автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Исследование параметров и режимов работы установки для тепловой обработки зерна

00504-5-5'"

На правах рукописи

СУТЯГИН Сергей Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 КШ41Ш

Уфа-2012

005043376

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования '•Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (ФПЮУ ВПО «Ульяновская ГСХА»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Курдюмоп Владимир Иванович

Официальные оппопенты Юхин Геннадий Петрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет», кафедра

«Технологи1 ¡еское обору дова1 же

животноводческих и перерабатывающих предприятий», заведующий кафедрой Сотников Максим Владимирович, кандидат технических наук, доце1гг, ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия», кафедра «Механизация производства и переработки продукции животноводства», доце1гг

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный

университет им. Н.Г1. Огарева»

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 13"" часов па заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный л фарный универаггет» по адресу: г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « ¿Ц » апреля 2012 гола.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

('.Г'. Мударисоп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач обеспечения продовольственной безопасности России является устойчивое развитие производства зерна в достаточных объемах. Зерно - стратегически и социально-экономически значимый продукт, по наличию и уровню запасов которого судят о национальной продовольственной безопасности. В России ежегодно производят свыше 70 млн. т зерна, до 40 % которого производят фермерские хозяйства. На процессы тепловой обработки зерна приходится примерно 10 % от всего потребления энергии в агропромышленном комплексе развитых стран. Поэтому снижение энергоемкости этих процессов является актуальной задачей во всем мире.

Сушка зерна важный процесс в сельскохозяйственном производстве, своевременное выполнение которого, позволяет сохранить качественный зерновой материал в течение длительного времени. Тепловая обработка зерна, кроме сушки, может включать и его термическое обеззараживание, которое можно с успехом применять для борьбы с вредителями зерна (долгоносиками, клещами и др.), погибающими под действием высоких температур.

В настоящее время имеются высокопроизводительные автоматизированные средства механизации процесса тепловой обработки зерна. Однако с переходом на рыночную экономику появилась потребность в переработке зерна непосредственно в производящих хозяйствах. Применение существующих зерно-сушильных установок с большой пропускной способностью нерентабельно в условиях небольших фермерских хозяйств, так как связано с большими капитальными вложениями. Кроме того, существующие установки энерго- и металлоемки, загрязняют зерно и окружающую среду токсичными продуктами горения топлива. Несоответствие имеющейся технической базы условиям обработки зерна непосредственно на предприятии обуславливает необходимость разработки новых технических средств. В связи с этим, разработка технических средств заданной пропускной способности, интенсифицирующих процессы тепловой обработки зерна с учетом энерго-, ресурсосбережения, а также экологических требований является актуальной и важной научно-технической задачей.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА на 2006-2010 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (per. № 01.200.600147) и на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (per. № 01.200.600147).

Цель работы. Интенсификация процесса тепловой обработки зерна путем разработки установки с определением ее оптимальных конструктивных параметров и режимов работы, обеспечивающих снижение затрат энергии и требуемое качество готового продукта при заданной пропускной способности.

Объект исследования. Технологический процесс тепловой обработки зерна.

Предмет исследования. Параметры технологического процесса тепловой

А ) 1 \ i

обработки зерна и конструктивно-режимные параметры средства механизации этого процесса.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа и синтеза, имитационного моделирования, положения теории тепло-, массопереноса и теории сушки коллоидных капиллярнопори-стых тел, а также использованы положения и законы классической механики и математики. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводили в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками с применением методики' планирования эксперимента. Полученные экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы.

Получены аналитические зависимости пропускной способности установки и мощности, затрачиваемой на процесс тепловой обработки зерна, от конструктивно-режимных параметров установки и свойств обрабатываемого материала.

Разработана математическая модель процесса сушки зерна в зависимости от конструктивно-режимных параметров разработанной установки контактного типа;

Теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры установки для тепловой обработки зерна.

Новизна технических решений предложенной установки подтверждена 3 патентами РФ на изобретения и 8 патентами на полезные модели.

Практическая ценность. Предложенную установку можно применять в технологических процессах сушки зерна в период послеуборочной его обработки, подготовки семян к посеву, в технологиях переработки зерна в муку и крупы, а также в технологиях термического обеззараживания зерна при его хранении. Применение разработанной установки позволяет высушить зерно с требуемым качеством при удельных затратах энергии 3,8 МДж/кг^, что ниже на 17,4 % по сравнению с сушильной установкой СЗШ-0,5, а также выполнить термическое обеззараживание зерна с низкими затратами энергии.

Использование разработанной установки позволяет получить годовой экономический эффект 248380 руб. или 404,54 рубля на 1 т продукции.

Реализация результатов исследований. Установка для тепловой обработки зерна исследована и внедрена в производство на предприятии ООО «Агрофирма Агроинвест» Кузоватовского района Ульяновской области.

Вклад автора в проведенное исследование. Получены аналитические выражения для определения пропускной способности установки и мощности, затрачиваемой на процесс тепловой обработки зерна; проведены экспериментальные исследования установки для тепловой обработки зерна; получены адекватные математические модели процесса сушки зерна; выявлены оптимальные конструктивно-режимные параметры разработанной установки.

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы, доложены, обсуждены и одобрены на III Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (Ca-

ратовский ГАУ, 2009 г.), на XLIX Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинская ГА А, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий» (Волгоград, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение агропромышленного производства» (Курская ГСХА, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Наука о проблемах инновационного развития в АПК» (Великолукская ГСХА, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и бизнеса для обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации» (Донской ГАУ, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационному развитию АПК - научное обеспечение» (Пермская ГСХА», 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения-2010» (Саратовский ГАУ, 2010 г.), на L Международной научно - практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинская ГА А, 2011 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г. (Саратовский ГАУ, 2011 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях», (Ижевская ГСХА, 2011 г.), а также на ежегодных Меиедународных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» в 2010 - 2011 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 36 печатных работах, в том числе 3 патентах на изобретение и 8 патентах на полезные модели, 7 работ - в перечне изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и общих выводов. Работа изложена на 132 е., содержит 40 рисунков, 12 табл. и приложение на 64 с. Список литературы включает 150 наименований, в том числе 12 - на иностранных языках.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретические выражения по определению конструктивно-режимных параметров разработанной установки для тепловой обработки зерна;

- математические модели процесса сушки зерна в разработанной установке;

- конструкция установки для тепловой обработки зерна контактного типа со скребковым рабочим органом;

- результаты лабораторных исследований по определению оптимальных режимов работы установки для тепловой обработки и их проверки в производственных условиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы исследований.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» выполнен анализ существующих технологий тепловой обработки зерна, предназначенных для этого технических средств, и разработана их классификация.

