автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль влажности зерна в технологическом процессе сушки на основе гигротермического метода

Саитова Алия Фанилевна

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ СУШКИ НА ОСНОВЕ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

005019489

005019489

Саитова Алия Фанилевна

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ СУШКИ НА ОСНОВЕ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Уфимском филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Руководитель: Сайтов Раиль Идиятович

д.т.н., профессор

Официальные оппоненты: Катушкин Владимир Петрович

д.т.н., профессор, кафедра Электротехники и электроники Санкт-Петербургский

государственный технологический институт (технический университет), заведующий

Барбар Юрий Алексеевич

к.т.н., ООО Научно-техническое предприятие «TICA», технический директор

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Всероссийский научно -исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева»

Защита состоится « 26 » апреля 2012 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.230.03

Халимон В.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В связи с сезонностью зернового производства в нашей стране возникает необходимость хранения запасов зерна для их использования на различные нужды в течение года и более. Многовековой опыт показывает, что сохранение человеком зерновых запасов - большое и сложное дело. В связи со снижением объемов заготовок зерна и зерновых продуктов, особенно остро стоит проблема обеспечения сохранности зерна в период первичной переработки и хранения.

Потери зерна при хранении могут свести на нет все достижения сельскохозяйственного производства, направленные на повышение урожайности зерновых культур и рост валовых сборов зерна, обесценить труд, затраченный на выращивание и уборку урожая.

Одной из главных этапов в послеуборочной обработке зерна является сушка.

Основная задача сушки - довести влажность материала до кондиционной. В результате своевременной и правильно проведённой сушки зерна ускоряется процесс его послеуборочного созревания, улучшаются лёжкость при хранении, другие семенные свойства и технологические характеристики.

Необходимость сушки зерна требует контроля его влажности непосредственно в технологическом потоке. Контроль и регулирование процесса сушки зерна практически не автоматизирован из-за отсутствия эффективных приборов контроля влажности зерновых продуктов в технологическом потоке. В связи с изложенным, тема исследования является актуальной.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка неравновесного гигротермического метода и реализация на его основе системы контроля влажности зерна в технологическом процессе сушки.

В соответствии с целью были поставлены и решались следующие задачи:

- анализ условий контроля влажности зерновых продуктов в процессе сушки с целью определения требований к разрабатываемому методу;

- анализ существующих методов и приборов измерения влажности;

- экспериментальная проверка гипотезы о существовании зависимости температуры и влажности сушильного агента и их градиентов по времени на

выходе из сушильной камеры от влажности зерна при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса;

- теоретическое исследование составляющих методической погрешности гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе его сушки и разработка методов их снижения;

- разработка метода контроля влажности в технологическом процессе сушки зерна при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса;

- разработка экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований;

- экспериментальные исследования гигротермического метода контроля влажности зерна для случая неравновесных процессов тепло- и влагопереноса;

- разработка и испытания системы автоматического контроля влажности зерна непосредственно в процессе сушки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены основные требования к методу контроля влажности в условиях неравновесных процессов тепло- и влагопереноса в зерновых культурах при их сушке.

2. Выявлены составляющие методической погрешности гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе его сушки.

Они составляют:

- по внутреннему теплопереносу в зерне 6% (отн.);

- по внутреннему влагопереносу в зерне 8% (отн.); 1

- по неоднородности зерна по влажности - незначимо;

- по неравномерности температурного и влажностного поля сушильного агента в шахте сушильной камеры 5% (отн.).

3. Предложены структурные, алгоритмические и статистические методы снижения составляющих методической погрешности, которые использованы при разработке метода контроля влажности в технологическом процессе сушки зерна, позволяющего контролировать интегральную влажность всего объема зерна в сушильной камере в условиях неравновесных процессов на основе гигротермического метода.

4. На специально разработанной экспериментальной сушильной установке экспериментально исследована основная зависимость гигротермического метода

4

измерения влажности зерна для различных типов и сортов; методами планирования эксперимента выявлено совместное влияние на результат измерения влажности таких параметров как исходная влажность, тип зерна и температура сушильного агента и показана инвариантность метода к различным видам зерновых культур.

Практическая значимость. Результаты исследований характеристик процесса контроля влажности при сушке зерна, методики экспериментальных исследований и предложенные подходы могут быть использованы при разработке приборов контроля влажности для других материалов и технологических процессов.

Разработанная система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки защищена Патентом РФ на полезную модель № 104296 и зарегистрирована в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10.05.11.

Применение разработанной системы, направленной на повышение точности измерений интегральной влажности зерна по всему объему сушильной камеры зерносушилки позволит обеспечить, как показали испытания и внедрение на Бакалинском ОАО «ХПП - Бакалы» сохранность зерна, при снижении материальных затрат за счет экономии топлива, снижения потерь зерна и повышения его качества. Оценка экономической эффективности от использования системы составила 1,5 млн. руб. в год.

