в е рх н о ст и кожуха ґп о пт = 6 1, 8 9С . Од н а ко полученный минимум энергозатрат соответствует неприемлемым режимам процесс а , та к ка к п р и vз опт = 0,0035 м/с п р о п ус к н а я способность установки не превышает 90 кг/ч, что экономически нецелесообразно. Поэто му ра цио н ал ь н ы м и удел ь н ы м и за -тратами теплоты будем считать такие, при которых пропускная способность установки максимальна, а разовый влагосъём - не м е н е е 2% . Это усл о в и е в ы п ол н я ется п р и vз
а = 0,033 м/с и с р ед н е й те м п е -
РаЦ чу
ра ту ре г ре ю ще й п о ве рх н ост и ґп = 5 8 9С. Пр и этих реж и м н ых параметрах удельные затраты теплоты на испарение из зер-н а п ш е н и цы вл а ги q = 3 10 2, 8 кДж/ к г п р и п р о п ус к н о й с п о с о б -ности установки 250 кг/ч.
Та к и м о б р а зо м, в р е зул ь-тате теоретических исследований были установлены зависимости скорости сушки от входных параметров зерна (температуры, влажности) и параметров установки (температуры и площади греющей поверхности), на основании которых с помощью экспериментальных исследований определены рациональные режимные параметры процесса сушки зерна пшеницы.
П ро ведё н н ые э кс пе р и-
менты показали эффективность предложенной установки контактного типа при сушке зе р н а п ш е н и цы . Удел ь н ы е за -траты энергии на испарение влаги у предлагаемой установки о ка зал ис ь н а 1, 7 МДж/кг меньше по сравнению с серийно выпускаемой установкой СЗПБ-2, 5 .
Б и бл и о г р а ф и ч е с к и й с п и со к
1 . К р и ш е р О . На уч н ы е ос -н о в ь і те х н и к и су ш к и . - М. : Изд-в о и н о ст р . л и т. , 1961. - 5 39 с .
2 . Л ы ко в А . В . Те о р ия п е -реноса энергии и вещества / А . В . Л ы ко в, Ю . А . М иха йл о в . -
Ми н с к : Изд- в о А ка д . На у к БССР, 1954 . - 357с .
3 . Ма л и н Н . И . С п ра воч н и к п о су ш ке зе р н а . - М . : А гро п ро м и здат, 1987. - 3 16с .
4 . Па те н т РФ N о 2 32 3580 . Устр о й ство дл я су ш к и зе р н а / В . И . Ку рдю м о в, Г. В . Ка р-п е н ко, А . А . Па влу ш и н ; О публ . 10 .05 . 2008 г. Б юл . N о 1 3 .
5 . Па те н т РФ N о 2371650. Устр о й ство для су ш к и зе р н а / В .И . Ку рдю м о в, А .А . Па в-луш и н, И . Н . Зозуля; О публ . 27 . 10. 2009 г. Б юл . Nо 30 .
