автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров энергосберегающего кассетного устройства для сушки зерна в фермерских хозяйствах

На правах рукописи ООЬ"«*' —

Данилов Дмитрий Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО КАССЕТНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНА В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ

Специальность 05.20.01 -технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары - 2012

005047958

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно — экономический институт» (ГБОУ ВПО НГИЭИ).

Научный руководитель:

Оболенский Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор. Официальные оппоненты:

Савиных Петр Алексеевич, доктор технических наук, профессор,

Волхонов Михаил Станиславович, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА, проректор по учебной работе.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженер-ный университет им. В. П. Горячкина».

Защита состоится «1» февраля 2013 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

заведующий лабораторией механизации животноводства ГНУ НИИСХ Северо-Востока им Н. В. Рудницкого.

ЧГСХА.

Автореферат разослан «г^Г» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С. С. Алатырев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Небольшим фермерским хозяйствам и мелким предприятиям, занимающимся производством и переработкой зерновой продукции, экономически выгодно самим выполнять сушку влажного зерна. Однако существующие устройства для тепловой обработки относительно энергозатратны и не всегда обеспечивают должное качество готового продукта, поскольку в них наблюдается пересушивание зерна, растрескивание его поверхностных слоев вследствие неравномерности и инертности нагрева в процессе обработки.

Отсутствие малогабаритной, универсальной и высокоэффективной (лишенной отмеченных недостатков) техники для тепловой обработки и переработки небольших объемов зерна, сдерживает развитие небольших фермерских хозяйств, кооперативов и мелких перерабатывающих предприятий. В этой связи создание энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна, адаптированных к условиям мелкотоварного сельскохозяйственного производства, является актуальной и важной научно-технической задачей.

Целью работы является разработка и обоснование параметров энергосберегающего кассетного устройства для сушки зерна в фермерских хозяйствах.

В связи с поставленной целью решались следующие научно-практические задачи: создание кассетного устройства для сушки зерна; разработка методики проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна; разработка алгоритма и математического обеспечения расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; выполнение лабораторных исследований и производственная апробация для подтверждения достоверности теоретических предпосылок, а также для оценки экономической эффективности применения вновь созданного устройства.

Объект исследований: кассетное устройство для сушки зерна.

Предмет исследования: удельный расход электроэнергии на удаление влаги из зерна и параметры кассетного устройства.

Методология исследований. На основе теории тепло- массообмена, системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, статистических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, разрабатывается устройство для исследования процесса сушки зерна.

Научная новизна подтверждена: результатами исследования нового устройства, техническое решение которого защищено патентом № 115164 РФ на полезную модель с названием «Устройство для исследования процесса сушки зерна» (в дальнейшем тексте устройство); разработкой методики проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна; разработкой алгоритма и математического обеспечения расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; теоретическим и экспериментальным обоснованием конструкционных параметров и режимов работы устройства; оценкой технико-экономической эффективности использования устройства в условиях фермерских хозяйств и небольших зернопроизводящих предприятий на примере ООО «Кузьминка» в Нижегородской области.

Практическую ценность работы составляют: вновь созданное устройство для использования в небольших производственных и фермерских хозяйствах для сушки ма-

лых объёмов зерна, а также как лабораторное оборудование в процессе обучения студентов, являющееся физической моделью, на которой произведено изучение процесса энергопотребления при сушке зерна и которое может быть использовано как геометрическое подобие для создания более масштабных устройств.

Применение устройства позволяет получать готовый продукт с требуемым стандартами качеством при удельных затратах электроэнергии 8±2,5 Вт " ч/кг ' %, обеспечивает за один проход до 5 % удаления влаги из зерна пшеницы при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С и по всем конструкционно-технологическим параметрам, кроме пропускной способности, превосходит шнековый аналог (прототип патент РФ № 2371650). Устройство по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей почти на 13 % превосходит шнековые устройства.

Устройство эффективнее серийной сушилки СКУ-10, используемой ООО «Кузь-минка», поскольку позволяет при сушке 350 т зерна (годовой объём) экономить 29774,4 руб. денежных средств.

Реализация результатов исследований. Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР Нижегородского инженерно-экономического института на 2010-2014 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго-и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».

Исследование удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна проводилось на вновь созданном устройстве в лаборатории кафедры «Механика и сельскохозяйственные машины» ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт». Результаты исследований включены в монографию [4] и методические указания [5], используемые для обучения студентов.

Устройство апробировано в производстве ООО «Кузьминка» (607530, д. Кузь-минка, ул. Школьная, д.1, Краснооктябрьского района Нижегородской области).

Достоверность основных положений и выводов подтверждена результатами многофакторных экспериментальных исследований удельного электропотребления при тепловой обработке зерна с привлечением Центра энергоаудита, организованного в Нижегородском ГИЭИ, и с использованием современных стационарных и портативных приборов и оборудования, сертифицированных Госстандартом РФ и прошедших поверку в установленном порядке.

На защиту выносятся: вновь созданное устройство, техническое решение которого защищено патентом на полезную модель; уравнения для расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; методика исследований удельного элекгро-потребления устройства при сушке зерна; результаты экспериментальных исследований удельного электропотребления при сушке зерна в устройстве; обоснованные параметры устройства; результаты апробации устройства в производственных условиях.

Апробация. Основные положения работы доложены на: международной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 27-30 сентября 2010 г.); конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 16 декабря 2010 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы становления и развития экономики сельского хозяйства» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 17-20 мая 2011г.); XVI междуна-

родной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 3-10 сентября 2011 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК» ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» 27-29 марта 2012 г.; международной научно-практической конференции, посвященной памяти Мартыненко И. И. «Энергообеспечение технологических процессов в АПК» (г. Мелитополь, Украина, Таврический государственный агротехнологический университет, 30 мая - 2 июня 2012 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 21 печатной работе, в том числе 3 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, монография, методические указания, патент на полезную модель, 2 статьи в иностранных (Украина и Польша) изданиях. Объём публикаций 12,89 п. л., в том числе 5 работ (3,87 п. л.) опубликованы без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 странице компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и основных выводов. Работа содержит 18 таблиц, 53 рисунка и 18 приложений. Список литературы включает 112 источников, в том числе 9 на иностранных языках.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, определены объект и предмет исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» отмечено, что основной задачей диссертационной работы является создание кассетного устройства для сушки зерна. В этой связи выполнены анализ существующих технологий и средств механизации процесса сушки зерна, приведена их классификация. В создание современной теории сушки большой вклад внесли исследования и разработки В. И. Анискина, В. И. Атаназевича, М. С. Волхонова, А. С. Гинзбурга, В. И. Жидко,

A. П. Журавлева, Е. М. Зимина, Л. В. Лыкова, В. Мальтри, В. А. Милюткина, Е. И. Никулина, Г. С. Окуня, С. Д. Птицына, В. А. Резчикова, С. П. Рудобашты,

B. А. Сакуна, В. Ф. Самочетова, В. Ф. Сорочинского и многих других. Ими рассматривались задачи совершенствования как технологии сушки, так и средств ее механизации.

Особое значение было уделено изучению трудов Н. В. Оболенского в области создания электротермического оборудования для различных отраслей народного хозяйства.

В выводах 1 раздела отмечено: 1. Теория тепловой обработки зерна достаточно развита. Вместе с тем, с совершенствованием технологий сушки, всё большее значение приобретает их экономическая составляющая, а также решение проблемы высоко технологичного, с минимальными энергетическими затратами процесса сушки. 2. Наиболее эффективным источником энергии для сушки небольшого количества зерна просматривается использование электрической энергии. С этой целью необходимо создание и всестороннее исследование устройства, отвечающего требованиям, предъявляемым к зерносушилкам, эксплуатируемым в условиях небольших фермерских хозяйств.

Для достижения поставленной цели исследований необходимо решить задачи, обозначенные целью работы.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки создания кассетного устройства для тепловой обработки зерна» представлена конструкционно-технологическая схема запатентованного устройства [14], показанного на рис. 1, а также описание его конструкции и принципа работы.

