автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров инверсии зернового потока в колонковых сушилках блочно-модульного типа

На правах рукописи

ШАПОВАЛОВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНВЕРСИИ ЗЕРНОВОГО ПОТОКА В КОЛОНКОВЫХ СУШИЛКАХ БЛОЧНО - МОДУЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2004

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства Сибирского отделения Россельхозакадемии (ГНУ СибИМЭ СО РАСХН).

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Н. М. Иванов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ведущее предприятие - Алтайский Государственный Аграрный Университет

совета Д 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 630501, Новосибирская область, п. Краснообск, ГНУ СибИМЭ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

заслуженный деятель науки и техники РФ В. Ф. Семёнов;

кандидат технических наук, доцент В. И. Воробьёв

на заседании диссертационного

Учёный секретарь диссертационного совета

Г. Л. Утенков

2№-4 20Ъ51

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Производство зерна является основным звеном с.-х. производства, от которого зависит обеспеченность промышленности сырьём, населения - хлебом, продуктами переработки зерна, животноводства -кормами.

Валовой годовой сбор зерна в Сибири в последние годы составлял около 18% всего производимого в России зерна. В связи со сложными климатическими условиями ежегодно свыше 70%, выращиваемого в Сибири урожая, необходимо сушить. Среднесезонная влажность свежеубранного зерна, в зависимости от подзоны и условий конкретного года, колеблется здесь в пределах 20 - 25%. В этой связи наиболее остро встаёт проблема обеспечения сохранности выращенного урожая и, прежде всего, его сушки. При этом ряд вопросов этого сложного процесса требует дальнейшего совершенствования с целью повышения его эффективности.

Одним из способов повышения эффективности сушки является применение в колонковых сушилках инверсии зернового потока. Однако, особенности протекания технологического процесса сушки с применением инверсии исследованы недостаточно. В связи с этим, работы по обоснованию параметров процесса инверсии в колонковых сушилках являются актуальными. Цель исследования. Повышение эффективности технологического процесса сушки за счёт инверсии зернового потока.

Объект исследования. Технологический процесс инверсии зернового потока в колонковых сушилках блочно-модульного типа.

Предмет исследования. Закономерности протекания процесса инверсии. Методы исследования. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР приоритетных фундаментальных исследований по заданию 02.01.04 «Разработать экологически безопасную ресурсосберегающую машинную технологию и обосновать комплекс технических средств нового поколения на принципах блочно-модульности для послеуборочной обработки зерна с учётом зональных условий».

Использовались методы оптимизации параметров, факторного эксперимента и математической статистики, регрессионного и экономического анализов. Научная новизна:

1. Показана возможность повышения эффективности конвективной сушки зерна в колонковых сушилках с поперечной подачей сушильного агента за счёт оптимизации параметров инвертора.

2. Установлены закономерности процесса инверсии и обоснованы оптимальные параметры инвертора.

3.Разработана методика определения местоположения инвертора в рабочей камере сушилки и предложена модель выбора рациональной формы поверхности его транспортирую

Практическая значимость:

1. Обоснованы рациональные параметры инвертора и дана методика определения его местоположения в рабочей камере колонковой зерносушилки.

2. Результаты исследования являются основой создания новых типов устройств для реализации процесса инверсии зернового потока в колонковых сушилках.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований легли в основу конструкции инвертора для колонковых блочно-модульных зерносушилок СЗ-10 и СЗ-16, разработанных совместно с ОПКТБ СибИМЭ, и выпускаемых ОАО «Сибирский агропромышленный дом». Сушилки, оснащённые новыми инверторами, прошли хозяйственную проверку в хозяйствах Новосибирской и Томской областей. По результатам исследований подана заявка на изобретение «Инвертор зернового потока для колонковых сушилок» и в 2003 году получена приоритетная справка. Результаты исследований могут быть использованы учёными, конструкторами при создании новых технологий и технических средств сушки зерна. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности процесса инверсии зернового потока в колонковой сушилке.

2. Оптимальные параметры инвертора и модель выбора рациональной формы поверхности его транспортирующего органа.

3. Методика определения местоположения инвертора в рабочей камере колонковой сушилки. >

Апробация работы. Основные материалы работы в период с 2000 по 2004 год рассматривались на международных и региональных конференциях, учёных советах и семинарах, в частности: на конференции молодых учёных СО РАСХН «Сельское хозяйство Сибири на рубеже веков: итоги и перспективы развития» ( Новосибирск, 2001 г. ); на Междудародной научно-практической конференции в НГАУ «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» ( Новосибирск, 2003 г. ); на 6-й Международной научно-практической конференции «Аграрная наука Сибири, Монголии, Казахстана и Башкортостана - сельскому хозяйству» ( Павлодар, 2003 г. ), а также на учёных советах СибИМЭ в период с 2000 по 2004 год.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 работах, опубликованных в сборниках научных трудов, научно-технических бюллетенях и материалах международных и региональных конференций. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка использованной литературы из 93 наименований, в том числе 4 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста и включает 19 таблиц, 37 рисунков и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает актуальность темы диссертации, научную новизну и практическую значимость.

