автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Интенсификация процесса сушки початков кукурузы

На правах рукописи

Бакиев Илшат Талгатович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОЧАТКОВ КУКУРУЗЫ

Специальность 05.20.01-технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-Павловск - 2005

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Набиев Тухтамурод Сахобович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Попов Александр Александрович;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Перекопский Александр Николаевич.

Ведущая организация - Башкирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

Защита состоится «7» апреля 2005 года в 9.00 часов на заседании диссертационного совета К.006.054.01 в Северо-Западном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 196625, г. Санкт-Петербург-Павловск, п/о Тярлево, Фильтровское шоссе, д.З, ауд 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗНИИМЭСХ.

Автореферат разослан «25» февраля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета

Черей Н.Н.

мм

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Кукуруза является одной из самых распространен-

ных сельскохозяйственных культур и возделывается для кормовых, технических и пищевых целей. В настоящее время в мире производится свыше 600 млн. т её зерна, и по объему производства она находится на первом месте по сравнению с традиционно основными зерновыми культурами, такими как пшеница, рожь, рис. Ее зерно содержит значительное количество крахмала, белка, масла, минеральных веществ. Потенциал урожайности культуры очень высок, в связи с чем планомерно увеличиваются объемы ее производства.

Кукуруза созревает сравнительно поздно, в конце сентября - начале октября. Поэтому убирать её приходится в период затяжных дождей и около 80% урожая поступает на хлебоприемные пункты с влажностью выше 30%.

Сушка является основным и самым надежным способом обеспечения количественной и качественной сохранности зерна. Она ускоряет послеуборочное дозревание, уничтожает вредителей. При правильно проведенной сушке за счет тепловой обработки улучшаются семенные и кормовые свойства. В то же время, это наиболее ответственный, сложный и энергоемкий процесс среди большого числа технологических операций по послеуборочной обработке. Початки кукурузы отличаются исключительно высокой энергоемкостью сушки - в 4...5 раза большей по сравнению с другими зерновыми культурами. Это объясняется высокой уборочной влажностью и низкой влагоотдающей способностью кукурузы.

Тщательное исследование процесса сушки початков кукурузы и анализ конструкций существующих сушилок позволили выявить, что одним из наиболее эффективных способов снижения себестоимости сушки является разработка и внедрение энергосберегающих режимов.

Работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой Республики Башкортостан «Возделывание кукурузы на зерно в хозяйствах РБ».

Цель и задачи работы. Целью диссертации является интенсификация процесса сушки початков кукурузы путем разработки нового энергосберегающего режима сушки, позволяющего повысить производительность сушилки, снизить энергозатраты и получить исходный материал требуемой влажности с сохранением семенных и кормовых качеств. Для достижения этой цели в работе определены следующие задачи

- изучить и обобщить физико-механические свойства початков кукурузы;

- разработать теоретические и методические основы разработки нового энергосберегающего режима сушки, повышающего ее интенсивность;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать энергосберегающий режим для сушки початков кукурузы;

- обосновать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом;

- создать компьютерную программу оптимизации значений режимных параметров и расчета основных показателей процесса сушки;

- внедрить результаты работы в производство и оценить их эффективность.

суши

Предмет исследования - влияние комплекса режимных параметров на характер и интенсивность процесса сушки.

Научная новизна. Разработан новый методический подход интенсификации процесса сушки путем изменения значений режимных параметров в зависимости от изменения состояния материала в процессе сушки. Получена математическая модель процесса сушки початков, выражающая зависимость её продолжительности от начальной влажности початков, температуры и скорости теплоносителя. Определены зависимости, позволяющие согласовать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом.

Научная новизна работы подтверждена положительным решением Государственного комитета РФ по патентам и товарным знакам о выдаче патента на изобретение «Сушильная установка непрерывного действия» (по заявке №2003129263/06(031230) от 30.09.2003 г.). На защиту выносятся

- методический подход к интенсификации процесса сушки путем изменения значений её режимных параметров в зависимости от изменения состояния материала в процессе сушки;

- математическая модель процесса сушки початков кукурузы, описывающая зависимость её продолжительности от начальной влажности початков, температуры и скорости теплоносителя;

- аналитические зависимости, позволяющие согласовать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом.

Достоверность результатов. Достоверность результатов исследований доказана методами математической статистики и подтверждена результатами внедрения методики расчета энергосберегающих режимов сушки на действующей сушилке.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета значений параметров режима сушки и компьютерная программа «Кукуруза» могут быть ис-1 пользованы как для расчета режимов сушки початков кукурузы в различных сушильных камерах, так и для обоснования режимов сушки других трудновы-сушиваемых сельскохозяйственных культур.