Рисунок 1 - Кассетное устройство для сушки зерна:

1 - вентилятор; 2 - теплогенератор; 3 - термодатчик; 4 - воздуховод; 5 - бункер; 6 - кассета; 7 - щит управления

Устройство содержит: вентилятор 1 с заслонкой; теплогенератор 2, в котором установлены ТЭН, преобразующие электрическую энергию в тепловую; воздуховод 4 с расположенными в нём турбулизатором и термодатчиками 3; бункер 5 с заслонкой; кассету 6, представляющую собой металлический короб, у которого передняя и задняя стенки выполнены в виде сетки (толщина зернового слоя в кассете - 150 мм); щит управления 7.

В кассете предусмотрена 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.

Устройство работает следующим образом. Отмеряют количество зерна равное объёму кассеты, взвешивают и засыпают в загрузочный бункер 5, открывают заслонку и заполняют кассету 6. Включают под напряжение ТЭН и вентилятор 1.

Нагнетаемый вентилятором воздух турбулизуется и прокачивается через слой зерна, находящегося в кассете. Регулировка расхода воздуха осуществляется заслонкой. Контактируя с нагретым воздухом, зерно нагревается и теряет излишки влаги. Спустя определенное время (экспозиция сушки) открывают створки, подсушенное зерно самотёком высыпается из кассеты и взвешивается. В процессе сушки замеряется её время и мощность, потреблённая ТЭН теплогенератора и вентилятором.

Для сокращения затрат на проведение исследований процесса тепловой обработки (сушки) зерна в устройстве нами принят алгоритм, разработанный А. А. Павлушиным в диссертационной работе на тему: «Разработка установки для тепловой обработки зерна с обоснованием конструктивных параметров и режимов работы» [www.pgsha.penza.net].

Характер протекания процесса тепловой обработки зерна определяется механиз-

мом 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.

И. Н. Зозуля на основании своих исследований сформулировал основное уравнение тепло- и влагообмена для тепловой обработки зерна в запатентованном (патент № 2371650, авторы В. И. Курдюмов, А. А. Павлушин и И. Н. Зозуля) устройстве для тепловой обработки зерна комбинированного (контактно-конвективного) типа, принятого нами в качестве прототипа при разработке кассетного устройства, имеющее вид:

+ -О-сраг(атР^и-а'тРаУ1 -крЩ = 0. (1)

Из уравнения (1 ) следует, что тепло- и влагообмен определяется количеством теплоты, подведенным к зерну контактным и конвективным способами, и количеством теплоты, затраченным на нагрев зерна и испарения излишков влаги из него.

Приняв за основу результаты исследований Зозули И. Н., мы предложили своё уравнение для расчета пропускной способности кассетного устройства, кг/ч:

е =-^_, (2)

(тс +т3 +тв)

где а3 - масса просушиваемого зерна, кг; тс - время сушки зерна, ч; т3 - скорость заполнения кассеты, ч ; тв - скорость выгрузки кассеты, ч, а также упростили уравнение для расчёта мощности (/V), требуемой на процесс тепловой обработки зерна в кассетном устройстве.

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 сказанным уравнение приобрело вид:

4

+к (3)

ЛгЧЛп ' 7

где Ьв - подача вентилятора, м3/с; р - плотность воздуха, кг/м3; V - скорость воздуха, м/с; А, - диаметр сечения кожуха эквивалентного прямоугольному, м; 1К - длина кожуха устройства, м; Яе - число Рейнольдса; - приведенный коэффициент местных сопротивлений; НК - потери давления в теплогенераторе, Па; Г1г - гидравлический (аэродинамический) КПД вентилятора; г)м - механический КПД вентилятора; щ - КПД привода вентилятора; сд - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг сС); /вь„ - температура воздуха на выходе из теплогенератора, °С; ¡ех - температура воздуха на входе в теплогенератор, °С; /; - КПД теплогенератора.

(4)

V я

где Ь - ширина живого сечения теплогенератора, м; И - высота живого сечения теплогенератора, м.

В работе И. Н. Зозули «Обоснование параметров и режимов работы энергосберегающего устройства для тепловой обработки зерна» [www.bsau.ru] дано определение

удельных затрат энергии в Вт-ч/кг, выраженное уравнением:

где £) - производительность установки (зерносушилки), кг/ч.

Однако в приведённом определении отсутствует сущность сушки зерна - уменьшение процента его влажности. Поэтому нами введено понятие - удельный расход электроэнергии (№уд) на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна, Вг ч/кг' %, определяемый по формуле:

¡у (6)

где ¡V - количество электроэнергии, израсходованной на сушку зерна и прокачку воздуха, Вт' ч; Аео - разница влажности зерна до и после сушки (влагосъём), %.

где со1Я - влажность зерна до сушки, %; савых - влажность зерна после сушки, %.

Предварительные исследования устройства показали, что оно нуждается в теплоизоляции. Это обусловило необходимость разработки алгоритма расчета теплоизоляции.

Теплогенератор и воздуховод устройства по сути представляют собой нагреватели воздуха электрические (НВЭ), исследованиям которых посвящены труды Н. В. Оболенского. При разработке вышеупомянутого алгоритма мы воспользовались результатами исследований, опубликованных в этих трудах.

Температуру наружной поверхности плоских стенок рассчитывают по формуле

(°С):

, , (8)

тп

а.

где К - коэффициент теплопередачи плоских стенок, Вт/(м °С); Гсд - температура среды, окружающей изделие, в частном случае может быть /сд = °С; ап - суммарный коэффициент теплоотдачи плоских стенок, Вт/(м2-°С); Дгсд - перепад между температурой, окружающей изделие и нагреваемой в нём среды (°С):

Л/Сд=^-?сд- (9)

Величина ап при практических расчетах определяется по заданной температуре наружной поверхности НВЭ и выражается уравнением для плоской стенки (по Нуссельту) [Вт/(м2-°С)]:

ап = 9,75 + 0,07 (*,-/„). (10)

где /д - температура наружной поверхности, допустимая по условиям эксплуатации, °С. Коэффициент теплопередачи для плоской стенки определяется из формулы:

Ки аа Х„ ап где 8„ - толщина теплопередающей стенки, м; аа - коэффициент турбулентного потока

воздуха в пучке ТЭН прямоугольных НВЭ [Вт/(м2-°С)].

0,6 1 £ 40,61 =л,/(ш)" ^=/аь 16 , (12)

гДе ^к ~ температура нагреваемой среды по Кельвину; с!ж - диаметр сечения, эквивалентного прямоугольному, определяемый по формуле (4), (м); у0 - скорость газа при I = О °С и давлении 10,2 • 10"6 Па, определяемая по формуле (м/с):

273у (13)

Vr, =

0 273 +1а

где у - средняя скорость движения среды в подогревателе, м/с.

/а,ь ~ коэффициент, учитывающий способ расположения ТЭН, а также отношение шага ■У к их диаметру Вэк, определяемый по формуле для коридорного расположения ТЭН:

/„ =1,07-0,65

Dj (14)

где jb s2 - шаги поперечного и продольного расположения ТЭН, м.

Если представить НВЭ как замкнутый объем с температурой воздуха внутри него ta = const и, омываемый воздухом с температурой |/„| = const, то за температуру его стенки, имеющей толщину 1,5 мм, можно принять полусумму температур ta и |г„|. В самом же деле внутренняя полость НВЭ сообщается с внешней и в ней кроме разогретого воздуха имеются разогретые ТЭН, нагревающие стенку еще и посредством излучения, вследствие чего фактическая температура

> 0,5 (ta + |/н|), (15 )

в частности, при установке НВЭ на открытом воздухе (°С):

Icr = 0,535 (/„ + |i„|). (16)

Рассчитанная температура наружной поверхности изделия сравнивается с заданной или допустимой для подогревателей данного типа. Если полученная расчетная температура поверхности нагревателя больше заданной или допустимой, следует заменить материал корпуса (в случае небольшой разницы) или изолировать НВЭ, ввести в его конструкцию защитный кожух и повторить расчет (в случае значительной разницы и невозможности замены материала). Изменяя параметры теплоотдающей поверхности, материал и толщину корпуса, вводя теплоизоляцию и кожухи, можно добиться необходимых результатов. Однако следует по возможности избегать введения дополнительных элементов в конструкции нагревателей, так как они значительно увеличивают их габариты, массу и стоимость. Поэтому теплоизоляционные материалы в конструкциях нагревателей следует применять только в обоснованных случаях. В частности для нашего случая, поскольку температура наружных поверхностей устройства без теплоизоляции превышает допустимые нормы.