В развитие современной технологии и техники тепловой обработки зерна внесли большой вклад: А.П. Гержой, В.Ф. Самочетов, A.M. Уваров, В.А Резчиков, Л.Д. Комышник, Г.С. Зелинский, B.C. Уколов, B.C. Кршеминский, О.Н. Каткова, Н.И. Денисов, В.И. Жидко, В.И. Атаназевич, С.Д. Птицын, В.И.' Ани-скин, Г.С. Окунь, Ф.Т. Гоголев, Н.Я. Попов, В.Ф. Некрашевич, В.И.'курдюмов и многие другие ученые.

Несмотря на большое количество научных работ, посвященных различным аспектам тепловой обработки зерна, задача интенсификации технических средств этого процесса в настоящее время решена не полностью. Поэтому исследование процесса тепловой обработки зерна, направленное на снижение затрат энергии с учетом обеспечения высокого качества тепловой обработки при заданной производительности, является актуальной и важной задачей.

С учетом этого сформулирована цель работы и определены задачи исследований:

- выполнить анализ существующих способов и средств механизации тепловой обработки зерна, выявить основные направления их совершенствования и разработать конструкцию установки для тепловой обработки зерна;

- дать теоретическое и экспериментальное обоснование установки для тепловой обработки зерна, определить ее оптимальные конструктивные параметры и режимы работы;

- проверить теоретически и экспериментально обоснованные режимы тепловой обработки разработанной установки в производственных условиях;

- оценить экономическую эффективность предлагаемой установки для тепловой обработки зерна при выбранных оптимальных режимах.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование процесса тепловой обработки зерна и семян» дано описание предложенной и запатентованной установки для тепловой обработки зерна (рисунок 1).

1 - кожух; 2 - теплоизолирующий материал; 3 - загрузочный бункер; 4 - выгрузное окно; 5 - транспортирующий рабочий орган; 6 - нагревательные элементы; 7 - вентилятор; 8 - воздуховод; 9 - греющая пластина; 1О - заслонка Рисунок 1 - Установка для тепловой обработки зерна

Установка работает следующим образом. Включают нагревательные элементы. После достижения необходимой температуры пластины подают зерно в загрузочный бункер, откуда оно поступает на греющую пластину. Скребки транспортирующего рабочего органа захватывают зерно, верхние слои которого заслонка отсекает и равномерно распределяет по греющей пластине, при этом обрабатываемый материал, вращаясь вокруг своей оси при движении вдоль пластины, перемещается рабочим органом в единичном слое к выгрузному окну. Контактируя с нагретой поверхностью пластины, зерно также нагревается, теряет излишки влаги, которые в виде пара выдуваются через загрузочный бункер и выгрузное окно. Сухое зерно удаляется из установки через выгрузное окно.

Для достижения оптимальных количественно-качественных показателей тепловой обработки зерна и семян в установке необходимо, чтобы обрабатываемый материал перемещался в единичном слое, т. е., высота скребков транспортирующего рабочего органа была соизмерима с высотой частиц перемещаемого зерна. Высота скребков транспортирующего рабочего органа

Н=к1, (1)

где к - геометрический коэффициент; / - длина зерна, м.

С учетом обеспечения заданной пропускной способности ширина скребков рабочего органа

,/), (2) где - пропускная способность установки, кг/с; у - насыпная плотность зерна, кг/м ; у/ - коэффициент заполнения межскребкового пространства; г^ - скорость движения транспортирующего рабочего органа, м/с.

Оптимальная скорость движения транспортирующего рабочего органа

__2_

Ц ~ 0,1 ЪуЬг+ 0,15ас с/§а)' (3)

где 1Г - длина греющей пластины, м; ас - межскребковое расстояние, м; а - угол естественного откоса перемещаемого материала, град.

В предложенной установке для тепловой обработки зерна реализован контактный способ передачи теплоты обрабатываемому материалу, который нагревают путем теплопроводности от греющей поверхности и обдувают нагретым воздухом, подаваемым в рабочую камеру установки.

Тепловой баланс процесса сушки зерна характеризует основное уравнение тепло- и влагообмена при контактном способе передачи теплоты зерну в предложенной установке

, 'гр.ср ~ 1з , , „ <Ц

^э-и-+аконв(<в-(з)-сРо^-Г-4=0

к (4)

где Л - эквивалентный коэффициент теплопроводности, Дж/(м-с-°С); 1гр.ср -средняя температура греющей поверхности, °С; г3 - температура зерна, °С; К - толщина контактного слоя, м; аконв - коэффициент теплообмена между воздухом и зерном, Дж/(м2-с-°С); - температура воздуха, °С; с - удельная теплоемкость зерна, Дж/(кг-°С); - плотность абсолютно сухого зерна, кг/м3; -

отношение объема абсолютно сухого зерна к площади поверхности влажного зерна, м; г- время тепловой обработки зерна, с; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг;у - поток влаги внутри зерна, кг/(м2-с).

На основе основного уравнения тепло- и влагообмена описан механизм тепловой обработки зерна в предложенной установке.

В процессе работы установки скребки перемещают зерно по греющей пластине. Сила, Н, необходимая для перемещения подаваемого в установку зернового материала транспортирующим рабочим органом,

/ V

/> = 0,5 пЫс

М2 +

лг,

к

(5)

где п - количество зерен, перемещаемых одним скребком; Мс - количество скребков в транспортирующем рабочем органе; Л'2 - нормальные реакции на зерно от греющей поверхности и скребка соответственно, Н; в - сила тяжести частицы зернового материала, Н.