В первой главе дан анализ природно-климатических условий Сибири и особенностей послеуборочной обработки зерна. Обобщены результаты исследований в области интенсификации сушки зерна с инверсией зернового потока в колонковых сушилках. Дан анализ опубликованных патентных и научных материалов по процессу инверсии и инверторам зерна.

Важную роль в исследованиях эффективности функционирования, совершенствовании и эксплуатации техники для послеуборочной обработки и сушки зерна сыграли научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы, выполненные в таких учреждениях как ВНИИЗ, ВИМ, ВИСХОМ, их филиалах, а также в СибИМЭ СО РАСХН.

Вопросам теории совершенствования технологических процессов послеуборочной обработки зерна с учётом природно-климатических факторов посвящены работы Анискина В. И., Богомягких В. А., Буркова А. И., Воробьёва В. И., Галкина В. Д., Горячкина В. П., Гячева Л. В., Дринчи В. М., Ермольева Ю. И., Злочевского В. Л., Зюлина А. Н., Климка А. И., Косилова Н. И., Конченко Н. Ф., Кремнёва А. Н., Кубышева В. А., Кузнецова В. В., Кунакова В. С, Лапшина П. Н., Летошнева М. Н., Липковича Э. И., Озонова Г. Р., Олейникова В. Д., Подоляко В. И., Пивня В. В., Рассадина А. А., Семёнова В. Ф., Стрикунова Н. И., Тарасенко А. П., Тарасова Б. Т., Терентьева Ю. В., Терскова Г. Д., Тица 3. Л., Ульриха Н. Н., Урханова Н. А., Чепурина Г. Е., Эрка Ф. Н. и других учёных.

Основные положения современной теории сушки влажных зерновых материалов базируются на работах Авдеева А. В., Анатозевича В. И., Бородина И. Ф., Босина И. Н., Гинзбурга А. С, Голубковича А. В., Егорова Г. А., Жидко В. И., Журавлёва А. П., Зелинского Г. С, Иванова Н. М., Иванниковой Н. А., Камышника Л. Д., Леонтьева В. В., Лурье Ю. М., Лыкова М. В., Окуня Г. С, Птицына С. Д., Ребиндера П. А., Резчикова В. А., Соседова

H. И., Теймера О. Ф., Уварова А. М., Уколова В. С, Чижикова А. Г. и других.

В настоящее время для сушки зерновых материалов широко используют конвективный способ. Проблема повышения эффективности . Сушки непосредственно связана с комплексным подходом к разработке рациональных методов интенсификации процесса. Одним из таких методов является инверсия зернового потока в колонковых сушилках. Информация по исследованию этого метода содержится, в основном, в патентах и касается отдельных, частных вопросов по конструкциям инверторов.

Поэтому, исходя из анализа состояния вопроса и цели исследования, в работе ставятся следующие задачи:

I. Установить основные закономерности взаимодействия инвертора с зерновым потоком и выбрать параметры и критерии его оценки.

2. Обосновать оптимальные параметры инвертора, обеспечивающие его эффективное функционирование.

3. Оценить эффективность реализации результатов исследования.

Во втовой главе представлены материалы по теоретическим исследованиям процесса инверсии зернового потока и обоснованию параметров основных элементов инвертора. Проведённый анализ движения зерна в колонковой сушилке без инверсии показывает, что в средней её части разность температуры и влажности по слоям потока изменяется в широких пределах. Было отмечено, что в ближайшем к агенту сушки (7-м) слое зернопотока температура составляла 50°С, влажность - 14%, а в премыкающем к противоположной стенке (3-м) слое, температура, в это же время, была 35°С при влажности 20%. Такая закономерность наблюдается при различной исходной влажности зерна. В соответствии с законом Ньютона - Рихмана, описываемого формулой ( 1 ), интенсивность сушки по слоям будет также различна (рис. 1).

где аТ - коэффициент теплоот-

ДаЧИ> м\а?С :

I

средняя температура

агента сушки в /-м слое потока зерна, °С;

- средняя температура

нагрева зерна в ;-м слое потока зерна, °С.

Из рассмотренных закономерностей можно сделать вывод, что перераспределение слоев в потоке зерна обеспечивает равномерность его нагрева и сушки, повышает

Этого можно достигнуть с помощью технических средств -инверторов.

Инвертор рассматривается как ветвящаяся система с однородной структурой элементов (рис. 2). Эффективность функционирования такой системы выражается формулой:

Рис. 1. Изменение интенсивности

сушки д, по ширине камеры Н

6(0=Е

(2)

;=1

б

где

Q(t) - эффективность функционирования (производительность)

системы к моменту /; дг - выходной эффект /-Й ветви; п - число ветвей (элементов);

р, - вероятность безотказной работы г'-й ветви (элемента).

