автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электроактивирование процессов сушки растительных материалов

-1 Г Б ОД

• ' ДЕК 1338

На правах рукописи

ТРОЦКАЯ Гаисия Павловна

ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.20.02 — электрификация сельскохозяйственного

производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Белорусском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (БелНИИМСХ).

Научные консультанты - академик Академии аграрных наук

Республики Беларусь и Россельхоз-академии, доктор технических наук, профессор СЕВЕРНЕВ М.М.

- доктор биологических наук ДЕНИСОВ А.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ВОРОБЬЕВ В.А.

- доктор технических наук, профессор КРАУСП В.Р.

- доктор технических наук, профессор ГУЛЯЕВ Г.А.

Ведущая организация — Государственное предприятие «Белорусский научно-исследовательский институт энергетики и электрификации АПК»

Защита состоится «Д/7» 1998 г. в

на

заседании диссертационного совета Д120.12^01 в Московском государственном агроинженерном университете по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 58. С/Ь

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАУ.

Автореферат разослан «

№

» а? _1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /Шй/ЗАГИНАЙЛОВ В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Сохранность выращенного урожая достигается, в первую очередь, с помощью сушки, которая является единственным надежным способом прекращения активных биохимических процессов в растительных материалах и их консервирования. В то же время технологии сушки, используемые в сельском хозяйстве, имеют большую энергоемкость. На сушку зерна и кормов приходится 40...50% энергозатрат, идущих на послеуборочную обработку, или 6...8% всех энергозатрат на производство этих видов продукции. Низкая производительность сушильных комплексов и недостаточная обеспеченность ими приводят к тому, что из-за несвоевременной сушки на зернотоках республики ежегодно теряется 250...300 тыс. т зерна.

Серийно выпускаемые в СНГ сушилки делают технологический процесс металлоемким (1600...3500 кг на тонну высушиваемого зерна) и имеют высокий удельный расход топлива (9,4... 17,2 кг усл. т/т). Их производительность близка к предельным возможностям и практически не может быть увеличена за счет изменения физических параметров сушки.

Известные методы интенсификации процесса (СВЧ, УВЧ, сушка в магнитном поле, сублимационная и др.) сопровождаются повышением энергоемкости, отличаются большой сложностью оборудования и требуют высокой квалификации обслуживающего персонала. По указанным причинам широкое освоение этих технологий в сельском хозяйстве в ближайшей перспективе нереально. Замена сушки химическим консервированием позволяет несколько уменьшить затраты энергоресурсов, но эта технология не может быть использована для семенных и продовольственных целей.

Проблема дальнейшего наращивания производства продовольствия и кормов в условиях сокращения энергетических ресурсов требует изыскания и освоения новых ресурсосберегающих технологий, широкого вовлечения в энергетический баланс страны возобновленных источников энергии. Поэтому научные исследования, направленные на разработку эффективных способов энергосберегающей сушки сельскохозяйственных материалов, актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнена в соответствии с комплексной союзной программой «Зерно» по теме № 5 «Создать и внедрить в опыгно-производствеиных условиях высокоурожайные сорта, устойчивые к основным вредителям и болезням, усовершенствовать технологии возделывания, уборки и семеноводства зерновых культур на промышленной основе, обеспечивающие получение 60...70 центнеров зерна с гектара, экономию материально-энергетических ресурсов на 75...80% прироста урожая» (задание № 07 «Разработать прогрессивные энергосберегающие технологии возделывания, уборки и послеуборочной обработки зерна зернобобовых и крупяных культур, обеспечивающие получение урожайности зернобобовых 22...40 и гречихи 20...25 ц/га при затратах труда на производство продукции не более 1 чел.-ч», которое выполнялось на кафедре механизации сельскохозяйственно-

го производства Гродненского СХИ с 1986 по 1990 гг.); Республиканской комплексной программой «Зерно» на 1991-1995 гг., утвержденной Постановлением Совета Министров Белорусской ССР от 27.03.1991 г. № 114 (работа выполнялась в ЦНИИМЭСХ с 1991 по 1994 гг.).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов сушки растительного сырья путем разработки и освоения энергосберегающих технологий и технических средств для электроактивированных процессов. Поставленные цели достигались решением следующих задач:

- дать теоретическое обоснование тепло- и массообменных процессов, происходящих при электроактивировании процессов сушки;

- предложить гипотезу механизма воздействия озоно-воздушной среды на процесс сушки растительных материалов, их биохимические, микробиологические и агротехнические свойства;

- обосновать технологии и разработать технические средства дня сушки с использованием электроактивированного сушильного агента;

- дать энергетическую, экономическую и экологическую оценку предлагаемых технологий.

Научная новизна полученных результатов. Впервые предложен способ энергосберегающей сушки сельскохозяйственных материалов электроакгиви-рованньш сушильным агентом. Выдвинута гипотеза механизма воздействия сушильного агента с содержанием озона на процесс сушки растительного сырья. Выявлены наиболее эффективные режимы сушки зерна и злаковых трав. Дано теоретическое обоснование тепло- и массообменных процессов. Обоснована гипотеза механизма действия озона на процесс сушки. Выявлено влияние сушки в озоно-воздушной среде на качество зерна и семян. Даны энергетическая, экономическая и экологическая оценки предложенных технологий сушки.

Практическая значимость полученных результатов работы состоит в обосновании технологий и режимов сушки зерна и злаковых трав электроактивированным сушильным агентом (на напольных сушилках, бункерах активного вентилирования, сушилках зерна периодического и непрерывного действия, контейнерного типа), разработке конструкций озонаторных установок (стационарная, передвижная и блок-приставка к теплогенераторам или вентиляторам). Предложенные технологии и средства механизации позволяют интенсифицировать процесс сушки с экономией 20...60% материально-энергетических ресурсов при одновременном улучшении качественных показателей высушенного материала, улучшить последующее хранение за счет снижения биохимических процессов и обеззараживающего действия (снижение количества микроорганизмов и плесневых грибов на поверхности материала, а также фитопато-генной микрофлоры), улучшить агротехнические качества получаемых семян.

Результаты исследований апробированы в ряде хозяйств: колхозах «Рассвет» Островецкого (1981-1983 гг.) и им. Некрасова Щучинского районов (1988-1990 гг.), совхозах «Малое Можейково» Лидского (1982-1984 гг.) и «Со-сновка» Слонимского районов (1991 г.) Гродненской области; с-зе «Логоза» и

к-зе «Чуденичи» Логойского района (1992 г.), БелЗОС Минской области (19931994 гг.), в колхозах «Призыв» и «Коммунар» Крупского р-на (1996-1997 гг.).

Экономическая значимость полученных результатов. Экономия затрат на сушке 1 тонны зерна в озоно-воздушной среде, выраженная в тоннах условного топлива и ценах на 1.07.98 г., составляет: напольные сушилки - 43,54 кг у.т., 3,71 USD; М-819 - 3,75 кг у.т., 0,49 USD; СЗШ-16 - 6,90 кг у.т., 0,53 USD; контейнерные - 16,0 кг у.т., 1,17 USD; бункера активного вентилирования — 0,98 кг у.т., 0,07 USD.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. В диссертации проанализированы, научно обоснованы и выносятся на защиту следующие положения:

1. Математические модели, описывающие биохимические, биофизические и тепломассообменные процессы при сушке растительных материалов.

2. Гипотеза механизма воздействия озоно-воздушной среды на процесс сушки растительных материалов.

3. Зависимости микробиологических, биохимических и агротехнических характеристик высушиваемого материала от концентрации озона в сушильном агенте, его расхода, скорости сушки, электротехнических характеристик установок; методики оптимизации указанных параметров.

4. Методика энергетической, экономической и экологической оценки различных способов сушки и основные направления энергосбережения при выполнении технологического процесса.

5. Энергосберегающие технологии и технические средства для электроактивированной сушки растительного сырья в озоно-воздушной среде.

Личный вклад соискателя заключался в самостоятельном выполнении теоретических разработок, проведении экспериментальных лабораторных и производственных исследований, обработке полученных результатов. В работе принимали участие М.М.Севернев, Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко, Р.А.Скоробогатова, С.М.Карташевич, В.П.Храповицкий.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-методическом совещании секции механизации и электрификации сельского хозяйства Западного отделения ВАСХНИЛ (г.Каунас, 1981 г.), на восьми научных конференциях преподавательского состава (г.Гродно, ГСХИ, 1982-1985, 1987-1990 гг.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (г.Ленинград-Пушкин, ЛСХИ, 1984-1985 гг.), на совещании секции механизации и электрификации сельского хозяйства отделения ВАСХНИЛ НЗ РСФСР по вопросам исследований предпосевной и послеуборочной обработки семян сельскохозяйственных культур с участием представителей институтов^. Ленинград-Пушкин, НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР, 1984 г.), на научно-технической конференции по механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства и подготовке инженерных кадров, посвященной 30-летию института (г.Минск, БИМСХ, 1984 г.), на первом Всесоюзном совещании по применению физического и химического мутагенеза в сельском хозяйстве (г.Кишинев, 1987 г.), на пяти научно-практических конфе-

ренциях (г.Тверь, XII - 1989 г., XIII - 1990 г., XIV - 1991 г., XVI - 1993 г.. XVII -1994 г.), на Международном семинаре «Нетрадиционная энергетика, экология, энергосберегающие технологии» (г.Минск, ИТМО, 1993 г.), на научно-технической конференции «Моделирование сельскохозяйственных процессов и машин» (г.Минск, БАТУ, 1994 г.), на научно-практической конференции, посвященной 50-летию факультета механизации сельского хозяйства (г.Горки, БСХА, 1997 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию БелНИИМСХ (г.Минск, 1997 г.), на I Международной конференции по использованию нетрадиционной энергии в сельском хозяйстве (г.Варшава, 1997 г.), на научно-производственной конференции «Роль адаптивной интенсификации земледелия в повышении эффективности аграрного производства» (г.Жодино, БелНИИЗК, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции «Моделирование и прогнозирование аграрных энергосберегающих процессов и технологий» (г.Минск, БАТУ, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции (г.Москва, ВИЭСХ, 1998 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию академика С.И.Назарова (г.Горки, БСХА, 1998 г.).

