автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электротехнологическая установка конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрического эффекта

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Вадим Сергеевич

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ СУШКИ ЛЕСОСЕМЕННОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005546869

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Антонов Игорь Николаевич

Официальные оппоненты:

Бекренёв Николай Валерьевич — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Техническая механика и детали машин»

Ведущая организация:

Суздальцев Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, Саратовский филиал ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова» Российской академии наук, старший научный сотрудник

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь > Томашевский диссертационного совета -, Юрий Болеславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с аномальными погодными условиями и в результате человеческого фактора увеличилось число лесных пожаров. По данным Росстата, за последние два десятилетия произошло 563 тыс. возгораний, в результате которых пострадало 27750 тыс. га лесных земель и сгорело 770 млн. м3 лесных пород. В 2012 г. в Российской Федерации утверждена государственная программа «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы». Задача программы - разработка комплекса мер по защите и восстановлению лесов.

Одним из этапов лесовосстановления является подготовка лесосеменного сырья, включающая в себя заготовку, переработку, сушку и хранение семян лесных культур.

Сушка - основной технологический процесс по приведению семян в устойчивое при их хранении состояние. Удаление избыточной влаги из лесосеменного сырья гарантирует надежную сохранность семян в течение длительного времени. В свою очередь, сушка является одним из самых энергоемких процессов, поэтому в условиях постоянного удорожания энергоресурсов проблема энергосбережения в установках, осуществляющих сушку, становится особенно актуальной.

В рыночных условиях следует уделять внимание и качеству конечного продукта. Однако при высоких издержках рассматриваемого процесса не удается избежать низкого качества высушиваемого материала, поскольку зачастую используются морально и физически устаревшие сушильные установки.

Одним из способов, позволяющих существенно снизить эксплуатационные затраты процесса сушки и получить высококачественный продукт, является технология сушки с использованием тепловых насосов. Принцип работы большинства тепловых насосов основан на последовательном осуществлении механической работы или химических реакций рабочим телом. Тепловые насосы таких видов содержат электромеханические устройства, подверженные изнашиванию, а также теплообменные аппараты, использующие хладагенты в качестве рабочего тела, что накладывает дополнительные условия при их эксплуатации.

В связи с этим необходимой и актуальной является разработка установки для сушки лесосеменного сырья с учетом вышеперечисленных факторов.

Объект исследования — процесс сушки лесосеменного сырья при температурах 35 - 55 °С в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

Предмет исследования — тепломассообмен в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

Цель работы — разработка конструкции установки конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрических модулей, обеспечивающей высокое качество семян для проведения лесовосстанови-тельных работ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели для исследования влияния термоэлектрического эффекта Пельтье на нагрев и охлаждение сушильного агента с последующим его использованием для сушки лесосеменного сырья.

2. Исследование влияния технологических параметров сушки на качество лесосеменного сырья.

3. Разработка технологического процесса сушки лесосеменного сырья в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

4. Разработка конструкции установки.

5. Разработка практических рекомендаций по применению установки конденсационного типа в промышленности и учебном процессе.

Методы и средства исследований. Поставленные задачи решались путем проведения численных экспериментов на основе разработанной математической модели и их подтверждением экспериментальными данными, полученными на макете разработанной установки. В работе использованы основные теоретические положения электротехнологических процессов, физики полупроводников и теоретических основ электротехники, а также методы компьютерного моделирования на базе программных сред СОМБОЬ МиШрЬузюБ, МаШСас!. Измерения температурного режима проводились цифровым термометром М8-6500 (погрешность измерения ±2,25 %); массы образцов - электронными весами ВК - 600.1 (погрешность измерения ±0,1 г).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена при термоэлектрическом нагреве и охлаждении сушильного агента и процесса сушки лесосеменного сырья.

2. Установлено, что применение термоэлектрических насосов в установке конденсационного типа позволяет осуществлять процесс сушки материалов при температуре сушильного агента в диапазоне 35-55°С.

3. Исследовано влияние тепломассообмена в процессе сушки лесосеменного сырья на качество получаемого продукта и получены экспериментальные данные, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.

4. Разработаны технологический процесс сушки лесосеменного сырья и конструкция установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта для его осуществления.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена и термоэлектрического эффекта, протекающих в электротехнологической установке конденсационного типа, описывающая процесс сушки лесосеменного сырья.

2. Конструкция электротехнологической установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта, позволяющая осуществлять процесс сушки лесосеменного сырья при температурах сушильного агента 35 — 55 °С.

