автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности технологического процесса аэродинамических устройств в системе линий для послеуборочной обработки семян зерновых культур

На правах рукописи

/

ИВАНОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

/

/

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМЕ ЛИНИЙ ДЛЯ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кострома 1998

Работа выполнена на кафедре "Сельскохозяйственные машины" Костромской государственной сельскохозяйственной академии.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Зимин Е.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бурков А.И.; кандидат технических наук, доцент Подоплелов С.А.

Ведущее предприятие - Вятская государственная

сельскохозяйственная академия

Защита состоится 8 апреля 1998 года в 13 часов 00 минут на заседании дис сертационного совета К 020.93.01 при Научно-исследовательском институте сель ского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого по адресу: 610007, г. Ки ров, ул. Ленина 166а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИСХ Северо-Восток; им. Н.В. Рудницкого.

Автореферат разослан 6 марта 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета -кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В.Л. Андреев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение урожайности зерновых колосовых культур при продолжающемся снижении засеваемых площадей в современных условиях - одна из основных проблем сельского хозяйства. Решение этой проблемы заключается в получении высококачественных семян и снижении потерь урожая. Одним из главных направлений повышения качественных показателей семян является совершенствование технологии обработки путем внедрения приемных отделений для зернового вороха.

Основой для повышения эффективности приемных отделений зерноочи-стительно-супшльных комплексов, отделения временного хранения (ОВХ) комплексов КЗС-25Ш, КЗС-25Б и других являются аэродинамические транспортеры, обеспечивающие стабильную подачу воздуха, количество которого отвечает требованиям активного вентилирования зернового вороха в период временного хранения и достаточно для равномерной подачи массы зерна при выгрузке. Это должно быть достигнуто при соблюдении условий снижения энергозатрат и повышения надежности работы аэродинамических систем.

Стабильность подачи воздушного потока в воздухораспределительный канал аэродинамического устройства зависит от характеристики приемного отделения и вентилятора, с которым оно работает, а также от устройств регулирования в нем распределения потока воздуха.

Поэтому разработка математических моделей, позволяющих производить расчет аэрожелобов и выбор вентиляционной установки по подаче, напору воздушного потока и необходимой мощности электродвигателя, в соответствии с принятыми габаритами приемного отделения, его вместимостью, типом грузо-несущей перегородки является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Костромской государственной сельскохозяйственной академии (1993...1997 гг.).

Цель исследования. Повышение эффективности функционирования аэродинамических устройств и обоснование выбора основных рабочих органов и режимов совместной работы воздушного потока в различных вариантах технологических процессов, осуществляемых в приемном отделении.

Объектами исследований были выбраны экспериментальные, производственные образцы установок, их транспортирующие и воздухораспределительные рабочие органы, осуществляющие технологические процессы аэродинамического воздействия воздушного потока на зерновой ворох.

Научная новизна. Даны теоретические обоснования расчета аэродинамических устройств, работающих в приемных отделениях зерноочистительно-сушильных комплексов. Получена математическая модель, связывающая конструктивные параметры аэрожелоба с режимами его работы.

Разработаны теоретические предпосылки эффективного функционирования приемных отделений с аэрожелобами при активном вентилировании и вы-

грузке зерновой массы.

Определена методика подбора вентиляционной установки к аэродинамическому транспортеру, работающему в приемном отделении КЗС.

Изучено влияние колебаний конструктивных параметров аэрожелоба на его эффективную работу.

Достоверность основных положений аналитических зависимостей и выводов подтверждена данными экспериментальных исследований, положительными результатами производственных исследований в ТОО "им. Ленина" и "Дружба" Вохомского района Костромской области.

Практическая значимость. Проведенные исследования открывают возможности для более широкого использования аэродинамических транспортеров в приемных отделениях зерноочистительно-сушильных комплексов. Методы расчета могут быть использованы при проектировании установок данного типа.

