CC BY
20
OBOLENSKII NIKOLAI VASIL'EVICH - the doctor of technical sciences, the professor of chair of mechanics and agricultural cars, the Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (obolenskinv@mail.ru).
ДАНИЛОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ - старший преподаватель кафедры механики и сельскохозяйственных машин, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княгинино, (danilovdy@mail.ru).
DANILOV DMITRII YUR'EVICH - the senior teacher of chair of mechanics and agricultural cars, the Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (danilovdy@mail.ru).
МУСТАФИН ШАМИЛЬ ХУСЯИНОВИЧ - кандидат сельскохозяйственных наук, профессор кафедры технологии хранения и переработки с.-х. продукции, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, Нижний Новгород, (mustafinsh@mail.ru).
MUSTAFIN SHAMIL KHUSYAINOVICH - the candidate of agricultural sciences, the professor of chair of technology of storage and processing of agricultural production, the Nizhniy Novgorod state agricultural academy, Russia, Nizhniy Novgorod, (mustafinsh@mail.ru).
УДК 621.3
Н. В. ОБОЛЕНСКИЙ, Д. Ю. ДАНИЛОВ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ КАССЕТНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА
Ключевые слова: конструкционно-технологические параметры; теплофизические параметры; подача вентилятора; пропускная способность; затраты энергии.
© Оболенский Н. В., Данилов Д. Ю.
Аннотация. Создано кассетное устройство для обеспечения кондиционной влажности зерна: предложены уравнения для расчета: мощности, требуемой для тепловой обработки зерна и удельного расхода электроэнергии на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна.
Характер протекания процесса тепловой обработки зерна определяется, прежде всего, механизмом перемещения влаги внутри зерна, энергетикой испарения и механизмом перемещения влаги с поверхности зерна в окружающую среду через так называемый пограничный слой, расположенный у поверхности зерна, а также конструкционно-технологической схемой и конструкцией устройства для тепловой обработки зерна.
Конструкционно-технологическая схема устройства заявлена как полезная модель (заявка № 2011139529, по которой получено положительное решение от 13.01.2012 г. о выдаче патента на полезную модель).
Сущность конструкции устройства в целом поясняется рис. 1.
Устройство содержит: теплогенератор 1, в котором установлены ТЭН 2, преобразующие электрическую энергию в тепловую; загрузочный бункер 3 с заслонкой 4; вентилятор 5 с заслонкой 6, воздуховод 7 с расположенными в нём турбулизатором 8, термодатчиками 9, вырезом 10 для установки кассеты 11 и вырезом 12 с раскрывающимися створками 13 для разгрузки кассеты 11. Устройство оснащено щитом управления с электросчетчиком, вольтметром, амперметром и ваттметром. Кассета 11, представляющая собой металлический короб, у которого передняя и задняя стенки выполнены в виде сетки, вверху расположено загрузочное, а внизу - разгрузочное отверстия. Толщина зернового слоя в кассете - 150 мм. В кассете предусмотрена также возможность установки одной или двух
перегородок с целью варьирования толщины слоя зерна: 50, 100 и 150 мм. Заслонка, установленная в кожухе вентилятора, позволяет изменять расход воздуха. Температура нагретого воздуха контролируется с помощью термодатчиков, установленных перед кассетой с зерном.
Рисунок 1 - Чертеж устройства для тепловой обработки зерна:
1 - теплогенератор; 2 - ТЭН; 3 - бункер; 4 - заслонка;
5 - вентилятор; 6 - заслонка; 7 - воздуховод; 8 - турбули-затор; 9 - термодатчик; 10 - вырез для установки кассеты;
11 - кассета; 12 - раскрывающиеся створки
Устройство обеспечивает такие режимы работы, при которых достигается наибольшая производительность, минимальные энерго- и трудозатраты, а также соблюдение
63
технологических и экологических требований, требований по безопасности работы и др.
Для обеспечения заданного режима работы, эксплуатационных и технологических требований сушки зерна устройство снабжено: узлом загрузки, генератором теплоты, теплоотдающими элементами (ТЭН), узлами отвода образовавшейся влаги и подвода сухого воздуха, узлами выгрузки, управления и контроля режимами тепловой обработки.