Механические воздействия скребков транспортирующего рабочего органа на зерно представляют собой динамические и ударные нагрузки, что приводит к его травмированию. Сила удара зерна о плоскую поверхность скребка, Н

Р, — 0>73т"6и1и(фЬ1а

0,4

(б)

где т - масса скребка рабочего органа, кг; Ьи а, - соответственно толщина и ширина зерна, м; Е,, Е2 - модули упругости зерна и материала скребка транспортирующего рабочего органа, Па; и„ ц2 - коэффициенты поперечной деформации зерна и материала скребка транспортирующего рабочего органа

Изменяя эти параметры в различных вариациях, можно уменьшить силу соударения зерна с рабочими поверхностями транспортирующего рабочего органа, что позволяет снизить вероятность повреждения зерна при его перемещении, повысить качество готового материала после тепловой обработки в разработанной установке.

При расчете пропускной способности разработанной установки необходимо учитывать ее конструктивно-режимные параметры и свойства обрабатываемого материала. Пропускная способность установки, кг/с,

<2 = уугу,вн, ,7)

где Н - высота скребков транспортирующего рабочего органа, м.

В процессе работы установки для тепловой обработки зерна и семян мощность требуется на привод скребкового транспортирующего рабочего органа, нагрев греющей пластины, привод вентилятора, установленного в воздуховоде установки, и на нагрев воздуха, подаваемого вентилятором-

Л'^ + ^з + Л^ + Л^ где Мп- мощность, требуемая на привод транспортирующего рабочего органа, Вт; Ынэ - мощность, необходимая для нагрева греющей пластины в установке, Вт; Мв - мощность, потребляемая вентилятором, установленным в

воздуховоде установке, Вт; N3 - мощность, потребляемая электрокалорифером, Вт.

Мощность, требуемая наприюд транспортирующего рабочего органа,

=(Ъ+++1 / «с > (9)

где ^г - сила, необходимая для перемещения подаваемого в установку зернового материала транспортирующим рабочим органом, Н; Ри - сила инерции перемещаемого волочением зерна, Н; кц3 - коэффициент пропорциональности; А -коэффициент влияния конструкции выгрузного устройства; Ьг - длина греющей пластаны, м; ас - расстояние между скребками транспортирующего рабочего органа, м.

Мощность, необходимая для нагрева греющей пластины в установке, определяет мощность нагревательных элементов:

N„3= иф2Б/(р71), (10)

где 11ф - фазное напряжение, В; 5 - площадь сечения нагревателя, м2; рт-удельное электрическое сопротивление материала электронагревателя, Ом м; / - длина нагревателя, м.

Мощность, потребляемая вентилятором,

в 3,6-Ю'зд/ К }

где Аз - юэффициент запаса; Ь - иэличество воздуха, подаваемого вентилятором в установи, м*М; Нп - потери давления в воздуховоде, Па; г\в - юэффициент полезного действия вентилятора; г\п - юэффициент полезного действия передачи.

Мощность, потребляемая электро калорифером,

+ , (12)

-+ +-

авн Лс анлр

где с - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); ув - плотность нару>шого воздуха, кг/м3; Ув - расход нагреваемого воздуха, м'/с; 1нн начальная и конечная температуры воздуха, °С; ГВн = 0,5(/я + ¡к) - федняя температура внутри ' нафевательной камеры, °С; 1Илг - темпфатура наружного воздуха, °С; ^ - площадь стенок воздуховода, чфез нэторую тфяется теплота, м2; - толщина стенки, м; авн и анлр - коэффициенты теплоотдачи от нагретого воздуха к внутренней повфхности стенки и от внешней поверхности стенки к наружному воздуху соответственно, Вт/(м2-°Р; Хс - теплопроводность материала стенки, Вт/(м-°д.

В процессе работы установки для тепловой обработки зфна при заданной пропускной способности затрачиваемая мощность постоянна, кроме мощности, которая требуется на нагрев греющей поверхности. Поэтому при оптимизации режимов работы установки, силы тока, напряжения, подаваемого на нагревательные элементы, можно снизить затраты электрической энфгии на процесс

N3-

тепловой обработки зернового материала в установке при обеспечении требуемого качества готового продукта.

Удельные затраты энергии на тепловую обработку зерна в разработанной

установке, Вт-ч/т,

дуд = 3,6Л'/(?. (13)

Удельные затраты энергии - один из основных критериев, который используют для оценки эффективности работы установок для тепловой обработки зерна и их сравнения.

В третьем разделе «Исследование процесса тепловой обработки зерна в лабораторных условиях» представлены программа и методика экспериментальных исследований, основанные на действующих ГОСТах. Дано описание конструкции разработанной лабораторной установки (рисунок 2), блока автоматического управления температурным режимом (рисунок 3), оборудования и измерительной аппаратуры, прея ставлены результаты выполненных исследований, определены о птимальные параметры и режимыработы у становки.

1 - кощх; 2 - электрокалорифер; 3 - загрузочньм бункер; 4 - выгрузное окно; 5 - воздуховод; 6 - электродвигатель; 7 - персональный компьютер; 8 - блок автоматического управления темпфатурным режимом; 9 - контрольно-измерительная аппаратура

Рисунок 2 - Лабораторная установка для тепловой обработки зерна

Результаты исследований получены с использованием методики планирования экспериментов, статистической обработки на персональном компьютере при помощи пакетов программ «Ехе1», 8ТАТ18Т1СА 6.1» и «Ба'К'еЗ».

Для лабораторных исследований процесса тепловой обработки зерна использовали овес сорта «Конкур». В разработанной установке исследовали про-

1 - регулятор ТРМ - 148; 2 - блок питания; 3 - преобразователь интерфейса; 4 - блокуправления си ми спорами и тиристорами (БУСГ)

Рисунок 3 - Блок автоматического управления температурным режимом

Учитывая требования, предъявляемые к факторам (управляемость, однородность и отсутствие корреляции между ними), а также на основе априорной информации, из 19 независимых факторов вьделены четыре фактора, которые оказывают наибольшее влияние на процесс тепловой обработки зерна в разработанной установке: Х\ (1гр,ср) - средняя температура греющей поверхности;^ (г) - время нахождения зерна в установке; х3 (г><,) - скорость движения воздуха в установке;х4 (4) - температура воздуха, подаваемого вустановку.