Реализация результатов работы. Уточненная методика расчета аэродинамических устройств используется в учебном процессе кафедры "Сельскохозяйственные машины" Костромской государственной сельскохозяйственной академии.

Приемное отделение с аэрожелобами внедрено в ТОО "им. Ленина" Вохомского района Костромской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях Костромской государственной сельскохозяйственной академии (1993... 1997 гг.); Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1992, 1994 гг.); Ярославского сельскохозяйственного института (1993г.); Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (1997 г.).

Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации изложено в 8 научных статьях и работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 164 страницы, 28 рисунков, 14 таблиц и 15 приложений.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы и сформулировано основное направление работы.

1.В первом разделе "Состояние проблемы и задачи исследования" дан анализ аэродинамических устройств, применяемых для активного вентилирования и сушки зерна; свойств зерна как объекта вентилирования; анализ научных исследований в области аэродинамического сопротивления грузонесухцих перегородок и зернового слоя; производительности аэрожелобов при выгрузке зерна. В результате проведенного анализа выявлено, что аэродинамические устройства находят все более широкое распространение в сельскохозяйственном производстве. Их способность выполнять одновременно несколько функций да-

ет им преимущество перед другими подобными устройствами.

Однако при всех положительных качествах аэрожелоба имеют и существенные недостатки.

1. Высокие удельные расходы энергии, обусловленные большими потерями давления, как при активном вентилировании, так и при выгрузке зерна.

2. Нестабильная производительность при выгрузке зернового вороха из приемного отделения.

3. Отсутствует ясная модель функционирования приемного отделения с аэрожелобами.

В соответствии с вышеизложенным поставлены следующие задачи исследования:

1. Теоретически обосновать способы повышения эффективности функционирования аэродинамических устройств при активном вентилировании и его транспортировании.

2. Теоретически разработать математическую модель для расчета аэродинамического сопротивления аэрожелоба и на основе лабораторных и производственных испытаний доказать ее правильность.

3. Экспериментально определить характер распределения воздушного потока по длине воздухораспределительного канала аэрожелоба при его работе.

4. На базе теоретических исследований выявить влияние изменения конструктивных параметров аэрожелоба на его эффективную работу.

5.Провести технико-экономическую оценку полученных результатов.

2. Во втором разделе исследован процесс аэродинамического сопротивления аэрожелоба и даны обоснования эффективного функционирования приемного отделения с аэрожелобами.

2.1 Общее сопротивление аэрожелобов Рюр при отсутствии на нем зернового материала складывается из потерь давления по длине воздухораспределительного канала аэрожелоба Рда и потерь давления нри прохождении воздуха через грузонесущую перегородку Р„ (Рис. 1).

Вид А

А

Ь

В

Рис. 1. Схема аэрожелоба.

В общем виде:

Раэр=Рк + РП, (1)

Аэродинамическое сопротивление воздухораспределительного канала определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:

Ь V2 Рк = Л.,'- Р~ , (2)

^эк.к ^

где Як - аэродинамический коэффициент сопротивления; Ь - длина воздухораспределительного канала, м; Оэк.к - эквивалентный диаметр канала, м; У^ - средняя скорость движения воздуха в канале, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3. Эквивалентный диаметр определяем по зависимости В.П.Горячкина:

= 2-Н-В

« н + в , (3)

где Н и В - соответственно высота и ширина воздухораспределительного канала аэрожелоба, м.

Скорость воздушного потока в канале примем постоянной, в виду клиновидной формы воздухораспределительного канала:

V - <3

где (2 - количество поступающего воздуха в аэрожелоб, м3/с.

Для определения к* воспользуемся зависимостью А. Альтшуля. В результате преобразований выражение (2) примет вид:

ь-(н+в) ^

4-Н3 В3

Следовательно аэродинамическое сопротивление воздухораспределительного канала аэрожелоба будет зависеть от его размерных параметров, а также количества и свойств поступающего в него воздуха.