Опубликованность результатов диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в монохрафии, шести статьях в научных журналах, трех статьях в сборниках научных трудов, шести докладах международных конференций, в 1 главе книги по энергосбережению, пяти бюллетенях ЦНТИ, четырнадцати тезисах конференций, двух авторских свидетельствах, методическом указании для студентов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, выводов, списка использованных источников (161 наименование, из них 21 на иностранном языке) и 14 приложений. Изложена на 256 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков и 43 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Пути и способы интенсификации процессов сушки сельскохозяйственных материалов» выполнен анализ технологий и технических средств для сушки, химического консервирования и временного хранения, обзор исследований и разработок по теме. Показана необходимость интенсификации процессов и создания новых энергосберегающих технологий сушки сельскохозяйственных материалов, сформулированы проблемы и определены задачи исследований.

Теоретические основы разработки технологий и средств механизации заложены академиками А.А.Ребиндером, А.В.Лыковым, А.Б.Лурье, Г.А.Егоровым, А.С.Гинзбургом, С.Д.Пгицыным, Е.М.Савиной, развиты их учениками и последователями.

Влияние способов сушки и конструкций сушилок на энергоемкость процесса и производительность оборудования изучалось Ф.Н.Эрком, И.В.Захарченко, Г.С.Окунем, А.Г.Чижиковым, В.Ф.Самочатовым и др.

Исследованию процесса сушки сельскохозяйственных материалов как способа их консервирования посвящены работы В.И.Анискина, В.И.Петру шеви-чюса и др.

Улучшению качества получаемой продукции много внимания уделили И.Ф.Бородин, С.Д.Вендило, Е.Д.Козаков и др.

В совершенствование индустриальной технологии сушки трав значительный вклад внесли М.М.Севернев, В.И.Петрушевичюс, И.И.Пиуновский, К.Ф.Терпиловский и др.

Одно из основных направлений снижения затрат энергоресурсов при сушке заключается в разработке и освоении малоэнергоемких технологических процессов взамен существующих.

Отличительной особенностью прогрессивных технологий является использование факторов интенсификации, обеспечивающих оптимальные режимы сушки растительных материалов в конкретных природно-климатических условиях при минимуме удельных затрат материальных ресурсов (в прямом и овеществленном виде), а также ручного труда. Исходя из этого, для повышения эффективности сушки необходимо не только совершенствовать конструкции сушилок, но и оптимизировать режимы процесса и комплексы применяемых машин.

Решение проблемы интенсификации сушки в современных условиях может быть достигнуто, в первую очередь, путем изменения химического состава сушильного агента при одновременном решении вопроса обеззараживания, ингибирования биохимических процессов, обеспечения безопасного временного хранения.

Большое разнообразие методов сушки обусловливает разнообразие применяемых технологий, машин и оборудования, способов энергоподвода.

Интенсификация сушки зерна за счет повышения температуры и снижения относительной влажности сушильного агента имеет свой предел, так как чрезмерный нагрев материала влечет за собой изменение его структуры и начальных свойств. Другой путь интенсификации сушки - воздействие энергетических полей непосредственно на материал. Существующие методы (микроволновой, диэлектрический нагрев, нагрев инфракрасными лучами, использование звуковой энергии, вакуумная сушка и др.) требуют высоких удельных капиталовложений и затрат электроэнергии, металлоемкого оборудования, высокой квалификации обслуживающего персонала.

Технология заготовки сена с сушкой в полевых условиях обеспечена средствами механизации, однако она ведет к потерям до 50% питательных веществ и витаминов и осуществима только при сухой солнечной погоде. Уменьшить потери и повысить качество сена позволяет досушивание его активным вентилированием. Но на подогрев воздуха требуется энергии в 1,2-1,4 раза больше, чем на все предварительные операции. Это заставляет изыскивать нетрадиционные энергосберегающие технологии (гелиоколлекторы, холодильные установки, озонированный воздух, замена сушки химическим консервированием).

Консервация влажного зерна широко распространена за рубежом (США, Англия, ФРГ, Швеция и др. страны), определенный опыт накоплен и в нашей

стране. Однако, несмотря на положительный технологический эффект, химическое консервирование имеет высокую трудоемкость, требует дорогостоящих реагентов и специальных хранилищ, сопровождается накоплением неутилизи-руемых отходов.

Наибольший эффект в предохранении влажного зерна от порчи обеспечивает активное вентилирование, которое в определенном временном диапазоне препятствует возникновению самосогревания, снижает интенсивность дыхания, затрудняет жизнедеятельность плесени и других микроорганизмов. Снижение температуры и использование ее суточных и сезонных переходов позволяет не только увеличить срок временного хранения зерна, но и сделать активное вентилирование одним из самых дешевых способов сушки.

Выполнен обзор разработок по интенсификации процессов сушки на основе применения сушилок непрерывного действия, многократного использования сушильного агента, улучшения его влагопоглотителыюй способности, создания вакуума или разряжения, использования химически активного сушильного агента, обладающего сорбционными свойствами, превращения конвективной сушки в конвективно-сорбционную.

В главе 2 «Теоретические предпосылки к разработке технологий сушки в озоно-воздушной среде» дан анализ нетрадиционных способов воздействия на связи влаги с материалом и процессы тепломассообмена. В общем случае движущей силой тепло- и массопереноса для коллоидных капиллярно-пористых тел является химический потенциал, а для переноса энергии - термический потенциал. Потенциал переноса создают температура, влагосодержание и давление, а движущие силы - соответствующие градиенты. При изобарно-изотермичсском процессе, каким является сорбция, За потенциал переноса влаги принимают химический потенциал (/л \ понятие которого впервые введено Т.Поляни. Он образуется за счет разности химического состава анатомических частей зерна. Суть термического потенциала заключается в том, что температура нагрева по-разному влияет на одни и те же химические вещества, входящие в состав различных анатомических частей зерна. В процессе сушки перенос массы и энергии непосредственно зависит от форм связи влаги с материалом растительного происхождения.

С учетом характеристик этих связей и свойств материалов есть возможность определить пути интенсификации сушки.

0 = £УГг, 0 = ктСт

Ш ' М 9

где 0, в - расход теплоты и массы вещества, кДж/с, кг/с; кШ| км, - коэффициенты теплопередачи и массопередачи, кВт/м2К, кг/(м2 ед.дв.силы); Б - поверхность контакта фаз, м2; V Т - разность температур ; V С - разность концентраций химических элементов; Т - время, с.

Интенсификация заключается в увеличении кинетических коэффициентов, разности потенциалов движущей силы, поверхности контакта фаз при выводе влаги из внутренних слоев. Интенсифицировать этот процесс можно путем уменьшения размеров высушиваемых тел (сжатием), изменением величины

и структуры пор, изменением вязкости влаги и разности давлений или увеличением разности температур материала и сушильного агента.

Известными путями интенсификации процесса сушки являются применение радиационно-конвективного и кондуктивного энергоподвода, сушка в электромагнитном постоянном или переменном поле токами высокой частоты, сублимационная, перегретым паром и др.

Радиационно-конвективная сушка интенсифицирует процесс за счет поглощения тепловых лучей поверхностным слоем материала от дополнительного источника инфракрасных лучей, однако длительное тепловое воздей-стие ухудшает технологические свойства материала.

Кондуктивная сушка интенсифицирует процесс на первом этапе на 1-2 порядка за счет передачи тепла без промежуточных термических сопротивлений, однако на нагретой поверхности целесообразна сушка только тонкого слоя.

На сушку в электромагнитном поле влияют термодинамические силы, в качестве которых рассматриваются результирующие векторы напряженности электрического ( Е) и магнитного (3) полей.

Сушка токами высокой частоты проходит достаточно эффективно, скорость испарения внутри пористого тела во много раз превышает скорость переноса пара, поэтому градиент давления возникает при температуре выше 60°С. Однако появляется опасность внутренних трещин в тканях, сушка сопровождается большим расходом энергии, требует сложного оборудования и его обслуживания, что удорожает ее в 3-5 раз по сравнению с сушкой нагретыми газами.

Сушка в переменном магнитном поле осуществляется за счет градиента индукции магнитного поля. При этом достигается ее высокое качество и равномерность.

Интенсификация вакуумной (сублимационной) сушки осуществляется за счет градиента общего давления.

Сушка перегретым паром интенсифицируется за счет того, что температура материала выше температуры теплоносителя, а влагосодержание на его поверхности выше, чем в центре. Недостатком этого способа является то, что высушиваемые материалы претерпевают термическое разложение сухого вещества.

Все известные способы интенсификации процесса сушки зерна направлены на увеличение массопереноса путем увеличения коэффициента диффузии и, по сути, носят физико-механический характер.

Традиционный способ физического воздействия на материал в процессе тепловой сушки не оказывает существенного влияния на химический потенциал массопереноса, является энергоемким и неэффективным, поскольку требует высоких удельных затрат теплоты на единицу испаренной влаги.

Интенсификация процесса и выбор методов сушки должны основываться на понимании того, что зерно - живая биологическая система — не просто поглощает влагу, подчиняясь физическим законам, но в той или иной мере включает ее в биологические процессы, регулируемые ферментами, т.е. ассимилирует.

С целью шггенсификации процесса сушки и сохранения качества высушиваемого материала исследованы различные источники теплоты и способы энергоподвода, а также их сочетание. Наиболее распространенный в практике конвективный способ подвода теплоты неэффективен из-за больших теплопо-терь (до 70%). Его эффективность можно повысить за счет использования в качестве сушильного агента топочных газов, обладающих сорбционными свойствами. Аналогична ситуация при использовании в качестве сушильного агента озонированного воздуха, где роль адсорбента выполняет ион кислорода с двумя свободными валентностями, образовавшийся в результате распада озона, гидроксильный радикал и другие присутствующие ионы. К тому же сам озон химически активен.

По мнению Г.К.Филоненко, для процесса сушки состав сухого газа не имеет значения в том случае, если газ не образует химических соединений с водой.

Озон вступает в реакцию не только с водой, но и с самим высушиваемым материалом.

Сушка озонированным сушильным агентом не требует высоких температур, а умеренное повышение температуры для достижения относительной влажности сушильного агента 65% позволяет использовать нетрадиционные источники энергии.

Помимо прямого физико-химического взаимодействия озон индуцирует в растительных объектах четко выраженную реакцию адаптивного типа.

При использовании озона в составе сушильного агента с концентрацией 4,7... 10,0 мг/м3 обеспечивается непосредственное химическое и биохимическое воздействие на материал, улучшаются транспорт влаги и газов из внутренних слоев в процессе сушки.

Теплофизическис, биофизические и биохимические аспекты сушки в озо-но-воздушной среде описаны соответствующими уравнениями, базирующимися на законе синтеза:

Ю2 =203-+285кДЖ (1)

Тепловое действие озона в процессе сушки представлено в виде суммарного количества теплоты, выделившейся в результате взаимодействий озона:

<2 = 0Р1+0Рг+08 + <2Ь, (2)

где ОР\ - теплота как следствие рекомбинации озона в сушильном агенте;

0р2 - теплота, выделившаяся в результате рекомбинации озона на поверхности

материала; (2? - теплота, полученная в результате реакции дыхания; (¿Ь - энергия, выделившаяся в виде теплоты в результате вторичного преобразования во внутренних тканях материала.