В системе инвертора отказом считается нарушение требований выполняемого технологического процесса, зависание материала в элементе «рассекатели зернопотока - направляющий переточный лоток», обусловленное как конструктивными параметрами инвертора, так и состоянием зерна (состояние адгезии, аутогезии и т. д.). Тогда, при известном параметре потока отказов Д, получим:

Рис. 2. Схема инвертора как системы с однородной структурой элементов

-Л.1

о '=1

<=1л,

-л,,

е )•

(3)

Чтобы снизить влияние факторов, приводящих к отказу, необходимо ёмкость лотка сделать адекватной объёму зерна, поступающему на него, со сплошного потока со скоростью и, и потока, идущего сходом с рассекателей, со скоростью V,.

Этого можно достигнуть, если поверхность лотка КОМ будет иметь цилиндрическую форму КЯМ, выполненную, например, по дуге окружности, эллипса, овала и др. (рис. 3).

Рис. 3. Схема к определению рациональной формы поверхности транспортирующего органа инвертора

Из рисунка следует, что:

тогда длина дуги КЯМ должна быть:

Однако, длина дуги опи ательно:

/,, = лг = п— «],6Ь > 11 2

где 1д - длина дуги, составляющая половину длины окружности.

Из формулы ( 4 ) видно, что дробь 1 не может быть меньш

эта

(5)

не может быть меньше единицы,

а значит длина кривой не может совпасть с длиной дуги 1д. Поскольку то КИМ напоминает форму дуги вытянутой окружности, т. е. - эллипса. Используя формулу ( 4 ) и результаты эксперимента, можно выбрать рациональную форму кривой периметра переточного лотка и, тем самым, повысить эффективность работы инвертора.

Исходя из общего уравнения движения тел с переменной массой, получена модель определения угла наклона р транспортирующего органа инвертора ( переточного лотка) к горизонту:

где /^-динамический коэффициент внешнего трения сыпучего материала по металлу лотка;

6 - коэффициент формы потока сыпучего материала;

I11 - начальная скорость движения сыпучего материала, поступающего в лоток;

11г - конечная скорость схода сыпучего материала с лотка;

Н - перепад уровней.

Исходя из классификации бункеров, проведённой Семёновым В. Ф., представляем скатные поверхности соседних рассекателей инвертора в виде суживающегося щелевого бункера с углом наклона скатных поверхностей к вертикали по формуле:

где ср - угол внутреннего трения тела, вытекающего из отверстия.

Эффективность процесса сушки зависит также от расположения инвертора по высоте зернового потока. Результаты исследования показывают, что это положение может быть определено, исходя из давления зернового столба на опорные поверхности инвертора.

(6)

а <45"-— ,

(7)

2

Исследования Семёнова В. Ф. и Кунакова В. С. показали, что зависимость удельного давления на опорные поверхности (дно) от высоты засыпки подчиняется экспоненциальному закону.

Разработана методика расчёта местоположения инвертора, которая учитывает также и термическое повреждение зерна при односторонней продувке теплоносителем (рис. 4). За основу принимается формула:

где - расстояние, пройденное по-

* камеру охлаждении или на шгрузмое устройство

Рис. 4. Расчётная схема к обоснованию количества и местоположения инверторов в колонке зерносушилки

током зерна до этапе, м;

инвертора на п-м

V, - скорость движения зерна,

м/с;

? - время движения зерна на я-м этапе до момента осуществления инверсии, с.

В качестве критерия эффективности технологического процесса инверсии принят общий показатель качества перемещения всех слоев потока зерна при инверсии Ккоторый объединяет количественные показатели перемещения каждого слоя в отдельности. Его значение не превышает единицу и наилучшее при единице; показатель безразмерный и варьируется от 0 до 1. Определение Кп производится вычитанием от его максимального значения средних потерь качества при перемещении внутренних и внешних слоев.

При многослойной инверсии зернового потока нами рассматриваются четыре слоя.

Получена формула вида:

Кн _л [1(0,5х(^,^4)-2)/2| + |0,5х(<:2 + ^)-1|| , (9)

где к], к2, к}, к4 - количественные показатели перемещения слоев, которые показывают сколько зерна из соответствующего слоя переместилось в новое положение и определяются как отношения толщин слоев до и после инверсии. В третьей главе рассматривается программа и методика исследований. Программа включает: отбор факторов, влияющих на процесс инверсии; выбор плана эксперимента для отыскания оптимальных значений параметров инвертора; разработку схемы лабораторной установки для реализации эксперимента и её изготовление; проведение экспериментальных исследований на установке в соответствии с выбранным планом эксперимента; обработку экспериментальных материалов по оптимизации параметров инвертора и оценку эффективности реализации результатов исследования.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований отобраны пять факторов (табл. 1).