Аэродинамическое сопротивление вогнутой жалюзийной перегородки аэрожелоба определяют по формуле Вейсбаха

V2

где 4 - коэффициент местного сопротивления; Уф - средняя скорость выхода воздуха из щели, м/с.

При анализе данной зависимости было сделано допущение, что скорость выхода воздушного потока из щели грузонесущей перегородки одинакова по всей площади щели и длине канала.

Величина коэффициента местного сопротивления определяется по следующей формуле:

Рк=^-Р- , „3 рз (5)

У И

\ = X - ^

Б ' <7>

эк . п

где X, - коэффициент сопротивления перегородки; Ей - общая длина щелей, м; Ъж. „ - эквивалентный диаметр перегородки, м.

Так как в этом случае мы имеем дело с щелями сложной конфигурации, следовательно 0Э1С. п будем определять как отношение площади всех щелей перегородки 2 Рщ к периметру данной перегородки II:

4-У Р

ГЛ _ ¿—I Щ

^эк.п----. (8)

Общая площадь щелей грузонесущей перегородки

V р Ьщ -с -71 -Я -Ь

¿и гщ ~ 2 { , (9)

где Я - радиус вогнутости перегородки, м; - высота щели в нижней точке перегородки, м; с - коэффициент отгиба пластины жалюзи; 1 - шаг щели, м. После преобразования формула 8 примет следующий вид: я-11 -11„ -с-Ь

(10)

Ця-К+Ь) '

Выразим Уср (см. формулу 6) через расход воздуха:

V - 2-<*'

,р 01)

Выражение для определения аэродинамического сопротивления вогнутой жалюзийной перегородки примет вид:

02

п п Р' 4 (12>

Окончательно выражение для определения сопротивления аэрожелоба согласно уравнению (1) примет вид:

Г Т /х, . ~ .2 /1 /т . Л

Р =

аэр

2

J

(13)

или

Разр=К.д2 , (14)

где К - коэффициент, зависящий от типа аэрожелоба и характера движения воздуха в нем; кг/м7.

Следовательно аэродинамическое сопротивление всего аэрожелоба зави-

сит от его конструктивных параметров и аэродинамических параметров воздушного потока в нем.

Данное выражение было применено при теоретическом исследовании работы приемного отделения с аэрожелобами при активном вентилировании и выгрузки зерна из него.

Эффективная работа приемного отделения с аэрожелобами будет состоять из двух составляющих: эффективного активного вентилирования зернового вороха и стабильной высокопроизводительной его подаче к последующим машинам КЗС.

Оценить работу приемного отделения при активном вентилировании зерна и его выгрузке возможно с помощью аэродинамического коэффициента полезного действия:

Р

Т| =

об

(15)

где Рп - полезное аэродинамическое сопротивление, Па; Роб - общие потери давления при продувании воздухом приемного отделения, Па.

Проведенные расчеты показывают, что чем больше воздуха поступает в заполненное зерном приемное отделение, тем эффективнее процесс вентилирования, но при этом падает аэродинамический КПД установки т) (Рис.2а). С ростом 0 растут и потери давления в приемном отделении. Следовательно в приемном отделении необходимо подавать минимальное количество воздуха, которое обеспечивает сохранность влажного зернового вороха.

Р, Па

4000

3000

2000

1000

V Л8611 Рвен у

^ Рз

п

0.9

0.8 0.7 0.6 0.5

10

РЛ»

2500

2000 1500 1000 500

ЦТР^

__Раэр . Рд.

Ртр >

1

0.32

0.3 0.28 0.26 0.24 0.22

10 О.иЛс

а) б)

Рис.2. Характеристика работы приемного отделения: а) при активном вентилировании зернового вороха; б) при транспортировании зернового вороха, Рвен - потери давления в приемном отделении при вентилировании, Па; Ртр - потери давления в приемном отделении при транспортировании, Па; Р3 и Рд - соответственно сопротивление зерновой насыпи и слоя движущегося зерна, Па; Р»р- сопротивление аэрожелоба, Па.