Реализация работ. Предлагаемая методика расчета режима сушки початков кукурузы реализована в конвейерной сушильной установке СПК-6 в МУП «Илишкомбикорм» Илишевского района Республики Башкортостан.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях факультета механизации сельского хозяйства Башкирского государственного аграрного университета (2001-2004 гг.), в Челябинском агроинженерном университете (2002-2003 гг.), на Международной научно-практической конференции (в рамках VIII Международной специализированной выставки «Прод Урал - 2002) в г. Уфе.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации с достаточной полнотой опубликованы в 11 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 151 наименований и приложе-

I КО*!.«!«<< &

ний. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, ее научная и практическая значимость; дана общая характеристика выполненной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проанализированы и обобщены свойства початков как объекта сушки. Обосновано, что одним из наиболее целесообразных способов доведения влажности початков до кондиционной является конвективная сушка - самая сложная и энергоемкая операции в технологической схеме послеуборочной обработки. Одним из путей снижения затрат на неё является разработка и применение энергосберегающих режимов. Указанные вопросы рассмотрены в работах Авдеева A.B., Анискина В.И., Алейникова В.И., Баума А.Е., Гинзбурга A.C., Егорова Г.А., Елизарова В.П., Жидко В.И., Окуня Г.С., Птицына С.Д., Резчикова В.А., Сечкина B.C., Уколова B.C., Яковенко В.А., Муллагулова М.Х., Ахметьянова И.Р., Эрка А.Д., Науменко А.И., Трисвятского JI.A., Pabis S. и других исследователей.

Установлено, что энергосберегающий режим целесообразно дифференцировать по фиксированным периодам сушки. Проведен анализ существующих конструкции сушильных установок. В конце главы определены цель и задачи исследований.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса сушки початков кукурузы» приведены основные результаты теоретических исследований.

Теоретическому обоснованию законов миграции влаги в капиллярно-пористых коллоидных телах посвящены труды Ребиндера П.А., Лыкова A.B., Лурье В.М. и др. Наши исследования процесса сушки достаточно ограничить анализом миграции влаги внутри материала и уноса её паров агентом сушки, поскольку преимущественно они раскрывают его суть.

В существующих режимах сушки початков кукурузы в основном варьируют значением температуры теплоносителя и периодами его подачи. Так, в восходящем режиме сушки, предложенном Науменко А.И., температура сушильного агента возрастает по мере снижения влажности материала. С целью повышения предельно допустимой температуры в осциллирующем режиме предлагается чередовать подачу горячего теплоносителя с холодным атмосферным воздухом.

Но эффективность процесса можно повысить, изменяя не только значения температуры, но и скорости воздуха, что было нами экспериментально исследовано. В результате получены кривые сушки при различных значениях режимных параметров - температуры и расхода теплоносителя и установлено следующее. Процесс сушки целесообразно условно разделить на три периода, в каждом из которых влияние режимных параметров на скорость процесса различно: I - от начальной влажности Wm4 до JV„, =28-30 %; II - от fV„, до W„2=18-20 %; III - от 18 до конечной WmH . С целью интенсификации процесса, снижения энергозатрат на него и более полного использования влагоемкости теплоносителя предложен адаптивный режим. Суть его состоит в том, что характеристики теплоносителя меняются в зависимости от состояния початка, причем по-

сителя меняются в зависимости от состояния початка, причем по-разному для трех рассматриваемых периодов. Меняется не только температура агента сушки , но и его скорость уас в слое. Значение ¿ас следует увеличивать по мере

снижения влажности початка, не допуская превышения его температуры выше предельно допустимых значений и трещинообразования. Скорость агента сушки будет меняться следующим образом. В первом периоде прогрева материала она должна иметь большее значение, во втором (периоде постоянной скорости сушки) - обеспечивать подвод необходимой теплоты для испарения влаги при заданной температуре теплоносителя, в третьем - постепенно снижаться, так как теплота подводится через высушенный слой материала, толщина которого постепенно увеличивается, а температура превышает температуру мокрого термометра. При этом, следовательно, уменьшается температурная разница между агентом сушки и поверхностью материала.

Для обоснования режимов сушки, процесс удаления влаги из зерна кукурузы, с учетом особенности его строения был разделен на три этапа. Первый этап -испарение свободной влаги с поверхности зерновки, второй - движение влаги через плотную оболочку зерна, третий - миграция влаги из внутренних слоев к оболочке зерна. На первом этапе скорость сушки (изменение влажности за

время Л) равна и зависит от количества свободной влаги на поверхности,

параметров агента сушки Уас, Vac) и площади, омываемой сушильным агентом; на втором этапе - и зависит от влагопроводной способности оболочки Л

и градиента влажности; на третьем - 3 и определяется потенциалом влагопе-

Л

реноса, пористостью зерновки и энергией связи влаги с материалом.

Эти этапы полностью проявляются во втором и третьем периодах сушки, причем соотношение скоростей движения влаги в них различно. С учетом этого для каждого из периодов будет характерен свой оптимальный режим. Проанализировав различные варианты, было установлено, что наиболее интенсивный вла-госъем при сохранении целостности оболочки и самой зерновки достигается при следующих условиях:

для I периода

(1)

Л Ж

причем должно соблюдаться условие ^

<И

сЫ>1

где

Л

предельно допустимая скорость сушки.

~сй

для II и III периодов

> <Ь>Ъ

Л сИ

Для сушки в адаптивном режиме соблюдение последних условий необходимо обеспечить изменением значений режимных параметров. Но практическое измерение и контроль таких показателей, как скорость миграции влаги, коэффициентов диффузии влаги не представляются возможным, поэтому целесообразно заменить условия (1) и (2) условием не превышения температуры агента сушки

/а с предельно допустимого значения с ] при данной влажности. Это обеспечит целостность самой зерновки и сохранность питательных и семенных (для кукурузы семенного назначения) свойств.