На основании ранее выполненных исследований и результатов поисковых опытов приняты пределы варьирования основных независимых факторов: средняя температура греющей поверхности - 40...200 °С, время нахождения зерна в установке - 15...60 с, скорость движения воздуха в кояухе установки -0...10 м/с, а также температур а по даваемо го воздуха- 20...70 °С.

После обработки результатов проведенных экспериментов получено уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние скорости подаваемого в ко яух установки воздуха и его температуры на уд ель-н ые затр аты энергии

Цуъ = 4100,73 - 287,88г>„ -10,8^ + 2»/ +10,28^ и + 0 Д2 гД (14)

Уравнение (14) в кодированных значениях факторов принимает следующий вид:

У= 4017,97 + 5 87 Д4х3 + 332,08лг4 + 216 27х32 + 463,01хзх4 + 49,82*42, (15) где У- удельные затраты энергии, кДж/кгвта[н.

Анализ уравнений (14) и (15) показывает, что наибольшее влияние на удельные затраты энергии среди линейных и нелинейных членов оказывает скорость воздуха, причем ее увеличение приводит кувеличению параметра оптимизации. Наименьшее воздействие, среди линейных и нелинейных членов, оказывает температура воздуха, причем при ее увеличении значение У увеличивается.

цессы сушки и термического обеззараживания зерна. В качестве критерия оптимизации при сушке принят показатель удельных затрат энергии на 1 кг испаренной шаги дуц, кДж/кГвла™, а при термическом обеззараживании принят показатель удельных затрат энергии на 1 т зернового материала.

Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия скорости воздуха, его температуры и их совместного шияния на критерий оптимизации представлено нарисунке4.

Рисунок 4 - Поверхность отклика характеризующее влияние у„ и и на критерий

оптимизации д^

Данная поверхность имеет вогнутую форму, в центре которой находится локальный минимум удельных затрат энергии на процесс сушки.

Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние средней температуры греющей поверхности и скорости движения воздуханаудельные затраты энергии, имеет следующий вид:

Чуд = 3648,93 + А$21гр.ср. + 12,04г>„ - 0,03- 0,47/^.»«, + 32,35г>Д (16) Уравнение(16) в кодированных значениях факторов:

У=4046,46 - 23,93*1 + 52734*3 - 19,59*12-35,04*1 *3 + 291,14х32, (17) Анализ коэффициентов уравнений (16) и (17) показывает, что наибольшее влияние на параметр оптимизации из линейных членов оказывает скорость воздуха, причем с ее увеличением удельные затраты энергии на процесс сушки увеличиваются. Наименьшее влияние оказывает средняя температура греющей поверхности, увеличение которой приводит к уменьшению удельных затрат энергии. 0>еци нелинейных членов наибольшее влияние также оказывает скорость движения воздуха, причем ее увеличение способствует увеличению удельных затрат энергии. Наименьшее влияние оказывает средняя температура греющей поверхности и при ееу величении параметр оптимизации снижается.

Уравнения регрессии в натуральных и кодированных значениях факторов, хфакгеризующие влияние средней температуры греющей поверхности и времени нахождения зерна в установке на удельные затраты энергии соответственно:

^ = 3070,23 +8,71^+36,287-0,03 - 0,16/^.г-0,11 (18) 7=4321,88-33,01*1+309,04*2- 19,6*22 - 69^5*,*2 - 33,83*22, (19) Анализ уравнений (18) и (19) показывает, что наибольшее влияние на величину удельных затрат энергии среди линейных членов оказывает время нахождения зерна в установке, причем с его увеличением значение параметра оп-

химизации также увеличивается. Наименьшее влияние на критерий оптимизации среди линейных и нелинейных членов оказывает средняя температура греющей поверхности, причем при ее увеличении значение удельных затрат энергии уменьшается. Наибольшее влияние на величину удельных затрат энергии среди нелинейных членов оказывает также время нахождения зерна в установке, причем с его увеличением параметр оптимизации также уменьшается.

Аналогично получены уравнения регрессии в натуральных и кодированных значениях факторов, характеризующие влияние факторов *а*4 на удельные затраты энергии.

Для каждой математической модели определено корреляционное отношение и выполнена проверка с помощью критериев Кохрена, Фишера, Стьюдента Анализ полученных значений критериев и сравнение их с табличными значениями показал воспроизводимость результатов исследований, адекватность математических моделей и значимость коэффициентов уравнений регрессии.

После определения вида поверхностей отклика выполняли их анализ с помощью двухмерных сечений. Находили центр поверхности отклика, определяя частные производные по каждому фактору, и приравнивали полученные выражения нулю. После этого выполняли каноническое преобразование моделей второго порядка и графоаналитический анализ полученных выражений.

Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее удельные затраты энергии от совместного влияния скорости воздуха и температуры его нагрева, представлено на рисунке 5. '„. <

-1.0 -0.8 -0,6 -0.4 -0,2 0.0 0.2 0.4

0.8 1,0 V. , М/С

Рисунок 5 -Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее влияние г:в и 1в на ду0

Анализ двухмерного сечения показал, что оптимальные значения независимых факторов составляют: о. = 1,33 м/с, /. = 23,8 °С. При этом минимальные удельные затраты энергии на процесс сушки зерна - 3914,63 кДж/кгвлаги.

Аналогично был выполнен канонический анализ уравнений рецессии от взаимодействия остальных независимых факторов.

В результате анализа математических моделей процесса сушки зерна определены оптимальные значения факторов, при которых удельные затраты энергии на испарение влаги из зерна овса ЧуЛопт составляют 3873,3 кДж/кг^,,, •

'гр.ср. = 69 °С, г = 40 с, ve = 1,33 м/с и = 23,8 °С. При этом разовый влагосъем составляет 2,7...3 % при пропускной способности установки 400 кг/ч.

В режиме термического обеззараживания исследовали зерно овса сорта «Конкур». Исследования проводили при изменении температуры греющей поверхности 60...90 °С и времени нахождения зерна в установке 100...200 с. Результаты показали, что при исходной 2-й степени зараженности зерна после тепловой обработки при температуре греющей поверхности 80 °С и времени нахождения зерна в установке 180 с все вредители погибли, технологические качества зерна при этом не снизились. Удельные затраты энергии при этом составили 4,1 кВт-ч/т зернового материала, а пропускная способность установки -210 кг/ч.