Апробация работы: доклад на V Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2009», доклад на Международной научно-практической конференции «Роль классических университетов в формировании инновационной среды регионов-2009», доклад на X республиканской научно-практической конференции «Информатизация образовательного пространства: опыт, проблемы, перспективы-2009», проект «Система контроля влажности зерновых культур в потоке сушки», представленный на Республиканском Фестивале творческой молодежи г. Мелеуз (диплом I степени, 2010), доклад на VI Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2010», доклад на VII Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2011».

5

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в т.ч. 1 патент РФ на полезную модель, одна статья в научно-производственном журнале «Пищевая промышленность», одна статья в научно-техническом журнале «Измерительная техника», рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 124 страницы машинописного текста, 21 рисунок, 8 таблиц, список литературы, включающий 134 наименования и 10 приложений.

Содержание работы

Во введении изложено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическое значение исследований.

В первой главе диссертации исследованы условия контроля влажности зерновых продуктов, технологические параметры процесса сушки зерна, в результате чего определены требования к методу контроля влажности.

Ключевым требованием является проведение измерений интегральной влажности большого объема зерна непосредственно в сушильной камере в неравновесных условиях.

Проведен анализ существующих методов и приборов контроля влажности и показано, что особый интерес представляют достоинства метода гигротермического равновесия. Этот метод менее чем другие методы, подвержен погрешностям, связанным с физическими и химическими характеристиками материала, что очень важно при контроле интегральной влажности большого объема зерна, размещенного в ячейках сушильной установки. Однако в процессе сушки зерно и сушильный агент (горячий воздух), а также гигродатчик и сушильный агент не находятся в гигротермическом равновесии в силу гигро- и термодинамических процессов в сушильной установке, что не позволяет реализовать гигротермический метод в классическом понимании.

В целях решения этой задачи в ходе поисковых экспериментов выявлена возможность использования гигротермического метода в системе автоматического управления процессом сушки зерновых культур, а именно, проверена гипотеза о существовании зависимости температуры и влажности сушильного агента и их градиентов по времени на выходе из сушильной камеры от влажности зерна.

Во второй главе рассматриваются результаты теоретических исследований гигротермического метода измерения влажности зерна непосредственно в процессе его сушки. Как было показано ранее, наиболее перспективным для контроля влажности зерна в процессе сушки является гигротермический метод. Однако этот метод хорошо разработан и успешно применяется при возможности обеспечения гигротермического равновесия между материалом и окружающим воздухом с одной стороны и окружающим воздухом и чувствительным элементом гигродатчика - с другой. При сушке зерна происходят существенно неравновесные процессы тепло- и влагопереноса как внутри зерна, так и в сушильном агенте (горячем воздухе). В этих условиях погрешность метода может оказаться недопустимо высокой. Поэтому необходимо выявить возможные источники погрешности и пути их снижения на основе методических, структурных и алгоритмических способов повышения точности.

Влияние неоднородности зерна по влажности на результат измерения влажности определен, исходя из оценки степени выравнивания влажности во время сушки между отдельными зернами, используя формулу

.10-5^/1, (!)

с!

П--

А £/„

где т - продолжительность контакта в мин; Д {/„ - начальная разница во влажности компонентов в кг/кг; / - температура смеси компонентов в "С; </ -

Ш„-А ик

среднии диаметр зерен в мм, 1--—-. коэффициент выравнивания влажности

зерна по определению, Д ик - конечная разница во влажности зерен в кг/кг.

Как видно из определения 0 < г| < 1. При полном выравнивании А1/к= 0 и п=1.

При т=0, Аи„=Шкл т)=0. По (1) можно определить время полного выравнивания

г= ¿-17МС/„-10~5

/(36,8-0,13-Д{/„)10-5 (2)

В соответствии с (2) при Г=50"С, с/=5 мм, ДС/„=0,1 кг/кг г составляет 277 мин. Изменение степени выравнивания зерен (А8В) по влажности определяется отношением изменения времени выравнивания (Дт) из-за непостоянства А[/„ к времени полного выравнивания т.

Дг определяется из (2). По (3) при изменении ДС/„ на 0,01 кг/кг и г=50°С, Л(У„=0,1 кг/кг, ¿=5 мм степень выравнивания изменится на Д8В=0,0019. От величины начальной разницы Л{/„ величина остающейся в более сухих зернах влаги (А IV) составит Ш=0,019%. При этом погрешность, обусловленная этим фактором при влажности зерна 20% составит 0,097% (отн.), т.е. величину второго порядка малости и этим влиянием теоретически можно пренебречь.

Влияние внутреннего теплопереноса на результат измерения влажности зерна оценивалось, используя данные эксперимента, по которым при сушке максимальная разность температур поверхности и центра зерен вначале составляет 3-14 град., а через 25сек. практически уменьшается до нуля. Отметим, что явление теплопереноса влияет на основную зависимость гигротермического метода опосредованно через неизотермический влагоперенос. В процессе сушки зерна неизотермический влагоперенос составляет незначительную долю. Эта доля по отношению времени неизотермического процесса (Тнт) тНт=25сек. к времени одного цикла сушки (тц) тц=7 мин. составляет 5,9%, т.е. относительная погрешность может достигать 6%.