Расчет температуры наружной поверхности нагревателей, имеющих тепловую изоляцию и кожухи, ведется с введением в формулу (11) дополнительных слагаемых:

К п «„ К К К «„

где £ - толщина изоляции, кожуха и т. д., м; кх,..Хи - коэффициент теплопроводности материалов слоя изоляции, кожуха и т. д., Вт/(м °С); алиа„- соответственно коэффициенты теплоотдачи турбулентного потока воздуха, нагреваемого в устройстве, и суммарный коэффициент теплоотдачи плоских стенок, Вт/(м -°С).

Тепловыделения (тепловые потери) с нагретой поверхности определяются по формуле (Вт):

4 = qft.Cn. "О' (18>

где - площадь теплоотдающей поверхности, м2; (пв - температура теплоотдающей поверхности, в частных случаях (пв = °С.

Тепловые потери изделия, имеющего несколько различно ориентированных поверхностей, равны (Вт):

V. = І Уи, = 1 "'«,>> (19)

/=1 /=1

где п — число теплоотдающих поверхностей.

Теплоотдача в среду, охлаждающую изделие, определяется по формуле (Вт):

У? С, А 4 (20)

Ч> „ = -->

3,6

где У - расход воздуха через изделие, м2/ч; А/'сд - перепад температур между температурой нагретого воздуха (агента сушки) и температурой среды, окружающей НВЭ (°С):

А/' =/ -/

М "ср

Чтобы рассчитать КПД изделия, сначала определяют тепловые потери по формуле (Вт):

= (22)

где Р - площадь плоской стенки (поверхности), м2.

Расчетный КПД в общем случае определяется из отношения утилизируемой части мощности к потребному количеству энергии для тепловой обработки среды по формуле:

_ ' -?,»-« ■ (23)

л Р

Используя формулы и уравнения вышеприведённого алгоритма и приняв в качестве материала теплоизоляции изовер фольгированный, определили, что толщина изоляции должна быть 0,1 м.

Из исследований Н. В. Оболенского следует, что при обеспечении КПД нагревательного устройства больше 95 % температуры его поверхностей не превышают норм, требуемых Правилами техники безопасности.

Решая формулу (23), определили п= 0,977, откуда следует достаточность рассчитанной толщины изоляции и правильность выбора её материала.

На основании проведённого расчета осуществлена теплоизоляция опытного образца устройства, рис. 2.

ШВ выводах 2 раздела отмечено: создано и запатентовано кассетное устройство для сушки зерна; предложены уравнения для расчета: мощности (N), требуемой для тепловой обработки зерна; удельного расхода электроэнергии (Wyd): разработан алгоритм с математическим обеспечением расчета теплоизоляции, произведён расчет толщины теплоизоляции и осуществлена теплоизоляция устройства.

Рисунок 2 - Теплоизолированное устройство для

сушки зерна Третий раздел «Программа,

методика и средства исследований» содержит: программу и планирование эксперимента; разработку методики проведения экспериментов; выбор средств измерений; проведение экспериментов. Целью экспериментальных исследований являлось выявление удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна и определение оптимальных конструкционно-режимных параметров устройства, предназначенного для применения в небольших зернопроизводящих и фермерских хозяйствах, позволяющего снизить затраты энергии на процесс тепловой обработки зерна при сохранении высокого качества обрабатываемого продукта.

В качестве основных этапов исследований определены: 1) разработка, изготовление, отладка устройства и проведение поисковых опытов; 2) планирование эксперимента; 3) разработка методики экспериментальных исследований; 4) выбор средств измерений, подготовка лабораторного оборудования и приборов к работе; 5) проведение лабораторных исследований и производственной апробации с последующим анализом полученных результатов.

Для реализации 2 этапа алгоритма составили план экспериментальных исследований, предусматривающий выявление путём графического изображения: зависимости удельного расхода электроэнергии Wyó от температуры сушильного агента tm при различной скорости воздуха v и времени сушки г = 6, 9, 12, 15 и 18 мин; зависимости удельного расхода электроэнергии Wyó от времени сушки г при различной температуре сушильного агента и скорости воздуха v = 2,9; 3,3; 3,8 и 4.4 м/с; зависимоспш удельного расхода электроэнергии Wyñ от скорости воздуха v при различной температуре сушильного агента ta¡, и времени сушки г = 6, 9, 12, 15 и 18 мин; зависимоспш влагосъёма Дк> от температуры сушильного агента tae при различной скорости воздуха v и времени сушки г = 6, 9, 12, 15 и 18 мин; зависимости влагосъёма Асо от скорости воздуха v при различной температуре сушильного агента t^ и времени сушки г = б, 9, 12, 15 и 18 мин.

Для реализации 3 этапа алгоритма разработали методику исследований удельного расхода электроэнергии, включающую:

1. Замеры: времени сушки - г, мин; начальной (до сушки) влажности зерна - оззн, %; конечной (после сушки) влажности зерна со %; количества потребленной электроэнергии (зафиксированной электросчетчиком) - IV, кВт; скорости движения воздуха в устройстве - V, м/с; начальной температуры сушильного агента (воздуха) - гвн, °С; конечной температуры сушильного агента (воздуха) - /да-, °С.

2. Занесение результатов замеров в табл. 1.

Таблица 1 - Экспериментальные данные замеряемых параметров

№ опыта г, мин а>зц, % сокн.% W, Втч V, м/с / °С

11 6 20 18,3 425,2 2,9 60

12 9 20 17,9 631,8 2,9 60

13 12 20 17,2 843,6 2,9 60

14 15 20 16,7 1053 2,9 60

15 18 20 16,3 1263,6 2,9 60

3. Расчет по результатам замеров параметров: -удельного расхода электроэнергии (\Ууд) на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна по уравнению (6), Вт- ч/кг-%;

- разницы влажности зерна до и после сушки по уравнению (7), %; -температуры сушильного агента (воздуха), °С:

Іаг=ІВК-ІВН- (24)

4.3анесение результатов расчетов в табл. 2.

Таблица 2 - Расчетные данные исследуемых параметров

№ опыта Дсо, % t °С 'аг, Gj, кг Wyd, Вт-ч/кг-%

11 1,7 60 35 7,14

12 2,1 60 35 8,59

13 2,8 60 35 8,56

14 3,3 60 35 9,11

15 3,7 60 35 9,75

Примечание. Табл. 2 и 3 в диссертации содержат результаты 100 замеров и расчетов.

Для реализации 4 этапа алгоритма привлекались специалисты Центра энергоаудита, организованного в Нижегородском ГИЭИ, с использованием его материальной базы: стационарных и портативных приборов и оборудования, сертифицированных Госстандартом РФ и прошедших поверку в установленном порядке. В частности: инфракрасного тепловизора Für Т335, инфракрасного термометра Testo 845, имеющих вывод показаний на дисплей, также стандартный цифровой выход для подключения к регистрирующим устройствам. Замеры температур конструкционных элементов устройства (рис. 3) фиксировались с помощью тепловизора Flir Т335.

Влажность семян определяли методом высушивания в сушильном шкафу согласно ГОСТ 12041-82.

В выводе 3 раздела отмечено: разработанные программа, методики, подобранные приборы и спланированные эксперименты достаточны для проведения диссертационных исследований и обоснования параметров энергосберегающего кассетного устройства для сушки зерна в фермерских хозяйствах. _

Рисунок 3 - Температурные поля теплоизолированного устройства а - стенка теплогенератора правая; б - стенка теплогенератора левая В четвёртом разделе «Результаты экспериментальных исследований» изложена методика обработки результатов экспериментальных исследований, основная цель которой — обоснование параметров устройства, в частности, температуры сушильного агента (воздуха) и удельного энергопотребления, приведены доказательства точности и достоверности измеренных величин и полученных результатов. По полученным экспериментальным и расчетным данным (табл.1 и 2) в прикладной программе Microsoft office excel 2007 построены 134 графика-гистограммы (рис. 4 и 5).