При проведении исследований приняты следующие допущения:

- начальная средняя влажность початка постоянна и равна 38%;

- значения параметров наружного воздуха в течение процесса не меняются;

- скважистость слоя в течение процесса постоянна;

- высота слоя И постоянна (с целью наиболее полного использования объема рабочей камеры значение её принято равным 1,6 м);

- потери теплоты в окружающую среду равны нулю.

В общем случае продолжительность сушки зависит от следующих показателей: начальной влажности материала, температуры, скорости в слое и влажности агента сушки, скважистости слоя. Первые три из них, как показали многие исследования, оказывают наибольшее влияние. Для определения оптимальных значений режимных параметров для данных периодов продолжительность процесса была выражена как функция от температуры и скорости агента сушки.

Длительность всего процесса г будет равна сумме продолжительностей

отдельных периодов т,:

Продолжительность первого периода является функцией от температуры, скорости агента сушки и начальной влажности початков. Среднее значение и пределы изменения последней при поступлении в хлебоприемные пункты находятся в диапазоне её значений для I периода. Для остальных периодов конечное значение влажности текущего является начальным для следующего.

п

при И = соШ, и <10ас=согиИ,

ш л

Анализ конструкций сушилок, в которых можно реализовать адаптивный режим, показал, что наиболее приемлемым для этого являются сушилки конвейерного типа. Такая установка работает следующим образом (рис. 1).

Наружный воздух с температурой t0, относительной влажностью вла-госодержанием и энтальпией /0 проходит через теплообменник (трехслойная обшивка корпуса), где нагревается до t'0 , входит в калорифер и с параметрами t2, (р2, d2, /2> поступает в сушильные камеры (зоны П и Ш). При нагреве воздуха в теплообменнике и калорифере его влагосодержание не меняется, т.е. d0 = d2- После зон сушки II и П1 состояние агента сушки характеризуется параметрами t'2, qi2, d2, Ij. Далее он проходит через каналы трехслойной обшивки, нагревает средний слой и выбрасывается в атмосферу с параметрами tK, <рк, dK и 1К.

Сырые початки, поступающие на транспортер в I зону с расходом G,, имеют влажность wl и температуру tnl. В зоне I початки обдуваются агентом сушки поступающим из зоны охлаждения IV и имеющим параметры t'4, (р'ц, d[

и l[ на входе и ¿1, <р1> d'K, l'K на выходе при выбросе в атмосферу. В процессе сушки в зонах П и III значения показателей початков кукурузы меняются от G[\ t'M, м/,Д0 Gj, t'nj, W3.

В зоне охлаждения IV початки продуваются наружным воздухом с параметрами t0, (р0, d0, 10. При охлаждении из них испаряется влага, причем на это расходуется теплота, аккумулированная початками в зонах II и III. Температура початка снижается с t' до t' , влажность с wl до wi, а расход с Gi ДО G1,.

«3 и4 J 4 i ц

Адаптивный режим должен обеспечить минимальные энергозатраты 3: на сушку, не снижая производительности сушилки. Поэтому значения режимных параметров были оптимизированы по критерию минимума суммарных затрат на сушку:

¿3, min, руб.,

(-1

где г = 1 ...п - номер расчетного периода.

Затраты непосредственно на сушку состоят из затрат на нагрев агента

сушки:

1 1

(8)

I-

Ю,9 •/?„

и на привод вентилятора:

3„агРас = (J 3600 ■ Vat, • ^ • i ■/, • -р^ас ~ „ )'' h ' QH)' Птоп,' (9)

9

и .ц .<Х «и.

6,<Й .42 Дз

I Зона нагрееа П Зои сушки ,11 Зо суп с I ва пси I IV Зова охлаждения

^.Ф, АД.

ОтуаБ » с

Утр скорость транспортам В- в»о*1*11

t2.V2.Ij

Калорифер

0. <Po.4D.lo-i

й.^.Ь

Отр»бот«лгой »гвш

еуиш , ((V

Рис. 1. Расчетная схема сушилки.

где г - продолжительность сушки, ч;

1тре температура воздуха соответственно наружного, на входе

и на выходе из калорифера, °с; \ас - скорость агента сушки в слое, м!с', <2ч - часовой расход теплоты на нагрев агента сушки, дж/ч; О - часовая производительность сушилки, т/ч; /(- длина зоны сушки, соответствующая ¡-ому периоду, м; 'общ' длина зоны сушки, м;

Ъ - ширина транспортера, м; гтр - скорость движения транспортера, мм/с;

рс1 - плотность слоя сырых початков, кг/м3; е - скважистость;

IV ,а IV -влажность соответственно начальная (относительная

нач ' нач ' т гг рае 4

и абсолютная), текущая и равновесная, %;

^овщ ' общие затраты на сушку 1 т сырого материала, руб. / т;

г)ки - КПД вентилятора;

рт - плотность воздуха, кг!м3;

ст - теплоемкость воздуха, Дж /(кг-0 С);

Цээ - стоимость электроэнергии, руб./кВт',

Чттл - стоимостьтоплива, руб.Iкг',

- низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг. Общие затраты на сушку в / -ом периоде равны:

"ЯГ-

г (0,96 + (0,0149- Я2 + 4 068- Я)- В^йи) ^лч 3, =3600-V -ег -Ь-1 -т,-(-2--К '

■ ^«я ' Рва№асл ^шг вх )' Цтопя \ <& )

С учетом значения Г, длина отдельной зоны будет равна:

г

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований и обработки их результатов» сформулированы цель и задачи, а также программа и методика экспериментальных исследований. Обоснованы выбор измерительных приборов, методика измерения необходимых параметров и обработки полученных результатов.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной сушильной установке (рис.2). Она позволяет сушить различные сельскохозяйственные материалы, в том числе, початки кукурузы на различных режимах. Установка состоит из центробежного вентилятора 2, электрокалорифера 3, воздуховодов 8, сушильной камеры 5, системы регулирования скорости 7 и температуры 1 теплоносителя и измерительного блока 6.

В качестве объекта сушки были выбраны початки кукурузы наиболее распространенного в Республике Башкортостан районизированнаго гибрида Бемо 181 СВ, убранные в фазе полной технической спелости и имевшие в период проведения опытов значение естественной влажности от 32 до 40 %. Для повторного использования данный материал искусственно увлажнялся.

Для установления зависимости характеристик процесса сушки от значений режимных параметров был проведен трехфакторный эксперимент по плану Бок-са-Бенкина. Входными параметрами являются начальная влажность початков, температура и скорость теплоносителя; выходным - продолжительность сушки (табл. 1). Диапазон изменения первого фактора принят исходя из его среднего значения и наиболее вероятных пределов изменения при поступлении в хлебоприемные пункты. Пределы изменения температуры агента сушки установлены по результатам анализа работ в исследуемой области.

Таблица 1 Интервалы и уровни варьирования значений факторов

Факторы Кодированное значение Интервалы варьирования -1 0 +1

Начальная влажность початка, % X, 4 32 34 38

Температура агента сушки, °С Х2 10 40 45 50

Скорость агента сушки, м/с Х3 0,4 0,4 0,8 1,2

Максимальное значение скорости агента сушки принято из условия наиболее полного использования его сушащего потенциала и допустимого значения аэродинамического сопротивления системы, минимальное - исходя из величины допустимой разности влажности и температуры початков верхнего и нижнего

слоев. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью компьютерной программы БТАПЗТГСА 5.5А.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментов.

В результате их обработки получены следующие уравнения регрессии:

- для I периода:

т, = 3876-1,57-^ -30,208-+0,01и], + 7,305-V,2. +0,38 (ОС -у„с +0,456-(12)

- для П периода:

т„ =72,083-2,257-/ос - 24,968-V + 0,02-£ +0,217-?яс + 6,95-у2, (13)

- для III периода:

тш =36,004-0,274-1ас -43,72+ 0,004 + 0,437-/ОС -уос + 11,907-у2, (14) Достоверность этих уравнений доказана значениями коэффициента корреляции и критерия Фишера при 5% уровне значимости.

Судя по значениям коэффициентов уравнений, температура и скорость воздуха оказывают наибольшее влияние в первом периоде. Продолжительность первого периода линейно зависит от начальной влажности.

Совместное влияние этих факторов на продолжительность сушки показано на рисунке 3. В первом периоде при меньшей скорости агента сушки (0,3...0,4 м/с) температура влияет значительнее, чем при больших ее значениях (0,9... 1,0м/с). Это объясняется тем, что в последнем случае скорость влагоуделения приближается к предельному значению, которое лимитируется влагопро-водной способностью оболочки. При этом даже повышение потенциала влагопе-реноса, в данном случае увеличением температуры сушильного агента, существенно не влияет на скорость процесса.

Во втором и третьем периодах влияние скорости теплоносителя наиболее существенно выражено при меньших значениях его температуры (34...36 °с).

Для оценки интенсивности удаления влаги в периодах по полученным данным необходимо выявить зависимость средней скорости сушки № от значений режимных параметров.

Рис. 3. Зависимость продолжительности процесса от температуры и скорости агента сушки: а), б), в) соответственно для I, II и III периодов.

в)

Эта задача была решена посредством нейронно-сетевого моделирования с использованием Мастера Решения Задач STATISTICA Neural Network 4.0. В результате поиска для всех периодов были найдены нейронные сети типа радиаль-но базисной функции (RBF) (рис. 4) и обобщенно-регрессионная (GRNN), которые лучше всего описывают указанные зависимости (приведены на рис.5).

—о

Рис. 4. Архитектура нейронной сети, описывающей зависимость скорости сушки от температуры и скорости теплоносителя для II периода: 1 - входной канал сети, 2 -элемент промежуточного слоя, 3 - выход сети.

Определяющее влияние на распределение влажности початков по слоям и степень его насыщения влагой по высоте слоя оказывает значение скорости теплоносителя. Последний, как видно из рисунка 6а в начале процесса сушки насыщается до предельного значения влагой, при этом происходит конденсация влаги на верхних слоях. Далее по мере снижения влажности початков (при переходе во второй период сушки) относительная влажность агента сушки постепенно снижается и к концу процесса приближается к равновесному значению.

При увеличении скорости агента сушки (рис.66) влагосъем по высоте слоя идет более равномерно, т.е. влага не успевает полностью насыщаться в нижних слоях и впитывает влагу по всей высоте насыпи. Следует отметить, что с увеличением скорости сушильного агента разница его относительной влажности по слоям уменьшается.