Суммарная теплота (2, непосредственно нагревающая высушиваемый

материал, существенно влияет на коэффициент диффузии ат и учитывается основным уравнением неизотермического переноса влаги

] = апРо^и-87Т\ (3)

где ро - плотность сухого вещества зерна; УС/,УТ- градиенты влагосодержа-ния и температуры; 5 - термоградиентный коэффициент, %/°С.

( Тз\К

"-'"■Ш • <4)

где (1,„г - коэффициент диффузии влаги при температуре 20°С м2/с; Тз -температура зерна, °С; К= 179 и - 41,5.

Определены величины отдельных составляющих уравнения (2)

0Р\ = пс,.К,то}> (5)

где пса - коэффициент распада озона в сушильном агенте

пс.а. = /^Тс.а.'<Рс.а.^о,)', &с.аудельная теплота рекомбинации; то3-масса синтезированного озона.

Однако только часть этой теплоты полезно используется для нагрева материала в процессе сушки ( 0Р1„ ):

йр,п=™с.акс.а™о,, (6)

где п - коэффициент полезно используемой теплоты.

Теплота, выделившаяся на поверхности материата, полностью расходуется на нагрев:

вР2 = птктт ,

(7)

где пт - коэффициент распада озона на поверхности; кт- удельная теплота рекомбинации.

Теплота, полученная от реакции дыхания, инициируемой озоном: ■

йг=п*Ктогтм, (8)

где пя - доля озона, инициирующая биохимические реакции; &- удельная

теплота, выделяющаяся при дыхании, кДж/моль; > Ти > ти-

масса материала, обрабатываемого озоном.

Теплота, полученная в результате вторичного преобразования во внутренних тканях:

йь =ПЬкЬто™М,

(9)

где пь - доля озона, участвующего во внутренних преобразованиях; кь. удельная теплота внутренних преобразований.

В результате соответствующих преобразований находим, что суммарная теплота, дополнительно нагревающая материал за счет присутствия озона:

й = 142,5С 1{ппса, +пт)+ С Ьтм (п8к8 + пъкь),

(10)

где С0ъ- концентрация озона, кг/м3; Ь - расход сушильного агента, м3/ч. С другой стороны, в эксперименте определяем:

а = тм{Т0-ТК)Ст,

(П)

где Т0 - температура материала в опыте, °С; Тк - температура материала в контроле,°С; Ст - теплоемкость материала.

Таким образом:

ти{Т0-Тк)Ст = \А2,ЬСщЬ{ппса + пм) + С0Ьти(пекг +пькь) (12) Ш^фп^ + пм)+ С Ьтм(и + пькь)

{Т0~Тк) =

™МСМ

(13)

УГ =

в

™мст

(14)

Подставив выражение (14) в выражение (4), получаем новое значение коэффициента диффузии при сушке в озоно-воздушной среде:

Гз+УГ 273

л*

= Я-

Г3 +

Л*

тиС„<

273

= я»

ГТ]тмС,п+0"к

V тм27^ст ;

(15)

В соответствии с этим плотность потока влаги при сушке материала (зерна) в озоно-воздушной среде под влиянием теплового действия озона составит

J = а,

тът и С,.

+ Q

mu 273 С,

p0(VU -SVT)

(16)

Кроме теплового действия в процессе сушки озон оказывает биофизическое, биохимическое и химическое действие на материал. В результате изучения основных аспектов действия озона разработана структурная схема механизма действия озона на процесс сушки (рис.1), из которой следует выделить три этапа: I - обработка озоном сушильного агента с изменением влагопогло-тительной способности; II - поверхностное действие на материал; III - глубокие (биохимические) взаимодействия с материалом.

Оэоновиэ Распад Адсорбция йейтраяиэа-

вони г U3UHU чади 4YHK- -1цкя wep ге-

суишдьнои 02 и -0- •U цконадьним нетических свя-

агенте на группами зей волы с

-ОН и -Н Ивтериаиои

1-й этап: возлей- I ствие 0., на су- э' шильный I агент

____I

И-й этап: J повврхно-. стные ' ®»аиыо- | действия с иктен- | сибнш , погвоше- 1 ниеы

ле по срвдствен-кие Сноэснинчэ-ские реакции адаптивного тала

акции поли-ыеризацни

Высвобождение озона из неустойчив« хшичвсккх соединении

Ш-р этап: бИЭХШИ- I чесиие , реакции 1

Рис.1. Гипотеза механизма действия озона в процессе сушки

Озон является наиболее технологически доступным и экологически приемлемым химическим элементом для получения и применения в процессах сушки. Он интенсифицирует эти процессы, вызывая биохимическую реакцию адаптивного типа, изменение проницаемости клеточных мембран и структурные преобразования покровных тканей. В результате сжатия клеточных мембран, изменения форм и ослабления связи влаги с материалом создается градиент давления при температуре окружающей среды, что на 75...85°С ниже, чем при обычной тепловой сушке, а сам процесс переводится на более низкий энергетический уровень. Количество теплоты, затрачиваемой на отрыв молекулы воды в процессе сушки, уменьшается на 20.. .60%.

Для инициирования озоном интенсивной транспирации влаги в начальный период сушки достаточно 0,5...2,0 часа обработки. Снижение интенсивности процессов обмена (как внешнего, так и внутреннего) устойчиво во времени, что приводит к уменьшению потерь массы на протяжении последующего хранения на 60...80%. Снижение интенсивности транспирации происходит постепенно в течение 20...40 ч. Процесс сушки с использованием озона можно сократить, не доводя материал до кондиционной влажности, поскольку в даль-

нейшем происходит естественное досушивание при сниженном уровне дыхания и без самосогревания. Это позволяет разработать энергосберегающие технологии сушки.

В главе 3 представлены методики, установки и результаты экспериментально-теоретических исследований электроактивирования процессов сушки зерна и злаковых трав. :

Техника и методика эксперимента позволяли анализировать состояние сушильного агента на входе в высушиваемый материал и на выходе из него. Для определения энергетических параметров сушки использовались установки, позволяющие одновременно проводить сушку контрольного и опытного образцов материала при прочих равных условиях. Сушильный агент при движении к опытному образцу материала проходил через озонатор, установленный в воздуховоде, и под действием электрического разряда изменял свой химико-физический состав. Установки оснащены контрольно-измерительными приборами, позволяющими контролировать уровни исследуемых технологических факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс, и управлять ими.

Исследования процесса сушки проводили, контролируя изменение влажности материала методом высушивания до постоянной массы (в соответствии с ГОСТом). Параметры сушильного агента (расход, температура, относительная влажность) устанавливались на основании показаний приборов, а концентрация озона определялась фотометрическим и йодометрическим методами в зависимости от концентрации.

В разработанной методике предусматривались визуальные методы исследования (фотосъемки обычные и под микроскопом).

Исследования тепломассопереноса показали, что на эффективность процесса сушки оказывает влияние большое количество различных факторов, в том числе сорт зерна, строение скелета зерновки и др.

Исследованиям подвергались овес «Кондр», ячмень «Фаворит» и «Визит», рожь «Белта», пшеница «Центас». Режимы сушки обеспечивались параметрами лабораторной установки: температура сушильного агента - 20...24°С, его расход - 1,05...6800 м3/ч на тонну зерна, концентрация озона в сушильном агенте — 0,23...8,90 мг/м3. Изменение влажности и скорости сушки ржи «Белта» представлено на рис.2. На всех этапах скорость сушки зерна в опыте была выше, чем в контроле и постоянно увеличивалась (с 0,20 до 0,53%/ч); в контроле она изменялась от 0,13 до 0,31%/ч. Продолжительность сушки зерна в опыте до кондиционной влажности составила 46,5 ч, а в контроле - 63,0 ч. Наиболее высокая скорость сушки зерна в опыте отмечалась на- заключительном этапе, при более прочных связях влаги с материалом. Средняя скорость сушки ржи в опыте составила 0,32, а в контроле - 0,24%/ч.

Значительно интенсифицируется сушка злаковых трав озонированным сушильным агентом. При исходной влажности 80,4% продолжительность сушки контрольного образца до влажности 16,0% составила 9 часов, опытного - 6 часов (рис.3), а скорость сушки - соответственно 7,15 и 10,69%/ч.

0,3

Рис.2. Изменение относительной влажности и скорости сушки от ее продолжительности (озимая рожь): 1, 2 - соответственно влажность в контроле и в опыте; 3, 4 - скорость сушки в контроле и в опыте; Т - температура, Ь - расход сушильного агента, Со3 - концентрация озона

Продолжительность сутт, ч

Рис.3. Изменение влажности и скорости сушки злаковых трав в озоно-воздушной среде: 1,2- влажность в контроле и в опыте; 3, 4 - соответственно скорость сушки в контроле и в опыте

6 7 6 9 Проюшстелыюстъ сгк1, ч

Для исследования процессов сушки ячменя «Фаворит» в озоно-воздушной среде был использован математический метод планирования эксперимента (трехфакторный эксперимент).

Динамика сушки злаковых трав изучалась на специальной лабораторной установке с использованием метода латинских квадратов, что позволяло исследовать влияние четырех основных факторов на пяти уровнях. В расчет принимались температура сушильного агента (14...26 °С), расход сушильного агента (0,027...0,039 м3/с), концентрация озона (0,32...15,36 мг/м3 ), толщина слоя материала (10...30 см), В результате получены графики функциональных зависимостей, которые согласуются с результатами исследований,

проведенных другими учеными по действию озона на растительный материал. Они имеют вид «бегущей волны». Это усложняет решение вопроса об оптимальных параметрах процесса, хотя абсолютно очевидно, что скорость сушки в озоно-воздушной среде в большей или меньшей степени, но всегда превышает скорость сушки в контроле.

Получено уравнение оптимизации сушки злаковых трав в озоно-воздушной среде:

у = -0,52 + 336,8л:2 + 0,96*3 +11,0дг,дг2 + З7,6х2х3 -- 9,\х2Ха -16383,9д:з -н 0,05*3 + 0>02*4

Уравнение регрессии является значимым и адекватно описывает процесс, а проверка функции на оптимум явных экстремумов не выявила.