В четвертом разделе «Исследование процесса тепловой обработки зерна в производственных условиях и его экономическая эффективность» приведена программа, методика и результаты производственных исследований, проведенных в ООО «Агрофирма Агроинвест».

Исследования в производственных условиях подтвердили результаты лабораторных исследований. Расхождение значений основных показателей процесса тепловой обработки зерна не превысило 4,7 %.

Показатели технико-экономической эффективности разработанной установки приведены в сравнении с серийно выпускаемой установкой СЗШ-0,5, которая предназначена для тепловой обработки зерна в фермерских хозяйствах. Предлагаемая установка имеет в 4,8 раза меньшую энергоемкость и значительно меньшую металлоемкость. Годовая экономия составила 248380,2 руб., экономический эффект - 404,54 рубля на 1 т продукции, при этом срок окупаемости установки для тепловой обработки зерна не превышает 0,3 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ существующих способов и средств механизации тепловой обработки зерна показал что, для снижения затрат энергии и экономии эксплуатационных затрат целесообразно разрабатывать установки сравнительно небольшой пропускной способности, основанные на применении контактного способа подвода теплоты обрабатываемому зерновому материалу, при перемещении зерна в единичном слое.

Разработана установка для тепловой обработки зерна, которая включает кожух прямоугольного сечения длиной 2150 мм, шириной 410 мм и высотой 400 мм, внешняя поверхность которого покрыта слоем теплоизолирующего материала, загрузочный бункер, выгрузное окно, установленный внутри кожуха скребковый транспортер с высотой скребков 10 мм, греющую пластину длиной 2000 мм, нагревательные элементы, расположенные с нижней стороны греющей пластины, воздуховод и вентилятор. Воздуховод, в котором установлен нагревательный элемент, соединен с кожухом на равном расстоянии от загрузочного бункера и выгрузного окна.

2. В результате теоретических исследований сформулированы зависимости пропускную способность установки и мощности, требуемой на осуществление

процесса тепловой обработки зерна, от конструктивно-режимных параметров установки и свойств обрабатываемого материала.

По результатам проведенных лабораторных исследований разработаны адекватные математические модели процессов тепловой обработки зерна в разработанной установке. Анализ моделей процесса сушки зерна позволил определить оптимальные значения независимых факторов, при которых удельные затраты энергии на испарение влаги из зерна овса составляют 3873,3 кДж/кГщ,^: средняя температура греющей поверхности 1грхропт = 69 °С, время нахождения зерна в установке г = 40 с, скорость движения воздуха юв = 1,33 м/с, температура воздуха и = 23,8 °С. Пропускная способность установки при этом составляет 400 кг/ч.

Оптимальным режимом термического обеззараживания зерна овса при минимальных удельных затратах энергии 4,1 кВт ч/т является следующий: средняя температура греющей поверхности - 80 °С, время обработки - 180 с.

3. Производственные исследования разработанной установки для тепловой обработки зерна показали высокую эффективность при применении ее в процессах сушки и термического обеззараживания зерна. Расхождения значений основных показателей процесса тепловой обработки зерна, полученных в производственных и лабораторных условиях, не превысили 4,7 %.

4. Технико-экономический анализ предлагаемой установки для тепловой обработки зерна в сравнении с сушильной установкой СЗШ-0,5 показал, что при работе на оптимальных режимах предлагаемая установка по сравнению с серийно выпускаемой имеет в 4,8 раза меньшую энергоемкость и значительно меньшую металлоемкость. Годовая экономия составила 248380,2 руб., экономический эффект - 404,54 рубля на 1 т продукции, при этом срок окупаемости установки для тепловой обработки зерна не превышает 0,3 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сутягин С.А. Новые средства механизации тепловой обработки сыпучих материалов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - Москва, 2010, № 11, с. 11... 12.

2. Сутягин С.А. Обжаривание сыпучих продуктов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Москва, 2011, № 1, с. 23 - 24.

3. Сутягин С.А. Тепловая обработка зерна при производстве кормов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Москва, 2011, № 5, с. 17... 18.

4. Сутягин С.А. Особенности тепловой обработки пищевых продуктов в установках контактного типа / В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Известия вузов. Пищевая технология. - Краснодар, 2011 № 4 с. 90...92. '

5. Сутягин С.А. Установка для термического обеззараживания зерна / В.И.

Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, № 10,2011, с. 55...59.

6. Сутягин С.А. О возможности снижения энергозатрат в установках контактного типа для сушки зерна / В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, № 11,2011, с. 101...106.

7. Сутягин С.А. Повышение эффективности послеуборочной обработки зерна / В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук, № 6,2011, с. 56...58.

Патенты

8. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 90970. Опубл. 27.01.2010 г., Бюл. № 3.

9. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 92603. Опубл. 27.03.2010 г., Бюл. № 19.

10. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 96466. Опубл. 10.08.2010 г., Бюл. № 22.

11. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 96467. Опубл. 10.08.2010 г., Бюл. № 22.

12. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 96468. Опубл. 10.08.2010 г., Бюл. № 22.

13. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки и обеззараживания зерна. - Патент РФ на полезную модель № 99130. Опубл. 10.11.2010 г., Бюл. 31.

14. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 99131. Опубл. 10.11.2010 г., Бюл. 31.

15. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на полезную модель № 110291. Опубл. 20.11.2011 г., Бюл. 32.

16. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на изобретение № 2411432. Опубл. 10.02.2011 г., Бюл № 4.

17. Курдюмов В.И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на изобретение № 2413912. Опубл. 10.03.2011 г., Бюл № 7.

18. Курдюмов В .И., Павлушин A.A., Сутягин С.А. Устройство для сушки зерна. - Патент РФ на изобретение № 2436630. Опубл. 20.12.2011 г., Бюл № 17.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

19. Сутягин С.А. Методика обработки результатов исследования процесса сушки зерна в установке контактного типа / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Технология и продукты здорового питания: Материалы III Международной научно-практической конференции. - Саратов: ООО Издательство

«КУБиК», 2009, с. 76...80.