Таблица 1

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТУ ИНВЕРТОРА

№ «АКТОРА ОБОЗН. ИНТЕРВАЛ ВАРЬИР. код НАИМЕНОВАНИЕ ФАКТОРА

1 кц, мм 205-265 х, Высота перекрывающей пластины

2 /, мм 170-200 х-> Длина переточного лотка

3 У, град. 35-54 X} Наклон лотка к вертикали

4 ШК, мм 0-60 Х4 Ширина центрального канала

5 ап, град. 62-70 х5 Центральный угол рассекателя

Выбран дробный факторный эксперимент по плану 2 с функцией отклика в виде полинома 1-й степени вида:

У = Ьо + Ь/Х1 + Ь2х2 + $ +... + ЬкХк, ( Ю)

где - коэффициенты регрессии, которые определяются в

результате экспериментальных исследований. Обработка результатов проводится по компьютерным программам " Snedecor", " TableCurve 3D " и " MatLab ".

Лабораторные исследования проводились на экспериментальной установке в блочно-модульном исполнении, содержащей необходимые элементы для имитации и регулирования параметров процесса инверсии (рис. 5).

Для удобства визуального различия слоев, они формировались из разных зерновых культур, схожих по физико-механическим свойствам. Использовались: пшеница, овёс, ячмень и рожь. Толщина каждого слоя до инверсии составляля 70 мм. После перемещения слоев определялись

показатели к), к2, к} И к/, затем по формуле ( 9 ) расчитывался общий показатель качества инверсии К.

1 2 12г Г4

г Т т т

|СЛ| ОИI !

Ш1Ш1ШШШ1ШШТТШШШ

Рис. 5. Лабораторная установка для проведения эксперимента: 1 - каркас установки; 2 - блок загрузки цилиндрический; 3 - блок-формирователь слоев потока; 4 - блок-инвертор; 5 - заслонка блока-инвертора; 6 - блок-отборник проб; 7-заслонка блока-отборника проб; 8-блок выгрузки зерна

Исследования в хозяйственных условиях проводились по методике согласно ОСТ 10.10 2002.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований. В результате анализа литературных источников, теоретических исследований и однофакторных опытов, определены факторы, существенно влияющие на процесс инверсии, дана их количественная оценка. Реализован факторный эксперимент и получено уравнение регрессии, характеризующее процесс:

Г = 0,8651668 - 0,0002883 ■ X, + 0,0008378 • Х2 --0,0055619-Х3 +0,0005642-^ + 0,0029645-*, ' (И)

Поиск оптимальных значений параметров проводился по программе "MatLab" с использованием алгоритма "Lipsol".

В результате определены оптимальные значения параметров инвертора (табл. 2).

Таблица 2

ОПТИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНВЕРТОРА

НАИМЕНОВАНИЕ ПАРАМЕТРА ОБОЗН код ЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРА

Высота перекрывающей пластины /¡Я, мм 205,0

Длина переточного лотка /, мм 200,0

Наклон лотка к вертикали У, ^Д Хз 35,0

Ширина центрального канала Шк, мм х4 60,0

Центральный угол рассекателя а„, град X, 70,0

На рис. 6 графически представлены результаты эксперимента по влиянию ширины центрального канала инвертора на скорости движения слоев в потоке зерна. Функциональная зависимость получена при коэффициенте детерминации Г =0,98. Необходимо, чтобы внутренние слои продвигались быстрее периферийных, тем самым, ограничивая время контакта зерна с теплоносителем. Это снизит риск, как термического повреждения, так и насыщения зерна канцерогенными веществами

Рис. 6. Влияние ширины центрального канала на скорости движения слоев потока зерна

Из рисунка видно, что наилучший результат получен при оптимальном значении ширины центрального канала, т. е. 60 мм. При этом же значении, как показывают результаты, получаются и наиболее рациональные

количественные показатели перемещения слоев зернового потока к, (рис 7)

2

Зависимость получена при коэффициенте детерминации г =0,95

Рис 7 Влияние ширины центрального канала

на количественный показатель перемещения к, по слоям зернопотока

В результате проведенного анализа выявлено, что экспериментальный инвертор обеспечивает, по сравнению с базовым, более высокие показатели изменения температуры и влажности зерновых слоев (рис 8)

Рис 8 Изменение характеристик зернового потока по ширине камеры сушилки при работе базового и экспериментального инверторов а - по температуре нагрева зерна, б - по влажности зерна

Так, увеличение разницы по температуре нагрева составило Л(3=3,0...4,0оС, по влажности - ЛЙ^=1,0...1,5%. Это позволило повысить показатель интенсивности сушки по слоям на 7...9%, что, в конечном счёте, обеспечило более высокие показатели сушилки с экспериментальными инверторами по сравнению с базовой. Первая - обеспечивает повышение производительности на 8% в сравнении с базовой в одинаковых условиях работы.

Полученные параметры реализованы при изготовлении экспериментальных образцов инверторов, которые были установлены на серийных сушилках СЗ-16 при проведении хозяйственной проверки (рис. 9).

Рис.9. Сушилка зерна СЗ-16

В пятой главе проводится оценка реализации основных результатов исследования в соответствии с единой государственной методикой определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники.