3. Режим сушки семян сосны массой 100 кг и начальной влажностью 25 % при температуре сушильного агента 55 °С, позволяющий достичь конечной влажности продукта 7% за 8 часов при силе тока в нагревательной и конденсационной камерах 25 и 20 А соответственно.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана электротехнологическая установка конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрического эффекта, эксплуатация которой в лесных хозяйствах позволит осуществлять работы по лесовосстановлению.

2. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих электротехнологических установок для сушки материалов, требующих на выходе высокое качество готового продукта.

3. Полученные в работе закономерности и результаты исследований использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата и методов математического моделирования. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей физических процессов подтверждается результатами экспериментальных исследований на макете установки.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:

— научно-испытательным центром «Энергоком» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов);

— в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-11 «Исследование высокотемпературных фазовых переходов в СВЧ электромагнитном поле с целью получения новых диэлектрических материалов и создание нового класса высокотемпературных СВЧ электротехнологических установок» в разделе, связанном с конденсацией газообразных материалов, переход которых в данное состояние осуществляется путем высокотемпературного СВЧ-нагрева;

— в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций по дисциплинам «Теория электронагрева» для студентов, обучающихся по специальности 140605.65 «Электротехнологические установки и системы».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» (Иваново, .2011), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо-влажностная обработка материалов) СЭТТ- 2011» (Москва, 2011), Российской

научно-технической конференции «Энергосбережение в электро- и теплоэнергетических, металлургических установках» (Тверь, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент на полезную модель «Установка для конденсационной сушки материалов» № 112987 от 27.01.2012 г. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 140 страниц, в том числе 45 иллюстраций, 29 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы диссертационной работы, определены ее научная новизна и практическая ценность, представлены основные результаты исследования, показаны реализация и апробация работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются технологии и теоретические аспекты сушки семян, так как этот процесс с использованием электротехнологических установок является одним из важных в переработке лесосеменного сырья для дальнейшего его хранения и использования в процессе лесовоспроизводства. От правильной переработки зависят посевные свойства семян, определяющие их качество. Таким образом, необходим определенный технологический режим сушки, так как значительное повышение температуры и влажности приводит к гибели зародыша и снижению посевных качеств семян. В свою очередь, режим термической обработки сырья не должен вызывать мутаций, питательное вещество семян не должно изменяться. Необходимо исключить механические повреждения для предотвращения развития микробиологических процессов. Таким образом, сушку семян, как правило, проводят при температуре 35 - 55 °С (мягкая сушка) в зависимости от вида семян при конвективном подводе теплоты.

Конвективная сушка семян — сложный тепломассообменный процесс. Поэтому необходимо обеспечить непрерывное и одновременное поступление к ле-сосеменному сырью теплоты и воздуха, который будет поглощать испарившуюся влагу и отводить ее за пределы рабочей камеры установки. Сушка возможна лишь тогда, когда давление водяных паров внутри семян или над их поверхностью выше, чем в окружающей среде, что соответствует повышенной температуре зерна. При достижении равновесия между температурами семян и окружающей среды процесс сушки (испарения влаги) прекращается. Семена, как известно, содержат свободную и связанную влагу, которая с той или иной прочностью удерживается коллоидами белка, крахмала и других органических веществ. Чем выше влажность зерна, тем больше в нем свободной воды и тем меньше необходимо энергии для ее удаления. При влажности зерна выше 20 % вода испаряется почти так же, как и со свободной поверхности. По мере сниже-

ния влажности, затраты теплоты на удаление влаги возрастают. Эти факторы влияют на производительность сушилок и на их энергопотребление.

Приведены наиболее применяемые способы сушки влажных материалов, рассмотрены их принцип действия и особенности, определены их преимущества и недостатки при сушке лесосеменного сырья.

Снижение энергопотребления сушильных установок и повышение качества лесосеменного сырья в процессе конвективной сушки представляют собой сложную техническую задачу. Одним из путей решения этой задачи является вторичное использование теплоты отработанного сушильного агента, с целью чего предложены функциональная схема и конструкция установки конденсационного типа с применением термоэлектрических тепловых насосов.

Во второй главе предложена математическая модель процессов тепломассообмена и термоэлектрического эффекта, происходящих в установке в процессе сушки влажных материалов.