Для учета явления внутреннего теплопереноса в номинальную градуировочную характеристику предложено ввести градиент температуры теплоносителя по времени І£Га(івт ).

Влияние внутреннего влагопереноса на результат измерения влажности зерна оценивалось по уравнению градиента влагосодержания

егаїїи = —--б ■ '¿гайв, кг/кг-м (4)

атРс

где цт - плотность потока тепла в ккал/м2час; ат - коэффициент диффузии влаги в м2/с; рс - плотность абсолютно сухого вещества в кг/м3; <5 -термоградиентный коэффициент в кг/кг-град.; '¿гасі в - градиент температуры в град/м.

Учитывая, что второе слагаемое этого выражения вносит незначительную долю в суммарный градиент влагосодержания, а также равенство внутреннего и внешнего потока влаги (граничное условие 2-го рода), получено выражение для

скалярной величины градиента влагосодержания на поверхности зерна по координате х

8U Ncd р .

_____же ^О . 1

дх 6а ' р '\ + ТГ' ^ '

m г с

где U„ - влагосодержание в кг/кг; If - скорость сушки в кг/кг-сек.; dJK„ -эквивалентный диаметр зерна в м; ат - коэффициент диффузии влаги в м2/с; р„ -

плотность зерна в кг/м3; рс - плотность абсолютно сухого зерна в кг/м3; ТГ -

о

исходное влагосодержание зерна в кг/кг.

Все величины в этом выражении имеют постоянные значения, кроме N° и ат. Если принять Af=const, что обычно выполняется, основным влияющим фактором на градиент влагосодержания является коэффициент диффузии ат, который зависит: от влажности и температуры зерна, от начальной влажности зерна, от толщины зернового слоя, от селекционной разновидности и сорта зерна.

Экспериментально полученные данные, также подтверждают наличие функциональной зависимости градиента влагосодержания на поверхности зерна от указанных факторов. Этот факт говорит о том, что при прямой градуировке гигрометра и термометра по влажности и температуре зерна, влияние указанных ранее факторов будет учтено. Но при измерениях по номинальной, приписанной к типу гигротермической системы градуировочной характеристике не будет учтена зависимость градиента влагосодержания от исходной влажности, разновидности и сортности зерна. При этом погрешность, обусловленная этими факторами, может достигать 8% (отн.).

Погрешность, обусловленная неравномерностью температурного и влажностного поля сушильного агента в шахте сушильной камеры, как показали поисковые эксперименты, может достигать 5% (отн.).

Для учета этих факторов необходимо использовать дополнительный параметр. Исходя из того, что изменение поверхностного градиента влагосодержания приведет к изменению градиента влажности сушильного агента по времени, предложено в качестве дополнительного параметра использовать последнее. Необходимо также учитывать W„cx.

Таким образом, градуировочная зависимость приобретает более сложный вид: IV, = / (W„cx, <р, вТ, Т0, <р0, gradip, gradOT), которая легко реализуется

алгоритмическими методами по измеренным 1Уисх, <р, 0Т, Т0, <р0. Здесь }¥3 — влажность зерна, №исх - исходная влажность зерна, <р, вт - влажность и температура сушильного агента соответственно, Тд, <ро - температура и влажность окружающей среды соответственно, %гай<р, ¿гайвт — градиенты по времени влажности и температуры сушильного агента соответственно.

Неравномерность укладки зерна в ячейках сушильной установки, его неоднородность по влажности и температуре, а также аэродинамические свойства сушильной установки неизбежно приведут к неравномерности температурного и влажностного поля сушильного агента на выходе из сушильной камеры, как в пространстве, так и во времени. Это также подтвердили проведенные поисковые эксперименты.

Для исключения влияния этих факторов предложено использовать несколько датчиков, расположенных в разных точках пространства и многократные измерения в течение определенного времени с последующим усреднением полученных результатов измерений.

При этом погрешность от указанных факторов при доверительной вероятности 0,95 составляет

Д = '0,95-ТГ' (б)

где ¡0,95 ~ коэффициент Стьюдента, а(\У1) - среднее квадратическое отклонение, Ы— количество измерений.

В третьей главе представлены результаты разработки экспериментальной установки и методика экспериментальных исследований.

Для проверки результатов теоретических исследований по определению дополнительных погрешностей разработана экспериментальная сушильная установка (рис. 1) и методика проведения экспериментов.

Экспериментальная установка состоит из сушильной камеры, системы нагрева и нагнетания горячего воздуха, лотков для помещения зерна и системы автоматического контроля влажности, температуры сушильного агента на входе и выходе сушильной камеры.