Основные результаты оценки приведены в табл. 3.

Таблица 3

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОКАЗАТЕЛИ БАЗОВЫЙ ВАРИАНТ НОВЫЙ ВАРИАНТ

1. Производительность за час сменного времени, т/ч 16,0 17,4

2. Затраты на ГСМ и электроэнергию, руб./т 65,0 60,0

3. Затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб./т 0,74 0,68

4. Затраты на техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты, руб./т 30,7 28,4

5. Затраты на реновацию, руб./т 26,8 25,0

6. Капитальные вложения, руб./т 214,6 198,0

7. Прямые эксплуатационные затраты, руб/т 123,2 114,1

8. Приведенные затраты, руб./т 155,0 144,0

9. Годовой экономический эффект от эксплуатации модернизированного варианта, тыс. руб. 95,7

Таким образом, расчётный годовой экономический эффект от применения в зерносушилке экспериментальных инверторов при сезонной загрузке 500 часов составляет 95 тыс. руб. на сушилку.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.На основе анализа сушки зерна в колонковых сушилках установлено, что процесс перераспределения зерновых слоев по ширине камеры (инверсия слоев) может интенсифицировать процессы тепломассопереноса. Инверсия зерновых слоев осуществляется с помощью технического средства -инвертора.

2. Показано, что инвертор можно рассматривать как ветвящуюся систему с однородной структурой элементов, эффективность которой определяется как совокупность их безотказной работы. Причём, за отказ работы системы принято нарушение требований выполнения технологического процесса, зависание материала в элементе «рассекатели зернопотока - направляющий переточный лоток».

3.На основе проведённых исследований разработана методика определения местоположения инвертора в рабочей камере колонковой сушилки. При этом, исходя из значения скорости вертикального движения зернового столба, и с учётом исключения термического повреждения зерна, определяется расстояние Н2 между соседними инверторами.

4. Разработана конструктивная схема инвертора. Установлены основные закономерности движения зерновых слоев по рассекателям и направляющим лоткам. Предложена модель выбора рациональной формы транспортирующих поверхностей рабочих органов инвертора. Установлено, что направляющий переточный лоток должен иметь цилиндрическую форму поверхности.

5. Получено уравнение регрессии, связывающее основные конструктивные параметры, и определены их оптимальные значения: угол наклона переточного лотка к вертикали - 35°, центральный угол рассекателя зернового потока - 70°, длина переточного лотка - 200 мм, ширина центрального канала - 60 мм, высота перекрывающей пластины - 205 мм. Оптимальные параметры инвертора с консольным расположением рассекателей и лотков обеспечивают их самоочищение от крупноволокнистых примесей и перемещение зерновых слоев с эффективностью

6. При хозяйственной проверке результатов исследований установлено, что экспериментальный инвертор, по сравнению с базовым, при одинаковых условиях работы повышает эффективность сушки зерна за счёт более качественного перераспределения зерновых слоев. При этом в слоях обеспечивается увеличение изменений температуры нагрева

на 3,0...4,0°С и влажности А1¥3 на 1,0... 1,5%, что позволило повысить показатель интенсивности сушки по слоям д, на 7...9%, в результате чего производительность сушилки, в сравнении с базовой, увеличилась на 8%.

7. Расчётный экономический эффект от использования инверторов с новыми параметрами при сезонной загрузке 500 часов составляет 95 тыс. руб. на сушилку в год.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1.Иванов Н. М., Шаповалов Д. В. К обоснованию конструктивно-технологических параметров инверторов зерна колонковых сушилок блочно-модульного типа//Вестник алтайской науки: Проблемы агропромышленного комплекса. - Изд-во Алтайского Гос. Ун-та, 2001. - №1. - Т. 2.

2.Шаповалов Д. В. Инвертор зерна в колонковых сушилках как объект многофакторного исследования // Сельское хозяйство Сибири на рубеже веков - итоги и перспективы развития: Материалы конф. мол. ученых СО РАСХН (16 мая 2001 г., п. Краснообск). - Новосибирск, 2001. - С. 154 - 155.

3.Шаповалов Д. В. Методика экспериментального обоснования оптимальных параметров инверторов зернового потока // Науч.-техн. бюл. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибИМЭ. - Новосибирск, 2002. - С. 27 - 33.

4.Шаповалов Д. В. Системное описание блока инвертора колонковой сушилки // Совершенствование машинных технологий и технических средств для сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибИМЭ. - Новосибирск, 2003. - С. 127 - 132.

5.Шаповалов Д. В. Инвертор зернового потока как элемент системы блочно-модульной компоновки с распределёнными параметрами // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (НГАУ, 22 - 23 апреля 2003 г.). - Новосибирск, 2003. - С. 164-167.

6.Шаповалов Д. В. Применение инверторов в колонковых зерносушилках // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (НГАУ, 22 - 23 апреля 2003 г.). -Новосибирск, 2003.- С. 168 -170.

