ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК632.08

ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН

НЕФЕДОВ Борис Александрович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры управления, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, b.a.nefedof@ mail.ru

ПОЛИЩУК Светлана Дмитриевна, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры лесного дела, агрохимии и экологии, [email protected]

УГЛАНОВ Михаил Борисович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка

КОСТЕНКО Михаил Юрьевич, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта машин, [email protected]

ТЕТЕРИНА Ольга Анатольевна, магистрант, [email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Эффективность предпосевной аэрозольной обработки семян зависит от равномерности подачи и времени воздействия. Теоретические исследования показали, что расход аэрозоля зависит от подачи семян, то есть определяется скоростью движения семян в смесительной камере. Следует также отметить, что эффективность обработки семян аэрозолем зависит от разности температур аэрозоля и семян. При обработке семян аэрозолем происходят тепло-массообменные процессы, в результате которых повышается температура обработанных семян, меняется их влажность, а также изменяются параметры аэрозоля. На основании полученных рациональных параметров установки - углов наклона полок, производительности подачи семян - проводился эксперимент по исследованию потока аэрозоля гуматов внутри смесительной камеры. Зерно сорта «Биос-1» подавалось сверху смесительной камеры установки, на которой был смонтирован генератор горячего тумана марки BF -150, осуществляющий подачу аэрозоля гуматов. В процессе исследований изучалась скорость потоков и их температура, определялась температура и влажность смеси аэрозоля и воздуха на различных участках смесительной камеры. Для установления рациональных режимов обработки зерна варьировались концентрация рабочего раствора, температура аэрозоля генератора горячего тумана. Рекомендуемые параметры всей установки окончательно устанавливались с учетом климатических условий, свойств зерна и времени обработки. В качестве критерия оптимизации исследовались температура и влажность зерна на выходе из смесительной камеры. В результате экспериментов установлено, что эффективность обработки аэрозолем в большей степени зависит от расхода рабочего раствора.

Ключевые слова: аэрозольная обработка, гуматы, семена, зерно, генератор горячего тумана, аэрозоль гуматов, стимуляторы роста.

Введение

Эффективность предпосевной обработки семян зависит от равномерности распределения защитно-стимулирующих веществ. Равномерность обеспечивается подачей зерна и дисперсностью аэрозоля защитно-стимулирующих веществ. В процессе движения зерна в смесительной камере происходит многократно повторяющийся процесс движения зерна по наклонной полке, свободного полёта, упругого удара о следующую полку и движения зерна по наклонной полке. Значительное влияние на осаждение защитно-стимулирующих веществ на поверхности семян оказывают параметры аэрозоля. При обработке семян аэрозолем происходят тепло-массообменные процессы, в результате которых повышается температура обработанных семян, меняется их влажность, а так-

же изменяются параметры аэрозоля [1,2].

Объекты и методы

Представим тепло-массообменный процесс в виде черного ящика (рис. 1). Входными параметрами процесса будут Уа1 - расход аэрозоля до обработки, м3/ч; Са1 - теплоемкость аэрозоля до обработки, кДж/кг; ^ - температура аэрозоля, °С; ра1 - плотность аэрозоля до обработки, кг/м3; Мз1 - расход зерна до обработки, кг/ч; Сз1 - теплоемкость зерна до обработки, кДж/кг; ^ - температура зерна до обработки, °С; из1 3 - влагосодержание зерна (семян) до обработки кг/кг; а выходными параметрами будут Уа2 - расход аэрозоля после обработки, м3/с; Са2 - теплоемкость аэрозоля после обработки, кДж/кг; - температура аэрозоля после обработки, °С; ра2 - плотность аэрозоля после обработки, кг/м3; М32 - расход зерна после

© Нефедов Б. А., Полищук С. Д., Угланов М. Ю., Костенко М. Ю., Тетерина О. А., 2017 г.

обработки, кг/ч; С32 - теплоемкость зерна после обработки, кДж/кг; ^ - температура зерна после обработки, °С; и32 -з влагосодержание зерна (семян) после обработки, кг/кг.