Оценивая эффективность транспортирования зерна с помощью аэродинамического коэффициента полезного действия, можно сделать вывод о том, что с увеличением количества поступающего воздуха в канал эффективность транспортирования увеличивается (растет производительность) с одновременным ростом аэродинамического КПД (Рис.2б).

Исходя из вышеизложенного вентилятор должен отвечать следующим требованиям (см. рис. 3):

1. Работать в приемном отделении в зоне максимальных значений КПД.

2. Количество подаваемого вентилятором воздуха должно быть достаточно для сохранения влажного зерна (С> ,ф.1 ...<3 ^.3) и стабильной его выгрузки из приемного отделения ((^2...0^,3).

3. Создаваемый вентилятором напор должен находиться в пределах

РДЬ

ОУ/с

Рис. 3. К подбору вентилятора. С)фД - минимальная подача воздуха для активного вентилирования, м3/с; ()гр2 - минимальное количество воздуха для транспортировании, м3/с; (3^,3 - максимальное количество воздуха для транспортирования, м3/с; Рцр.1 - минимальный создаваемый напор вентилятором, Па; Р^р.2 - максимальный создаваемый напор вентилятором, Па.

На основании вышеизложенного предлагается методика расчета приемного отделения с аэрожелобом и подбора вентилятора к нему. Она состоит в следующем:

- выбираем тип аэрожелоба и его параметры;

- по среднесуточному поступлению зерна определяем конструктивные параметры приемного отделения;

- определяем необходимую подачу воздуха для консервации влажного зернового вороха в приемном отделении и расчитываем количество воздуха для высокопроизводительной выгрузки;

- определяем потери давления воздушного потока в приемном отделении при двух режимах его работы;

- по усредненным расходу воздуха и потерям давления подбираем вентилятор и рассчитываем мощность электродвигателя для его привода.

3.В третьем разделе приведены программа и методика экспериментальных исследований, включающие общепринятые и частные методики, описание лабораторных и производственных установок для исследования технологического процесса аэрожелоба и его аэродинамического сопротивления, а также применяемые приборы и оборудование.

Изучение вопроса аэродинамического сопротивления аэрожелоба проводили на лабораторной установке транспортирующего канала аэрожелоба и в производственных условиях зерноочистительных комплексов ТОО "Дружба" и ТОО "им.Ленина" Вохомского района Костромской области.

Предварительные испытания и вопрос изучения распределения воздушного потока в воздухораспределительном канале проводили на лабораторной установке транспортного канала аэрожелоба, установленного на кафедре "Сельскохозяйственные машины" КГСХА.

Для контроля измерений исследуемых факторов использовали как стандартное оборудование, так и оборудование изготовленное на кафедре по рекомендациям в литературных источниках.

Обработку массива данных, полученных в результате экспериментов, осуществляли на персональных компьютерах ШМ с помощь программного пакета "Microsoft Excel".

4.В четвертом разделе "Результаты экспериментальных исследований" представлены результаты исследований аэродинамического сопротивления аэрожелоба и распределение воздушного потока ио длине воздухораспределительного канала.

Исследования доказали, что полученные данные сопротивления аэрожелоба в зависимости от количества поступающего в него воздушного потока, достаточно точно описываются теоретической зависимостью Раэр = f(Q) (см. выражение 13), что позволяет использовать данную зависимость при аэродинамических расчетах аэрожелобов (рис.4).

Исследования характера распределения воздушного потока в воздухораспределительном канале проводили методом планирования 2-х факторного эксперимента.

В качестве критерия оптимизации выбрана скорость воздушного потока в канале аэрожелоба.

600

400

200 -----—^----

о —----^

0 2 4 6 8 10 Q, м3/с

В)

Рис.4. Результаты экспериментальных исследований, а) ТОО" им.Ленина"; б) ТОО " Дружба"; в) каф. СХМ.