Рисунок 4 - Зависимость Wyà от /„,, при различной v и т = 6 мин

Рисунок 5 - Зависимость Дм от !а, при различной V и т = 6 мин Точность экспериментально замеряемых величин обусловливается в основном точностью контрольно-измерительных приборов, а также навыками исследователя. Погрешность исходных данных, вызванная их неточностью, например, погрешность экспериментально замеренных величин, включенных в табл. 1, достигает от 1 до 10 %.

Понятно, что, производя вычисления с приближенными числами, погрешности исходных данных переносятся в результат вычислений и отражается на графических зависимостях. Это наглядно демонстрируется рис. 6, на котором графические зависимости построены по не точно замеренным экспериментальным величинам параметров, занесённым в табл. 2. Неправильно зафиксированные значения замеряемых величин параметров, обусловило криволинейность и изломы графиков (рис.6), что не может быть по определению. Поэтому и для большей наглядности в диссертационной работе представлены гистограммы (рис.4,5) основных исследуемых параметров устройства.

а)

-=60'С «70 'С №80 С

Рисунок б - Зависимости И^ от г при различной и V = 2,9(а) и 3,3(б) м/с Поскольку для выявления энергосбережения устройства не требуется высокой точности измерений исследуемых параметров, мы ограничились математической обработкой результатов измерений методом средних. В частности, для проверки достоверности номинальной величины (60 °С) сушильного агента (воздуха) производили 10-кратный замер гвн и ?ж, по которым вычисляли ^ т.е. имели п = 10 значений Получили доверительный интервал, внутри которого лежит истинное значение определяемой температуры, °С: А = 1 + Д*95 =61,2+3,35.

В качестве номинальной величины температуры сушильного агента принята *аг = 60 "С, что находится в пределах доверительного интервала.

В табл. 3 приведены конструкционно-технологические параметры кассетного устройства, а также его прототипа (шнекового устройства).

Таблица 3 - Конструкционно-технологические параметры устройств

Наименование параметра

Температура сушильного агента, °С

Температура греющей поверхности,

Потребляемая мощность, кВт

Рабочее напряжение, В

Габариты, мм

Шнековое устройство, патент № 2371650

50...55

9,7

220

Нет данных

Кассетное устройство, патент № 115164

61,2±3,35

4,9±0,25

220

2400x1100x580

Масса, кг

150

120

Пропускная способность, кг/ч

350

200±8

Удельные затраты теплоты на испарение влаги, МДж/кг,

4,1

3,2

Удельная энергоемкость, кВт ч/т

28,5±2,5

24,7±1,2

Удельный расход электроэнергии {\Ууд). Вт-ч/кг-%_

9,2±2,5

3,0±2,5

Примечание. 1. №уд для шнекового устройства не определялся. Определён путём пропорционального удельной энергоёмкости увеличения 1¥уд кассетного устройства. 2. Пропускная способность кассетного устройства может быть легко увеличена за счет увеличения ёмкости кассеты при незначительном (до 5 %) увеличении массы.

Анализ графиков-гистограмм и их уравнений позволил сделать следующий вывод: Удельное энергопотребление (¡¥уд) при сушке зерна в кассетном устройстве уменьшается с увеличением скорости движения (V) и уменьшением температуры сушильного агента (1аг ), а также при меньшем времени сушки (г), а влагосъём увеличивается с увеличением этих параметров.

В пятом разделе «Апробация кассетного устройства в производственных условиях и оценка его технико-экономической эффективности» приведены сведения о производственной апробации (рис.7) и эффективности исследованного в диссертацион-

Адекватность результатов теоретического и экспериментального исследования определяется степенью согласованности результатов расчетов по формулам выбранных математических моделей исследуемых процессов с экспериментальными данными.

В результате производственной апробации устройства:

- установлена эффективность введения теплоизоляции, понизившей температуру стенок теплогенератора на 49,9-57,6 °С, а стенок воздуховода на 17,7-18,7 °С, т.е. понизившей температуру с недопустимых 38,5-40,1 °С у стенок воздуховода до 20,6-21,5 °С и с 70,3-78,8 до 20,1-21,2 °С у стенок теплогенератора. Таким образом, экспериментально доказано, что конструкция устройства обеспечивает безопасную эксплуатацию, а расчет теплоизоляции по предложенному алгоритму позволяет определять наиболее оптимальное её решение;

- установлено, что затраты на оплату электроэнергии при сушке 15 т зерна кассетным устройством на 600 руб. меньше, чем при сушке шнековым устройством, т.е. сушка 1 т зерна кассетным устройством на 40 руб. дешевле чем шнековым устройством;

- установлен возможный экономический эффект от замены в ООО «Кузьминка» сушилки СКУ-10 кассетным устройством в сумме 29774,4 руб.

В выводах 5 раздела отмечено: 1. Устройство обеспечивает должное качество готового продукта, поскольку в процессе производственной апробации не наблюдалось пересушивание зерна, растрескивание его поверхностных слоев и механических повреждений, а лабораториями Большемурашкинского и Краснооктябрьского филиалов Федерального государственного бюджетного учреждения «Россельхозцентр» по Нижегородской области подтверждена сохранность всхожести и энергии прорастания зерна, а также сохранность хлебопекарных свойств зерна после тепловой обработки.

2. Конструкция устройства обеспечивает температуру стенок теплогенератора и воздуховода (доступных для соприкосновения обслуживающим персоналом) не превышающую 21,5 °С - допустимую правилами техники безопасности.

3. Исследованное устройство эффективнее сушилки СКУ-10, используемой ООО «Кузьминка», поскольку позволяет при сушке 350 т зерна (годовой объём) экономить

29774,4 руб. денежных средств.

4. При наличии положительной экономической составляющей созданное устройство не конкурентоспособно с сушилкой СКУ-10 по скорости сушки (например, 350 т зерна - 73 сут. против 2,7 сут.). Поэтому использование устройства предусмотрено пока только в учебном процессе обучения студентов по дисциплине «Теплотехника». Оно может также использоваться для сушки малых объёмов зерна в небольших производственных и фермерских хозяйствах. Но, самое главное, оно является физической моделью, на которой произведено изучение процесса энергопотребления при сушке зерна, которое может быть использовано как геометрическое подобие для создания более масштабных устройств.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создано кассетное устройство, техническое решение которого защищено патентом № 115164 РФ на полезную модель с названием «Устройство для исследования процесса сушки зерна». Предложены уравнения для расчета: мощности, требуемой для тепловой обработки зерна (3); удельного расхода электроэнергии на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна (6); пропускной способности (2:) кассетного устройства. Разработан алгоритм с математическим обеспечением расчета теплоизоляции, произведён расчет и осуществлена теплоизоляция опытного образца кассетного устройства для сушки зерна.

2. Разработана методика проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна (И^) и произведен расчет \¥уд в зависимости от температуры сушильного агента ^ при различных скорости движения воздуха V и времени сушки г. Проведенные исследования позволили установить, что устройство имеет при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С, регулируемое в пределах 8±2,5 Вт ' ч/кг ' % удельное энергопотребление, и обеспечивает 5 % удаления влаги; что устройство по всем конструкционно-технологическим параметрам, кроме пропускной способности, превосходит шнековый аналог (прототип); что устройство по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей почти на 13 % превосходит шнековые устройства.

3. Разработан алгоритм и математическое обеспечение расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства, позволившие рассчитать экспериментально подтверждённую эффективную теплоизоляцию.