Рис. 1- Детерминированная модель процесса обработки семян защитно-стимулирующими веществами

Следует отметить, что в процессе обработки семян аэрозолем в смесительную камеру будет поступать атмосферный воздух, который будет смешиваться с аэрозолем, запишем уравнение баланса для определения.

Са0 ' РаО ' Ко ' ~ ^ао) ^вО ' РвО ' К/0 ~ = ' Ра\ " Кз1 (С/1 ~~ ^аО )

где Св0 - теплоемкость атмосферного воздуха, кДж;

рв0 - плотность атмосферного воздуха, кг/м3;

Vв0 - расход атмосферного воздуха, м3/ч;

Исходя из соотношения горячего тумана и атмосферного воздуха, параметры полученного аэрозоля определяем следующим отношением:

Ра1=Ра0+к-Рв0

(2)

где к- коэффициент, учитывающий поступление атмосферного воздуха.

Аналогично будет определяться объем полученного аэрозоля

у = у +к-У

¥ а\ ¥ аО ^ л ¥ вО

(3)

С учетом вышеприведенных формул, температура полученного аэрозоля определяется следующим вьюажением:

са0-Ра0-га0-^-^+св0-рв0-гвС (4)

' Ра\ ' Кз1

+ 1

а 0

Расход аэрозоля, с учетом нагрева семян, рассчитывается следующим образом

=

Мл ■ [(щ -щ)•(/,,-Г 2-/?|) + Сз2 • (Iз2-/„)]

Ра<СА-К1~Саг-Кг)

(5)

где Мз - расход зерна, кг/ч;

ia - энтальпия аэрозоля, кДж/кг. Количество теплоты, передаваемое аэрозолем семенам в смесительной камере, рассчитывается на основании уравнения теплообмена

0Г =а-Аз -А1.з

(6)

где Аз - площадь поверхности зерна, м2; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м3°С); Дtз - разность средних температур аэрозоля и семян, °С.

На основании приведенных зависимостей возможно оценить характеристики тепло-массооб-менного процесса, происходящего при обработке семян защитно-стимулирующим веществом. Представленные формулы справедливы для установившегося процесса. Анализ выражения (5) показал, что расход аэрозоля зависит от скорости движения семян в смесительной камере. Следует отметить, что эффективность обработки семян аэрозолем будет зависеть от разности температур аэрозоля и семян [1,3,4].

Экспериментальная часть

Обработка семян защитно-стимулирующими веществами производилась в хозяйствах Рязанской области: в Чучковском районе, с.Аладьино; в организации ООО «Церлево». Установка для предпосевной обработки семян защитно-стимулирующими веществами была смонтирована на току, подача семян осуществлялась с помощью специальных устройств. Зерно сорта «Биос-1» подавалось сверху смесительной камеры установки, которая изображена на рисунке 3. На 1/3 высоты смесительной камеры был смонтирован генератор горячего тумана марки BF -150, который осуществляет подачу аэрозоля гуматов.

С использованием полученных рациональных параметров установки: производительности подачи семян, углов наклона полок проводился эксперимент по исследованию потока аэрозоля гуматов внутри смесительной камеры, так как установка осуществляет влаготермическую обработку зерна [3,5]. В процессе исследований изучалась скорость потоков и их температура. Контроль параметров в смесительной камере осуществляли с помощью термоанемометра Юто LV 117, снятие термограмм - тепловизором RGKTL-80.

В процессе исследований определялись температура и влажность смеси аэрозоля и воздуха на различных участках смесительной камеры. Производительность подачи зерна и температура аэрозоля были обоснованы в процессе теоретических и лабораторных исследований. Рекомендованные рациональные параметры и режимы работ установки окончательно устанавливались с учетом климатических условий и свойств зерна во время обработки. В качестве критерия оптимизации исследовались температура и влажность зерна на выходе из смесительной камеры.