Зависимость затрат на сушку на различных режимах показана на рис.7. Как видно из них, максимальные затраты на сушку для I периода получаются при

уас=1 м/с и при меньших значениях с (30 °с)• С увеличением температуры

затраты уменьшаются. Эта закономерность наблюдается до V =0,6 м/с■

а) б)

Рис. 6. Изменение относительной влажности агента сушки по высоте слоя в зависимости от влажности початков: а), б) соответственно при его скорости 0,4и 0,8 м/с.

а) б) ~ "

Рис. 7. Зависимость энергозатрат на сушку от температуры и скорости воздушного потока: а), б) соответственно для I и II периодов.

Это объясняется следующим: как было отмечено ранее, оптимальный режим соблюдается тогда, когда количество влаги мигрирующей из внутренних слоев равно испаряющейся. Так, при сравнительно низких температурах потенциал влагопереноса не обеспечивает необходимую скорость перемещения влаги, и она не успевает перемещаться к поверхности испарения. Время сушки сильно увеличивается, и, как следствие, возрастают расходы на неё.

Далее при снижении значения гас от 0,6 до 0,2 м/с кривые затрат имеют максимумы при ¡ас~ 36 "с ■ Это обусловлено значительной продолжительностью сушки при данном сравнительно небольшом значении её скорости.

В общем, для I периода с уменьшением скорости агента сушки среднее по температуре значение затрат уменьшается, так как при меньших значениях скорости более полно используется влагоемкость сушильного агента (рис. 6 а).

Для П периода характер кривой определяется скоростью миграции влаги из середины зерновок к периферии. Причем повышение температуры агента сушки до какого то определенного значения не приводит к увеличению скорости сушки, а затраты на нее возрастают с увеличением температуры. Дальнейшее увеличение температуры способствуют повышению скорости сушки и затраты на нее уменьшаются из-за сокращения времени сушки. Как видно из рисунка 7, с повышением скорости сушильного агента до 0,6 м/с наблюдается уменьшение энергозатрат с повышением температуры, что наиболее ярко выражено до /ЙС=46°С.

Сравнение результатов расчета по компьютерной программе «Кукуруза» и полученных при производственных испытаниях приведено на рис.8. Как видно из него, продолжительность процесса в производственных условиях больше, что объясняется утечками агента сушки и теплопотерь через корпус установки.

ч.

1„=45<Ь /

1а е..град

о,7 <& V «.с.^е

а) б) Рис.8. Зависимость продолжительности сушки от температуры а) и скорости б) теплоносителя:--теоретические,----экспериментальные

данные.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность внедрения результатов работы» приведены расчеты затрат непосредственно на сушку початков кукурузы в обычном и адаптивного режима. В расчете не учтены зарплата обслуживающего персонала, затраты на ТО установки, амортизационные отчисления, так как они остаются неизменными. Приведено сравнение затрат на сушку в обычном и адаптивном режимах. Производственное внедрение методики расчета последнего доказало ее востребованность. Экономия средств при сушке початков кукурузы в этом режиме составила 44 руб./т-

ВЫВОДЫ

1. В силу климатических условий в период уборки початки кукурузы имеет высокую влажность (более 30%). Основным и самым надежным способом обеспечения их количественной и качественной сохранности после уборки является тепловая сушка, величина затрат на которую является определяющим фак-

«• 1 15

тором рентабельности производства, при этом камерные сушилки периодического действия, широко применяемые на производстве, не достаточно полно отвечают современным требованиям, предъявляемым к сушилкам, а наиболее рациональным, с точки зрения возможности использования в поточных линиях и внедрения различных интенсифицирующих приемов являются конвейерные сушилки

2. Процесс сушки целесообразно условно разделить на три периода, в каждом из которых влияние режимных параметров на скорость сушки различно: I -от начальной влажности 1¥1ип до 0^=28-30 %; II - от до Жп2=18-20 %; Ш -от 18 до конечной .

3. Эффективность процесса повышается при изменении не только значения температуры, но и скорости теплоносителя. Предложен адаптивный режим сушки: параметры агента сушки (температура и скорость фильтрации) дифференцируются по рассматриваемым периодам сушки.

4. Получены зависимости выражающие продолжительности процесса сушки от значений режимных параметров. В первом периоде при меньшей скорости агента сушки (0,3...0,4 м/с) температура влияет значительнее, чем при больших ее значениях (0,9... 1,0м/с). Влияние скорости агента сушки наиболее существенно выражено при меньших значениях его температуры (34...36 °с).

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в компьютерной программе «Кукуруза». С её помощью рассчитаны значения параметров адаптивного режима для сушильной установки СПК-6 и получены следующие результаты: для I периода - Уас =0,98м/с, /ос =45"с, для II -

Уа.с =0,6л</с, =51°С.

6. Установлено влияние скорости теплоносителя на распределение влажности початков по слоям и степень его насыщения влагой по высоте слоя. Минимальное значение скорости агента сушки, при котором не происходит «запаривание» початков верхних слоев при толщине слоя 1,6 м составило 0,4 м/с.