Исследована динамика изменения химико-физических свойств сушильного агента в процессе сушки зерна. Анализ зависимости относительной влажности сушильного агента на входе в высушиваемый материал и на выходе из него (рис.4) показал, что присутствие озона увеличивает влагоудерживающие свойства сушильного агента. Разница его относительной влажности на выходе из массы зерна в опыте и в контроле достигала 26%. Это характеризует природу механизма сушки. На первом этапе (20...30 мин) озон вызывает структурные модификации покровных тканей с закрытием устьиц, в этот период идет большое поглощение озона материалом и соответственно низка его концентрация в сушильном агенте. Затем, после завершения модификации покровных тканей с открытием устьиц, концентрация озона в сушильном агенте возрастает, что увеличивает его влагопоглотительную способность. При этом поглощение и удерживание влаги электроактивированным (озонированным) сушильным агентом увеличивается даже в завершающий этап сушки (при более прочных формах связи влаги с материалом). В итоге скорость сушки теоретически может возрасти до 1,46 раза.

Рис.4. Изменение состояния сушильного агента в процессе сушки зерна: 1 - относительная влажность на входе; 2, 3 - относительная влажность на выходе соответственно в контроле и в опыте; 4, 5, 6 - температура окружающего воздуха, пеозонированного и озонированного сушильного агента

Исследования показали, что химический состав сушильного агента в процессе сушки постоянно изменяется за счет количества присутствующего в нем озона. Характер этих изменений зависит от исходного состояния высушиваемого материала и его способности вступать в реакцию. Существует взаимосвязь между уровнем концентрации озона в сушильном агенте и интенсивностью процесса сушки.

Интенсификация сушки начинается с момента окончания поглощения озона материалом. При концентрации до 5,76 мг/м3 поглощение озона высушиваемым материалом (злаковыми травами) продолжается примерно 3 ч (рис.5), а через два часа наблюдается повторная волна поглощения.

Рис.5. Изменение параметров сушки злаковых трав в озопо-воздушной среде с повторным поглощением озопа: 1, 2 -соответственно влажность в контроле и опыте; 3,4 -концентрация озона на входе и выходе из высушиваемого материала; Т - температура сушильного агента, Ь -расход сушильного агента; Соз - концентрация озона; Н - толщина слоя материала

На первом этапе поглощения озона не отмечалось увеличения скорости сушки в озоно-воздушной среде. Она возрастала, когда поверхность материала полностью прореагировала с озоном и еще больше — когда начиналось повторное поглощение озона, расходуемого на внутренние биохимические реакции.

При концентрации озона 6,72 мг/м3 (рис.6) взаимодействие сушильного агента с поверхностью материала происходит более интенсивно и период насыщения материала озоном сокращается. Интенсификация процесса сушки происходит практически с того момента, когда концентрация озона в сушильном агенте на выходе из материала начинает увеличиваться. Повторного поглощения озона материалом не наблюдалось.

Отмечена закономерность, что влагопоглотительные свойства сушильного агента увеличиваются с уменьшением поглощения озона высушиваемым материалом. Лучшие условия сушки для злаковых трав создаются при концентрациях озона свыше 6,72 мг/м3. При более высокой концентрации 03 поглотительный период сокращается.

Интенсификация процесса сушки осуществляется за счет двух различных источников теплоты: подводимой с сушильным агентом и выделившейся во внутренних тканях высушиваемого материала за счет различных форм взаимодействия озона.

I3

_ _ _

1 т.1б"с:

1 1 Л,039«: /с; \

1 ^•5.76 «■ /и3;

/ В =10 си

/

1 ----

1

1

1 1

5 6 7

Прогоните»моеть сути, ч

Рис.6. Изменение параметров сушки злаковых трав в озоно-воздушной среде без повторного поглощения озона: 1,2- соответственно влажность в контроле и в опыте; 3,4 - концентрация озона на входе и выходе из высушиваемого материала; Т - температура сушильного агента, Ь - расход ■ сушильного агента; Соз-концентрация озона; И -толщина слоя материала

При повышении температуры в сушильном агенте на 4°С сушка зерна в озоно-воздушной среде интенсифицируется на 0,12%/ч, а при сушке без озона -всего на 0,05%/ч. Следовательно, озон усиливает тепловое действие в 2,4 раза.

Повышение концентрации озона в сушильном агенте до 3,83 мг/м3 при тех же условиях интенсифицирует сушку по сравнению с контролем в 3,15 раза.

Увеличение концентрации озона до 3,88 мг/м3 привело к тому, что разница скоростей сушки в контроле и в опыте при температуре 20°С составила 0,20 %/ч, а при температуре 24°С - 0,91%/ч.

Следовательно, внешний температурный фактор в присутствии озона в сушильном агенте интенсифицирует процесс сушки, причем степень интенсификации зависит от концентрации озона в сушильном агенте. Однако влияние озона на скорость сушки неадекватно его концентрации и носит волнообразный характер. Большее влияние температурный фактор оказывает при более высокой концентрации озона.

С другой стороны, температура высушиваемого материала в озоно-воздушной среде увеличивается за счет биохимических реакций во внутренних слоях материала. Например, разница температур контрольного и опытного образцов травы при концентрации озона 1,9 мг/м3 возрастает синхронно с уменьшением поглощения озона материалом. При минимальном поглощении озона температура резко возрастает: через 3,5 часа от начала сушки прирост температуры составляет 2,5°С, через 4 ч - 7,5°С, через 5ч- 8,5°С. Резкое повышение температур совпадает с биохимическим периодом сушки и характеризуется ее высокой скоростью.

Повышение концентрации озока в сушильном агенте до 11,52 мг/м3 ускоряет процесс сушки с самого начала опыта. Разница температур материала в опыте и в контроле через 1 час от начала сушки составляла 4,5°С, через 1,5 ч -5,5°С, через 2 ч - 6°С.

Скорость сушки злаковых трав в озоно-воздушной среде при концентрациях озона 1,90...11,52 мг/м3 составляет соответственно 8,46...10,00%/ч, а в контроле - 7,66..,8,57%/ч.

5 9 .

I5.

=2 4 3 2 I О

Т . 26"С 1 . 0.03; м3/с:

Ч-6-72

70 3 «ч Н - 15 о

> ч

Ж Л ч

4) V А г \ —

33 »4.

тп

0

5'6 7

Проюпателюстъ суют, ч

Изменение скорости сушки вызвано тем, что дыхание высушиваемого материала зависит от концентрации озона. Зависимость носит синусоидальный характер (рис.7), который отражает ингибирующее или стимулирующее действие озона на дыхательные процессы. Концентрация озона 0,23 и 3,88 мг/м3 вызывает в первый период интенсификацию дыхания, а концентрация 8,90 мг/м3 -ингибирование с самого начала сушки. Суммарный расход массы сухого вещества на дыхание у зерна в опыте меньше во всех рассматриваемых вариантах.

£ 25

Рис.7. Интенсивность дыхания зерна (ячмень «Фаворит») в зависимости от продолжительности сушки при различной концентрации озона в сушильном агенте: 10, 20, 30 -в опытах соответственно при Со3 = 8,90, 3,88, 0,23 мг/м3; 1 к, 2К, Зк - в контроле

В главе 4 «Технологические схемы применения озонаторов в сушильных комплексах» представлены технологии и результаты проверки в производственных условиях сушилок различных типов (периодического и непрерывного действия, контейнерных, бункеров активного вентилирования) с использованием в качестве сушильного агента озонированного воздуха. В основу совершенствования конструкций существующих сушилок применительно к новой технологии положено требование сокращения энергоемкости процесса.

Разработаны и внедрены различные технологии сушки зерна в озоно-воздушной среде, а также три конструкции озонаторных установок: стационарная («Шмель»-1), передвижная и блок-приставка к теплогенератору ОВМ-7. Все установки выполнены на базе озонатора пластинчатого типа.

Общий вид озонатора представлен на рис.8. Он состоит из цилиндрического или прямоугольного корпуса 1, в котором смонтирован блок-пакет электродов 2. Требуемое горизонтальное взаимоположение изоляторов с электродами обеспечивается установкой их в пазы стяжек 6, которые фиксируются стяжными болтами 4 с гайками 7. К рабочим поверхностям электродов 3 припаяны проводники 5 (или устанавливаются контактные шайбы из мягких металлов), которые соединяются по принципу пластинчатого конденсатора и подключаются к электрической цепи установки через высоковольтный трансформатор.

Рис.8. Производственный озонатор: 1- корпус; 2 - пакет электродов с изоляторами; 3 -электрод; 4,7 -стяжные болты с гайками; 6 -стяжка

Схема электрических соединений, представленная на рис.9, включает магнитный пускатель 1, рубильник 2, регулятор напряжения 3 (или регулятор мощности РМ-1), счетчик электрической энергии 5, высоковольтный трансформатор ОМ-Ю/1,25 6, генератор озона (озонатор) 7 и контрольно-измерительные приборы 4.

ПЕРВИЧНАЯ ЦЕПЬ

Рис.9. Электрическая схема подключения генератора озона: 1- рубильник; 2 - магнитный пускатель; 3 - лабораторный автотрансформатор; 4 - вольтметр; 5 - счетчик учета потребления электрической энергии; 6 - трансформатор; 7 - озонатор

Все металлические корпуса элементов электрической схемы заземлены на нормированный контур (10 Ом).

Счетчик электрической энергии устанавливался на экспериментальных установках для контроля косвенным методом за объемом производства озона.

В зависимости от конкретных производственных условий и требуемой производительности по озону, необходимая суммарная площадь электродных пластин рассчитывается по формуле:

т0 кв.

5= Е0т»ги р/[Ес\р а-и „)- Еъи ,\>

где т^ - масса озона, которую необходимо получить при данных технологии и режиме сушки, мг/ч; туд - масса озона, синтезированного 1 кВт ' ч (110-115 г/кВт' ч); с1 - размер разрядного промежутка, м; - диэлектрическая проницаемость материала, ф/м; Еь . диэлектрическая проницаемость воздуха, ф/м;

иа - рабочее напряжение, подводимое к озонатору, В; ир . напряжение в разрядном промежутке, В.

Принципиальная технологическая схема сушки зерна в озоно-воздушной среде для всех видов сушилок одинакова. Озон, получают в генераторах пластинчатого типа методом электросинтеза из кислорода воздуха. Генератор озона располагается до или после вентилятора; если в технологической схеме сушилки предусмотрен подогрев сушильного агента до 45°С, - то перед теплогенератором, в случае более высокой температуры - после пего.

Электроактивирование сушильного агента целесообразно производить при температуре не выше 70°С, при которой обеспечиваются требуемые условия электросинтеза озона и его допустимая устойчивость. При температуре 70...100°С наблюдается практически полный распад озона на кислород и ион кислорода.