20. Сугягин С.А. Реализация процессов тепловой обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов в установках контактного типа / В.И. Курдюмов,

A.А Павлушин, С.А. Сутягин // XLIX Международная научно-техническая конференция «Достижения науки - агропромышленному производству» ч 2 -Челябинск: ЧГАА, 2010, с. 255...258.

21. Сутягин С.А. Анализ существующих сушильных камер зерносушилок /

B.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне, Волгоград 26 - 28 января 2010 г., т. 2. - Волгоград: ИПК «Нива», 2010, с. 196... 199.

22. Сутягин С.А. Свойства зерна как объекта сушки / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Научное обеспечение агропромышленного производства. Материалы Международной научно-практической конференции, 20 -22 января2010г.-Курск,Изд.Курск, гос. с.-х.акад.,2010,с. 129...132.

23. Сутягин С.А. Критерии подобия и моделирования процесса сушки зерна / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Наука о проблемах инновационного развития в АПК. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Великие Луки: РИО ВГСХА, 2010, с. 103... 106.

24. Сутягин С.А. Особенности конвективной и кондуктивной сушки зерна / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», Ульяновск: ГСХА, 2010, т. III, ч. 1, ч. 2, с. 103...106.

25. Сутягин С.А. Интенсификация процесса тепловой обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», Ульяновск-ГСХА, 2010, т. III, ч. 1, ч. 2, с. 126... 129.

26. Сутягин С.А. Интенсификация тепловой обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Материалы Международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и бизнеса для обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации», 2 - 4 февраля 2010 г. - Пос. Персиа-новский, Донской ГАУ, 2010, с. 108... 110.

27. Сутягин С.А. Научные основы сушки сыпучих материалов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Материалы Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука XXI века», Ульяновск- ГСХА 2010, т. IV, с. 62...64.

28. Сутягин С.А. Энергосберегающая технология и средства механизации процессов тепловой обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Сборник научно-исследовательских работ аспирантов финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск,

октябрь 2010 г./ Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2010, с. 264...267.

29. Сутягин С.А. Анализ способов тепловой обработки пищевых продуктов / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Международная научно-практическая конференция «Инновационному развитию АПК -научное обеспечение», 18 ноября 2010 г. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010, с. 288...290.

30. Сутягин С.А. Особенности сушки материалов в зависимости от форм связи с ним влаги / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Вавилов-ские чтения-2010: Материалы международной научно-практической конференции в 3 томах - Саратов: Изд-во КУБИК, 2010, т. 3, с. 313...315.

31. Сутягин С.А. Механизм процесса сушки капиллярно-пористых тел при контактном и конвективном способах / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Материалы L международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2011,ч. IV, с. 86...89.

32. Сутягин С.А. Аспекты совершенствования технологии сушки зерна / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Материалы L международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2011, ч. IV, с. 111...115.

33. Сутягин С.А. Применение тепловой обработки зерна в кормопроизводстве / В.И. Курдюмов, В.Г. Артемьев, А.А Павлушин, И.Н. Зозуля, С.А. Сутягин // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г. / Под ред. Е.Е. Демина. - Саратов: Издательство «КУБиК», 2011, с. 93...94.

34. Сутягин С.А. К вопросу о травмировании зерна при тепловой обработке в установке контактного типа / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Научное обеспечение развития АПК в современных условиях: материалы Всероссийской научно-практической конференции, т. 3. - Ижевск: Ижевская ГСХА, 2011, с. 31...34.

35. Сутягин С.А. К вопросу о продолжительности сушки / В.И. Курдюмов, Г.В. Карпенко, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Материалы III Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» / Ульяновск, ГСХА, 2011, т. II, с. 290...292.

36. Сутягин С.А. К вопросу о равномерности движения рабочего органа при сушке зерна в установке контактного типа / В.И. Курдюмов, А.А Павлушин, С.А. Сутягин // Материалы III Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» / Ульяновск, ГСХА, 2011, т. II, с. 298...302.

Подписано в печать 17.04.2012 г.

i/

Формат 60x84

Бумага типогр.

Гарнитура l imes New Roman

Усл. псч. л. 1,0

Тираж - 100 экз. Заказ №£3у

4.12480 г. Ульяновск, б. Новый Венец, I

61 12-5/2844

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

СУТЯГИН Сергей Алексеевич

Научный руководитель -заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Курдюмов Владимир Иванович

Уфа-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................6

1.1 Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов

и её эффективность...............................................................................6

1.2 Анализ способов тепловой обработки зерна и других

сельскохозяйственных материалов..........................................................11

1.3 Анализ конструкций и классификация средств механизации тепловой обработки сельскохозяйственных материалов...........................................15

1.4 Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований по тепловой обработке с использованием

различных способов подвода теплоты......................................................27

1.5 Цель работы и задачи исследований.................................................36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА И СЕМЯН...........................................................38

2.1 Конструктивно-технологическая схема установки для тепловой обработки зерна и сущность ее работы....................................................38

2.2 Обоснование конструктивно-режимных параметров установки

для тепловой обработки зерна..............................................................40

2.2.1 Обоснование конструктивных параметров разработанной установки......40

2.2.2 Обоснование режимных параметров разработанной установки..............55

2.3 Силы, действующие на частицу материала в установке..........................68

2.4 Сила удара единичного зерна с рабочей поверхностью скребка транспортирующего рабочего органа.....................................................70

2.5 Определение подачи вентилятора.....................................................73

2.6 Определение пропускной способности установки..................................74

2.7 Затраты энергии на процесс тепловой обработки зерна

в разработанной установке..................................................................76

Выводы..........................................................................................79

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.........................................................81

3.1 Программа и методика исследований установки

для тепловой обработки зерна..............................................................81

3.1.1 Общая методика экспериментальных исследований............................87

3.1.2 Методика определения размерно-массовых характеристик зерна...........89

3.1.3 Методика определения физико-механических свойств зерна.................90

3.1.4 Методика определения зараженности зерна......................................94

3.1.5 Методика исследования установки при сушке зерна...........................96

3.1.6 Методика обработки результатов основного эксперимента.................100

3.2 Результаты определения размерно-массовых характеристик зерна...........104

3.3 Результаты исследования физико-механических свойств зерна..............105

3.4 Результаты определения заражённости зерна вредителями....................106

3.5 Результаты исследования установки при сушке зерна..........................107