Масштабирование расхода сушильного агента проводилось из условия

одинаковой скорости его поступления в сушильные камеры экспериментальной

установки и промышленной сушильной установки (ДСП-50) (5,66 м/с). При этом

10

удельный расход воздуха на экспериментальной установке составляет 0,04 м3/с, на ДСП-50 - 4,44 м3/с, т.е. в 111 раз больше. Площади сечения труб подачи воздуха также отличаются в 111 раз. Размеры сушильной камеры экспериментальной установки выбраны (масштабированы) также в 111 раз. Размеры ячеек (лотков) с зерном, и толщина слоя зерна в обоих случаях одинаковые. Температура сушильного агента поддерживается в пределах 70-80 °С. Таким образом, экспериментальная установка воспроизводит процесс сушки в усеченном объеме сушильной камеры ДСП-50.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка для сушки зерна. 1 - термометр-датчик температуры и влажности; 3 - экспрессный СВЧ-влагомер; 4 -гигрометр-5 промышленный микроконтроллер Микконт М-180; 6 - лотки для помещения зерна; 7 - согласующее устройство; 8 - блок питания 1; 9 - блок питания 2; 10 -сушильная камера; 11- система нагрева и нагнетания горячего воздуха.

Структурная схема экспериментальной установки для сушки зерна приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема экспериментальной установки

11

В четвертой главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований гигротермического метода контроля влажности зерна.

Для исследования основной зависимости гигротермического метода от 1Уит у, вТ, То, <Р0, %гас1въ ^ас/<р на экспериментальной установке (рис. 1) были проведены эксперименты, результаты которых приведены на рисунках 3-6. На графиках пунктирными линиями обозначен доверительный интервал на уровне 0,95.

По результатам экспериментов получены уравнения множественной регрессии исследуемой зависимости:

1) для пшеницы:

_ 0,008-0,012-?) - 0,014-дгаЛу + 0,0\2-gradвт + 0,008-<р0 - 0,012- Г0

+

+ 0,882-^+1,2

(коэффициент множественной корреляции г=0,985; СКО=ОД53; степени свободы А{=46; остаточная сумма квадратов 2,94).

2) для ржи:

\уз = - 0,034-(р + 0,004-вт + 0,066^гас!<р + 0,033-ягаЛвт + 0,002-?><, - 0,035-Т0 + +0,831-^+2,4

(коэффициент множественной корреляции г=0,967; СКО=0,410; степени свободы <ЗГ=16; остаточная сумма квадратов 2,69).

3) для ячменя:

1У3 = - 0,075+ 0,011-¿»г - 0,063-&ас1(? + 0,089^гайвт + 0,092-^ - 0,017-Г0 + +0,842- Шисх+\,\

(коэффициент множественной корреляции г=0,962; СКО=0,403; степени свободы <НМ4; остаточная сумма квадратов 2,28).

/у -

/

/

/ / / >

/ / У

/ / < /

7

12.5 13,5 14.5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5

Рисунок 3 Рисунок 4

Тип зерна, как было установлено по результатам полного факторного эксперимента, незначимо влияет на погрешность измерения влажности. Поэтому полученные данные обрабатываются совместно для трех типов культур. IV, = - 0,006-0Т + 0,004-<р - 0,007-ягаф + 0,013-#гайЮг + 0,0\7-ро + 0,006-Г0 + +0,859- Шисх + 0,8

(коэффициент множественной корреляции г=0,969, СКО=0,341; степени свободы 1^=92, остаточная сумма квадратов 10,73).

Для всех уравнений регрессии проверка значимости коэффициентов по критерию Стьюдента показала, что все выбранные коэффициенты значимы >1,8, 1та6л=1>67).

Анализ результатов экспериментов показывает, что для обеспечения необходимой точности измерений можно использовать единую градуировочную характеристику для пшеницы, ржи и ячменя. При этом в градуировочную зависимость входят измеряемые величины Ц'„сх, (р, 0Т, <р0, Т„, %гай<р, &га<10т.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований подтверждают применимость предложенных подходов при создании системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в технологическом процессе их сушки на основе разработанного метода.

Рисунок 5 Рисунок 6

При этом основная абсолютная погрешность системы не превышает 0,5%.

В пятой главе представлены результаты реализации, производственных испытаний и внедрения системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке шахтной зерносушилки на основе разработанного метода, ее метрологические характеристики, оценка экономической эффективности, надежность.

Структурная схема системы аналогична структурной схеме экспериментальной установки (рис.2). На рисунке 7 представлена схема расположения датчиков в шахте сушильной установки.

Система работает следующим образом. После запуска зерносушилки, исполнительные механизмы которой обеспечивают транспортировку зерна и нагрев сушильного агента, включается система контроля влажности, которая измеряет влажность и температуру сушильного агента и окружающей среды соответствующими датчиками, усредняет результаты и вычисляет градиенты влажности и температуры сушильного агента. СВЧ-влагомер, установленный на входном потоке подачи зерна на сушилку, измеряет влажность поступающего зерна и передает микроконтроллеру. Микроконтроллер по градуировочной зависимости рассчитывает влажность зерна и выдает на индикатор.

Дифференциальные датчики 2, 3 влажности и температуры сушильного агента 7 размещены на индивидуальных штангах 4 на различных уровнях в шахте 5

сушильной установки 1, через которую сушильный агент 7 выходит из сушильных камер 6.