Для построения математической модели процессов, протекающих в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта, предложена ее функциональная схема (рисунок 1). Процесс сушки лесосеменного сырья происходит следующим образом. Воздух с начальной температурой и влажностью приводится в движение в первичном контуре установки и, поступая в нагревательную камеру, нагревается до заданной температуры сушки, при этом его влажность снижается. Нагрев происходит за счет теплоты, которую выделяют горячие стороны термоэлектрических модулей, размещенных в нагревательной камере. Для эффективного нагрева воздуха в нагревательную камеру вводится теплообменная поверхность. Далее нагретый воздух поступает в рабочую камеру установки, в которой на поддонах размещается лесосеменное сырье, подвергаемое сушке. В процессе сушки лесосеменного сырья воздух насыщается парами влаги, его температура снижается, а влажность повышается. Из рабочей камеры отработанный воздух поступает в конденсационную камеру, где происходят его охлаждение и осушение. Охлаждение происходит за счет отвода теплоты отработанного воздуха термоэлектрическими модулями, размещенными в конденсационной камере. Осушение воздуха происходит посредством конденсации паров влаги при взаимодействии воздуха с теплооб-менной поверхностью, которая контактирует с холодными сторонами термоэлектрических модулей, имеющих температуру ниже температуры точки росы. Количество сконденсированной влаги должно быть равным количеству влаги, испаренной в процессе сушки. Так как сушильный агент циркулирует по замкнутому контуру, процессы повторяются до тех пор, пока влажность лесосеменного сырья не достигнет заданного значения. Вторичный контур установки необходим для стабилизации температурных режимов в нагревательной и конденсационной камерах. Также он служит для утилизации теплоты отработанного воздуха. Так как термоэлектрический модуль представляет собой тепловой насос, то процесс утилизации происходит следующим образом. Теплота, выделяющаяся в процессе конденсации в конденсационной камере, перекачивается термоэлектрическими модулями на горячую сторону во вторичный контур. Сухой воздух, который циркулирует во вторичном контуре, переносит эту теплоту

на холодные стороны термоэлектрических модулей, размещенных в нагревательной камере. Далее эти модули перекачивают теплоту в нагревательную камеру, создавая тем самым дополнительный тепловой поток. В результате такого механизма снижаются энергозатраты на нагрев сушильного агента в первичном контуре.

1Г

ч 1 1 ни 1

Ш11 1

1 И 1 11 1

1 11 111]

1С

_ нагретый воздух

охлажденный

воздух

. _ насыщенный воздух

Рисунок 1 - Схема установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта: 1 - корпус; 2 - рабочая камера; 3 - поддон;

4 - вторичный контур; 5, 10 - вентилятор; 6 - конденсационная камера; 7 - нагревательная камера; 8 - дренажное отверстие; 9 - первичный контур; 11, 12, 15, 16-теплообменная поверхность; 13, 14-термоэлектрический модуль; 17 - система управления

На базе функциональной схемы предложена математическая модель, включающая в себя процессы термоэлектрического нагрева влажного воздуха, сушки лесосеменного сырья и термоэлектрического охлаждения отработанного воздуха в установке конденсационного типа.

Термоэлектрический нагрев влажного воздуха описывается уравнениями:

е/т;-о,5/>?-н':

сЬс (Ьс

о

4(0)=4'

Я';

0)

где индексы 1 и 2 обозначают соответственно первичный и вторичный контуры установки; W = Gc - полная теплоемкость воздуха, Вт/К; G - массовый расход воздуха, кг/с; t' — температура воздуха в нагревательной камере установки, К; N' - количество термоэлектрических модулей в нагревательной камере; ё - коэффициент термоэлектродвижущей силы термоэлектрического модуля, В/К; / - плотность тока в термоэлектрических модулях, А/м2; Т'г - температура горячей стороны термоэлектрического модуля, К; р - удельное электрическое сопротивление материала термоэлектрического модуля, Ом-м; 5 - толщина термоэлектрического модуля, м; X - коэффициент материала термоэлектрического модуля, Вт/(м-К); 7j' - температура холодной стороны термоэлектрического модуля, К; Н' - ширина нагревательной камеры, м; t[a и t'20 -температуры воздуха на входе нагревательной камеры, К.

Процесс сушки лесосеменного сырья рассматривается как процесс тепломассообмена между поверхностью высушиваемого материала и окружающей средой:

^ di, ^ d9n G,c, —1 = Gc—=-;

111 м м 1 7

ах dx

G dJL = G dun 1 dx dx

ax

/

17,зеп

exp

V 1^238 + vny

<P f 17,3 ф) -exp - 1 —

^ (3)

100 1^238 +tl(x)J)

г

С1

0„(О) = ео;

(4)

¿,(0) = <(/'); К ' и( 0) = и0,

где Г - температура влажного воздуха в рабочей камере, °С; <?„ - расход влажного материала, кг/с; см - теплоемкость лесосеменного сырья, Дж/(кг-К); 0П - температура поверхности лесосеменного сырья, °С; d - влагосодержание воздуха, кг/кг; ип — влагосодержание поверхности лесосеменного сырья, кг/кг; Р - коэффициент массообмена, отнесенный к разности парциальных давлений, с/м; Я — ширина поверхности материала, м; р0 - парциальное давление водяных паров при ? = 0°С, Па; ^-относительная влажность воздуха, %; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Г — длина нагревательной камеры, м; 90 — начальная температура поверхности лесосеменного сырья, °С; и0 — начальное влагосодержание поверхности лесосеменного сырья, кг/кг.