4. Результатами лабораторных исследований и производственной апробации являются: подтверждение эксплуатационной безопасности устройства, поскольку экспериментально определённая температура стенок теплогенератора и воздуховода (доступных для соприкосновения обслуживающим персоналом) не превышает 21,5 СС -допустимую правилами техники безопасности; устройство обеспечивает должное качество готового продукта, поскольку в процессе производственной апробации не наблюдалось пересушивание зерна, растрескивание его поверхностных слоев и механических повреждений, а лабораторией Болыпемурашкинского и Краснооктябрьского филиалов Федерального государственного бюджетного учреждения «Россельхозцентр»

по Нижегородской области подтверждена сохранность всхожести и энергии прорастания зерна, а также сохранность хлебопекарных свойств зерна после тепловой обработки; исследованное устройство эффективнее серийной сушилки СКУ-10, используемой ООО «Кузьминка», поскольку позволяет при сушке 350 т зерна (годовой объём) экономить 29774,4 руб. денежных средств.

5. Кассетное устройство обеспечивает при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С, регулируемое в пределах 8±2,5 Вт • ч/кг • % удельное энергопотребление (1Ууд), и обеспечивает 5 % удаления влаги, что обусловливает его превосходство по всем конструкционно-технологическим параметрам (кроме пропускной способности), в частности, по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей, почти на 13 % перед шнековым устройством.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: - в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Данилов, Д. Ю. Малогабаритная зерносушилка для фермерских хозяйств / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // «Механизация и электрификация сельского хозяйства».-2011.-№ 10-С. 26, 27.

2. Данилов, Д. Ю. Устройство для исследования процесса сушки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока, - 2012 -№2 (27)-С. 60...64.

3. Данилов, Д. Ю. Обеспечение кондиционной влажности зерна в фермерских хозяйствах путём создания кассетного устройства для его сушки / Н. В. Оболенский, Д. Ю.Данилов//ВестникМГАУ-2012.-№2(53)-С. 67...69.

- в учебных и научных изданиях:

4. Данилов, Д. Ю. Обеспечение кондиционной влажности зерна в фермерских хозяйствах путём создания кассетного устройства для его сушки / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов, Ш. X. Мустафин / Монография. - Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 132 с.

5. Данилов, Д. Ю. Лабораторные работы по дисциплине «Теплотехника» / Д. Ю. Данилов. / Метод, указания. - Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 22 с.

- в журналах, сборниках научных трудов вузов, бюллетенях:

6. Данилов, Д. Ю. О перспективах разработки мини-зерносушилки для фермерских хозяйств // Материалы международной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» -Княгинино: НГИЭИ, 2010. - С. 164... 166.

7. Данилов, Д. Ю. Разработка экспериментальной модели теплогенератора для мини-зерносушилки / Д. Ю. Данилов // Материалы международной научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности» - Княгинино: НГИЭИ, 2010. - С. 231, 232.

8. Данилов, Д. Ю. Макет установки для тепловой обработки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию победы в Великой Отечественной войне. - Княгинино: НГИЭИ, 2010.-С. 78...85.

9. Данилов, Д. Ю. Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов и пути повышения ее эффективности / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов, А. О. Гусева // Вестник НГИЭИ. - 2011. Серия технические науки. Выпуск 3 (4) - С. 19. ..29.

10. Данилов, Д. Ю. Средства, программа и методика экспериментальных исследо-

ваний при выполнении диссертационной работы / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Материалы международной научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности» - Княгинино: НГИЭИ, 2012.-С. 187...193.

11. Данилов, Д. Ю. Средства механизации тепловой обработки зерна/ Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) - С. 32. ..40.

12. Данилов, Д. Ю. Разработка установки для выявления удельного электропотребления при сушке зерна / Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) -С. 41...46.

13. Данилов, Д. Ю. Малогабаритная зерносушилка для фермерских хозяйств и исследования процесса сушки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов, Ш. X. Мустафин // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск 4(11) - С. 47...55.

14. Данилов, Д. Ю. Художественно-конструкторское решение устройства для исследования процесса сушки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов, Ш. X. Мустафин //Вестник НГИЭИ.-2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) - С. 55...61. ^

15. Данилов, Д. Ю. Теоретические предпосылки создания кассетного устройства для тепловой обработки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. -2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11)-С. 61...99.

16. Патент на полезную модель № 115164 РФ. Устройство для исследования процесса сушки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов (РФ). - 4 с: ил.1. Опубл. 27.04.2012. Бю®і№12

17. Данилов, Д. Ю. Устройство для лабораторных исследований и сушки зерна в фермерских хозяйствах / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Науковий вісник Таврійський державний агротехнологічний університет. - Мелітополь: ТДАТУ. 2012. -Вип. 2.-Т. 4.-С. 52...58.

18. Данилов, Д. Ю. Обоснование целесообразности теплоизоляции устройства для исследования процесса сушки зерна. / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск 8 (15) - С.127... 142.

19. Данилов, Д. Ю. Технико-экономическая эффективность использования кассетного устройства для сушки зерна / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск8(15)-С.120...126.

20. Данилов, Д. Ю. Устройство для лабораторных исследований и сушки зерна в фермерских хозяйствах / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов //Проблемы интенсификации животноводства с учетом пространственной инфраструктуры с/х и охраны окружающей среды - монография под научной редакцией проф. докг. Вацлава Романю-ка: Ф Фаленты - Варшава. Институт технологических и естественных наук. 2012. -С. 138... 146.

21. Данилов, Д. Ю. Обеспечение кондиционной влажности зерна в фермерских хозяйствах путём создания энергосберегающего кассетного устройства для его сушки. / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. - 2012. Серия технические науки. Выпуск 10 (17)-С. 82...85.

Подписано в печать 19.12.2012 г.

Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитуры Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 91 Отпечатано в типографии НГИЭИ с оригинал-макета 606340,Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22 а

Введение.

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований.

1.1 Теоретические и экспериментальные исследования тепловой обработки зерна.

1.2 Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов и пути повышения её эффективности.

1.3 Способы тепловой обработки зерна.

1.4 Средства механизации тепловой обработки зерна.

1.5 Конструкционно-технологическая схема аналога - устройства комбинированного (контактно-конвективного) типа для тепловой обработки зерна.

1.6 Выводы. Цель и задачи исследований.

2 Теоретические предпосылки создания кассетного устройства для тепловой обработки зерна.

2.1 Конструкционно-режимные параметры аналога.

2.2 Конструкционно-технологические параметры кассетного устройства.

2.3 Конструкционно-режимные параметры кассетного устройства.

2.4 Определение целесообразности теплоизоляции устройства.

2.5 Теоретическое обоснование выбора теплоизоляции.

2.6 Расчет теплоизоляции устройства.

2.7 Выводы.

3 Программа, методика и средства исследований.

3.1 Программа экспериментальных исследований.

3.2 Планирование проведения экспериментов.

3.3 Формулировка задач исследования.

3.4 Методика исследований удельного расхода электроэнергии.

3.5 Методика определения влажности зерна.

3.6 Приборы, использованные при исследованиях сушки зерна.

3.7 Реализация плана эксперимента.

3.8 Выводы.

4 Результаты экспериментальных исследований.

4.1 Обработка результатов экспериментальных исследований.

4.2 Анализ результатов исследований.

4.3 Доказательства точности и достоверности измеренных величин и полученных результатов.

4.4 Конструкционно-технологические параметры устройства.

4.5 Выводы.

5 Апробация кассетного устройства в производственных условиях и оценка его технико-экономической эффективности.

5.1 Производственная апробация.

5.2 Технико-экономическая эффективность использования устройства.

5.3 Выводы.

Актуальность темы. Небольшим фермерским хозяйствам и мелким предприятиям, занимающимся производством и переработкой зерновой продукции, экономически выгодно самим выполнять сушку влажного зерна. Однако существующие устройства для тепловой обработки относительно энергоза-тратны и не всегда обеспечивают должное качество готового продукта поскольку в них наблюдается пересушивание зерна, растрескивание его поверхностных слоев вследствие неравномерности и инертности нагрева в процессе обработки.

Отсутствие малогабаритной, универсальной и высокоэффективной (лишенной отмеченных недостатков) техники для тепловой обработки и переработки небольших объемов зерна, сдерживает развитие небольших фермерских хозяйств, кооперативов и мелких перерабатывающих предприятий. В этой связи создание энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна, адаптированных к условиям мелкотоварного сельскохозяйственного производства, является актуальной и важной научно-технической задачей.