Для нормального протекания процесса тепловой обработки (прогрева, сушки, прокаливания и т. д.) устройством обеспечивается: равномерный подвод теплоты ко всей площади слоя зерна, подвергающегося тепловой обработке; постоянный отвод образующейся на поверхности зерна влаги (т. е. постоянный подвод сухого и отвод влажного воздуха). Биологические особенности зерна определяют его максимальную температуру нагрева и максимальный влаго-съём. Выполнение этих требований (условий) напрямую связано с параметрами установки: в первую очередь с параметрами теплоотдающих элементов, которые определенным образом характеризуют источник теплоты и определяют его режимы работы: температуру, потребляемую мощность и др.; характером распределения температуры по объему зернового слоя, толщиной зернового слоя, расходом агента сушки и т. д. Помимо этого в процессе сушки учитывается состояние окружающей среды: температура и влажность.
Процесс сушки определяется большой совокупностью разнообразных факторов, каждый из которых прямо или косвенно влияет на эффективность работы зерносушилки в целом.
Устройство позволяет исследовать электропотребление при тепловой обработке зерна в двух режимах: в неподвижном и подвижном слоях зерна. В первом случае устройство работает следующим образом. Предварительно отмеряют количество зерна, равное объёму кассеты, и
взвешивают. Загрузочный бункер 3 засыпают зерном, открывают заслонку 4 и заполняют кассету 11. Включают под напряжение ТЭН 2 и вентилятор 5. Нагнетаемый вентилятором воздух турбулизуется и прокачивается через слой зерна, находящегося в кассете. Регулировка расхода воздуха осуществляется заслонкой 6. Контактируя с нагретым воздухом, зерно нагревается и теряет излишки влаги. Спустя определенное время (экспозиция сушки) открывают створки 1, подсушенное зерно самотёком высыпается из кассеты и взвешивается. В процессе сушки замеряется её время и мощность, потреблённая ТЭН теплогенератора и вентилятором. Для создания подвижного режима сушки слоя зерна приоткрывают заслонку 4 и створки 13, и оно начинает истекать из кассеты в процессе сушки. Осуществляются те же замеры: потребляемой мощности с помощью ваттметра, а также с помощью амперметра и вольтметра; времени нагрева воздуха до заданной температуры с помощью термодатчиков и секундомера; экспозиции сушки в неподвижном режиме с помощью секундомера; времени истечения зерна через кассету в подвижном режиме также с помощью секундомера; расход электроэнергии на нагрев воздуха до заданной температуры и его прокачку с помощью электро-счетчика.
Кассетное устройство для тепловой обработки зерна в отличие от аналога [1] основано на применении только конвективного способа передачи теплоты зерну от нагретого воздуха, прокачиваемого через кассету.
Поступающее в устройство влажное зерно, независимо от конструкции сушильного устройства, обладает параметрами, приведёнными в [2].
Процесс тепломассообмена в кассетном устройстве аналогичен процессу в аналоге, т. е. протекает по аналогичным законам, в соответствии с которыми происходит перемещение влаги внутри зерна, парообразование и пе-
ремещение влаги с поверхности зерна в окружающую среду.
Эффективная работа кассетного устройства обеспечивается так же, как и аналога при постоянном отводе из него водяных паров, испаряемых из обрабатываемого зерна, т. е. в нашем случае применимы математические выкладки работы [2].
Пропускная способность кассетного устройства определяется свойствами и массой обрабатываемого зерна, параметрами кассеты и скоростью сушки. На пропускную способность устройства влияют температурный режим обработки зерна и требования, предъявляемые к качеству готового продукта.
Мощность, требуемая на процесс тепловой обработки зерна в устройстве-аналоге определяется по уравнению:
N = к +
п 4рТ I
і т г Т нэ
к
+
+ к.