Термоэлектрическое охлаждение влажного воздуха с происходящим фазовым превращением определяется уравнениями:

ск

= I е]т;~

6х

' 17,3ф0

Ь^ = р"Н"Рй ах

V 100

-ехр

17,377 ч238 + 7;'

(6)

238+ ф) <(0) = ?,(/);

<(0) = ^(О;

где ТУ" - количество термоэлектрических модулей в конденсационной камере;

- ширина конденсационной камеры, м; / - длина поверхности лесосеменно-го сырья, м; Г - длина конденсационной камеры, м.

Уравнения (1)—(6) представляют собой взаимосвязанную математическую модель тепломассообмена и термоэлектрического охлаждения (нагрева), которая описывает процессы, происходящие в установке конденсационного типа.

Проводятся численное моделирование математической модели с использованием программной среды МаЛСас! и экспериментальное исследование на макете установки (рисунок 2) при следующих исходных данных:

— время сушки -2 ч;

— материал - семена сосны обыкновенной, массой 50 г, с начальной влажностью 25%; конечная влажность - 7%; расход испаряемой влаги - Жв = 2 г/ч;

— сушильный агент — влажный воздух при температуре 35 °С. Начальные значения воздуха: температура - 25 °С; влажность — 50 %; влагосодержание - 10 г/кг; массовый расход — 0,02 кг/с; теплоемкость воздуха - 1005 Дж/(кг-К);

— термоэлектрические модули — 4 Я = 1,6 Вт/(м-К); ё = 212,6-10'6 В/К;

■ ...........

Рисунок 2 — Макет установки

шт. со следующими параметрами: р = 1,03-Ю-5 Ом м; 5 = 1,15-10-3 м;

- ток источника питания I = 4,5 А;

- габариты конденсационной камеры - 95x150x80 мм; -габариты нагревательной камеры - 95x150x80мм;

- расход воздуха во вторичном контуре — 0,02 кг/с.

Результаты численного моделирования и экспериментального исследования представлены на рисунках 3-5.

300 297.5 295 292.5 290 287.5

х-10. м

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 В)

Рисунок 3 - Распределение температуры сушильного агента по длине камеры: а) нагревательной; б) рабочей; в) конденсационной

ti(x).К

х-10'!м

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 12 1.35 1.5

а)

tl(x), К

x-10'.'м

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 б)

310

301 5 305

302 5 300

29' 5

в)

Рисунок 4 - Распределение влагосодержания сушильного агента по длине камеры: а) нагревательной; б) рабочей; в) конденсационной

d(x). г/кг 12

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5

а)

d(x), г/кг

х-

10.'м

d(x), г/кг 14-'

x-10'.'м

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 б)

т • 10". С —I—1———---——г-10 . с

О 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 6.3 7.2

а) б)

Рисунок 5 - Зависимость параметров материала от времени сушки: а) температура материала; б) влагосодержание материала

Т(т);к

и(т). г/кг

В третьей главе приводится расчет установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

При расчете установки в качестве исходной информации используются следующие исходные данные: Сг— часовая производительность установки по высушенному материалу, кг/ч; и м>к - начальная и конечная влажности ле-сосеменного сырья, %; 9Н - начальная температура материала, °С; 6к - максимально допустимая конечная температура материала, °С; г0, ср0 - температура и относительная влажность воздуха, поступающего в нагревательную камеру установки; — температура воздуха на входе в рабочую камеру, °С; ¿2 - температура воздуха на выходе из рабочей камеры, °С.

Расчет рабочей камеры установки выполняется в следующей последовательности: 1) составляется материальный баланс установки и определяется количество испаряемой влаги; 2) составляется тепловой баланс и находится требуемое количество теплоты, расход сушильного агента; 3) определяется необходимая поверхность тепло- и массообмена, обеспечивающая заданную производительность установки; 4) по величине поверхности тепло- и массообмена находятся габариты рабочей камеры установки; 5) по величине расхода сушильного агента определяются типы вентиляторов и их номинальная мощность.

Для расчета конденсационной и нагревательной камер установки используются данные, полученные при расчете рабочей камеры. Последовательность расчетов следующая: 1) определяются холодопроизводительность конденсационной камеры и теплопроизводительность нагревательной камеры; 2) определяются геометрические размеры теплообменных поверхностей; 3) находится количество термоэлектрических модулей, размещенных в конденсационной и нагревательной камерах; 4) по количеству термоэлектрических модулей и параметрам теплообменных поверхностей определяются габаритные размеры камер; 5) находится сила тока в термоэлектрических модулях, мощность, потребляемая из сети, определяются типы источников питания.