3.5.1 Анализ математических моделей с помощью двухмерных сечений.......114

Выводы........................................................................................117

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ЕГО

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ..............................................119

4.1 Программа и методика исследований..............................................119

4.2 Результаты исследования процессов сушки и термического обеззараживания зерна......................................................................120

4.3 Экономическая эффективность тепловой обработки зерна

в предлагаемой установке..................................................................123

4.3.1 Определение стоимости изготовления установки

для тепловой обработки зерна.............................................................123

4.3.2 Определение экономической эффективности внедрения установки

для тепловой обработки зерна............................................................125

Выводы........................................................................................130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................131

ЛИТЕРАТУРА................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач обеспечения продовольственной безопасности России является устойчивое развитие производства зерна в достаточных объемах. Зерно - стратегически и экономически значимый продукт, по наличию и уровню переходящих запасов которого судят о национальной продовольственной безопасности.

В настоящее время в России ежегодно производят свыше 70 млн.т. зерна, до 40 % которого производят фермерские хозяйства. На процессы тепловой обработки зерна приходится примерно 10 % от всего потребления энергии в агропромышленном комплексе развитых стран. Поэтому снижение энергоемкости этих процессов является актуальной во всем мире.

Сохранность зерна, его обработка и переработка в масштабах нашей страны - сложное и дорогостоящее дело, требующее современной материально-технической базы. Опыт передовых хозяйств показывает, что производство высококачественного зерна является выгодным - уровень рентабельности не менее 40%. В ближайшие годы можно прогнозировать рост спроса на новую технику для обработки и хранения зерна. Увеличение валовых сборов зерна и уменьшение удельных затрат на его производство возможно лишь путем разработки и внедрения высокоэффективных технологических средств мирового уровня на основе концептуальных положений их развития.

Тепловая обработка товарного зерна, кроме сушки, может включать и термическое обеззараживание. Сушка зерна улучшает качество продуктов его переработки, повышает производительность перерабатывающих предприятий, увеличивает выход конечного продукта, уменьшает износ технологического оборудования и расход энергии, снижает себестоимость переработки. Термическое обеззараживание можно применять для борьбы с вредителями зерна (долгоносиками, клещами и др.), которые погибают под действием высоких температур.

В настоящее время имеются высокопроизводительные автоматизированные средства механизации процесса тепловой обработки зерна. Однако с

переходом на рыночную экономику появилась потребность в переработке зерна непосредственно в производящих хозяйствах. Применение существующих зер-носушильных установок с большой пропускной способностью нерентабельно в условиях небольших фермерских хозяйств, так как связано с большими капитальными вложениями. Кроме того, существующие установки энерго- и металлоемки, загрязняют зерно и окружающую среду токсичными продуктами горения топлива.

Несоответствие имеющейся технической базы условиям обработки зерна непосредственно на предприятии обуславливает необходимость разработки новых технических средств.

В связи с этим разработка технических средств, заданной пропускной способности, интенсифицирующих процессы тепловой обработки зерна с учетом энерго-, ресурсосбережения, а также экологических требований является актуальной и важной научно-технической задачей.

Решению данной задачи и посвящена данная диссертационная работа.

Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР Ульяновской ГСХА на 2006-2010 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.200.600147) и планом НИОКР Ульяновской ГСХА на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.201.157951).

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов

и её эффективность

Тепловую обработку сельскохозяйственных материалов широко применяют в различных процессах и технологиях производства, переработки и хранения продукции растениеводства и пищевой промышленности.

Важным процессом тепловой обработки сельскохозяйственных материалов является сушка.

Значение сушки в процессе сельскохозяйственного производства огромно. Нет такой отрасли сельскохозяйственного производства, в которой не применялась бы сушка. Сушат зерно, овощи, фрукты, стебли и волокно прядильных культур, зеленые корма для скота, молоко и другие продукты [7, 36, 41, 52, 67, 69, 70, 77, 86, 87, 88, 99, 105, 126, 130, 131, 144, 147, 149].

Сушка - процесс удаления влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов, путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Сушка сельскохозяйственных материалов - сложный технологический процесс, который влияет не только на содержание влаги в материале, но и на его свойства. Поэтому в результате сушки улучшается качество сельскохозяйственных продуктов.

Основная цель сушки зерна - снижение его влажности до кондиционной и доведение сырого и влажного зерна до стойкого при хранении состояния. Основные кондиции зерна продовольственного назначения приведены в таблице 1.1.

Большое значение имеет сушка для подготовки свежеубранного зерна к хранению. К моменту уборки зерно еще не достигло полной физической зрелости и не обладает высокими технологическими достоинствами. Например, хлеб из зерна свежеубранной пшеницы недостаточно порист, имеет сырой клейкий мякиш.

В результате своевременной и правильно проведенной сушки ускоряется процесс послеуборочного дозревания зерна, который в условиях обычного хранения длится несколько недель, месяцев, повышается его стойкость при хранении, происходит выравнивание зерновой массы по влажности и степени зрелости, улучшаются цвет, внешний вид и другие технологические свойства зерна [9,21,30,51,63,86,91, 105, 115, 116].

Таблица 1.1 - Кондиции продовольственного зерна

Культура Базисные Ограничительные

Влажность, Примесь, % Важность, Примесь, %

% Сорная Зерновая % Сорная Зерновая

Пшеница 14...17 1 2 19 5 15

Рожь 14...17 1 1 17...19 5 15

Ячмень 14...15 1 2 17...19 5 15

Овес 14...18 2 1 17...19 8 15

Горох 16 1 22 20 8 15

Рис 15 1 2 19 5 10

Кукуруза 22 1 2 25 8 15

Велико значение сушки и в зерноперерабатывающих отраслях промышленности. Переработка просушенного зерна позволяет снизить энергоемкость вальцовых станков, повысить выход муки и круп, увеличить длительность хранения муки и круп, снизить износ оборудования.