7.Иванов Н. М., Шаповалов Д. В. Теоретические исследования параметров рабочих органов инверторов зерна в колонковых сушилках // Аграрная наука Сибири, Монголии, Казахстана и Башкортостана - сельскому хозяйству: Труды 6-й Междунар. науч.-практ. конф. (Павлодар, 9-10 июля 2003 г.) / РАСХН. Сиб. отд-ние. - Новосибирск,2003. - С. 215-220.

Подписано в печать 03.11.2004 г. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №406. Отпечатано в ГУП РПО СО РАСХН 630501, Новосибирская обл., п. Краснообск

#22211

РНБ Русский фонд

2005-4 20352

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

Выводы и задачи исследования.

1. Теоретические исследования.

2. 1. Характер взаимодействия инвертора с зерновым потоком.

2.2. Определение местоположения инвертора в рабочей камере колонковой зерносушилки.

2. 3. Системное описание инвертора колонковой сушилки и рациональная форма лотка.

2. 4. К теории самотечного устройства лоткового типа.

2. 5. К определению элементов рассекателя инвертора.

Выводы по разделу.

3. Программа и методика экспериментальных исследований по обоснованию параметров инверсии зернового потока в колонковых сушилках блочно-модульного типа.

3. I. Программа исследований.

3.2. Обоснование значений параметров инвертора для реализации в модели оптимизации и изготовления сменных конструкций.

3. 3. Планирование эксперимента для отыскания оптимальных значений параметров инвертора.

3.4. Разработка лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований.

3. 5. Порядок проведения эксперимента на установке.

Выводы по разделу.

4. Результаты экспериментальных исследований.

4.1. Исследования в условиях лаборатории.

4. 2. Исследования в условиях производства.

Выводы по разделу.

5. Определение эффективности основных результатов исследования.

Актуальность темы. Производство зерна является основным звеном с.-х. производства, от которого зависит обеспеченность промышленности сырьем, населения - хлебом, продуктами переработки зерна, животноводства - кормами.

Валовой годовой сбор зерна в Сибири в последние годы составлял около 15 - 18 % всего производимого в России зерна [ 1 ].

В этой связи наиболее остро встает проблема обеспечения сохранности выращенного урожая. Для Сибирского региона этот вопрос имеет особую актуальность, здесь экстремальные природно-климатические условия предопределяют первостепенность задачи сохранения зерна.

Анализ показывает, что свыше 70 % ежегодно выращиваемого в Сибири урожая имеет повышенную влажность, а в некоторые годы - 80 % и более.

Даже в относительно сухие годы на тока хозяйств поступает большое количество зерна с высокой влажностью. Чтобы сохранить такое зерно, его необходимо не только очистить, но и в кратчайшие сроки просушить, довести до кондиционного состояния, так как влажное зерно может испортиться уже через 1-2 суток.

Важность качественного выполнения и соблюдения параметров и режимов технологического процесса сушки как ключевого элемента послеуборочной обработки усиливается тем обстоятельством, что сушка является заключительным этапом в процессе производства зерна.

Несмотря на то, что современные зерносушилки отечественных и зарубежных фирм периодически претерпевают процесс модернизации, остаётся нерешённым целый ряд вопросов.

Так, при сушке зерна в колонковых сушилках с поперечной подачей агента сушки наблюдается неравномерность его нагрева в поперечном сечении камеры. Это обусловливает повышенную неравномерность сушки по толщине потока зерна и перегрев части его в потоке. Одностороннее продувание потока зерна теплоносителем перемещает сорные фракции к противоположной стенке рабочей камеры. Вследствие этого изменяются технологические свойства высушиваемого материала, забиваются отверстия в стенке камеры, уменьшается скважистость зернового потока и, как следствие, увеличиваются энергозатраты.

Одним из реальных путей устранения этих недостатков является инверсия зернового потока в сушилке.

Однако, особенности протекания технологического процесса сушки с применением инверсии зернового потока исследованы недостаточно. Не определены характеристики процесса сушки с учётом инверсии, не обоснованы оптимальные параметры и режимы работы инверторов, их рациональные технологические схемы и другие вопросы.

На основании отмеченного работу по обоснованию параметров инверсии зернового потока в колонковых сушилках блочно-модульного типа можно считать актуальной и имеющей народнохозяйственное значение.

Цель исследования. Повышение эффективности технологического процесса сушки за счёт инверсии зернового потока.

Объект исследования. Технологический процесс инверсии зернового потока в колонковых сушилках блочно-модульного типа.

Предмет исследования. Закономерности протекания процесса инверсии.

Методы исследования. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР приоритетных фундаментальных исследований по заданию 02.01.04 «Разработать экологически безопасную ресурсосберегающую машинную технологию и обосновать комплекс технических средств нового поколения на принципах блочно-модульности для послеуборочной обработки зерна с учётом зональных условий».