Расчетные значения установки (таблица 1) приведены при следующих исходных данных: С, =10 кг/ч; и>и =25 % ; ™к=7 %; 6„=25 °С; =45 °С; Г0=25°С; ф0 = 60 %; Г, =50 °С; ?2=35 °С; т = 8 ч.

_Таблица 1 - Расчетные параметры установки_

Потребляемая мощность, кВт 7,1

Расход воздуха в рабочей камере, м^/ч 2400

Расход воздуха во вторичном контуре, м^/ч 1500

Габариты установки, мм 1800x1270x2200

Габариты рабочей камеры, мм 885x1200x2000

Вес, кг 1450

Кол-во ящиков, шт. 4

Габариты ящиков, мм 580x580x225

Общая емкость ящиков, кг 100

Конструкция установки представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Конструкция установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта Четвертая глава содержит технико-экономическое обоснование применения установки конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья. Определен экономический эффект при эксплуатации установки, который составляет 432,7 тыс. руб. Срок окупаемости установки составляет 9 мес.

Пятая глава описывает проектирование системы автоматического управления установкой на базе микроконтроллера МС8.

Алгоритм микроконтроллера строится в программной среде КогщгаГ и состоит из функциональных блоков, отвечающих за управление соответствующими элементами установки.

Структурно-функциональная схема системы автоматического управления приведена на рисунке 7.

-\рп ц-[щ -

Рисунок 7 - Структурно-функциональная схема САУ сушилкой конденсационного типа: РК - рабочая камера; К - конденсационная камера; СТ - система стабилизации; Н - нагревательная камера; РТ1 - РТ4 - регуляторы тока; ДТ1, ДТ2 - датчики температуры;

ДВ1, ДВ2 - датчики влажности

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в создании функциональной схемы и конструкции установки конденсационного типа на основе математической модели взаимосвязанной задачи тепломассообмена, тепломассопереноса и термоэлектрического эффекта.

Обобщая результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Обосновано применение в установках конденсационного типа термоэлектрических модулей для мягкой сушки лесосеменного сырья.

2. Разработаны функциональная схема и математическая модель электротехнологической установки конденсационного типа для мягкой сушки лесосеменного сырья.

3. Разработана конструкция установки с использованием термоэлектрических тепловых насосов, включающая в себя два замкнутых независимых контура, по которым циркулирует воздух, что позволяет достичь энергосбережения по сравнению с обычными конвективными установками.

4. Экспериментально установлена адекватность математической модели на макете установки.

5. Разработан технологический режим сушки лесосеменного сырья на установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

Основные научные результаты отражены в публикациях: Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Алексеев B.C. Конденсация влаги при термоэлектрическом охлаждении влажного пара / B.C. Алексеев, И.Н. Антонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - № 3 (47). — С. 7-9.

2. Алексеев B.C. Тепломассообмен в установках конденсационного типа для мягкой сушки с применением термоэлектрического эффекта / B.C. Алексеев, И.Н. Антонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. -№ 3 (47). - С. 9-12.

3. Алексеев B.C. Система автоматического управления сушилкой конденсационного типа с применением термоэлектрических модулей / B.C. Алексеев, Д.А. Давыдов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - №2(66). - Вып. 2. - С. 8 - 11.

4. Алексеев B.C. Самосогласованная краевая задача тепломассопереноса и термоэлектрического охлаждения / B.C. Алексеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2012. - №2(66). - Вып. 2. — С. 11 - 15.

5. Алексеев B.C. Прикладные аспекты теплофизики и биофизики в сельском хозяйстве / B.C. Алексеев [и др.] // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2013. -№8. - С. 44 - 47.

Сведения о патентах и изобретениях:

6. Пат. 112987 Рос. Федерация: МПК(2006.01) F 26 В 9/06. Установка для конденсационной сушки материалов / B.C. Алексеев, И.Н. Антонов, A.B. Бо-зриков. -№ 2011131562/06; заявл. 27.07.2011; опубл. 27.01.2012, Бюл. №3.

Публикации в других изданиях:

7. Алексеев B.C. Установка для конвективной сушки семян и лекарственных трав / B.C. Алексеев, П.В. Токмин // Успехи современной электротехнологии: сб. тр. Междунар. науч. конф. — Саратов: СГТУ, 2009. - С. 151 - 154.

8. Алексеев B.C. Система автоматизированного управления установкой для конвективной сушки семян и лекарственных трав / B.C. Алексеев,

B.А. Воронкин // Успехи современной электротехнологии: сб. тр. Междунар. науч. конф. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 189 - 191.