Для обеспечения заданной концентрации озона в сушильном агенте производительность озонатора должна соответствовать производительности сушилки по воздуху. Наиболее приемлемым техническим решением является применение модуля теплогенератора с соответствующей ему по производительности и температурному режиму блок-приставкой.

Результаты проведенных исследований подтверждают перспективность и целесообразность использования новой технологии. Так, на контейнерной сушилке (рис.10), в которой в качестве сушильного агента использовался подогретый до 35°С электроактивированный (озонированный) воздух, удельный расход топлива в опытном варианте был 5,72 кг/т, или 1,1 кг/т %, а в контрольном - 12,57 кг/т, или 2,92 кг/т %.

Рис.10. Технологическая схема сушки зерна озонированным сушильным агентом на

сушилке контейнерного типа: 1 - генератор озона; 2 - теплогенератор; 3 - контейнер;

4 - воздушный канал; 5 - разгрузочное устройство; 6 - контейнероопрокидыватель

Глава 5 «Влияние электроактивированного сушильного агента на качество высушиваемой продукции и ее хранение» посвящена результатам исследований влияния параметров и режимов сушки на основные показатели качества.

Предложенный метод энергосберегающей сушки в озоно-воздушной среде в наибольшей степени препятствует развитию микрофлоры на свежеубранных растительных материалах.

Эффективность действия озона на биохимические процессы, фитоиатоген-ную микрофлору, агротехнические показатели семенного материала и другие свойства зависит от технологического режима обработки и вида продукции. При концентрациях озона в сушильном агенте 8... 10 мг/м3 (см. рис.7) и выше интенсивность дыхания уменьшается с самого начала воздействия, что предотвращает процесс самосогревания со всеми вытекающими положительными эффектами: повышается сохранность массы сухого вещества, наступает более глубокое состояние покоя в период хранения. При меньших концентрациях в первый период сушки интенсивность поглощения кислорода возрастает, а затем быстро снижается. Суммарное поглощение кислорода на процесс дыхания высушиваемого материала значительно ниже, чем в контроле. Действие озона как на сам процесс сушки, так и на качественные показатели высушиваемого материала проявляется по-разному. Как видно из рис.7, концентрация озона (0,23 мг/м3) вызывает больший эффект в плане ингибирования, чем более высокая (3,88 мг/м3).

Озон воздействует не только на поверхность, но и на внутренние слои материала. Экспериментально доказано, что интенсификация выхода клеточной влаги в процессе сушки не вызывает необратимых повреждений растительных тканей. Установлено, что длительное воздействие малыми концентрациями

озона приводит к меньшим повреждениям тканей обрабатываемого материала, чем кратковременное воздействие большими.

Применение озоно-воздушной смеси в качестве сушильного агента влияет на состояние микрофлоры на поверхности материала не только за счет снижения влажности, но и за счет обеззараживающего действия озона, которое зависит от его концентрации и температурного режима сушки.

Сохранение и даже улучшение качественных показателей становится возможным при использовании озонированного сушильного агента с концентрацией 8...10 мг/м3, при этом количество фитопатогенной микрофлоры снижается в 2,2 раза по сравнению с тепловой сушкой и в 1,18 раза по сравнению с сушкой неподогретым воздухом.

Под влиянием озона, присутствующего в сушильном агенте, отмечается уменьшение количества бактерий и плесневых грибов в зависимости от исходной обсемененности и концентрации озона. При концентрациях 8... 10 мг/м3 количество плесневых грибов уменьшается с самого начала сушки (рис.11). Это особенно существенно для зерна с обильными оболочками (овес) и в первый, наиболее опасный период хранения, что позволяет сохранить качество продукции.

Рис.11. Количество плесневых грибов на поверхности зерна (овес «Кондр») в зависимости от продолжительности сушки в озоно-воздушной среде при различной исходной обсемененности и концентрации озона (Т - 24°С): 10,2С, Зс - соответственно при Со3 = 0,23, 3,88, 8,90, мг/м3; 1К, 2К, Зк - в контроле

12 18 Продолжительность суикн, ч

Влияние озона на посевные качества зерна исследовалось на различных видах и сортах при разных технологиях и режимах его обработки. Предпосевная обработка семян озонированным сушильным агентом позволяет увеличить урожайность на 10. ..25%.

Озон практически не вызывает некротических изменений тканей растительного материала. Поврежденные покровные ткани и клеточные мембраны

имеют свойство восстанавливаться уже через 3...18 часов после окончания обработки. При концентрации Оз до 40 мг/м3 обработанная продукция не теряет биологической ценности, ее употребление не влечет за собой морфологических и гистологических изменений в организме животных и человека.

В главе 6 произведен энергетический, экономический и экологический анализ технологий сушки, в основу которого положено сравнение совокупных материально-энергетических затрат на сушку по новой технологии Э^ и в

базовом варианте . Их соотношение характеризует эффективность как полных энергозатрат, так и их отдельных составляющих:

Для характеристики прогрессивности научно-технических разработок использовался показатель уровня интенсификации:

для полных энергозатрат и3 = {\_ — К3 )100,%;

для отдельных составляющих иЭ!

В качестве базового варианта применяли традиционную технологию сушки и конкретную типовую сушилку с общепринятыми режимами работы, а в качестве нового - ту же сушилку с использованием озонированного сушильного агента.

Исходя из полезного расхода теплоты,

Чп ~Чф~ Чнв ~~ Ум.

где Цф - фактический расход теплоты на 1 кг испаренной влаги в сушилке, мДж/кг; qнв - расход теплоты на нагрев наружного воздуха, мДж/кг исп. вл.; qм - расход тепла на нагрев материала в сушилке, мДж/кг исп. вл.

Фактический расход тепла на 1 кг испаренной влаги определялся по формуле

ад'

' ' (17)

где В, - расход топлива, кг/ч; О и - низшая теплотворная способность топлива (теплосодержание), мДж/кг; XV - количество влаги, испаренной в сушилке, кг.

Учитывались также расход электроэнергии в прямом и овеществленном виде и энергоемкость средств механизации

~ Нж.Т.{еж.Г. аж.т.) Нэл.эн (еэл.эн ^ аэл.эн ) ,

где Нжт - количество израсходованного жидкого топлива, кг; Иэл- количество электроэнергии, кВт.ч; еж;г,>еэл.эн - соответственно, энергетический эквивалент прямых затрат жидкого топлива и электроэнергии; ажт ,аэ:, .1И -соответственно, энергетический эквивалент овеществленных затрат жидкого топлива и электроэнергии.

Одной из наиболее важных составляющих овеществленных затрат является энергоемкость средств механизации, зависящая от металлоемкости сушилок Эм.суш-, их производительности и продолжительности эксплуатации:

М .СУШ. 1IV Т

1и "суш '///

где \¥Суш. - эксплуатационная производительность, т/ч; а, - энергетический эквивалент сушилки, мДж/кг металла; М, - масса сушилки, кг; а,, Я, - годовые

отчисления на реновацию и ремонт, %; ТН1- годовая нормативная загрузка сушилки, ч.

В то же время через производительность (\УСуш.) установлена связь с исходными параметрами влажности зерна (<ях — а>2), заданной пропускной способностью (йс ) и коэффициентом использования времени смены ( А"СЛ,).

В результате фактический расход тепла на 1 кг испаренной влаги

Чф =1/1 ж~.т.{еж Г. + аЖ.Т. ^1Л.ЭИ Еэл.эн + аэл.эн}~^~

: IV, МДж / кг.

1_____

10 2А1Г0КСМ J

Дополнительный расход тепла на нагрев наружного воздуха Я ив ~~ ^рив (р ) >

где /„ - температура наружного воздуха, °С; Сцв - теплоемкость наружного воздуха, мДж/кг °С; I - удельный расход сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги, кг/кг исп. вл.

Расход тепла на нерациональный нагрев материала определили по формуле:

Ям =---~ТЪ),

где со,,со2 - соответственно, начальная и конечная влажность зерна, %; См - теплоемкость материала при влажности со , , кДж/кг °С

100

100

Тз - начальная температура нагрева зерна, °С; Св, Сс.м - соответственно теплоемкость воздуха и сухого материала, кДж/кг °С.

В результате соответствующих преобразований получено общее уравнение для определения количества полезной теплоты на технологический процесс сушки:

<7/

~ {н ж.т.(.еж. т. + а Ж Т. )+ Н ЭЛ .311 (еэл .эп +

10 -\У0КСМ

Не

100 - со.

хХ

а,М , (а, + Я, )

¿с + 2(100 - й), ) ¿у, - а. (со,-со,) Р12(т -й?,)-(1,01 +1,97 ■10-^,).(5-(д) 100

2 (100-й),) 19,53 /0с?0(?2(<

со.

со, - со

х (т~Св " 10 V Сс" 1(5 " Тси мд?к/кг исп- м"

где - плановая производительность сушилки, т/ч; в - масса высушенного зерна, т; Р - атмосферное давление, Па; Ь? - расход отработанного сушильного агента, м3/ч; с1„- влагосодержание атмосферного воздуха, г/кг; [0- температура атмосферного воздуха, °С.

Методика расчета экономической эффективности предложенной технологии электроактивированной сушки растительных материалов заключается в определении экономии удельных эксплуатационных затрат относительно традиционной технологии, годового экономического эффекта Бэгод* коэффициента экономической эффективности Кэ, срока окупаемости дополнительных капвложений ТДОп за счет экономии эксплуатационных затрат и интегрального эффекта с учетом банковских процентов на авансированный капитал.

Результаты энергетической и экономической оценки в производственных условиях сушки зерна в озоно-воздушной среде представлены в табл.1.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, уровень интенсификации за счет применения озона увеличивается в большей степени при использовании энергоемких сушилок с малой производительностью (до 60%). Экономия, выраженная в кг усл. т, составила от 0,98 до 43,54 на тонну высушенного зерна.