Использовались методы оптимизации параметров, факторного эксперимента и математической статистики, регрессионного и экономического анализов.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности процесса инверсии и обоснованы оптимальные параметры инвертора.

2. Показана возможность повышения эффективности конвективной сушки зерна в колонковых сушилках с поперечной подачей сушильного агента за счёт оптимизации параметров инвертора.

3. Разработана методика определения местоположения инвертора в рабочей камере сушилки и предложена модель выбора рациональной формы поверхности его транспортирующего органа.

Практическая значимость:

1. Обоснованы рациональные параметры инвертора и дана методика определения его местоположения в рабочей камере колонковой зерносушилки.

2. Результаты исследования являются основой создания новых типов устройств для реализации процесса инверсии зернового потока в колонковых сушилках.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований легли в основу конструкции инвертора для колонковых блочно-модульных зерносушилок СЗ-10 и СЗ-16, разработанных совместно с ОПКТБ СибИМЭ, и выпускаемых ОАО «Сибирский агропромышленный дом». Сушилки, оснащённые новыми инверторами, прошли хозяйственную проверку в хозяйствах Новосибирской и Томской областей. По результатам исследований подана заявка на изобретение «Инвертор зернового потока для колонковых сушилок» и в 2003 году получена приоритетная справка. Результаты исследований могут быть использованы учёными, конструкторами при создании новых технологий и технических средств сушки зерна.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности процесса инверсии зернового потока в колонковой сушилке.

2. Оптимальные параметры инвертора и модель выбора рациональной формы поверхности его транспортирующего органа.

3. Методика определения местоположения инвертора в рабочей камере колонковой сушилки.

Апробация работы. Основные материалы работы в период с 2000 по 2004 год рассматривались на международных и региональных конференциях, учёных советах и семинарах, в частности: на конференции молодых учёных СО РАСХН «Сельское хозяйство Сибири на рубеже веков: итоги и перспективы развития» ( Новосибирск, 2001 г. ); на Междудародной научно-практической конференции в НГАУ «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» ( Новосибирск, 2003 г. ); на 6-й Международной научно-практической конференции «Аграрная наука Сибири, Монголии, Казахстана и Башкортостана — сельскому хозяйству» ( Павлодар, 2003 г. ), а также на учёных советах СибИМЭ в период с 2000 по 2004 год.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 работах, опубликованных в сборниках научных трудов, научно-технических бюллетенях и материалах международных и региональных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка использованной литературы из 34 наименований, в том числе 2 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 99 страницах машинописного текста и включает 12 таблиц, 31 рисунок и 3 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа сушки зерна в колонковых сушилках установлено, что процесс перераспределения зерновых слоёв по ширине камеры (инверсия слоёв) может интенсифицировать процессы тепломассопереноса. Инверсия зерновых слоёв осуществляется с помощью технического средства - инвертора.

2. Показано, что инвертор можно рассматривать как ветвящуюся систему с однородной структурой элементов, эффективность которой определяется как совокупность их безотказной работы. Причём, за отказ работы системы принято нарушение требований выполнения технологического процесса, зависание материала в элементе «рассекатели зернопотока — направляющий переточный лоток».

3. На основе проведённых исследований разработана методика определения местоположения инвертора в рабочей камере колонковой сушилки. При этом, исходя из значения скорости вертикального движения зернового столба, и с учётом исключения термического повреждения зерна, определяется расстояние Н2 между соседними инверторами.

4. Разработана конструктивная схема инвертора. Установлены основные закономерности движения зерновых слоёв по рассекателям и направляющим лоткам. Предложена модель выбора рациональной формы транспортирующих поверхностей рабочих органов инвертора. Установлено, что направляющий переточный лоток должен иметь цилиндрическую форму поверхности.

5. Получено уравнение регрессии, связывающее основные конструктивные параметры, и определены их оптимальные значения: угол наклона переточного лотка к вертикали - 35°, центральный угол рассекателя зернового потока - 70°, длина переточного лотка - 200 мм, ширина центрального канала - 60 мм, высота перекрывающей пластины - 205 мм.

Оптимальные параметры инвертора с консольным расположением рассекателей и лотков обеспечивают их самоочищение от крупноволокнистых примесей и перемещение зерновых слоёв с эффективностью Кп=0,87.0,95.

6. При хозяйственной проверке результатов исследований установлено, что экспериментальный инвертор, по сравнению с базовым, при одинаковых условиях работы повышает эффективность сушки зерна за счёт более качественного перераспределения зерновых слоёв. При этом в слоях обеспечивается увеличение изменений температуры нагрева At3 на 3,0.4,0°С и влажности AW3 на 1,0.1,5%, что позволило повысить показатель интенсивности сушки по слоям на 7. 9%, в результате чего производительность сушилки, в сравнении с базовой, увеличилась на 8%.

7. Расчётный экономический эффект от использования инверторов с новыми параметрами при сезонной загрузке 500 часов составляет 95 тыс. руб. на сушилку в год.