9. Алексеев B.C. Автоматизация установки для конвективной сушки семян и лекарственных трав / B.C. Алексеев, П.В. Токмин // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. - Саратов: СГТУ, 2009. — Т. 2. - С. 105 - 108.

Ю.Алексеев B.C. Автоматизированная установка конденсационного типа для мягкой сушки зерна и другой сельхозпродукции / А.Г. Лавкин, Ю.Н. Глубокий, B.C. Алексеев и др. // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов: СГАУ, 2010. - С. 193 - 195.

11. Алексеев B.C. Распределение температурных полей от модулей Пель-тье в камере влагоудаления / B.C. Алексеев, А.Г. Лавкин // Энергосбережение в электро- и теплоэнергетических, металлургических установках: материалы Рос. науч.-техн. конф. - Тверь: ТГТУ, 2010. - С. 37 - 40.

12. Алексеев B.C. Математическое моделирование процессов в сушилке конденсационного типа с применением эффекта Пельтье/ B.C. Алексеев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. - Саратов: СГТУ, 2010. - Т. 1. -

C.240-241.

13. Алексеев B.C. Математическое моделирование процессов в установке конденсационного типа для мягкой сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрического эффекта/ B.C. Алексеев// Наука. Технологии. Инновации: материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых: в 4 ч. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.-Ч. 2.-С. 143-145.

14. Алексеев B.C. Математическая модель термоэлектрического охлаждения влажного воздуха / В. С. Алексеев // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения): сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф.: в 3 т. - Иваново: ИГЭУ, 2011. - Т. 3: Электротехника. -С. 403-404.

15. Алексеев B.C. Математическая модель термоэлектрического охлаждения влажного воздуха / В. С. Алексеев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. - Пенза: ПГТА, 2011.-Т. 7.-С. 30-31.

16. Алексеев B.C. Установка для конденсационной сушки с применением термоэлектрического эффекта Пельтье/ B.C. Алексеев// Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011: материалы IV Междунар. науч. - практ. конф.: в 2 т. - М.: МГАУ, 2011. - Т. 2. - С. 372 - 377.

Подписано в печать 19.11.2013 Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Заказ 42

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

На правах рукописи

04201453508 АЛЕКСЕЕВ ВАДИМ СЕРГЕЕВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ СУШКИ ЛЕСОСЕМЕННОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Антонов И.Н.

Саратов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................................................................4

Глава 1. Анализ современного состояния процесса сушки лесосеменного

сырья..........................................................................................................................................................................................9

1.1 Процесс сушки лесосеменного сырья. Технологические режимы и параметры..............................................................................................................................................................................10

1.1.1 Условия и закономерности тепловой сушки................................................................12

1.2 Способы сушки материалов..........................................................................................................16

1.3 Интенсификация процесса конвективной сушки лесосеменного сырья..................................................................................................................................................................................................22

Выводы по главе................................................................................................................................................29

Глава 2. Математическая модель тепломассообмена и термоэлектриче- ^

ского эффекта...................................................................................

2.1 Термоэлектрический эффект Пельтье..................................................................................30

2.1.1 Термоэлектрический модуль....................................................................................................33

2.1.2 Принцип работы термоэлектрических модулей......................................................34

2.1.3 Преимущества и недостатки термоэлектрических модулей..................40

2.2 Переходные процессы в термоэлектрическом модуле....................................41

2.3 Теплообмен при термоэлектрическом эффекте Пельтье....................................45

2.4 Математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена и термоэлектрического эффекта Пельтье в установке конденсационного типа..........................................................................................................................................................................................47

2.4.1 Термоэлектрический нагрев сушильного агента....................................................49

2.4.2 Тепломассообмен в процессе сушки материалов..................................................51

2.4.3 Термоэлектрическое охлаждение сушильного агента......................................53

2.5 Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов в установке..........................................................................................................................................................54

2.5.1 Методика экспериментального исследования......................................................55

Выводы по главе................................................................................................................................................58

Глава 3. Расчет установки конденсационного типа..........................................................59

3.1 Расчет рабочей камеры установки..........................................................................................59

3.1.1 Материальный баланс рабочей камеры установки........................ 60

3.1.2 Тепловой баланс рабочей камеры установки.............................. 61

3.1.3 Расчет количества сушильного агента....................................... 63

3.2 Расчет конденсационной камеры установки................................. 65

3.2.1 Расчет сухого участка конденсационной камеры......................... 69

3.2.2 Расчет влажного участка конденсационной камеры..................... 75

3.3 Расчет нагревательной камеры установки.................................... 78

3.4 Технологический режим установки............................................ 80