7. Производственное внедрение методики расчета адаптивного режима и компьютерной программы «Кукуруза» доказало их востребованность. Экономия средств при сушке початков кукурузы в этом режиме составила 44 руб./т-

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ахметьянов И.Р., Бакиев И.Т. Способы и технические средства сушки кукурузы// Материалы ХЫ1 научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. - Челябинск, ЧГАУ, 2003. -4.2. -с.30-36.

2. Бакиев И.Т. Энергосберегающая сушильная установка непрерывного действия для сушки початков кукурузы: Материалы ХЫ научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. -Челябинск: ЧГАУ, 2002. -4.2. -с.14-16.

3. Бакиев И.Т., Масалимов И.Х., Пермяков В.Н. Выбор режима сушки початков кукурузы// Материалы ХЫ1 научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета.- Челябинск, ЧГАУ, 2003, -Ч.2.-С.36-38.

2006-4 12786

4. Бакиев И.Т., Васиков И.М., Пермяков В.Н. Конструкция узла сушильной установки СПК-6 для равномерной подачи агента в камеру сушки// Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции: Сборник научных трудов научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультета Пензенской ГСХА-Пенза: РИО ПГСХА, 2002. -с.203-204.

5. Бакиев И.Т. Установка конвейерного типа для сушки трудно высушиваемых материалов// Аграрная наука на современном этапе//Сборник научных трудов по материалам всероссийской конференции.-Санкт-Петербург - Пуш-кин.СПбГАУ, 2002.-С.343-344.

6. Бакиев И.Т., Масалимов И.Х. Определение оптимального значения скорости фильтрации агента сушки.//Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО. Часть 1.-Уфа: БГАУ, 2003, -с.229-230.

7. Бакиев И.Т., Масалимов И.Х. О сушке початков кукурузы// Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания: Материалы Международной научно-практической конференции (в рамках VIII Международной специализированной выставки «ПродУрал-2002»).-Уфа: БГАУ, 2002. -с. 296-298.

8. Бакиев И.Т., Пермяков В.Н. Допустимая температура нагрева початков кукурузы: Материалы ХЫП научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. - Челябинск, ЧГАУ, 2004. -4.2.-с. 124-125.

9. Масалимов И.Х., Бакиев И.Т. Система технического обслуживания сушильных установок непрерывного действия: Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученных и специалистов. - Уфа: Гилем, 2000.-c.158.

10. Пермяков В.Н., Бакиев И.Т. Совершенствование сушки семян повышенной влажности: Материалы ХЫП научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. - Челябинск: ЧГАУ,

2004. -4.2. - с. 192-194.

11. Набиев Т.С., Пермяков В.Н., Бакиев И.Т. О сушке зерна повышенной влажности: Материалы 110 научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов университета. - Уфа: БГАУ, 2004. - 160 с.

12. Набиев Т.С., Бакиев И.Т., Пермяков В.Н. Адаптивный режим сушки початков кукурузы// Достижения науки - агропромышленному производству: Материалы ХЫУ международной научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. - Челябинск: ЧГАУ,

2005. -4.2. - с. 181-185.

Лицензия РБ на издательскую деятельность 0261 от 10 апреля 1998 года. Лицензия на полиграфическую деятельность №Б848366 от 21 июня 2000 года. Подписано к печати 11.02.2005 г. Формат 60X84. Бумага полиграфическая. Гарнитура Тайме. Усл. печл. 1,0. Тираж 75 экз. Заказ №125. Издательство ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет». Типография ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет». Адрес издательства и типографии: 450001, г.Уфа, ул. 50 лет Октября,34.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СУШКИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика и свойства початков кукурузы как объекта сушки

1.2 Способы сушки кукурузы и конструкции сушилок

1.3 Режимы сушки початков кукурузы

1.4 Цель и задачи исследований 3 8 Выводы

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ

2.1 Механизм удаления влаги с початков

2.2 Влияние режимных параметров на процесс удаления влаги

2.3 Методы расчета и способы интенсификации процесса сушки

2.4 Теоретические аспекты адаптивного режима сушки 55 Выводы

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА

СУШКИ КУКУРУЗЫ

3.1 Экспериментальная установка

3.2 Планирование многофакторного эксперимента

3.3 Подготовка объекта сушки

3.4 Измерение влажности початков

3.5 Измерение скорости агента сушки в слое

3.6 Измерение температуры агента сушки и расхода электроэнергии

3.7 Измерение влажности воздуха по высоте толстого слоя 78 Выводы 80 4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 81 4.1 Зависимость продолжительности сушки от температуры и скорости теплоносителя

4.2 Зависимость энергозатрат от режимов сушки

4.3 Изменение относительной влажности агента сушки по высоте слоя

Выводы 96 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1 Методика использования программы оптимизации

5.2 Резул ьтаты производственного внедрения

5.3 Экономическая эффективность сушки в адаптивном режиме 103 Выводы 105 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 106 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 108 ПРИЛОЖЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Кукуруза является универсальной сельскохозяйственной культурой и широко используется на кормовые, технические и пищевые цели. К настоящему времени в мире производится свыше 600 млн. тонн зерна кукурузы, и по объему производства она находится на первом месте по сравнению с традиционно основными зерновыми культурами, такими как пшеница, рис. Ее зерно содержит значительное количество крахмала, белка, масла, минеральных веществ. Потенциал урожайности культуры очень высок, в связи с чем планомерно увеличиваются объемы ее производства.