Таблица 1

Результаты энергетического и экономического анализа по сушке зерна на различных зерносушилках

(в ценах на 01.07.98)

Марки зерносушилок

Показатели наполь- М-819 СЗШ-16 контей- бункера ак-

энергозатрат ная нерная тивного вен-

тилирования

Полные энергозатраты, мДж/т 1277,3 219,2 412,0 405,0 95,1

Экономия полных энергозатрат:

мДж/т 1276,7 109,9 202,8 470,4 28,9

кг усл.т./т 43,5 3,7 6,9 16,0 0,98

Экономия кислорода, кг/т 63,8 7,2 18,3 24,6 1,9

Коэффициент эффективности 0,50 0,66 0,67 0,40 0,77

Уровень интенсификации, % 50 34 33 60 23

Экономия затрат на сушку,

USD 3,71 0,49 0,53 1,17 0,07

руб. РБ/т 222653 29829 32352 70020 3977

Срок окупаемости, лет 0,08 0,02 0,02 0,95 0,4

Интегральный эффект, USD 5907 18797 16543 366 1038

млн. руб. РБ 354,42 1127,8 992,6 22,0 62,3

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Высокая энергоемкость процесса сушки обусловлена тем, что применяемые в настоящее время технологии базируются на технических средствах, разработанных без учета особенностей механизма тепломассообмена в растительных материалах. Сельскохозяйственная продукция (зерно, травы) представляет собой сложные биологические системы, которые не только содержат влагу, но включают ее в биохимические процессы, регулируемые ферментами. Использование озона в составе сушильного агента обеспечивает непосредственное химическое и биохимическое воздействие на сельскохозяйственный материал, улучшает транспорт влаги из внутренних слоев и тепломассообмен в процессе сушки в целом.

2. Озон интенсифицирует скорость сушки, вызывая биохимическую реакцию адаптивного типа и структурные преобразования покровных тканей. В результате прогонирования и сжатия клеточных мембран, изменения форм и ослабления связи влаги с материалом создается градиент давления даже при температуре окружающей среды. Разработана структурная схема сушки растительного материала в озоно-воздушной среде, которая объясняет гипотезу механизма действия озона на интенсификацию процесса с биохимических и те-плофизических позиций, получено уравнение теплового действия озона на перенос влаги, с учетом основных действующих факторов.

3. Разработаны и изготовлены лабораторные установки, обеспечивающие синхронное проведение сушки контрольного и опытного образцов сельскохозяйственных материалов. Обработка результатов, полученных с помощью полного трехфакторного эксперимента (для зерна) и по методу латинских квадратов (для трав), позволила выявить влияние основных технологических факторов на интенсификацию процесса сушки. Для сушки зерна влажностью ниже 23% следует использовать озоно-воздушную смесь с концентрацией озона 4,7...8,9 мг/м3 при температуре сушильного агента 22...45°С и расходе 1000... 1500 м3/т.ч. Для сушки трав исходной влажностью до 80% более интенсивное воздействие на материал обеспечивается при концентрации озона свыше 6,72 мг/м3. Интенсификация процесса сушки наступает с момента уменьшения интенсивности поглощения озона материалом.

4. Скорость сушки в озоно-воздушной среде зависит от вида сельскохозяйственных материалов. При этом сушка зерна с развитыми оболочками зерновки интенсифицируется в большей степени, чем с плотными. Максимальная скорость сушки озимой ржи в опыте составляет 0,53%/ч (в контроле — 0,29%/ч), овса - 0,61 %/ч (в контроле - 0,20%/ч). Скорость сушки зависит также от температурного фактора: повышение температуры сушильного агента на 4°С ускоряет процесс сушки зерна в контроле на 0,05%/ч, а в опыте (при концентрации озона 0,23 мг/м3)- на 0,12%/ч. Увеличение концентрации озона до 3,88 мг/м3 при том же повышении температуры интенсифицирует сушку в 3,15 раза.

5. Влагопоглотительная способность сушильного агента зависит от концентрации озона. По мере уменьшения расходования озона на взаимодействие с материалом его влагопоглотительная способность возрастает. Разница относительной влажности сушильного агента на выходе из материала в контроле и в опыте достигает 26%. Для достижения положительного эффекта по интенсификации сушки необходимо создать и поддерживать концентрацию озона на уровне не ниже 4,7 мг/м3 для зерна, свыше 6,72 мг/м3 для трав (при этом обеспечивается наиболее благоприятный температурный режим электросинтеза -35...45°С), согласовать производительность озонатора и сушилки по воздуху, правильно выбрать место установки генератора озона в технологической схеме и конструкцию озонатора.

6. Сушка в озоно-воздушной среде улучшает качественные показатели материала, которые зависят от интенсивности воздействия озона. При его концентрации свыше 8...10 мг/м3 предотвращается процесс самосогревания, обеспечивается глубокое состояние покоя в период хранения, обеззараживающее действие (уничтожение фитопатогенной микрофлоры и плесневых грибов) и сохранность массы сухого вещества. В конечном счете не только достигается более высокое качество получаемой продукции, но в большинстве случаев исключается и необходимость протравливания семян. Обработка 36 часов дает прибавку 10...25% урожая. Обработка растительного материала концентрацией Оз до 40 мг/м3 по утверждению медицины не ухудшает его биологической ценности, не влечет за собой морфологических и гистологических изменений в организме животных и человека. Следовательно, озон наиболее

приемлем для сушки сельскохозяйственных материалов. При этом он технологичен и экологически безопасен.

7. Результаты исследований использовались в колхозах «Рассвет» Остро-вецкого (1981-1983 гг.) и им. Некрасова Щучинского районов (1988-1990 гг.), совхозах «Малое Можейково» Лидского (1982-1984 гг.) и «Сосновка» Слонимского районов (1991 г.) Гродненской области; с-зе «Логоза» и к-зе «Чуденичи» Логойского района (1992 г.), на Белорусской зональной опытной станции, г.Несвиж (1993-1994 гг.) Минской обл.; в колхозах «Призыв» и «Коммунар» Крупского района (1996-1997 гг.). Проверка в производственных условиях сушилок различных типов подтвердила высокую эффективность сушки в озоно-воздушной среде. Скорость сушки зерна увеличивалась в 1,5-2,0 раза. Экономия прямых энергозатрат в расчете на тонну высушенного зерна на напольной сушилке составила в среднем 1277,3 МДж (43,5 кг у.т.), на сушилках М-819 и СЗШ-16 - соответственно 110 МДж (3,7 кг у.т.) и 203 МДж (6,90 кг у.т.), контейнерной сушилке - 470 МДж (16,0 кг у.т.), бункерах активного вентилирования - 28,9 МДж (0,98 кг у.т.). Срок окупаемости озонаторных установок для различных технологий составляет от 0,02 до 0,95 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах (в скобках указаны соавторы):

1. A.c. 1095899 СССР, МКИ АО 25/08. Способ сушки семян зерновых культур (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко (СССР). - № 3355297/30-15; Заявлено 4.09.81; Опубл. 7.06.84. - Бюлл. №21. - 8 с.

2. A.c. 1166693 СССР,МКИ AOIC 1/00. Способ предпосевной обработки семян (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко, Р.А.Скоробогатова, Н.И.Сергеев) (СССР). - № 3537324/30-15; Заявлено 19.11.82; Опубл. 15.07.85. Бюлл. № 26. - 4 с.

3. Сушка зерна в бункерах активного вентилирования // Бюлл. ЦНТИ. -1981. - №34-81. - 4 с. (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко, А.А.Ворона).

4. Тепловой расчет сушки зерна с применением озоно-воздушной смеси // Связь науки с практикой - важнейший фактор повышения эффективности общественного производства / Тез. докл. научно-практич. конф. - Гродно, 1982. - С.85-87 (Н.А.Глущенко).

5. Некоторые вопросы механизма сушки зерна газовой смесью // Роль науки и производства в реализации решений майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС в выполнении Продовольственной программы области / Тез. докл. обл. межотраслевой научно-практич. конф. - Гродно, 1983. - С.58-59 (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко).

6. Ионизация - как фактор повышения всхожести семян / Тез. докл. на-учно-технич. конф. - Гродно, 1983. - С.22-23 (Н.А.Глущенко, Р.С.Мурадов, В .В .По дгайский).

7. Прибор для определения концентрации ионов в ионизированном воздухе // Бюлл. ЦНТИ. - 1982. - № 15-82. - 4 с.

8. Передвижная электрофизическая установка для сушки и хранения зерна // Бюлл. ЦНТИ. - 1983. - № 83-04. - 4 с. (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко, Н.Л.Ермоленко).

9. Влияние электрофизической обработки на дыхание зерна при его хранении П Бюлл. ЦНТИ. - 1983. - № 12. - 3 с. (Н.А.Глущенко, Л.Ф.Глущенко, Е.Д.Бернацкая).

10. Сушка зерна с помощью озоно-воздушной смеси // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 1985. - № 1. - С.36-39.

11. Влияние озона на сушку семенного зерна // Интенсификация науки и производства — необходимое условие успешного выпролнения Продовольственной программы / Тез. докл. научно-практич. конф. - Гродно, 1985. - Ç.79-80.

12. Предпосевная обработка семян зерновых культур озонированным воздухом // Применение физического и химического мутагенеза в сельском хозяйстве / Тез. докл. первого Всесоюзн.совещ. - Кишинев, 1987. - С. 185.

13. Интенсификация процесса сушкизерна// Бюлл. ЦНТИ. - Гродно, 1988. - № 72,1988.-С.4.

14. Влияние послеуборочно-предпосевной обработки семян озимой ржи сорта «Белта» озонированным воздухом на структуру урожая и урожайность / Тез. докл. ХХХП научной конф. профессорско-преподавательского состава ГСХИ, посвященной 70-летию образования БССР. - Гродно, 1988. - С.18.

15. Влияние озона на сушку семенного зерна // Научное обеспечение перестройки в АПК / Тез. докл. конф. - Калинин, 1989. - С.119.

16. Послеуборочно-предпосевная обработка семян озимой ржи озонированным воздухом // Развитие АПК: проблемы, поиски, - решения / Тез. докл. ХШ научно-практич. конф. - Калинин, 1990. - С. 178-179.

17. Параметры озонаторных установок для сушки зерна // Социально-экономические аспекты и проблемы интенсификации производства в отраслях агропромышленного комплекса / Тез. докл. науч. конф. - Гродно, 1990. - С.37.

18. Требования к конструкции озонатора сельскохозяйственного назначения // Проблемы развития АПК «Верхневолжья» /' Тез. докл. XIV научно-практич. конф. -Тверь, 1991. - С.194 (А.А.Остапков).

19. Энергосберегающая сушка сельскохозяйственных продуктов в озоно-воздушной среде // Вести Академии аграрных наук. - 1993. - № 1. - 113-117 с. (Б.А.Храповицкий).

20. Энергосбережение в процессах сушки с.-х. материалов // Достижения науки - сельскому хозяйству «Верхневолжья» / Тез. докл. XVI научно-практич. конф. -Тверь, 1993.-С.99 (А.М.Литовский, А.А.Остапков).