Целью работы является разработка и обоснование параметров энергосберегающего кассетного устройства для сушки зерна в фермерских хозяйствах.

В связи с поставленной целью решались следующие научно-практические задачи: создание кассетного устройства для сушки зерна; разработка методики проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна; разработка алгоритма и математического обеспечения расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; выполнение лабораторных исследований и производственная апробация для подтверждения достоверности теоретических предпосылок, а также для оценки экономической эффективности применения вновь созданного устройства.

Объект исследований: кассетное устройство для сушки зерна.

Предмет исследования: удельный расход электроэнергии на удаление влаги из зерна и параметры кассетного устройства.

Методология исследований. На основе теории тепло- массообмена, системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, статистических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, разрабатывается устройство для исследования процесса сушки зерна.

Научная новизна подтверждена: результатами исследования нового устройства, техническое решение которого защищено патентом № 115164 РФ на полезную модель с названием «Устройство для исследования процесса сушки зерна» (в дальнейшем тексте устройство); разработкой методики проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна; разработкой алгоритма и математического обеспечения расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; теоретическим и экспериментальным обоснованием конструкционных параметров и режимов работы устройства; оценкой технико-экономической эффективности использования устройства в условиях фермерских хозяйств и небольших зернопро-изводящих предприятий на примере ООО «Кузьминка» в Нижегородской области.

Практическую ценность работы составляют: вновь созданное устройство для использования в небольших производственных и фермерских хозяйствах для сушки малых объёмов зерна, а также как лабораторное оборудование в процессе обучения студентов, являющееся физической моделью, на которой произведено изучение процесса энергопотребления при сушке зерна и которое может быть использовано как геометрическое подобие для создания более масштабных устройств.

Применение устройства позволяет получать готовый продукт с требуемым стандартами качеством при удельных затратах электроэнергии 8±2,5 Вт' ч/кг' %, обеспечивает за один проход до 5 % удаление влаги из зер5 на пшеницы при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С и по всем конструкционно-технологическим параметрам, кроме пропускной способности, превосходит шнековый аналог (прототип патент РФ № 2371650). Устройство по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей почти на 13 % превосходит шнековые устройства.

Устройство эффективнее серийной сушилки СКУ-10, используемой ООО «Кузьминка», поскольку позволяет при сушке 350 т зерна (годовой объём) экономить 29774,4 руб. денежных средств.

Реализация результатов исследований. Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР Нижегородского инженерно-экономического института на 2010-2:014 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».

Исследование удельного расхода электроэнергии на удаление влаги из зерна проводились на вновь созданном устройстве в лаборатории кафедры «Механика и сельскохозяйственные машины» ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт». Результаты исследований включены в монографию и методические указания, используемые для обучения студентов.

Устройство апробировано в производстве ООО «Кузьминка» (607530, д. Кузьминка, ул. Школьная , д.1, Краснооктябрьского района Нижегородской области).

Достоверность основных положений и выводов подтверждена результатами многофакторных экспериментальных исследований удельного электропотребления при тепловой обработке зерна с привлечением Центра энергоаудита, организованного в Нижегородском ГИЭИ, и с использованием современных стационарных и портативных приборов и оборудования, сертифицированных Госстандартом РФ и прошедших поверку в установленном порядке.

На защиту выносятся: вновь созданное устройство, техническое решение которого защищено патентом на полезную модель; уравнения для расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства; методика исследований удельного электропотребления устройства при сушке зерна; результаты экспериментальных исследований удельного электропотребления при сушке зерна в устройстве; обоснованные параметры устройства; результаты апробации устройства в производственных условиях.

Апробация. Основные положения работы доложены на: международной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 27-30 сентября 2010 г.); конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 16 декабря 2010 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы становления и развития экономики сельского хозяйства» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ 17-20 мая 2011 г.); XVI международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 3-10 сентября 2011 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК» ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» 27-29 марта 2012 г.; международной научно-практической конференции, посвященной памяти Мартыненко И. И. «Энергообеспечение технологических процессов в АПК» (г. Мелитополь, Украина, Таврический государственный агротехно-логический университет, 30 мая - 2 июня 2012 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 21 печатной работе, в том числе 3 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, монография, методические указания, патент на полезную модель, 2 статьи в иностранных (Украина и Польша) изданиях. Объём 7 публикаций 12,89 п. л., в том числе 5 работ (3,87 п. л.) опубликованы без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 странице компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и основных выводов. Работа содержит 18 таблиц, 53 рисунка и 18 приложений. Список литературы включает 112 источников, в том числе 9 на иностранных языках.

Общие выводы

1. Создано кассетное устройство, техническое решение которого защищено патентом № 115164 РФ на полезную модель с названием «Устройство для исследования процесса сушки зерна». Предложены уравнения для расчета: мощности, требуемой для тепловой обработки зерна (3); удельного расхода электроэнергии на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна (6); пропускной способности (2) кассетного устройства. Разработан алгоритм с математическим обеспечением расчета теплоизоляции, произведён расчет и осуществлена теплоизоляция опытного образца кассетного устройства для сушки зерна.

2. Разработана методика проведения исследований удельного расхода электроэнергии на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна (Wyd) и произведен расчет Wyd в зависимости от температуры сушильного агента t^ при различных скорости движения воздуха v и времени сушки г. Проведенные исследования позволили установить, что устройство имеет при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С регулируемое в пределах 8±2,5 Вт ' ч/кг" % удельное энергопотребление и обеспечивает 5 % удаление влаги; что устройство по всем конструкционно-технологическим параметрам, кроме пропускной способности, превосходит шнековый аналог (прототип); что устройство по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей почти на 13 % превосходит шнековые устройства.

3. Разработан алгоритм и математическое обеспечение расчета теплоизоляции и эксплуатационных параметров устройства, позволившие рассчитать экспериментально подтверждённую эффективную теплоизоляцию.

4. Результатами лабораторных исследований и производственной апробации являются: подтверждение эксплуатационной безопасности устройства поскольку экспериментально определённые температуры стенок теплогенератора и воздуховода (доступных для соприкосновения обслуживающим персоналом) не превышающую 21,5 °С - допустимую правилами техники безопасности; устройство обеспечивает должное качество готового продукта поскольку в процессе производственной апробации не наблюдалось пересушивание зерна, растрескивание его поверхностных слоев и механических повреждений, а лабораторией Болынемурашкинского и Краснооктябрьского филиалов Федерального государственного бюджетного учреждения «Рос-сельхозцентр» по Нижегородской области подтверждена сохранность всхожести и энергии прорастания зерна, а также сохранность хлебопекарных свойств зерна после тепловой обработки; исследованное устройство эффективнее серийной сушилки СКУ-10, используемой ООО «Кузьминка» поскольку позволяет при сушке 350 т зерна (годовой объём) экономить 29774,4 руб. денежных средств.

5. Кассетное устройство обеспечивает при оптимальной температуре сушильного агента 60±2,5 °С, регулируемое в пределах 8±2,5 Вт ч/кг % удельное энергопотребление (1Ууд), и обеспечивает 5 % удаления влаги, что обусловливает его превосходство по всем конструкционно-технологическим параметрам (кроме пропускной способности), в частности, по энергопотреблению - одному из основных эксплуатационных показателей, почти на 13 % перед шнековым устройством.

1. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий Текст. / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука. 1976. -279 с.

2. Анискин, В. И. Теория и технология сушки и временной консервации зерна активным вентилированием Текст. / В. И. Анискин, В. Л. Рыба-рук. М.: Колос- 1972. -200 с.

3. Анискин, В. И. Технологические основы оценки работы зерносу-шильных установок Текст. / В. И. Анискин, Г. С. Окунь. М.: ВИМ. 2003. -167 с.

4. Атаназевич, В. И. Сушка зерна. Текст. /М.: Агропромизлат, 1989.240с.

5. Аэров, М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящем зерновым слоем. Л.; Химия, 1968. - 164с.

6. Баум, А. Е. Сушка зерна Текст. / А. П. Баум, В. А. Резчиков. М: Колос, 1983.-223 с.