В процессе экспериментов определялся расход топлива, расход защитно-стимулирующих веществ, расход электроэнергии на привод транспортеров, а также производительность установки по зерну. Учитывая, что установка может работать в автономном режиме, был произведен хронометраж операций по обслуживанию и запуску установки для уточнения затрат труда при ее эксплуатации.

Для определения рациональных режимов обработки зерна варьировались концентрация рабочего раствора, температура аэрозоля [1,2], ис-

следовались климатические условия окружающей среды. Подача семян осуществлялась с помощью специального устройства сверху смесительной камеры установки, которая изображена на рисунке 2.

1

Рис. 2 - Общий вид установки для обработки семян защитно-стимулирующими веществами

Установка состоит из смесительной камеры и генератора горячего тумана. Генератор горячего тумана марки BF -150, смонтированный на 1/3 высоты смесительной камеры, осуществляет подачу аэрозоля защитно-стимулирующих веществ температурой 40-500 С. Обработанное зерно высыпалось на ток, а затем отгружалось с помощью транспортера в загрузчик ЗСК-10 на базе автомобиля ЗИЛ-432932/

г и

1 - сопло генератора горячего тумана; 2- располо-

жение полок в смесительной камере;

3 - зона наибольшего нагрева смесительной камеры

Рис.3 - Термограмма смесительной камеры установки для обработки семян стимуляторами роста, полученная тепловизором RGKTL-80

На момент испытаний температура окружающего воздуха составляла 120С, влажность воздуха 62%, начальная температура зерна 120С. Производительность по зерну составляла 10 т/час, подача топлива изменялась от 30-40 г/мин, расход раствора гуматов - от 0,4-0,6 л/мин, соотношение «Кормогумата АС» и воды в растворе составляло 1:10.

В качестве критерия оптимизации были приняты температура и скорость аэрозоля защитно-стимулирующих веществ на выходе из смесительной камеры. С помощью тепловизора RGKTL-80 была определена температура зерна после обработки, которая составляла 13-150С в зависимости от режимов работы генератора горячего тумана (рис. 4).

Результаты На основе полученных данных в программе STATISTICA_8 было рассчитано уравнение регрессии (7) для температуры аэрозоля, при этом коэффициент детерминации составил 0,85, а коэффициент корреляции - 0,92:

Уаг3=61,3056-152,5х+0,4833у+116,6667хх+0, 5ху+0,0067уу (7)

где Уаг 3 - температура аэрозоля на выходе из смесительной камеры;

х - расход топлива (бензина), г/мин; у - расход рабочего раствора, л/мин. Исходя из уравнения регрессии (7) был построен график зависимости температуры аэрозоля на выходе из смесительной камеры от расхода топлива и расхода рабочего раствора (рис. 4). Анализ коэффициентов уравнения регрессии показал, что расход рабочего раствора защитно-стимулирующих веществ имеет большую значимость по сравнению с расходом топлива. На графике зависимости температуры аэрозоля видно, что рациональное значение расхода рабочего раствора составляет около 0,58 л/мин, при расходе топлива 30 г/мин. Полученные рациональные значения параметров соответствуют условиям окружающей среды.

Рис. 4 - График зависимости температуры аэрозоля на выходе из смесительной камеры от расхода топлива и расхода рабочего раствора

Выводы

В результате экспериментов установлено, что эффективность обработки аэрозолем в большей степени зависит от расхода рабочего раствора. Установлено, что для сложившихся условий исследований рациональное значение расхода рабочего раствора составляет около 0,58 л/мин, при расходе топлива 30 г/мин, при этом температура поверхности обработанных семян повышается на 1-30С, до температуры 13-150С.

Список литературы

1. Исследование влияния параметров и режимов работы генератора горячего тумана на эффективность дезинфекции фургонов / В. С. Мельников, И. Н. Горячкина, М. Ю. Костенко [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал Куб-ГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2015. - №03(107). С. 419 - 432. - IDA [article ID]: 1071503029. - Режим доступа: http://ej.kubagro. ru/2015/03/pdf/29.pdf, 0,875 у.п.л.

2. Исследование топографии температурного поля облака генератора горячего тумана / М. Ю. Костенко, И. Н. Горячкина, В. С. Мельников, М. В.