Выход

Вход сушильного Вход

сушильного агента сушильного

агента ^ч агента

>ч агента

Рисунок 7 - Схема расположения датчиков в шахте сушильной установки

Предложенная система, в отличие от известных систем гигротермического равновесия позволяет контролировать интегральную влажность всего объема зерна в сушильной камере в диапазоне от 12 до 20%. Основная абсолютная погрешность измерения влажности зерна не превышает 0,5%. Система контроля влажности внедрена на Бакалинском ОАО «ХПП - Бакалы». Оценка экономического эффекта от использования системы составила более 1,5 млн. руб.

Выводы

В результате проведенных исследований получены основные результаты:

1)на основе проведенного анализа условий контроля влажности зерновых продуктов и технологических параметров процесса сушки определены требования к разрабатываемому методу;

2) экспериментально выявлена зависимость температуры и влажности сушильного агента и их градиентов по времени на выходе из сушильной камеры от влажности зерна при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса и обоснована целесообразность использования гигротермического метода для контроля влажности зерновых продуктов в технологическом процессе сушки;

3) исследованы составляющие методической погрешности гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе его сушки при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса;

4) показано, что влияние на результат измерения влажности гигротермическим методом:

- внутреннего теплопереноса в зерне достигает 6% (отн.);

- внутреннего влагопереноса в зерне достигает 8% (отн.);

- неоднородности зерна по влажности - незначимо;

- неравномерности температурного и влажностного поля сушильного агента в шахте сушильной камеры достигает 5% (отн.).

5) разработаны способы снижения перечисленных составляющих методической погрешности, при этом градуировочная зависимость имеет вид:

W3 = f (Wucx, <р, вт, То, <р0, gradtp, gradOT), которая реализуется структурными, алгоритмическими и статистическими методами по измеренным значениям fVucc, <р, вт., Т0, Ч>о,

6) на разработанной экспериментальной установке исследован метод контроля влажности зерна в процессе его сушки на основе гигрометрии и термометрии;

7) получены уравнения множественной регрессии зависимости влажности зерна в потоке сушки от таких параметров как: Wucx, <р, вт, <ро, То, grad(/>, grad9T. Анализ результатов экспериментов показывает, что для обеспечения необходимой точности измерений можно использовать единую градуировОчную характеристику для пшеницы, ржи и ячменя. При этом в градуировочную зависимость входят ранее перечисленные независимые переменные;

8) методами планирования эксперимента выявлено совместное влияние на результат измерения влажности таких параметров как исходная влажность, тип зерна и температура сушильного агента и показана инвариантность метода к различным видам зерновых культур;

9) разработанная система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки защищена Патентом РФ на полезную модель № 104296 и зарегистрирована в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10.05.11;

10) разработанная система испытана и внедрена на Бакалинском ОАО «ХПП - Бакалы». Оценка экономической эффективности от использования системы составила 1,5 млн. руб. в год;

11) результаты работы использовались также в учебном процессе Оренбургского государственного университета по специальности «Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов» в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации по теме диссертации

1. Хайретдинова А.Ф., Сайтов Р.И., Абдеев Р.Г. Прибор контроля влажности зерна пшеницы в технологическом процессе сушки // Измерительная техника. - 2011. - № 3. - С. 70-72.

2. Хайретдинова А.Ф., Абдеев Р.Г., Сайтов Р.И. Оценка составляющих погрешности гигротермического метода измерения влажности зерна непосредственно в процессе его сушки // Пищевая промышленность. - 2011. - № 3. - С. 28-29.

3. Патент 104296 РФ, МПК F 26 В 25/22. Система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки /Хайретдинова А.Ф., Сайтов Р.И., Абдеев Р.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы». - № 2010133577/06; заявл. 10.08.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13. - 3 с.

4. Хайретдинова А.Ф., Железняков А.Н., Сайтов Р.И. Контроль влажности зерна в технологическом процессе сушки // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов V Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 16-17 апреля 2009г. - Уфа: ИПК БГПУ им. М. Акмуллы, 2009.-С. 212-214.

5. Железняков А.Н., Хайретдинова А.Ф., Абдеев Р.Г. Контроль влажности зерна в технологическом процессе увлажнения // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов V Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 16-17 апреля 2009г. - Уфа: ИПК БГПУ им. М. Акмуллы, 2009. - С. 252-254.

6. Хайретдинова А.Ф., Ильин A.B., Железняков А.Н. Совершенствование метрологического обеспечения технических устройств для измерения и контроля влагосодержания продукции различных отраслей народного хозяйства // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов

17

V Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 16-17 апреля 2009г. -Уфа: ИПК БГПУ им. М. Акмуллы, 2009. - С. 291-294.

7. Хайретдиновя А.Ф., Сайтов Р.И. Контроль влажности зерна пшеницы в технологическом процессе сушки // Роль классических университетов в формировании инновационной среды регионов. Инновационные проекты от азработки до реализации (теория и практика): Сб. материалов Междунар. науч,-практ. конф., 2-5 декабря 2009г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2009. - T.I. - С. 259-262.