На производство зерна кукурузы в Республике Башкортостан основное влияние оказывает материально-техническое обеспечение в виде новых гибридов, удобрений, техники и технологии послеуборочной обработки. Значительные площади посевов кукурузы, в силу климатических условий, приходятся на районы, где период созревания и уборки совпадает с периодом затяжных дождей. В связи с этим, около 80-90% от всей убранной и поступившей в хлебоприемные пункты кукурузы имеют влажность свыше 35%, а, следовательно, не отвечает требованиям (ГОСТ 13634-90 регламентирует не более 15 %) и требует сушки.

Сушка является основным и самым надежным способом обеспечения количественной и качественной сохранности зерна. Она ускоряет послеуборочное дозревание, уничтожает вредителей. При правильно проведенной сушке за счет тепловой обработки улучшаются семенные и кормовые свойства. Сушка початков кукурузы отличается исключительно высокой энергоемкостью - в 4.5 раза большей по сравнение с сушкой других зерновых культур. Это объясняется высокой уборочной влажностью и низкой влагоотдающей способностью кукурузы.

Анализ существующих типов сушилок для початков кукурузы и многолетний опыт их эксплуатации позволил установить следующее. Из существующего многообразия установок для сушки початков кукурузы наиболее распространенны и широко используются в настоящее время, камерные сушилки. Но им присущи следующие недостатки: периодичность процесса, высокая неравномерность сушки, низкая производительность и, как следствие, высокая себестоимость сушки. Для использования в поточных линиях и реализации различных интенсифицирующих приемов, как предварительный нагрев, прерывистая сушка, наиболее удобными являются конвейерные сушилки. Одним из наиболее эффективных способов повышения производительности сушилки и снижения себестоимости сушки является разработка и внедрение энергосберегающих режимов, что характеризует актуальность данной работы.

Исследования проводились по тематике НИР кафедры: «Теоретическая и прикладная механика» по индивидуальному плану в сотрудничестве с МУП «Илишкомбикорм» Илишевского района Республики Башкортостан. Работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой Республики Башкортостан «Возделывание кукурузы на зерно в хозяйствах РБ».

Цель диссертационного исследования. Целью диссертации является интенсификация процесса сушки початков кукурузы путем разработки нового энергосберегающего режима сушки, позволяющего повысить производительность сушилки, снизить энергозатраты и получить исходный материал требуемой влажности с сохранением семенных и кормовых качеств. Для достижения этой цели в работе определены следующие задачи

- изучить и обобщить физико-механические свойства початков кукурузы;

- разработать теоретические и методические основы разработки нового энергосберегающего режима сушки, повышающего ее интенсивность;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать энергосберегающий режим для сушки початков кукурузы;

- обосновать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом;

- создать компьютерную программу оптимизации значений режимных параметров и расчета основных показателей процесса сушки;

- внедрить результаты работы в производство и оценить их эффективность.

Объект исследования. Процесс сушки початков кукурузы в конвейерной сушилке.

Предмет исследования. Влияние комплекса режимных параметров на характер и интенсивность процесса сушки.

Научная новизна. Разработан новый методический подход интенсификации процесса сушки путем изменения значений режимных параметров в зависимости от изменения состояния материала в процессе сушки. Получена математическая модель процесса сушки початков, выражающая зависимость её продолжительности от начальной влажности початков, температуры и скорости теплоносителя. Определены зависимости, позволяющие согласовать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом.

Научная новизна работы подтверждена положительным решением Государственного комитета РФ по патентам и товарным знакам о выдаче патента на изобретение «Сушильная установка непрерывного действия» (по заявке №2003129263/06(031230) от 30.09.2003 г.).

На защиту выносятся методический подход к интенсификации процесса сушки путем изменения значений её режимных параметров в зависимости от изменения состояния материала в процессе сушки; математическая модель процесса сушки початков кукурузы, описывающая её зависимость продолжительности от начальной влажности початков, температуры и скорости теплоносителя; аналитические зависимости, позволяющие согласовать конструктивные параметры сушильной установки в соответствии с разработанным режимом.

Достоверность результатов. Достоверность результатов исследований доказана методами математической статистики и подтверждена результатами внедрения методики расчета энергосберегающих режимов сушки на действующей сушилке.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета значений параметров режима сушки и компьютерная программа «Кукуруза» могут быть использованы как для разработки режимов сушки початков кукурузы в различных сушильных камерах, так и для обоснования режимов сушки других труд-новысушиваемых сельскохозяйственных культур.

Реализация работ. Предлагаемые режимы сушки початков кукурузы реализованы в конвейерной сушильной установке СГТК-6 в МУП «Илишкомби-корм» Илишевского района Республики Башкортостан.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях факультета механизации сельского хозяйства Башкирского государственного аграрного университета (2001-2004 гг.), в Челябинском агроинженер-ном университете (2002-2003 гг.), на Международной научно-практической конференции (в рамках VIII Международной специализированной выставки «ПродУрал - 2002) в г. Уфе.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации с достаточной полнотой опубликованы в 12 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 151 наименований и приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 18 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В силу климатических условий в период уборки початки кукурузы имеет высокую влажность (более 30%). Основным и самым надежным способом обеспечения их количественной и качественной сохранности после уборки является тепловая сушка, величина затрат на которую является определяющим фактором рентабельности производства, при этом камерные сушилки периодического действия, широко применяемые на производстве, не достаточно полно отвечают современным требованиям, предъявляемым к сушилкам, а наиболее рациональным, с точки зрения возможности использования в поточных линиях и внедрения различных интенсифицирующих приемов являются конвейерные сушилки.