Евсенина, Н. А. Костенко // Вестник РГАТУ. - 2015. - №3.- С. 65-69.

3. Пат. 142474 Российская Федерация, МПК А6^2/07. Установка для обработки рабочих поверхностей дезинфицирующим раствором с помощью водяного пара / Мельников В.С., Костенко М.Ю., Горячкина И.Н.; патентообладатель: Мельников В.С.. - №2014111358/15; заявл. 25.03.2014; опубл. 27.06.2014, бюл. №18.

4. Пат. 2554770 Российская Федерация, МПК А6^2/07. Способ обработки рабочих поверхностей дезинфицирующим раствором с помощью водяного пара и установка для его осуществления / Горячкина И.Н., Костенко М.Ю., Мельников В.С., Тетерин В.С., патентообладатель: Горячкина И.Н.. - №2014110969/15; заявл. 21.03.2014; опубл. 27.06.2015, бюл. №18.

5. Пат.158282 Российская Федерация, МПК А01С 1/08. Установка обработки корнеклубнеплодов растений перед посадкой или закладкой на хранение / Тетерин В.С., Соколов Д.О., Костенко М.Ю., Костенко Н.А., Горячкина И.Н., Мельников В.С.; заявитель и патентообладатель Мельников В.С.. - №2015131443/13; заявл.18.07.2015; опубл. 27.12.2015 .Бюл. №36.

HEAT-MASS EXCHANGE PROCESSES IN AEROSOL PROCESSING OF SEEDS

Nefedov Boris A., doctor of technical sciences. Sci., Professor, Professor of the Department of Management, Russian State Agrarian University - MAAA named after K.A. Timiryazeva, [email protected]

Polishchuk Svetlana D., Dr. of Tech. in Science, Professor, Professor of the Department of Forestry, Agrochemistry and Ecology, [email protected]

Uglanov Mikhail B., doctor of technical sciences. Sci., Professor, Professor of the Department of Operation of the Machine and Tractor Park

Kostenko Mikhail Yu., doctor of technical sciences. , Professor of the Department of Metal Technology and Machinery Repair, [email protected]

Teterina Olga A., master student, [email protected] Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostycheva

The effectiveness of presowing aerosol seed treatment depends on the uniformity of the feed and the time of exposure. Theoretical studies have shown that the consumption of aerosol will depend on the supply of seeds, that is, determined by the rate of movement of seeds in the mixing chamber. It should also be noted that the effectiveness of seed treatment with aerosol will depend on the difference in temperatures of the aerosol and seeds. When processing seeds with aerosol, heat-mass transfer processes occur, as a result of which the temperature of the treated seeds rises, their humidity changes, and the parameters of the aerosol change. On the basis of the obtained rational parameters of the installation - the inclination angles of the shelves, the seed supply capacity, an experiment was conducted to study the flow of humate aerosol within the mixing chamber. Grain grade "Bios-1" was fed from above the mixing chamber of the installation on which a hot mist generator BF-150 was installed, which carries out the supply of humate aerosols. During the research, the flow velocity and temperature were studied, the temperature and humidity of the aerosol and air mixture were also determined at different parts of the mixing chamber. To establish rational regimes for grain processing, the concentration of the working solution, the aerosol temperature of the hot mist generator, varied. The recommended parameters of the whole installation were finally established taking into account the climatic conditions and grain properties and processing time. As an optimization criterion, we investigated the temperature and humidity of the grain at the outlet from the mixing chamber. The climatic conditions of the environment were investigated. As a result of the experiments it was found that the efficiency of aerosol treatment is more dependent on the flow rate of the working solution.

Key words: Aerosol treatment, humates, seeds, grain, hot mist generator, humate aerosol, growth, stimulators.

Literatum

1. Issledovanie vliyaniya parametrov i rezhimov raboty generatora goryachego tumana na ehffektivnost'

dezinfekcii furgonov / V.S. Mel'nikov, I.N. Goryachkina, M.YU. Kostenko i dr. // Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [EHlektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2015. - №03(107). S. 419 - 432. - IDA [article ID]: 1071503029. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2015/03/pdf/29.pdf, 0,875 u.p.l.