В процессе хранения зерно, орехи, грибы, ягоды, сухофрукты и другие сельскохозяйственные материалы повреждаются различными вредителями. Все вредители загрязняют сельскохозяйственные материалы экскрементами, придают неприятный запах, ухудшают пищевые качества, вызывают самосогревание, распространяют болезнетворные бактерии [6, 10, 12, 13, 18, 25, 27, 29, 55, 96, 120].

Для уничтожения вредителей сельскохозяйственных материалов, для повышения качества и снижения потерь материала при хранении применяют

тепловую обработку. К тепловым методам защиты сельскохозяйственных материалов относят охлаждение и термическую обработку сохраняемого материала.

Термическая обработка - нагрев сельскохозяйственных материалов до температуры, при которой вредители погибают. Термическую обработку проводят в установках, предназначенных для сушки и обеззараживания сельскохозяйственных материалов, с использованием различных способов подвода теплоты.

При тепловой обработке пищевых продуктов следует учитывать степень устойчивости различных видов вредителей к высоким температурам. Продолжительность жизни вредителей хлебных запасов при высоких температурах представлена в таблице 1.2 [31, 54, 56, 62, 76, 114, 130].

Таблица 1.2 - Продолжительность жизни вредителей хлебных запасов при высоких температурах (по наиболее устойчивым стадиям), в минутах

Вредители Температура, °С

50 55 60

Зерновая моль 60 35 5

Притворяшка-вор 16 9 -

Мукоед:

- рыжий 190 25 10

-суринамский 40 10 7

Мучной клещ 20 10 5

Волосатый клещ 120 80 50

Зерновой точильщик 540 84 54

Долгоносик:

- амбарный 55 26 17

- рисовый 60 12 5

К охлаждению зерна зараженного насекомыми и клещами, а также продуктов его переработки, следует приступать немедленно с наступлением благо-

приятных для этого метеорологических условий - при температуре + 5 °С и ниже [139, 142, 146].

При неустойчивой температуре воздуха для охлаждения зерна используют отдельные дни с низкой температурой. Очередность охлаждения партий зерна и продукции устанавливают в зависимости от степени зараженности.

Наиболее эффективным является охлаждение зерна и продуктов его переработки путем активного вентилирования с помощью вентиляционных установок.

При подготовке зерна крупяных культур к переработке на мукомольных и крупяных заводах применяют гидротермическую обработку [42, 47, 127, 128, 129].

Гидротермическая обработка (ГТО) - обогатительный прием, способствующий улучшению технологических свойств зерна и повышению использования его пищевых ресурсов для продовольственных целей.

В зависимости от строения зерна, ассортимента продукции, режима обработки зерна наиболее распространены два способа ГТО: первый включает операции пропаривания, сушки и охлаждения; второй - увлажнения и отвола-живания. Первый способ ГТО применяют при переработке гречихи, овса и гороха. Особенность его заключается в высокой (до 100 °С и выше) температуре нагрева. Пропаривание проводят при избыточном давлении до 0,3 МПа. В результате прогрева и увлажнения в зерне происходят частичные химические преобразования, ядро пластифицируется, становится менее хрупким и меньше дробится при шелушении и шлифовании.

Сушка после пропаривания приводит к повышению хрупкости наружных пленок, которые в результате легче раскалываются при шелушении. Возникающие в зерне в процессе пропаривания и сушки механические напряжения приводят к отслаиванию оболочек. Ядро меньше обезвоживается сушкой, остается достаточно пластичным.

Охлаждение после сушки дополнительно снижает влажность зерна и приводит к повышению хрупкости оболочек. Однако сушку и охлаждение не-

обходимо проводить достаточно осторожно: чрезмерное подсушивание и охлаждение приводят к повышению хрупкости ядра и снижению выхода целой крупы при последующей переработке. Режимы пропаривания, сушки и охлаждения тесно связаны со способами шелушения зерна. Рекомендуемые параметры для обработки гречихи, овса и гороха приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Режимы гидротермической обработки гречихи, овса, гороха [42, 46, 69]

Культура Параметры пропаривания Влажность зерна, %

Давление Длительность После пропа- После за-

пара, МПа пропаривания, ривания вершения

мин. ГТО

Гречиха 0,25...0,30 3 18...19 12,5

Овес 0,05...0,10 3...5 16...18 10...13

Горох 0,10...0,15 2...3 16...18 13,5...14,5

Второй способ ГТО применяют для пшеницы и кукурузы. Зерно увлажняют водой с температурой 40 °С в специальных аппаратах или обрабатывают в пропаривателях непрерывного действия при низком давлении пара. Увлажненное зерно отволаживают в бункере в течение нескольких часов (таблица 1.4).

Таблица 1.4 - Режимы гидротермической обработки пшеницы и кукурузы [19, 20, 49]

Культура Влажность зерна после увлажнения, % Длительность отволажи-вания, ч

Пшеница 14,5...15 0,5...2,0

Кукуруза 15...16 2...3

В результате зерно приобретает повышенную пластичность, меньше дробится при шелушении. Вследствие возникающих в зерне механических напряжений наружные оболочки частично отслаиваются и легко отделяются при шелушении.

Этот способ может быть применен и для сухого овса при условии последующего шелушения в центробежном шелушителе. В этом случае зерно увлажняют до 16.. .18 % и отволаживают в течение 8 ч.

В результате ГТО улучшаются технологические свойства зерна: облегчается отделение оболочек при шелушении, снижается дробимость ядра, улучшаются потребительские свойства крупы (сокращается длительность ее варки, каша становится более рассыпчатой, повышается стойкость крупы при хранении) [40, 83, 84].

Таким образом, анализ показал, что тепловую обработку широко применяют в различных процессах и технологиях производства, переработки и хранения продукции растениеводства. Наиболее важные процессы тепловой обработки - сушка и термическое обеззараживание сыпучих сельскохозяйственных материалов. Операции технологических процессов сушки и термической обработки сельскохозяйственных материалов, а также режимы выполнения этих процессов, как правило, совпадают, поэтому с экономической точки зрения эффективнее объединить выполнение этих процессов в одной установке.

1.2 Анализ способов тепловой обработки зерна и других сельскохозяйственных материалов

При тепловой обработке сыпучих сельскохозяйственных материалов применяют различные способы подвода теплоты. Для сушки зерна, фруктов, овощей и других м