21. Моделирование процессов сушки зерна в озоно-воздушной среде и оценка энергетических показателей II Моделирование сельскохозяйственных процессов и машин / Тез. докл. научно- практич. конф. - Минск, 1994. - С.54 (М.М.Севернев).

22. Малогабаритные солнечные сушилки сельскохозяйственной продукции // Аграрная реформа: проблемы, поиски, решения / Тез. докл. XVI научно-практич. конф. - Тверь, 1994. - С.198 (Э.К.Снежко, А.А.Остапков).

23. Энергосберегающая сушилка зерна на установке контейнерного типа с использованием озонированного сушильного агента // Аграрная реформа: проблемы, поиски, решения / Тез. докл. XVII научно-практич. конф. - Тверь, 1994. - С.199 (А.А.Остапков).

24. Экологобезопасная и энергосберегающая технология сушки сельскохозяйственных продуктов в озоно-воздушной среде // Методические указания к лабораторной работе. - Минск, 1993. - 20 с. (Д.А.Кольга, А.В.Лежнев, Л.В.Мисун, А.Н.Антоненко, Г.Ф.Назарова).

25. Энергосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве. - Минск: Ураджай, 1994. - С.33-36 (М.М.Севернев и др.).

26. Новый метод интенсификации процесса сушки зерна // НТИ и рынок. - 1996, № 12. - С.36-37.

27. Механизм сушки сельскохозяйственных материалов в озоно-воздушной среде // Механизация и электрификация сельского хозяйства / ААН РБ, Белорусский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства. - Минск, 1996, № 35. - С.243-246.

28. Энергосберегающая технология сушки сельскохозяйственных материалов в озоно-воздушной среде: Изд-во БелНИИМСХ, 1997. - 73 с.

29. Тепломассообменные процессы при сушке растительных материалов в озоно-воздушной среде // Эксплуатация, ремонт и восстановление сельскохозяйственной техники / Доклады научно-практической конференции, посвященной 50-летию факультета механизации сельского хозяйства. - Горки, 1997. -С.206-208.

30. Биологические аспекты механизма сушки растительных материалов в озоно-воздушной среде // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию БелНИИМСХ. - Минск, 1997. - С.57-58 (С.М.Карташевич).

31. Озонированный сушильный агент // Агропанорама. - 1997, № 3. -С.36-37.

32.Энергосберегающий способ сушки зерна методом активного вентилирования исходного материала озоно-воздушной смесью // I Международная конференция использования нетрадиционной энергии в сельском хозяйстве. -Варшава, 1997. - С. 170-176 (С.М.Карташевич, А.С.Тимошек).

33. Хранение картофеля в озонируемых картофелехранилищах // НТИ и рынок. - 1997, № 11. - С.47-48.

34. Энергосберегающий способ сушки зерна методом активного вентилирования исходного материала озоно-воздушной смесью // Роль адаптивной интенсификации земледелия в повышении эффективности аграрного производства, т.1. - Жодино, 1998. - С.263-267 (С.М.Карташевич).

35. Тепловое действие озона в процессе сушки зерна и других растительных материалов // Моделирование и прогнозирование аграрных энергосберегающих процессов и технологий / Материалы Международной научно-технической конференции. - Минск, 1998. - С. 130-132.

36. Перспективы применения энергосберегающей сушки зерна активным вентилированием озонированным воздухом // Моделирование и прогнозирование аграрных энергосберегающих процессов и технологий / Материалы Международной научно-технической конференции. - Минск, 1998. - С.133-135 (И.И.Гургенидзе).

37. Экологически чистый способ предпосевной обработки семян зерновых культур озонированным воздухом // НГИ и рынок. - 1998, № 5. - С.42-43.

38. Механизм энергосберегающей сушки растительных материалов в озоно-воздушной среде // Энергосбережение в сельском хозяйстве / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции (часть II). - Моск-

39. Элекггроозонированная сушка зерна активным вентилированием // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники / Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию академика С.И.Назарова. — Горки, 1998, —С.22-24.

ва, ВИЭСХ, 1998.-С.114-115.

РЕЗЮМЕ

ТРОЦКАЯ Таисия Павловна

ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: энергосбережение, интенсификация, сушка, озон, зерно, травы, биохимия, биофизика, обеззараживание, стимулирование, технологии, сушилки, озонаторы, теплогенераторы.

Объект исследований - технологии и технические средства для сушки сельскохозяйственных материалов (зерно, травы).

Цель работы - повышение эффективности процесса сушки растительного сырья путем разработки .и освоения энергосберегающих технологий и технических средств с использованием озонированного сушильного агента.

Метод исследования и аппаратура. Проводилась одновременная сушка контрольного и опытного образцов материала на специально разработанных и изготовленных лабораторных установках. Измерялись температура и относительная влажность материала и сушильного агента, его расход и концентрация озона. Для измерения использовались психрометры, электровлагомеры, ленточные фотометры, ротаметры, анемометры и микроманометры. Применялись методы высушивания, йодометрический и термоэлектрический с непрерывной записью показаний на ленте осциллографа. Планирование экспериментальных исследований осуществлялось с использованием полного многофакторного эксперимента и метода латинских квадратов.

Полученные результаты и их новизна. Впервые предложен способ энергосберегающей сушки сельскохозяйственных материалов электроактивированным сушильным агентом. Выдвинута гипотеза механизма воздействия сушильного агента с содержанием озона на процесс сушки растительного сырья. Выявлены наиболее эффективные режимы сушки зерна и злаковых трав. Дано теоретическое обоснование тепло- и массообменных процессов. Обоснована гипотеза механизма действия озона на процесс сушки. Выявлено влияние сушки в озоно-воздушной среде на качество зерна и семян. Даны энергетическая, экономическая и экологическая оценки предложенных технологий сушки.

Степень использования результатов. Результаты исследований апробированы в 7 хозяйствах двух областей Республики Беларусь. Налажено промышленное производство озонаторных блок-приставок к теплогенераторам на заводе «Мозырьсельмаш» для оснащения серийных сушилок.

Область применения - послеуборочная обработка сельскохозяйственной продукции, требующей длительного хранения в местах ее производства.



АКАДЕМИЯ АГРАРНЫХ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(БелНИИМСХ)

На правах рукописи

ТРОЦКАЯ Таисия Павловна

ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

академик академии аграрных наук Республики Беларусь и Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор М.М.СЕВЕРНЕВ

доктор биологических наук А.А.ДЕНИСОВ

Минск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ................................................... 12

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СУШКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ......... 18

1.1. Тепловая сушка сельскохозяйственной продукции и методы

ее интенсификации............................................................. 18

1.2. Краткий обзор исследований и разработок по интенсификации процесса сушки........................................................... 25

1.3. Технологии и технические средства для химического консервирования....................................................................... 34

1.4. Технология и технические средства для временного хранения сельскохозяйственной продукции................................ 40

1.5. Постановка проблемы......................................................... 45

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ В ОЗОНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ........................... 48

2.1. Нетрадиционные способы воздействия на связи влаги с материалом и процессы тепломассообмена....................... 48

2.2. Предпосылки сочетания различных источников теплоты и способов энергоподвода к материалу................................. 64

2.3. Теплофизические и биохимические аспекты использования сушки в озоно-воздушной среде........................................ 69

2.3.1. Тепловое действие озона на процесс сушки................... 69

2.3.2. Химическое и биохимическое воздействие на процесс сушки............................................................................. Го

2.3.3. Физическое воздействие озона на процесс сушки.......... 82

2.4. Общая структура механизма сушки в озоно-воздушной

су

среде ..................................................................................

Выводы ...................................................................................... 90

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА СУШКИ В ОЗОНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ............... 92

3.1. Техника и методика эксперимента...................................... 92

3.1.1. Методика определения температуры.............................. 97

3.1.2. Методика измерения относительной влажности..................97

3.1.3. Измерение концентрации озона...................................... 98

3.1.4. Методика определения расхода сушильного агента........ 99

3.1.5. Методика определения поглощения озона растительным материалом в процессе сушки :...............................................Ю1

3.2. Динамика сушки зерна........................................................ 102

3.2.1. Математическая обработка экспериментальных данных

109

3.2.2. Результаты экспериментов по сушке зерна..................... 113

3.3. Динамика сушки трав......................................................... 117

3.3.1. Планирование эксперимента по методу латинских квадратов..........;......,......................................................................121

3.4. Динамика изменения _химико-физического состава озонированного сушильного агента в процессе сушки................. 132

3.4.1. Влагопоглотительная способность озонированного сушильного агента.............................................................. 132

3.4.2. Влияние концентрации озона на динамику сушки........... 135

3.5. Влияние на процесс сушки температурного фактора.......... 139

3.5.1. Влияние температурного фактора на процесс сушки злаковых трав....................................................................... 141

3.5.2. Влияние температурного фактора на процесс сушки зерна ................................................................................... 143

3.5.3. Влияние на процесс сушки теплоты биохимических процессов............................................................................ 149

3.6. Динамические характеристики биохимических процессов в объектах сушки........................................................................ 154

Выводы...................................................................................... 158

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНАТОРОВ В

СУШИЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ................................................... 160

4.1. Технология сушки зерна озонированным агентом в сушилках периодического действия..........................................;...

4.1.1. Параметры технологической линии сушки зерна в озоно-воздушной среде на напольной сушилке и режимы ее работы............................................................................

4.1.2. Характеристика технологической линии сушки зерна в

озоно-воздушной среде на сушилках контейнерного типа

4.2. Параметры технологической линии сушки зерна в бункерах активного вентилирования с использованием озонированного сушильного агента...................................................... 181

4.3. Характеристика технологической линии сушки зерна с использованием озонированного сушильного агента в шахтных сушилках...................................................................... 1

4.4. Техническая характеристика модуля теплогенератора с озонатором......................................................................... 192

Выводы.............................................................................. Ч-95

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННОГО СУШИЛЬНОГО

АГЕНТА НА КАЧЕСТВО ВЫСУШИВАЕМОГО МАТЕРИАЛА И ЕГО ХРАНЕНИЕ .............................................................................. 197

5.1. Основные вопросы качества высушиваемого материала с использованием озонированного теплоносителя................. 197

5.2. Зависимость качества материала, высушенного в озоно-воздушной среде, от температурных параметров сушки 201

5.3. Основные показатели обеззараживающего действия озонированного теплоносителя................................................ 206

5.4. Показатели посевных качеств зерна, высушенного озонированным сушильным агентом ........................................... 214

Выводы...................................................................................... 223

ГЛАВА 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ТЕКНОЛОГИЙ СУШКИ................................................ 225

6.1. Совокупные материально-энергетические затраты в процессах сушки и метод их определения................................ 225

6.2. Низкотемпературные сушилки с использованием озонированного сушильного агента.................................................. 234

6.2.1. Энергетический анализ сушки зерна на сушилке контейнерного типа................................................................... 234

6.2.2. Энергетический анализ сушки зерна на напольной су- . шилке.............................................................................. 238

6.2.3. Энергетический анализ сушки зерна в бункерах активного вентилирования........................................................... 240

6.2.4. Энергетический анализ сушки зерна в озоно-воздушной среде на сушилках непрерывного действия СЗШ-16и

М-819...............................................................................................................................241

6.3. Выбор прогрессивных технологий по энергетическому и экономическому-критериям.-----------------------------------------------------------244

6.4. Экологические аспекты сушки сельскохозяйственных материалов в озоно-воздушной среде...................................................................246

6.5. Основные направления совершенствования энергосберегающих технологий сушки в озоно-воздушной среде ..................248

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................................251

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................................................255

П РИ ЛО Ж Е Н И Я........................................................................................................269

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время природные ресурсы являются единственным источником существования и развития человеческого общества. Однако они ограничены и на первый план выступает важнейшая задача их сохранения, возобновления и рационального использования. Дефицит экономических благ требует введения лимитирующих квот на их потребление.