7. Бортдинов, А. Д. Послеуборочная обработка зерна и семян. Казань: Издательство Казанского ун-та, 2001. - 82с.

8. Веденяпин, Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработка опытных данных. М.: Колос, 1973. - 195 с.

9. Верба, М. И. Теория сушки. Изд. МЭИ, 1960. - 354с.

10. Винарский, М. С., Лурье М. В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. К.: Техника, 1975. — 168 с.

11. Влага в зерне / А. С. Гинзбург, В. П. Дубровский, Е. Д. Казаков, Г. С. Окунь, В. А. Резчиков. М.: Колос, 1969. - 224 с.

12. Вобликов, Е. М. Послеуборочная обработка и хранение зерна Текст. / Е. М. Вобликов, В. А. Буханцов. А. С. Прокопец, Ростов-на-Дону: Издательский центр «МарТ», 2003. - 231с.

13. Гинзбург, А. С. Комбинированная сушка зерна в кипящем и плотномслое Текст. / Сообщения и рефераты ВНИИИЗ, 1959. № 4. - С.64.

14. Гинзбург, А. С. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, I960.-684 с.

15. Гинзбург, А. С. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое Текст. / А. С. Гинзбург, В. А. Резчиков / М.: Пищевая промышленность, 1966.-196 с.

16. Гинзбург, А. С. Теплофизические свойства зерна, муки и крупы Текст. / А. С. Гинзбург, М. JI. Громов. М.: Сельхозгиз, 1984. - 317с.

17. Голик, М. Г. Научные основы обработки зерна в потоке Текст. / М. Г. Голик, В. Н. Демидович, Б. К. Мельник. М.: Колос, 1972. - 219с.

18. ГОСТ 12041-82 Семена сельскохозяйственных культур. Метод определения влажности. М. -1982. 6 с.

19. ГОСТ 23730-88 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. М. 1989. - 9 с.

20. Горячкин, В. П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1965. -т. 3. -352с.

21. Данилов, Д. Ю. Разработка установки для выявления удельного электропотребления при сушке зерна. Текст. // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск 4(11) - С. 41. .46.

22. Данилов, Д. Ю. Средства механизации тепловой обработки зерна/ Д. Ю. Данилов Текст. // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск4 (11)-С. 32.40.

23. Жидко, В. И. Зерносушение и зерносушилки. Текст. / В. И. Жидко, В. JI. Резчиков, В. С. Уколов. М.: Колос, 1982. - 239 с.

24. Журавлев, А. П. Зерносушение: Учебное пособие. Самара, 2004.144 с.

25. Журавлёв, А. П. Теория и практика рециркуляционной сушки зерна108

26. А. П. Журавлёв Текст. // Самара: Парус. 2001. - 254 с.

27. Журавлев, А. П. Технология сушки зерна и семян подсолнечника Текст. / А. П. Журавлев, JI. А. Журавлева // Чапаевск: СГСХА. 2000. -200 с.

28. Захарченко, И. В. Послеуборочная обработка семян, М.: Заготиз-дат, 1984.-267с.

29. Захарченко, И. В. Производство семян на промышленную основу Текст. / И. В. Захарченко, В. Г. Духонин, П. В. Захарченко // Пермь: книжное издательство. - 1977. - 216 с.

30. Зимин, Е. М. Технология приема и обработки чернового вороха Текст. / П. М. Зимин // Ярославль: Тез. док. Научно методической конференции. -1986.-С. 67-69.

31. Инновационные решения проблем АПК России. Текст. / Под редакцией проф. Н. В.Оболенского. Учебник. Н.Новгород: НГСХА. 2007.-352 с.

32. Исайчев, В. JI. Практикум по технологии хранения и переработке продукции растениеводства. Ульяновск: УГСХА, 2005. - 290с.

33. Кавецкий, Г. Д. Процессы и аппараты пищевой технологии Текст. / Г. Д. Кавецкий, Б. В. Васильев // М.: Колос. - 2000. - 551 с.

34. Казаков, Е. Д. Биологические и физико-химические функции воды в зерне. Текст. // Влага в зерне. М.: Колос, 1969. - С. 388.

35. Казанина, М. А. Обработка и хранение сельскохозяйственных продукций Текст./ М. А. Казанина, В. Я. Воронкова // Минск: Ураджай.- 1988.159 с.

36. Ким, JI. В. Зерносушение и зерносушилки Текст./ JI. В. Ким, JI. И. Пащенко // Воронежская государственная технологическая академия. -1999.-63 с.

37. Киреев, М. В. Послеуборочная обработка зерна в хозяйствахТекст. / М. В. Киреев, С. М. Григорьев, Ю. К. Ковальчук // Ленинград: Колос, Ленинградское отделение. -1981. 224 с.

38. Клименок, А. В. Выбор метода и параметров термообработки фуражного зерна перед плющением Текст. / Механизация и электрификация сель109ского хозяйства. Респ. межвед. тематический научно-технический сборник, 1988.- Вып. 68.

39. Ксенз, Н. В. Пути снижения энергоемкости процесса сушки семян зерновых культур. Технологические комплексы, машины и оборудование для механизации процессов в полеводстве Текст. / Н. В. Ксенз / Сб. науч. тр. ВНИНТИМЭСХ. 1994. - С. 185-190.

40. Куприца, Я. Н. Технология переработки зерна. М: Колос, 1965.248с.

41. Курдюмов, В. И. Разработка и исследование машин для механизации животноводства и их рабочих органов. Ульяновск, 2002. - 159с.

42. Личко, Н. М. Технология переработки продукции растениеводства. -М: Колосс, 2000. -214с.

43. Лыков, А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 425с.

44. Лыков, А. В. Теория переноса энергии и веществаТекст. / А. В. Лыков, Ю. А. Михайлов. Минск: Изд-во Акад. Наук БССР, 1954. - 357с.

45. Лыков, А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. Госэнергоиз-дат, 1956. - 452с.

46. Лыков, А. В. Технология теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. -264с.

47. Лыков, А. В. Распылительные сушилки. Основы теории и расчёта. -М.: Машиностроение, 1968. -238с.

48. Малин, Н. И. Энергосберегающая сушка зерна Текст. / Н. И. Малин // М.: КолосС. 2004. - 240 с.

49. Мальтри, В. Сушильные установки Текст./ В. Мальтри, Э. Петке, Б. Шнайдер // М.: Машиностроение. 1978. - 508 С.

50. Манжосов, В. И. Технология хранения растениеводческой продукции Текст. / В. И. Манжосов. И. А. Попов, Д. С. Щедрин / М.: КолосС. -2005.-392 с.

51. Мельник, Б. Е. Справочник по сушке и активному вентилированиюзерна. Текст. / Б. Е. Мельник, Н. И. Малин. М.: Колос, 1980. - 175 с.110

52. Мельник, Б. Е. Технология приемки, хранения и переработки зерна Текст. / Б. Е Мельник, В. Б. Лебедев, Г. А. Винников. М.: Агропромиздат, 1990. -367 с.

53. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессовТекст. / С. В. Мельников, В. Р. Алёшкин, П. М. Рощин. Л.: Колос. Ленингр. отд-ние, 1980. - 168с.

54. Механизация и электрификация сельскохозяйственного производ-стваТекст. / А. П. Тарасенко, В. Н. Солнцев, В. П. Гребнев и др. // М.: КолосС. 2004. - 552 с.

55. Мякишев, Н. Ф. Токи высокой частоты и ультразвук в сельском хозяйстве Текст. // Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве. М: «Колос», 1974. С.537-540.

56. Никулин, Е. И. Исследование процесса охлаждения зерна в элементарном и плотном слоях Текст. / Е. И. Никулин // М.: Труды ВНИИЗ. 1970. -№71.-С. 25-26.

57. Новиков, П. А. Установка термического обеззараживания и сушки семян Текст. // Труды Всесоюзного научно-исследовательского института зернового хозяйства. 1977. - Т. 5. - С. 157-164.