8. Хайретдинова А.Ф., Сайтов Р.И., Абдеев Р.Г. Гигрометрический прибор контроля влажности зерна в технологическом процессе его сушки // Информатизация образовательного пространства: опыт, проблемы, перспективы: Сб. материалов X республ. науч.-практ. конф., 22 октября 2009г. - Уфа: ИПК БГПУ им. М. Акмуллы, 2009. - С. 347-350.

9. Хайретдинова А.Ф. Прибор контроля влажности зерна в технологическом процессе его сушки // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов VI Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 14-15 апреля 2010г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 207-210.

10. Сайтов Р.И., Хайретдинова А.Ф., Ильин А.В. Совершенствование метрологического обеспечения технических устройств для измерения и контроля влагосодержания продукции различных отраслей народного хозяйства // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов

VI Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 14-15 апреля 2010г. -Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 95-98.

11. Хайретдинова А.Ф. Исследования гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе сушки // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. материалов VII Всероссийской науч.-мет. конф. (с Междунар. участием), 14-15 апреля 2011г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2011. - С. 268-272.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'Лб Печ.л. 1,25 .Тираж экз. 40. Зак. № 55

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ(ТУ), тел. 49-49-365, e-mail: publ@technolog.edu.ru

61 12-5/2323

Уфимский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ СУШКИ НА ОСНОВЕ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО

МЕТОДА

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

САИТОВА АЛИЯ ФАНИЛЕВНА

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Р.И. Сайтов

Уфа 2012

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

- суммарная относительная погрешность измерений, % 81 - 1-я составляющая суммарной погрешности, % АС/ - конечная разница во влажности зерен, % ДС/„ - начальная разница во влажности компонентов, % т - продолжительность контакта, мин с! - средний диаметр зерен, мм

Я. — плотность потока тепла, ккал/м2-ч Я = аср - коэффициент теплопроводности, ккал/м-чтрад а - коэффициент температуропроводности, м /ч с - удельная теплоемкость зерна, ккал/кг-град р — плотность абсолютно сухого материала, кг/м в - температура материала, "С

Чт - плотность потока влаги в зерне, кг/м2-с

ат - коэффициент диффузии влаги, м /с

рс - плотность абсолютно сухого вещества, кг/м3

и - градиент влагосодержания, кг/кг-м 8 - термоградиентный коэффициент, кг/кгтрад §га<Л в - градиент температуры, град/м N° - скорость сушки, кг/кг-сек. шсв - масса сухого зерна, кг 8 - поверхность зерна, м2 ш0 - масса одного зерна, кг Ро - плотность зерна, кг/м3

а и а - соответственно коэффициенты диффузии влаги при о

температуре 293 "К и температуре Т3, °К

IV- влажность, %

Т- температура, °С

(р - влажность сушильного агента, %

grad (р - градиент влажности сушильного агента, %/с

0Т - температура сушильного агента, °С

^гай 0Т - градиент температуры сушильного агента по времени, °С/с

Т0 - температура окружающей среды, °С

(р0 - влажность окружающей среды, %

и - среднее влагосодержание поверхности материала, %

ир - равновесное влагосодержание материала при данной температуре, %

8 - площадь эффективной поверхности, м2

Т1 - постоянная времени процесса влагопереноса, с

Т2 - постоянная времени гигрометрического датчика, с

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕРНОВЫХ ПРОДУКТОВ И СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ИХ ВЛАЖНОСТИ...........................................................................11

1.1 Анализ свойств зерновых продуктов и условий контроля их влажности в процессе сушки..........................................................11

1.1.1 Анализ свойств зерновых продуктов.......................................11

1.1.2 Биологические и физико-химические функции воды в зерне.........14

1.1.3 Физические свойства зерна...................................................19

1.2 Анализ техники и технологий сушки зерна и условий контроля его влажности.................................................................................20

1.3 Анализ современных методов и приборов контроля влажности.................................................................................28

1.4 Выводы по главе.................................................................31

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ЕГО СУШКИ............................................................34

2.1 Влияние неоднородности зерна по влажности на результат ее измерения.................................................................................35

2.2 Влияние процессов тепло- и массопереноса внутри зерна в процессе сушки на результат измерения влажности.........................................38

2.2.1 Влияние внутреннего теплопереноса на результат измерения влажности зерна.........................................................................39

2.2.2 Влияние внутреннего влагопереноса на результат измерения влажности зерна.........................................................................40

2.3 Влияние неоднородности температурного поля и поля влажности сушильного агента на выходе из сушильной камеры...........................48

2.4 Определение требований к гигродатчикам.................................50

2.5 Выводы по главе.................................................................52

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................54

3.1 Разработка экспериментальной установки.................................55

3.2 Методика экспериментальных исследований.............................61

3.3 Методика проведения полного факторного эксперимента.............63

3.4 Выводы по главе.................................................................64