По данным Б.М.Смольского [114], в промышленности и сельском хозяйстве еще в 1957 году на сушку материалов расходовалось 15% топлива, добываемого в бывшем СССР. К настоящему времени расход энергоресурсов на эти цели значительно увеличился. Поэтому выбор оптимальных режимов сушки, обеспечивающих получение высококачественного материала с наименьшими затратами тепла и других видов энергии, является основной задачей совершенствования сушильной техники.

Современное сельское хозяйство - крупнейший потребитель энергоресурсов, в том числе и жидкого топлива. Оно пока еще остается основным энергоносителем в растениеводстве, на долю которого приходится свыше 80% энергозатрат [103].

Потребление энергии за последние 10 лет увеличилось в 1,3 раза, в том числе электроэнергии в 2,2 раза. Огромную тревогу вызывает тот факт, что на 1% прироста валовой продукции в сопоставимых ценах приходится 3...4% прироста энергопотребления. Затратный характер энергопотребления по-прежнему сохраняется во всех отраслях сельскохозяйственного производства.

В условиях, когда мы расходуем в 2-3 раза больше, чем западные страны, энергетических ресурсов на единицу национального продукта, энергосбережение - самый перспективный путь и реальная возможность сделать национальную экономику более эффективной, а жизнь людей - богаче. Мы часто продолжаем расходовать средства на строительство новых электро-

станций, вкладывать их в необоснованную закупку топлива, в то время как затраты на экономию 1 тонны сырья, топлива или материалов в 3-4 раза меньше затрат на получение той же тонны первичных ресурсов.

Специалисты определяют объемы энергосбережения топливно-энергетических ресурсов в 30...40% от потребления, но им трудно придти к единодушию при выборе путей реализации такой возможности [38].

В Республике Беларусь к 1990 г. по статистическим данным валовой -сбор зерновых культур составил 7,7 млн.т, сахарной свеклы - 1479, картофеля - 8591, овощей - 749 тыс.т при урожайности зерновых 26,6 ц/га, сахарной свеклы 320, картофеля - 136 и овощей - 178 ц/га. Расход кормов в колхозах, совхозах и малых предприятиях в 1990 г. составил 21,8 млн.т.

На производство данной продукции в колхозах, совхозах и других сельскохозяйственных предприятиях было израсходовано жидкого топлива - 1,8 млн.т, электроэнергии - 5,5 млрд.кВт.ч, котельно-печного топлива - 3,6 млн.т у.т. Всего по сельскому хозяйству потребление энергоресурсов составило 6,9 млн.т у.т. В целом по АПК эти затраты составили: жидкого топлива - 2,8 млн.т, электроэнергии 8,9 млрд.кВт.ч, котельно-печного топлива 4,1 млн.т.у.т. Всего по АПК израсходовано 9,3 млн.т у.т.

Энерговооруженность труда одного работника достигла 32,9 кВт.ч, а энергообеспеченность на 100 га посевных площадей - 533 кВт [115].

Совокупные затраты ресурсов с учетом расхода металла на производство машин, удобрений, химикатов и других сопутствующих материалов составляют: по зерну - 27,7...30,3 кг у.т./ц, по картофелю - 11,4, сахарной свекле - 7,7 кг у.т./ц. На получение животноводческой продукции эти затраты составляют: по говядине - 486...544 кг у.т./ц, свинине - 430...577 и молоку 86... 114 кг у.т./ц, что в 3-4 раза превышает уровень США.

В то же время из-за отсутствия достаточного количества техники, топлива и складских помещений ежегодно теряется 25...30Ж урожая. Потери

зерна по этим причинам в поле и на зернотоках республики составляют 1925...2310 тыс.т. Потери урожая эквивалентны бессмысленным затратам энергоресурсов: для зерна - 6,9...9,0 кг у.т/ц, картофеля - 3,4, сахарной свеклы - 2,1 кг у.т./ц.

В зоне повышенной влажности послеуборочная обработка зерна и кормов требует сушки и временного хранения, что влечет за собой огромные затраты энергии. Только на сушку зерна и кормов расходуется 6...8% энергетических ресурсов, что составляет 40...50% затрат на послеуборочную обработку.

Постановления Совета Министров Республики Беларусь № 581 от 30 августа 1993 г. и № 622 от 17 сентября 1993 г. по вопросам обеспечения народного хозяйства топливно-энергетическими ресурсами и повышения эффективности их использования предусматривают жесткое нормирование расхода топлива, электрической и тепловой энергии на единицу производимой продукции.

На 1.11.1994 г. стоимость электроэнергии для сельского хозяйства составляла в среднем 148 руб./кВт-ч, дизельного топлива - 949 тыс.руб./т, бензина - 1234... 1177, мазута - 421 тыс.руб./т. Наблюдается тенденция неуклонного роста этих показателей в Республике Беларусь, почти лишенной собственных топливно-энергетических ресурсов. С проблемой обеспечения сельского хозяйства энергоресурсами и необходимостью их экономии в той или иной степени столкнулись и другие государства. Для нашей республики эту проблему усугубляет чернобыльская трагедия, которая показала, как тесно переплелись в современном мире энергетические и экологические проблемы.

Проблема дальнейшего наращивания производства продовольственных и кормовых материалов в условиях сокращения ресурсов требует изыскания, разработки и освоения новых ресурсосберегающих технологий, широкого во-

влечения в энергетический баланс страны нетрадиционных и возобновленных источников энергии.

Решение проблем сбережения энергетических ресурсов и сохранности выращенного урожая взаимосвязано и имеет несколько направлений. К ним, в частности, относятся химическое консервирование, сушка и механическое обезвоживание с последующей сушкой.

Анализ работ, проводимых за рубежом по применению прогрессивных процессов и технологий производства сельскохозяйственной продукции, позволяет сделать вывод, что энергосбережение в растениеводстве достигается за счет сокращения числа операций, уменьшения их энергоемкости, исключения или снижения затрат тепловой энергии при сушке, хранении и обработке зерновых и кормовых культур [103].

Согласно расчетам, проведенным в ФРГ, Дании, Финляндии и других странах, химическое консервирование зерна обходится дешевле или не превышает стоимости сушки. Имеются данные, что консервирование зерна про-пионовой кислотой в 1,5 раза дешевле сушки. Химическое консервирование фуражного зерна обладает многими и разносторонними преимуществами, вследствие чего этот способ консервирования приобретает все большее значение во всем мире [54].

Однако химически консервированное зерно может храниться без значительных потерь питательных веществ не более 8... 10 месяцев, и оно не пригодно для семенных целей. Таким образом, сушка - единственный способ длительного хранения "живого" и качественного зерна.

Интенсификация процессов сушки за счет использования теплоты сжигаемого топлива, т.е. применения тепловой сушки в сушильных установках, с экономической и энергетической точек зрения неэффективна. Как показывают результаты исследований, если при температурной сушке на испарение 1 кг воды затрачивается 15,9...20,9 мДж тепла, то при сушке активным венти-

лированием неподогретым воздухом 2,5...2,9 мДж, а подогретым на 6...8°С -7,96...8,79 мДж [45]. Расход энергии на сушку зерна активным вентилированием в 10 раз больше, чем только на охлаждение при временном хранении. Подогрев воздуха на 1°С снижает его относительную влажность на 5%. Поэтому воздух относительной влажностью 90...95% (самые плохие погодные условия) достаточно подогреть на 5,5°С. Учитывая, что подогрев воздуха непосредственно в вентиляторе составляет 1...2°С, необходимо повысить температуру всего на 3...4°С за счет использования дополнительных подогревателей [85]. В этом случае для сушки активным вентилированием достаточно было бы использовать воздух, подогретый с помощью нетрадиционных источников энергии, например, применяя солнечные коллекторы ГПВ-240, ПСК-Ф-200, которые повышают температуру сушильного агента на 4...27°С и соответственно снижают его относительную влажность.

Наиболее распространена в настоящее время высокотемпературная сушка сельскохозяйственных материалов. В то же время все большее развитие получает низкотемпературная сушка слегка подогретым воздухом [119]. Самый существенный резерв снижения затрат тепла при сушке - рациональное его использование, а увеличение стоимости топлива в последнее время делает это направление энергосбережения приоритетным, особенно при сушке зерна.

В отечественных сушилках при использовании в качестве сушильного агента смеси продуктов сгорания и нагретого воздуха на испарение 1 кг влаги из зерна затрачивается 4,6...5,0 мДж (расчетная температура наружного воздуха +5°С), а в режиме получения семенного зерна - 5,9...6,3 мДж. В случае применения в качестве сушильного агента чистого подогретого воздуха, когда в топке используется теплообменник, эти затраты возрастают на 25%.

Для сушилок, работающих на горячем воздухе, при сушке семян требуется 7,3...7,8 мДж/кг, а в случае повышенных температур и высокой влажности воздуха эти затраты возрастают до 8,4 мДж/кг испаренной влаги.

Серийно выпускаемые в СНГ стационарные сушилки имеют высокую удельную металлоемкость (1600...3500 кг/т) и сравнительно высокий удельный расход топлива (9,4... 17,2 кг/т). Намеченные к производству в республике сушилки М-819 экономичнее серийных, но обладают теми же недостатками.

Существующие технологии и способы тепловой сушки сельскохозяйственных продуктов до кондиционной влажности не удовлетворяют производство с, точки зрения производительности, затрат энергии на единицу испаренной влаги и температурных режим