2. Процесс сушки целесообразно условно разделить на три периода, в каждом из которых влияние режимных параметров на скорость сушки различно: I - от начальной wHa4 до 28-30 %; II - от 28 до 18-20 %; III - от 18 до конечной w • кон.

3. Эффективность процесса повышается при изменении не только значения температуры, но и скорости теплоносителя. Предложен адаптивный режим сушки: параметры агента сушки (температура и скорость фильтрации) дифференцируются по рассматриваемым периодам сушки.

4. Получены зависимости выражающие продолжительности процесса сушки от значений режимных параметров. В первом периоде при меньшей скорости агента сушки (0,3.0,4 м/с) температура влияет значительнее, чем при больших ее значениях (0,9. 1,0.м/с). Влияние скорости агента сушки наиболее существенно выражено при меньших значениях его температуры (34.36 °С).

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в компьютерной программе «Кукуруза». С её помощью рассчитаны значения параметров адаптивного режима для сушильной установки СПК-6 и получены следующие результаты: для I периода - Уа.с. =0,98л</с, =45°с, для II- Уал. =0,6л«/с, *в.с.=51°С.

6. Установлено влияние скорости теплоносителя на распределение влажности початков по слоям и степень его насыщения влагой по высоте слоя. Минимальное значение скорости агента сушки, при котором не происходит «запаривание» початков верхних слоев при толщине слоя 1,6 м составило 0,4 м/с.

7. Производственное внедрение методики расчета адаптивного режима и компьютерной программы «Кукуруза» доказало их востребованность. Экономия средств при сушке початков кукурузы в этом режиме составила 44,7 руб./т.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. -380 с.

2. Алейников В.И. Сушка самообрушенного зерна// Кукуруза, 1983, №2, с. 27-28.

3. Алейников В.И., Анискин В.И., Лосев К.В., Сулейманов Н.У. Особенности энергосберегающей сушки початков кукурузы//Селекция и семеноводство, 1985, № 5 , с.55-58.

4. Алейников В.И., Казаров Х.Г. Подсушивание и хранение початков в буртах. Кукуруза, 1982, № 5, с. 26-27.

5. Альтшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в воздухопроводах. -М.-Л. :Госэнергоиздат, 1963. -322с.

6. Атаназевич В.И. Сушка зерна. -М.: Агропроимздат, 1986, -234с.

7. Атаназевич В.И. Сушка пищевых продуктов. -М.: ДеЛи, 2000.-225с.

8. Атаназевич В.И., Воронцов Г.О., Ивентьева О.В. Сушка семян кукурузы. -М.: Агропроимздат, 1986.-94с.

9. Атаназевич В.И., Горчаков И.И. Камерные сушилки для сушки сортовых семян кукурузы в початках. -Труды ВНИЭКИ продмаш., 1984, вып. 61, с. 18-25.

10. Атаназевич В.И., Куценко К.И., Комов В.В., Пешкова В.А. Интенсификация сушки семенной кукурузы// Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность, 1974, №2.

11. Ахметьянов И.Р. Исследование процесса сушки початков кукурузы. Автореферат дис. канд. техн. наук. -Уфа, 1997. -20 с.

12. Ахметьянов И.Р., Бакиев И.Т. Способы и технические средства сушки кукурузы: Материалы XLII научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. Челябинск: ЧГАУ, 2003. -4.2. - 400 с.

13. Ашмарин И.П., Васильев H.H., Амбросов В.А. Быстрые методы статической обработки и планирование экспериментов. —Л.: Издательство ленинградского университета, 1975, -78с.

14. Бакиев И.Т. Установка конвейерного типа для сушки трудно высушиваемых материалов// Аграрная наука на современном этапе/Сборник научных трудов по материалам всероссийской конференции. -Санкт-Петербург Пушкин:СПбГАУ, 2002.-С.343-344.

15. Бакиев И.Т. Энергосберегающая сушильная установка непрерывного действия для сушки початков кукурузы: Материалы XLI научно-технической конференции Челябинского государственного агроин-женерного университета. Челябинск: ЧГАУ, 2002. -4.2. - 266 с.

16. Бакиев И.Т., Масалимов И.Х. Определение оптимального значения скорости фильтрации агента сушки: Материалы Международной научно-практической конференции (к VIII Международной специализированной выставки «АГРО 2003»). - Уфа: БГАУ, 2002. - 408 с.

17. Бакиев И.Т., Масалимов И.Х., Пермяков В.Н. Выбор режима сушки початков кукурузы: Материалы XLII научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. Челябинск: ЧГАУ, 2003. -4.2. - 400 с.

18. Бакиев И.Т., Пермяков В.Н. Допустимая температура нагрева початков кукурузы: Материалы XLIII научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета.20