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ

ЗЕРНА.....................................................................................65

4.1 Градуировка СВЧ-влагомера для контроля исходной влажности зерна........................................................................................65

4.2 Исследование совместного влияния температуры сушильного агента, влажности и типа зерна на результат измерения влажности сушильного агента......................................................................................68

4.3 Исследование основной зависимости термогравиметрического метода для различных видов зерна..................................................70

4.4 Выводы по главе.................................................................76

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ПОТОКЕ ЗЕРНОСУШИЛКИ........................78

5.1 Использование микропроцессоров в системе автоматического контроля влажности зерновых продуктов.........................................79

5.2 Структурная схема системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке сушки................................................80

5.3 Элементы метрологического обеспечения. Общие вопросы...........84

5.4 Некоторые особенности проведения градуировки системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке сушки на базе существующих средств измерения влажности..........................87

5.5 Элементы схемы поверки системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке сушки.................................88

5.6 Результаты внедрения и промышленной эксплуатации системы автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке сушки......................................................................................89

5.7 Выводы по главе.................................................................90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................91

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................93

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Сохранение и рациональное использование всего выращенного урожая зерновых культур, получение максимума изделий из сырья сегодня является одной из основных государственных задач.

В связи с сезонностью зернового производства возникает необходимость хранения в нашей стране запасов зерна для их использования на различные нужды в течение года и более. Многовековой опыт показывает, что сохранение человеком зерновых запасов - большое и сложное дело. В связи со снижением объемов заготовок зерна и зерновых продуктов, особенно остро стоит проблема обеспечения сохранности зерна в период первичной переработки и хранения.

Потери зерна при хранении могут свести на нет все достижения сельскохозяйственного производства, направленные на повышение урожайности зерновых культур и рост валовых сборов зерна, обесценить труд, затраченный на выращивание и уборку урожая.

Одной из главных этапов в послеуборочной обработке зерна является сушка.

Основная задача сушки - довести влажность материала до кондиционной. В результате своевременной и правильно проведённой сушки зерна ускоряется процесс его послеуборочного созревания, улучшаются лёжкость при хранении, другие семенные свойства и технологические характеристики.

Необходимость сушки зерна требует контроля его влажности непосредственно в технологическом потоке. В связи с изложенным тема исследования является актуальной.

Степень разработанности проблемы. Проблема сушки сыпучих материалов изучены в трудах таких ученых, как В.И. Жидко, В.А. Резчиков, В.О. Резчиков, В.О. Уколов, С.Д. Птицын, В.И. Атаназевич, Н.И

Малин, О.Н. Налеев и др. Проблемам контроля влажности сыпучих материалов посвящены работы М.А. Берлинера, В.К. Бензарь, Р.И. Саитова. На сегодняшний день существует множество экспрессных приборов контроля влажности зерна. Однако контроль и регулирование процесса сушки зерна практически не автоматизирован из-за отсутствия эффективных приборов контроля влажности зерновых продуктов в технологическом потоке.

Цель исследования. Целью работы является разработка неравновесного гигротермического метода и реализация на его основе системы контроля влажности зерна в технологическом процессе сушки.

Объектом исследования является технологический процесс сушки

зерна.

Предметом исследования является контроль влажности зерна.

Гипотеза исследования: автоматизация контроля и регулирования процесса сушки зерна будет более эффективным, если:

- выявлена зависимость температуры и влажности сушильного агента и их градиентов по времени на выходе из сушильной камеры от влажности зерна и на ее основе разработан гигротермический метод контроля влажности зерна в технологическом процессе сушки;

- разработана система контроля влажности зерна непосредственно в сушильной камере.

В соответствии с целью и гипотезой были поставлены и решались следующие задачи:

- анализ условий контроля влажности зерновых продуктов в процессе сушки с целью определения требований к разрабатываемому методу;

- анализ существующих методов и приборов измерения влажности;

экспериментальная проверка гипотезы о существовании зависимости температуры и влажности сушильного агента и их градиентов

по времени на выходе из сушильной камеры от влажности зерна при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса;

теоретическое исследование составляющих методической погрешности гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе его сушки и разработка методов их снижения;

- разработка метода контроля влажности в технологическом процессе сушки зерна при неравновесных процессах тепло- и влагопереноса;

разработка экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований;

- экспериментальные исследования гигротермического метода контроля влажности зерна для случая неравновесных процессов тепло- и влагопереноса;

- разработка и испытания системы автоматического контроля влажности зерна непосредственно в процессе сушки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены основные требования к методу контроля влажности в условиях неравновесных процессов тепло- и влагопереноса в зерновых культурах при их сушке.

2. Выявлены составляющие методической погрешности гигротермического метода контроля влажности зерна в процессе его сушки.

Они составляют:

- по внутреннему теплопереносу в зерне 6% (отн.);

- по внутреннему влагопереносу в зерне 8% (отн.);

- по неоднородности зерна по влажности - незначимо;

- по неравномерности температурного и влажностного поля сушильного агента в шахте сушильной камеры 5% (отн.).