В результате реализации опытов получена математическая модель (в раскодированном виде):

Vk =15,627+1,8719-Lor+0,9218-L+3,2941- Lor-L (15)

где LOT - длина оголенного участка грузонесущей перегородки аэрожелоба, м; L - местонахождение точки измерения скорости Vb м. Для анализа данной модели был построен трехмерный график Уг=1Ц/,Ь0Г). (рис 5)

Анализируя данный график можно сделать вывод о том, что при выгрузке зерна из приемного отделения внутри воздухораспределительного канала происходит перераспределение воздуха. По мере выгрузке зерна все большее количество воздуха выходит из щелей оголенной поверхности грузонесущей пере-

городки аэрожелоба и все меньше воздуха поступает в зерновую массу.

5.В пятом разделе "Прогнозирование эффективной работы аэрожелоба" рассмотрен вопрос влияния размерных параметров аэрожелоба на протекание его технологического процесса. Теоретически доказано, что вероятность нарушения технологического процесса аэрожелоба (то есть выход значений аэродинамического сопротивления аэрожелоба за допустимые пределы) очень велика, даже при колебании его конструктивных параметров в установленных допуском пределах. Так вероятность того, что аэродинамическая характеристика аэрожелоба будет находится в установленных пределах с отклонением 10% при подаче воздуха 5 м*/с равна 24 %. И чем больше количество воздуха поступает в аэрожелоб, тем больше вероятность нарушения. Это следует из анализа рисунка 6, на котором показаны плотности распределения случайной величины Раэр в зависимости от количества поступающего воздуха.

На основе данных теоретических исследований предложено основное положение методики по определению предельных значений суммарного допуска на параметры аэродинамического устройства. Оно состоит в том, что задавшись областью распределения аэродинамической характеристики аэрожелоба и вероятность ее нахождения в установленных пределах определяются числовые характеристики (математическое ожидание и дисперсию) коэффициента сети К (см. формулу 13 и 14). При это делается допущение, что данный

9

Рис. 5. График зависимости =

коэффициент подчиняется нормальному закону распределения. А зная необходимое значение К можно подбирать величину допусков на все размерные параметры аэрожелоба.

ф?аэр)

о.оз

0.025 0.02 0.015 0.01 0.005

О

О 500 1000 1500 2000 2500 3000

Раэр.Па

Рис.6. Плотность распределения случайной величины Ра,р в зависимости от подачи воздуха. 1 - <3 = 2 м3/с ; 2 - С> = 4 м3/с ; 3 - С> = 6 м3/с ; 4 - О = 8 м3/с ; 5 - (} = 10м3/с.

6.В шестом разделе приведен технико-экономический расчет модернизации приемного отделения с аэрожелобами зерноочистительно-сушильного комплекса. По данным расчета замена только одного электродвигателя, установленного на вентиляторе аэрожелоба дает годовой экономический эффект 493,2 рублей (в ценах 1998 года). Срок окупаемости - 3,36 года.

Обшив выводы

1.Для снижения себестоимости зерновой продукции и исключения порчи влажного зернового вороха на первых этапах процесса целесообразно применять приемные отделения, оборудованные аэрожелобами.

¿.Проведенный теоретический анализ позволил установить, что основными факторами влияющими на аэродинамическое сопротивление аэрожелоба являются коэффициент живого сечения жалюзийной перегородки, радиус ее вогнутости, длина, ширина и высота воздухораспределительного канала, материал из которого изготовлены его основные элементы, а также характер движения воздушного потока в нем.

З.Эффективная работа приемных отделений с аэрожелобами складывает-

1

2 Д

А 4 5

сх из условия сохраняемости влажного зернового вороха на основе активного вентилирования в период временного хранения и стабильной, исключающей падающую характеристику, работы аэрожелоба на выгрузке зернового вороха. Она возможна только при максимальном снижении аэродинамического сопротивления грузонесущей перегородки при сохранении необходимого ее живого сечения и регулирования количества поступающего воздуха в воздухораспределительный канал.