2. Pat.158282 Rossijskaya Federaciya, MPK A01S 1/08. Ustanovka obrabotki korneklubneplodov rastenij pered posadkoj ili zakladkoj na hranenie / Teterin VS., Sokolov D.O., Kostenko M.YU., Kostenko N.A., Goryachkina I.N., Mel'nikov V.S.; zayavitel' i patentoobladatel' Mel'nikov V.S.. - №2015131443/13; zayavl.18.07.2015; opubl. 27.12.2015 .Byul. №36.

3. Kostenko M. YU., Issledovanie topografii temperaturnogo polya oblaka generatora goryachego tumana /Kostenko M. YU., Goryachkina I. N., Mel'nikov V. S., Evsenina M. V, Kostenko N. A.// Vestnik RGATU, №3, 2015.-Ryazan', RGATU.- S. 65-69.

4. Pat. 142474 Rossijskaya Federaciya, MPK A61L2/07. Ustanovka dlya obrabotki rabochih poverhnostej dezinficiruyushchimrastvorom spomoshch'yu vodyanogopara/Mel'nikov V.S., Kostenko M.YU., Goryachkina I.N.; patentoobladatel': Mel'nikov US.. - №2014111358/15; zayavl. 25.03.2014; opubl. 27.06.2014, byul. №18.

5. Pat. 2554770 Rossijskaya Federaciya, MPK A61L2/07. Sposob obrabotki rabochih poverhnostej dezinficiruyushchim rastvorom s pomoshch'yu vodyanogo para i ustanovka dlya ego osushchestvleniya /Goryachkina I.N., Kostenko M.YU., Mel'nikov V.S., Teterin V.S., patentoobladatel': Goryachkina I.N.. -№2014110969/15; zayavl. 21.03.2014; opubl. 27.06.2015, byul. №18.

УДК 624.014.1:621.81

ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ЧУГУННОЙ ОСНОВЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ АДГЕЗИОННЫХ СВЯЗЕЙ ПРИ ХОЛОДНОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ПОКРЫТИИ

ПОЛИЩУК Светлана Дмитриевна, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры лесного дела, агрохимии и экологии, [email protected]

ЧУРИЛОВ Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин,[email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Для сохранения машинно-тракторного парка (МТП) в рабочем состоянии необходимо соблюдать условия его технического обслуживания, ремонта, а также осуществлять защиту от коррозионных потерь. Эффективным и распространенным способом защиты металлов и сплавов от коррозии является нанесение покрытий. Цель работы - разработка условий для сокращения количества свободного углерода, находящегося на поверхности чугунной основы для формирования адгезионных связей при холодном газодинамическом покрытии (ХГДН). Одним из факторов, влияющих на адгезионную прочность, является температурный интервал активности флюса. Наличие на чугунной поверхности до 40% свободного углерода, по причине его присутствия в структуре чугуна, препятствует образованию химических связей и замедляет диффузионные процессы между основой и покрытием, тем самым уменьшая адгезионную прочность. Для процесса формирования адгезионных связей между газодинамическим покрытием и чугунной основой предложены технологические мероприятия, обеспечивающие адгезионную прочность покрытий на чугунных деталях, а также установлены технологические факторы нанесения покрытия. С целью повышения адгезионной прочности предлагается удалить свободный углерод с поверхности основы способом термохимической очистки низкотемпературным флюсом, состоящим из 30% хлористого аммония NH4Cl, до 70% хлористого цинка ZnCl2 и до 2% перманганата калия КМп04. Флюс выдерживают на поверхности в течение 3-7 минут и подогревают до температуры 473- 673 К. В результате возрастают количество активных частиц, скорость реакции, число химических связей и, как следствие, адгезионная прочность.

Ключевые слова: ремонт автомобилей, покрытия, флюс, адгезия.

_© Полищук С. Д., Чурилов Д.Г., 2017г._