3. Предложены структурные, алгоритмические и статистические методы снижения составляющих методической погрешности, которые

использованы при разработке метода контроля влажности в технологическом процессе сушки зерна, позволяющего контролировать интегральную влажность всего объема зерна в сушильной камере в условиях неравновесных процессов на основе гигротермического метода.

4. На специально разработанной экспериментальной сушильной установке экспериментально исследована основная зависимость гигротермического метода измерения влажности зерна для различных типов и сортов; методами планирования эксперимента выявлено совместное влияние на результат измерения влажности таких параметров как исходная влажность, тип зерна и температура сушильного агента и показана инвариантность метода к различным видам зерновых культур.

Теоретическая значимость исследования заключается в развитии теоретических основ гигротермического метода контроля влажности в процессе сушки зерна; разработке метода, позволяющего реализовать контроль влажности для различных твердых и сыпучих материалов.

Практическая значимость состоит в том, результаты исследований характеристик процесса контроля влажности при сушке зерна, методики экспериментальных исследований и предложенные подходы могут быть использованы при разработке приборов контроля влажности для других материалов и технологических процессов.

Разработанная система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки защищена Патентом РФ на полезную модель № 104296 и зарегистрирована в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10.05.11.

Применение разработанной системы, направленной на повышение точности измерений интегральной влажности зерна по всему объему сушильной камеры зерносушилки позволит обеспечить, как показали испытания и внедрение на Бакалинском ОАО «ХПП - Бакалы» сохранность зерна, при снижении материальных затрат за счет экономии топлива, снижения потерь зерна и повышения его качества. Оценка

экономической эффективности от использования системы составила 1,5 млн. руб. в год.

База исследования: Бакалинское ОАО «ХПП - Бакалы».

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 134 наименований и 10 приложений. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 8 таблиц.

Апробация работы: доклад на V Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2009» (диплом -приложение А), доклад на Международной научно-практической конференции «Роль классических университетов в формировании инновационной среды регионов-2009», доклад на X республиканской научно-практической конференции «Информатизация образовательного пространства: опыт, проблемы, перспективы-2009», проект «Система контроля влажности зерновых культур в потоке сушки», представленный на Республиканском Фестивале творческой молодежи «Горжусь тобой, родной Башкортостан!» г. Мелеуз (диплом I степени, 2010 - приложение Б), доклад на VI Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2010», доклад на VII Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике-2011».

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в т.ч. 1 патент РФ на полезную модель, одна статья в научно-производственном журнале «Пищевая промышленность», одна статья в научно-техническом журнале «Измерительная техника», рекомендованных ВАК.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕРНОВЫХ ПРОДУКТОВ И СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ИХ ВЛАЖНОСТИ

1.1 Анализ свойств зерновых продуктов и условий контроля их влажности в процессе сушки

1.1.1 Анализ свойств зерновых продуктов

Влага в зерне имеет важное значение для его качественной оценки, выбора режимов хранения и переработки. Влажность зерна регламентируется ГОСТами [1-8]. Хранение зерна и все виды его переработки теснейшим образом связаны с содержанием влаги [9-10]. Влага является важнейшим фактором сохранности зерна, так как вода в зерне не только составная часть, физико-химически связанная с веществом, но и активный агент, участвующий в биохимических процессах, постоянно происходящих в тканях зерна.

Своевременная сушка зерна - одно из главных условий обеспечения его количественной и качественной сохранности.

Однако сушка - это не только способ снижения влажности зерна, но и процесс, в результате которого, при правильно подобранном режиме, происходит физиологическое дозревание зерна, что улучшает его качество, уничтожаются вредители [11-14].

Таким образом, важнейшим показателем качества зерна является его влажность. Влажность зерна, при которой в клетках появляется свободная влага и в зерне наблюдается резкий скачок интенсивности дыхательных процессов, называется критической. Так, для кукурузы критическая влажность находится в пределах 13 - 14 %, для пшеницы, ржи и ячменя 14,5-15 %, проса - 12 - 13 % и масличных культур - 9 - 11 % [10, 15].

Государственными стандартами установлены для отдельных культур различные категории зерна по влажности с учетом химического состава и стойкости его при хранении (таблица 1.1) [30].

Таблица 1.1- Состояние семян отдельных культур по влажности

Влажность зерна в %

Культуры сухое средней сухости влажное сырое

до свыше до свыше до свыше

Овес 14 14 16 16 18 18

Просо 13,5 13,5 15 15 17 17

Пшеница, 14 14 15,5 15,5 17 17

рожь,

ячмень,

гречиха и

рис

В зерне сухом и средней сухости нет или почти нет свободной влаги, энергия дыхания его незначительна. Такое зерно пригодно для длительного хранения высоким слоем насыпи, хорошо сохраняется и требует значительно меньше затрат по уходу.

Во влажном зерне в связи с увеличением содержания свободной влаги заметно повышается энергия дыхания. Без предварительного охлаждения или подсушивания такое зерно нельзя закладывать на хран