4.При подборе вентилятора к аэрожелобу приемного отделения необходимо учитывать размеры и вместимость приемного отделения, тип аэрожелоба и его размерные параметры, согласовывая производительность аэрожелоба с возможность полной загрузки последующих ворохоочистителей.

5 .Результаты экспериментальных исследований:

- подтвердили основные выводы теоретических предпосылок;

- доказали правомерность применения выведенной зависимости аэродинамического сопротивления аэрожелоба;

- позволили получить математическую модель для определения характера распределения воздушного потока по длине воздухораспределительного канала аэрожелоба при выгрузке зернового вороха. Данная модель показывает, что при выгрузке зерна из приемного отделения с увеличением оголенного участка аэрожелоба, внутри воздухораспределительного канала происходит перераспределение воздушного потока, что отрицательно сказывается на эффективность его работы.

6.На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны:

- методические рекомендации по расчету режимов работы приемных отделений с аэрожелобами и подбору вентилятора к ним. Данные рекомендации используются в учебном процессе на кафедре "Сельскохозяйственные машины" КГСХА;

- методика определения суммарного допуска на конструктивные параметры аэрожелоба.

7. Результаты исследований были использованы при реконструкции зерносушилки напольного типа с аэрожелобами в ТОО "Волга" Нерехгского района Костромской области.

8. Предложенный уточненный метод расчета параметров и режимов работы приемного отделения с аэрожелобами жалюзийного типа вместимостью 70 тонн использован в ТОО "им. Ленина" Вохомского района Костромской области.

Экономический эффект от внедрения результатов данной работы в ТОО "им. Ленина" Вохомского района Костромской области составил 493,2 рублей (в ценах 1998 года). Срок окупаемости составил 3,36 года.

OcHQBifbie положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Зимин Е.М., Иванов C.B. Зерноочистительно-сушильный пункт: Информационный листок ЦНТИ №31-92. - Кострома: ЦНТИ, 1992. - 4 с.

2. Зимин Е.М., Иванов C.B. Анализ методов расчета средств для поддержания заданного режима работы аэрожелоба и систем их управления. // Ученые аграрники - сельскохозяйственному производству: Тезисы научно-практической конференции КСХИ. - Кострома, 1993. - с.71.,.72.

3. Зимин Е.М., Иванов C.B. Анализ устойчивой работы аэродинамических устройств. //Внедрение достижений науки и передового опыта в сельскохозяйственное производство Ярославской области: Сб. науч. трудов ЯСХИ. -Ярославль, 1993,- C.261...266.

4. Зимин Е.М., Иванов C.B. Способы использования аэродинамических устройств. // Ученые аграрники - сельскохозяйственному производству : Тезисы докладов научно-практической конференции КСХИ. - Кострома, 1994. -с.161.,.162.

5. Зимин Е.М., Иванов C.B. Прогнозирование эффективной работы аэрожелоба. //Ученые аграрники - сельскохозяйственному производству: Материалы научно-практической конференции КГСХА. - Кострома, 1995,- Т.2 -C.89...92.

6. Зимин Е.М., Иванов C.B. Консервация влажного зернового вороха методом охлаждения. // Актуальные проблемы науки в сельскохозяйственном производстве: Тезисы докладов научно-практической конференции ИСХИ. -Иваново, 1995.-c.277.

7. Зимин Е.М., Иванов C.B. Выбор контролируемых параметров аэродинамического транспортера. H Актуальные проблемы науки в АПК: Материалы научно-практической конференции КГСХА. - Кострома, 1996. - Т.2-с.33.,.34.

8. Зимин Е.М., Иванов C.B. Расчет режима работа воздушного потока при выходе из шели аэрожелоба. //Актуальные проблемы науки в АПК: Тезисы докладов межвузовской ваучно-пракгической конференции КГСХА. - Кострома. 1997. T.2-C.86.