58. Оболенский, Н. В. Внедрение в технологии АПК достижений ВПК в области создания специального электротермического оборудования. Монография. Н. Новгород: НГСХА. 2002, 113 с.

59. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю., Гусева А. О, Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов и пути повышения ее эффективности. Текст. // Вестник НГИЭИ. 2011. Серия технические науки. Выпуск 3 (4) -С. 19-29.

60. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю. Малогабаритная зерносушилка для фермерских хозяйств. Текст. // «Механизация и Электрификация сельского хозяйства». 2011. - № 10 - С. 26, 27.

61. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю., Мустафин Ш. X. Малогабаритная зерносушилка для фермерских хозяйств и исследования процесса сушки зерна Текст. // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) - С. 47-55.

62. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю., Мустафин Ш. X. Художественно-конструкторское решение устройства для исследования процесса сушки зерна. Текст. // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск 4(11) -С. 55-61.

63. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю. Теоретические предпосылки создания кассетного устройства для тепловой обработки зерна Текст./ Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) - С. 61-99.

64. Оболенский, Н. В., Данилов Д. Ю. Устройство для исследования процесса сушки зерна Текст. // Аграрная наука Евро-Северо-Востока, -2012.-№2(27)-С. 60-64.

65. Оболенский, Н. В., Ивашин Е.И. и др. Учёт движения зерна и сырья на зерноперерабатывающих предприятиях. Учебное пособие. Н.Новгород: НГСХА. 2000, 144 с.

66. Оболенский, Н. В., Осокин В. Л. Практикум по теплотехнике. Учебное пособие. Княгинино: НГИЭИ. 2010, 236 с.

67. Оболенский, Н. В. Памятка аспиранту и соискателю ученой степени кандидата наук. Методическое пособие. Княгинино: НГИЭИ. 2010, 88 с.112

68. Оболенский, Н. В. Электронагрев в сельскохозяйственных обрабатывающих и перерабатывающих производствах. Монография. Н.Новгород: НГСХА. 2007,-350 с.

69. Оболенский, Н. В. Электротермическое оборудование в технологических процессах переработки сельскохозяйственной продукции Текст. / Н. В. Оболенский. Н. Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2002. - 190 с.

70. Оборудование для хранения продукции растениеводства. Текст. / Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Учебное пособие. Н.Новгород: НГСХА. 2010,-220 с.

71. Окунь, Г. С. Тенденции развития технологии и технических средств сушки зерна. Обз. Информация. М., 1987. - 56с.

72. Основы хранения продукции растениеводства. Текст. / Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Учебное пособие. Н.Новгород: НГСХА.2007. -180 с.

73. Патент на полезную модель № 115164 РФ. Устройство для исследования процесса сушки зерна Текст. / Н. В. Оболенский, Д. Ю. Данилов (РФ). 4 с: ил.1. Опубл. 27.04.2012. Бюлл.№ 12.

74. Практикум по процессам и аппаратам в переработке сельскохозяйственной продукции. / Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Учебное пособие. Н. Новгород: НГСХА. 2006. 168 с.

75. Практикум по холодильному и вентиляционному оборудованию/ Н. В. Оболенский, А. П. Журавлёв, Е. А. Денисюк и др. Учебное пособие. М.: КолосС. 2007.-286 с.

76. Процессы и аппараты при переработке продукции растениеводства. /Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Учебное пособие. Н.Новгород:из1. НГСХА. 2008.-259 с.

77. Птицын, С. Д. Зерносушилки. М.: Машиностроение, 1966. - 486с.

78. Птицын, С. Д. Сушка и хранение зерна в колхозах. М.: Сельхозгиз, 1951.- 168с.

79. Резчиков, В. А, Налеев О. Н, Савченко С. В. Технология зерносу-шения. Учебник Текст. / Под ред. В. А. Резчикова. Алматы: Изд. Алматин-ского Технологического Университета , 2000. - 363 с.

80. Рекомендации но высокопроизводительному использованию реконструированной зерносушилки М-819 Текст. / ВНИИ механизации сельского хоз-ва. М., 1989.

81. Рогов, И. Л. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов Текст. / И. А. Рогов, С. В. Некрутман. М.: Пищевая промышленность, 1976.-210с.

82. Романенко, М. Г. Сушка в кипящем слое. М.: Химия, 1964. - 241с.

83. Рудобашта, С. П., Оболенский Н. В., Мокеев А. А. Устройства для экологически чистого нагрева воздуха Текст. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. - №11. - С. 13, 14.

84. Рудобашта, С. П. Теплотехника. М. :КолосС, 2010. - 599 с.

85. Савченко, С. М. Повышение эффективности работы зерносушилок Текст. / С. М. Савченко, В. И. Атаназевич. М.: ЦНИИТЭМ Минзага СССР, 1976. -349 с.

86. Сакун, В. А. Сушка и активное вентилирование зерна и зеленых кормов. М.: Колос, 1974. - 215с.

87. Самочетов, В. Ф. Зерносушение Текст. / В. Ф. Самочетов, Г. А, Джорогян. -М.: Колос. 1970.-287 с.

88. Самочетов, В. Ф. Техническая база хлебоприемных предприятий: Зерносушение Текст. / В. Ф. Самочетов, Г. А. Джорогян, Е. И. Никулин. М.: Колос, 1978.- 272 с.

89. Сельскохозяйственные машины. Практикум Текст. / М. Д. Адиньяев, В. Е. Бердышев, И. В. Бумбар и др.; Под ред. А. П. Тарасенко. М.: Колос,1142000. -240с. (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

90. Скороваров, М. А. Режимы сушки зерна. М. Хлебоиздат, 1959.241с.

91. Сооружения и оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Текст. / Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Учебное пособие. Н.Новгород: НГСХА.2006. 352 с.

92. Сорочинский, В. Ф. Послеуборочная обработка и хранение зерна Текст. / В. Ф. Сорочинский // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2003. С 10-14.

93. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна. Текст. / Под ред. А. Я. Соколова. М.: Колос, 1984. - 400 с.

94. Химическая энциклопедия. М.: Сов. энцикл., 1988.- 623 с.

95. Шамин, А. Е. Осокин В. JI. Центр энергоаудита в НГИЭИ Текст. // Вестник НГИЭИ. 2012. Серия технические науки. Выпуск 4 (11) - С. 4.12.

96. Шибаев, П. Н. Улучшить организацию сушки семян в колхозах и совхозах Текст. // Селекция и семеноводство, 1966. № 4. - С.56-64.

97. Элеваторы и склады. Текст. / Под редакцией проф. Н. В. Оболенского. Лабораторный практикум. Н.Новгород: НГСХА. 2010.-164 с.

98. Энергосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве Текст./ под ред. М. М. Севернева // Минск. 1994. - 222 С.

99. Allen, I. R. Application of grain drying theory to the drying of maize and rice. J. Agr. Engng Res., 2005. - v. 5, - №4.

100. Bauder, H. J. Die Körnerkühlung und ihre Anwendung. Landtechn. 1965. -Bd 20. № 5.

101. Curda, А. К. Akiivni vetani halovych skiady / A. K. Curda // Kami-varstvi. 1987. - V.23. - P.45-49.

102. Dougan, R. D. Feasibility of in progress drying guidelines for wheat ventilated with near-ambient air / R. D. Dougan, W. E. Muir, D. S. Iayas // Can.Agric.Eng. - 1995 -V-37.3.-P. 183-187.

103. Dräger, J. Untersuchungen zur Getreidekühlung. Dtsch. Agrartechn., 1969. -Bd. 19.-№9.

104. Foster, G. H. Moisture changes during aeration of grain. Amer. Soc. Agr. Engrs., 1967.-Paper 351.

105. Jouin, M. Donnees techniques sur la ventilation du gra. Etud. CHEEMA, 1969. №329.

106. Paterson, H. Chilled grain storage. Farm Mech. Build., 1997. v. 19. - №216.

107. Zihlmann, F. Strömungstechnische Grundlagen und deren Anwendung bei der Beluftungstehnik und beim pnevmatischen Transport. Traktor Landmasch., 1969.-Bd31.-№3.111. www.bsau.ru112. www.pgsha.penza.net