Выводы по главе........................................................................ 81

Глава 4. Технико-экономическое обоснование разработанной установки................................................................................................... 82

4.1 Определение капитальных затрат на разрабатываемое оборудование 83

4.1.1 Определение суммы материальных затрат................................. 83

4.1.2 Определение обшей суммы трудовых затрат на производство установки............................................................................................. 84

4.1.3 Определение затрат на проектирование установки....................... 85

4.2 Расчёт исходных технико-экономических показателей................... 86

4.3 Расчет интегральных показателей экономической эффективности установки........................................................................................ 89

Выводы по главе...................................................................... 92

Глава 5. Система автоматического управления установкой................... 93

5.1 Функциональный алгоритм системы управления......................... 96

5.1.1 Функциональный блок «Пуск - Стоп»...................................... 97

5.1.2 Функциональный блок «Регуляторы»....................................... 103

5.1.3 Функциональный блок «Нагреватель»...................................... 114

5.1.4 Функциональный блок «Система охлаждения»........................... 115

5.1.5 Функциональный блок «Индикация»....................................... 118

Выводы по главе...................................................................... 118

Заключение............................................................................. 119

Список использованных источников............................................. 120

Приложение............................................................................ 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с аномальными погодными условиями и в результате человеческого фактора увеличилось число лесных пожаров. По данным Росстата за последние два десятилетия произошло 563 тыс. возгораний, в результате которых пострадало 27750 тыс. га лесных земель и сгорело 770 млн. м' лесных пород. В 2012 г. в Российской Федерации утверждена государственная программа «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы». Задача программы -разработка комплекса мер по защите и восстановлению лесов.

Одним из этапов лесовосстановления является подготовка лесосеменного сырья, включающая в себя заготовку, переработку, сушку и хранение семян лесных культур.

Сушка - основной технологический процесс по приведению семян в устойчивое при их хранении состояние. Удаление избыточной влаги из лесосеменного сырья гарантирует надежную сохранность семян в течение длительного времени. В свою очередь сушка является одним из самых энергоемких процессов, поэтому в условиях постоянного удорожания энергоресурсов проблема энергосбережения в установках, осуществляющих сушку, становится особенно актуальной.

В рыночных условиях следует уделять внимание и качеству конечного продукта. Однако при высоких издержках рассматриваемого процесса не удается избежать низкого качества высушиваемого материала, поскольку зачастую используются морально и физически устаревшие сушильные установки.

Одним из способов, позволяющих существенно снизить эксплуатационные затраты процесса сушки и получить высококачественный продукт, является технология сушки с использованием тепловых насосов. Принцип работы большинства тепловых насосов основан на последовательном осуществлении расширения и сжатия или термохимических процессов поглощения и выделения рабочего тела. Тепловые насосы таких видов содержат электромеханические устройства, подверженные изнашиванию, а также теплообменные аппараты, использующие хладагенты в качестве рабочего тела, что накладывает дополнительные условия при их эксплуатации.

В связи с этим необходимой и актуальной является разработка установки для сушки лесосеменного сырья с учетом вышеперечисленных факторов.

Объект исследования - процесс сушки лесосеменного сырья при температурах 35 - 55 °С в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

Предмет исследования - тепломассообмен в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

Цель работы - разработка конструкции установки конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрических модулей, обеспечивающей высокое качество семян для проведения лесовосстановительных работ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели для исследования влияния термоэлектрического эффекта Пельтье на нагрев и охлаждение сушильного агента с последующим его использованием для сушки лесосеменного сырья.

2. Исследование влияния технологических параметров сушки на качество лесосеменного сырья.

3. Разработка технологического процесса сушки лесосеменного сырья в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.

4. Разработка конструкции установки.

5. Разработка практических рекомендаций по применению установки конденсационного типа в промышленности и учебном процессе.

Методы и средства исследований. Поставленные задачи решались путем проведения численных экспериментов на основе разработанной математической модели и их подтверждением экспериментальными данными, полученными на макете разработанной установки. В работе использованы основные теоретические положения электротехнологических процессов, физики полупроводников и теоретических основ электротехники, а также методы компьютерного моделирования на базе программных сред СОМБОЬ МиШрЬуБЮБ, МаШСас!. Измерения темпера-

турного режима проводились цифровым термометром МБ-6500 (погрешность измерения ±2,25 %); массы образцов - электронными весами ВК - 600.1 (погрешность измерения ±0,1 г).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена при термоэлектрическом нагреве и охлаждении сушильного агента и процесса сушки лесосеменного сырья.

2. Установлено, что применение термоэлектрических насосов в установке конденсационного типа позволяет осуществлять процесс сушки ма-териалов при температуре сушильного агента в диапазоне 35-55°С.