(1)
СеРЬе ({еЬх - )
ЛгЛмЛп Л
где к[ - коэффициент запаса мощности;
Л0 - мощность на валу шнека, Вт;
Лт - КПД трансмиссии;
иф - фазное напряжение, В; ёнэ - диаметр нагревательного элемента, м; рТ - удельное электрическое сопротивление материала нагревательного элемента, Ом-м;
1нэ - длина нагревательного элемента, м;
Ьв - подача вентилятора, м3/с;
V - скорость воздуха, м/с;
Б - внутренний диаметр кожуха устройства, м; йв - диаметр вала шнека, м;
1к - длина кожуха устройства, м;
Яе - число Рейнольдса;
Хм - приведенный коэффициент местных сопротивлений; Нк - потери давления в теплогенераторе, Па;
Лг - гидравлический (аэродинамический) КПД вентилятора;
Лм — механический КПД вентилятора;
Лп — КПД привода вентилятора;
св — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С);
Ъых — температура воздуха на выходе из теплогенератора, °С;
в — температура воздуха на входе в теплогенератор, °С;
Л — КПД теплогенератора.
В кассетном устройстве отсутствует шнек и, как следствие, отсутствует необходимость затраты электроэнергии на его вращение. Кроме того, в кассетном устройстве нет необходимости нагревать корпус и, как следствие, нет необходимости в специальном электронагревателе. В связи со сказанном в уравнении (1) опускаются 1 и 2 слагаемые и оно приобретает вид:
где Бэ - диаметр сечения кожуха эквивалентного прямоугольному, определяемый по формуле, м [3]:
где Ь - ширина живого сечения теплогенератора, м; к - высота живого сечения теплогенератора, м;
В работе [2] дано определение удельных затрат энергии в Вт-ч/кг, выраженное уравнением:
CвPLв (1вьх — 1вх) (2)
Л ’
(3)
qуд = N/Q .
(4)
Однако в приведённом определении отсутствует сущность сушки зерна - уменьшение процента его влажности.
Удельный расход электроэнергии (Жуд) на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна, Вт ч/кг % более верно определять по формуле:
IV
<5>
где W - количество электроэнергии, израсходованной на сушку зерна и прокачку воздуха, Вт-ч;
GЗ - масса просушенного зерна, кг;
_. - - разница влажности зерна до и после сушки, %, определяемая по уравнению:
Дю ювх - ^вых , (6)
где ювх - влажность зерна до сушки, %; ювых - влажность зерна после сушки, %,
Таким образом, в настоящее время: создано кассетное устройство для обеспечения кондиционной влажности зерна: предложены уравнения для расчета: мощности, требуемой для тепловой обработки зерна и удельного расхода электроэнергии (№уд) на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна. Как следствие, начаты экспериментальная проверка функциональности устройства и работоспособности предложенных уравнений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ № 96466. (Заявка: 2010105279/22). Устройство для сушки зерна / Курдюмов В. И., Павлушин А. А., Сутягин С. А. Опубл.: 10. 08. 2010. Бюл. № 22. 2 с.
2. Зозуля И. Н. Обоснование параметров и режимов
работы энергосберегающего устройства для тепловой обработки зерна: Диссертация на соискание уч.степ. к.т.н.
Ульяновск: УГСХА. 2010. 230 с.
3. Оболенский Н. В. Электронагрев в сельскохозяйственных обрабатывающих и перерабатывающих производствах / Монография. Н.Новгород: НГСХА. 2007, 350 с.
THEORETICAL PRECONDITIONS OF CREATION OF THE CASSETTE ARRANGEMENT FOR THERMAL PROCESSING OF GRAIN
Keywords: constructional-technological parameters; heatphysical parameters; supply of the fan; throughput; expenses of energy.
Annotation. The cassette arrangement for maintenance conditional humidity of grain is created: the equations for calculation of the capacity required for thermal processing of grain and specific expense of the electric power on removal 1 % of moisture from 1 kg of grain are offered.
ОБОЛЕНСКИЙ НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры механики и сельскохозяйственных машин, Нижегородский государственный инженерноэкономический институт, Россия, Княгинино, (obolenskinv@mail.ru).
OBOLENSKII NIKOLAI VASIL'EVICH - the doctor of technical sciences, the professor of chair of mechanics and agricultural cars, the Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (obolenskinv@mail.ru).
ДАНИЛОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ - старший преподаватель кафедры механики и сельскохозяйственных машин, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княгинино, (danilovdy@mail.ru).
DANILOV DMITRII YUR'EVICH - the senior teacher of chair of mechanics and agricultural cars, the Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (danilovdy@mail.ru).