1. Кашеваров Н. И., Резников В. Ф. Сибирское кормопроизводство в цифрах / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибНИИ кормов. - Новосибирск, 2004. - 140 с.

2. Пат. 2143090 РФ, МКИ3 F26 В17/12. Сушилка зерна и инвертор зерносушилки / Г. М. Меныциков, Г. Р. Озонов, М. С. Титов, Н. М. Иванов, В. В. Ботороев, В. С. Пияшев. №98116480; Заявлено 26. 08. 98; Приоритет 26. 08. 98.

3. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1973. — 527 с.

4. Теплотехнический справочник. Т. 1 / Под ред. проф. С. Г. Герасимова, к.т.н. Я. А. Кагана, проф. П. Д. Лебедева и др. М.: Государственное энергетическое изд-во, 1957. - 727 с.

5. Тарасенко А. П., Оробинский В. И., Мерчалова М. Э. Влияние влажности зерна при уборке и послеуборочной обработке на его травмирование // Зерновые культуры. 1988. - №4. — С. 22 - 24.

6. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1968. - С. 313 - 319.

7. Богомягких В. А. Теория и расчёт бункеров для зернистых материалов / Изд-во Ростовского Н/Д Ун-та, 1973. 152 с.

8. Шумской Д. В. Давление зерна на дно и стенки закрома // Советское мукомолье. 1929. - №1. - С. 81 - 89.

9. Никитин А. К. Введение в механику сплошной среды. Ч. 2. — Ростов Н/Д, 1978. С. 3 - 10.

10. Кунаков В. С., Земляков Н. Д., Алексеенко В. Д. Давление влажного зерна на стенки щелевого бункера / РИСХМ. — Ростов Н/Д, 1982. 9 с.

11. И. Семёнов В. Ф. Бункеры и хранилища зерна. Учеб. пособие / Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999. 221 с.

12. Методика выбора показателей надёжности для оценки надёжности сложных технических систем. М.: Изд-во стандартов, 1977. -С. 23 - 24.

13. Стремнин В. А. Классификация систем технологических машин в животноводстве и модели оценки их эффективности // Сиб. вестн. с.-х. науки. 1986. - №5. - С. 80 - 85.

14. Хайкин С. Э. Физические основы механики. М.: Наука, 1971. - 556 с.

15. Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики. Ч. 2. М.: Наука, 1972. - 240 с.

16. Шнейкин В. Д. Оптимизация параметров самотечного устройства для сыпучих грузов // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. №12. -1980. - С. 17 - 18.

17. Зуев Ф. Г. и др. Механизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ. М.: Агропромиздат, 1988. - 447 с.

18. Jenike A. W. Better design for deilk handing // Chemical Engineering. -№12. 1954.

19. Jenike A. W. Why bins don't flow? // Mechanical Engineering. №7. -1964. - C. 40 - 43.

20. Блох В. А., Чайка Г. К. К вопросу рациональной формы бункера // Сталь. №6. - 1935. - С. 37 - 39.

21. Кунаков В. С. К вопросу движения связного сыпучего материала в бункерах сельскохозяйственного назначения / РИСХМ. Ростов Н / Д, 1985. - 16 с.

22. Муравкин Б., Сидоров П. Рациональные формы бункера для угольной пыли // Электрические станки. №4. - 1957. - С. 12 - 15.

23. Зенков P. JI. Механика насыпных грузов. Изд. 2-е. — М.: Машиностроение, 1964. — 251 с.

24. Красников В. В. Подъёмно-транспортные машины в сельском хозяйстве. — М.: Сельхозиздат, 1962. 252 с.

25. Шаповалов Д. В. Методика экспериментального обоснования оптимальных параметров инверторов зернового потока // Науч.-техн. бюл. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибИМЭ. Новосибирск, 2002. - С. 27 - 33.

26. Иванов Н. М. Сушилка зерновых культур модульного типа // Проблемы АПК в условиях рыночной экономики: Мат. регион, науч.-практ. конф. (Новосибирск, май 1996 г.) /НГАУ. Новосибирск, 1996. - С. 178 - 179.

27. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. — М.: Мин. сельхоз. прод. РФ., ВНИИЭСХ, 1998. 220 с.

28. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. ГОСТ 23728-88 23730-88. - М.: Госком. СССР по стандартам, 1988. - С. 1 - 9.

29. Руководящий документ. Испытания сельскохозяйственной техники. Сушильные машины и установки сельскохозяйственного назначения. Программа и методы испытаний. РД 10.1-91. С. 116 - 121.

30. Нормативно-справочный материал для экономической оценки сельскохозяйственной техники. Издание официальное. Ч. 1. М.: АгроНИИЭИИТО, 1988. - 201 с.

31. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Ч. 2. М., 1998. - 252 с.

32. Начитов Ф. Я. Краткий конспект лекций по курсу «Организация и управление производством»: Учеб. пособие / Ом. гос. аграр. ун-т. — Омск, 2000. 92 с.