3. Исследовано влияние тепломассообмена в процессе сушки лесосеменного сырья на качество получаемого продукта и получены эксперименталь-ные данные, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.

4. Разработаны технологический процесс сушки лесосеменного сырья и конструкция установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта для его осуществления.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена и термоэлектрического эффекта, протекающих в электротехнологической установке конденсационного типа, описывающая процесс сушки лесосеменного сырья.

2. Конструкция электротехнологической установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта, позволяющая осуществлять процесс сушки лесосеменного сырья при температурах сушильного агента 35 - 55 °С.

3. Режим сушки семян сосны массой 100 кг и начальной влажностью 25 % при температуре сушильного агента 55 °С, позволяющий достичь конечной влажности продукта 7% за 8 часов при силе тока в нагревательной и конденсационной камерах 25 и 20 А соответственно.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана электротехнологическая установка конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрического эффекта, эксплуатация которой в лесных хозяйствах позволит осуществлять работы по ле-со восстановлению.

2. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих электротехнологических установок для сушки материалов, требующих на выходе высокое качество готового продукта.

3. Полученные в работе закономерности и результаты исследований использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата и методов математического моделирования. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей физических процессов подтверждается результатами экспериментальных исследований на макете установки.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:

- научно-испытательным центром «Энергоком» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов);

- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-11 «Исследование высокотемпературных фазовых переходов в СВЧ электромагнитном поле с целью получения новых диэлектрических материалов и создание нового класса высокотемпературных СВЧ электротехнологических установок» в разделе, связанном с конденсацией газообразных материалов, переход которых в данное состояние осуществляется путем высокотемпературного СВЧ-нагрева;

- в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций по дисциплинам «Теория элек-

тронагрева» для студентов, обучающихся по специальности 140605.65 «Электротехнологические установки и системы».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» (Иваново, 2011), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо-влажностная обработка материалов) СЭТТ- 2011» (Москва, 2011), Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в электро- и теплоэнергетических, металлургических установках» (Тверь, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент на полезную модель «Установка для конденсационной сушки материалов» № 112987 от 27.01.2012 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 140 страниц, в том числе 45 иллюстраций, 29 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ЛЕСОСЕМЕННОГО СЫРЬЯ

Сушка влажных материалов представляет собой сложный технологический процесс, характеризующийся совокупностью процессов тепло- и массообмена, которые сопровождаются структурно-механическими, а в ряде случаев и химическими изменениями высушиваемого вещества. Этот процесс является одним из основных в различных отраслях народного хозяйства, промышленности и важен с экономической точки зрения нашей страны [48, 55, 80].

Большой вклад в развитие теории, техники и технологии сушки внесли ведущие ученые и инженеры нашей страны такие, как A.B. Лыков, Ю.А. Михайлов, П.С. Коссович, A.B. Лебедев, П.А. Ребиндер, Г.К. Филоненко, М.В. Кирпичев, М.В. Лыков, И.М. Федоров, А.Н. Плановский, М.В. Лыков, П.Д. Лебедев, Б.С. Сажин, их ученики и многие другие. Их научные труды описывают формы связи влаги с веществом, явления переноса тепла и массы в телах различных типов, кинетику и динамику процесса сушки, методы расчета сушильных установок и являются основополагающими при разработке новых способов сушки и конструкций сушильной техники [48, 55, 80].

Широкий спектр материалов, имеющих различную природу структурных и физических свойств и связей влаги в материале, требует применения различных типов установок.

Однако, проведенный анализ работ и трудов, говорит, что за последнее время в развитии сушильной техники в нашей стране не произошло существенных изменений. Отечественные установки имеют низкий уровень автоматизации и показатели материалоёмкости ниже, чем в зарубежных аналогах. В ряде отечественных сушилок используется при сжигании жидкого топлива смесь топочных газов с воздухом, а не нагретый воздух как в большинстве зарубежных аналогах, не применяется утилизация отработавшего сушильного агента и охлаждающего воздуха, другие технические приёмы для сокращения энергозатрат на сушку [27, 49, 71,48, 80].

Переоснащение морально и физически устаревшего сушильного парка по прежнему осуществляется медленно, в основном, за счёт импортной техники, поставляемой из-за рубежа или изготавливаемой отечественными производителями по лизингу. Большинство поступающей по импорту техники представляет собой блочно-модульные прямоточные сушилки разработки 70-80-х годов и по ряду показателей не отвечает современным требованиям, в том числе по энергоэффективности [27, 39].

Важными направлениями дальнейшего совершенствования и повышения эффективности сушильного оборудования, а также интенсификации процесса сушки является создание высокоэффективных и экономичных сушиль