автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности конвективной сушки зерна кукурузы в плотном слое

На правах рукописи УДК 663/664.047.3:(637.748+635.655)002.68(043.3)

: Г ОД 2 7 ПИТ '998

УРАЗОВ Михаил Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ЗЕРНА КУКУРУЗЫ В ПЛОТНОМ СЛОЕ

Специальность 05.18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте зерна и продуктов его переработки (ВНИИЗ)

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор,

академик Академии энергоинформационных наук В.А.Резчиков

Официальные оппоненты - Доктор технических наук, профессор

A.П. Рысин

Кандидат технических наук, доцент

B.И. Атаназевич

Ведущая организация - ОАО «Московский комбинат хлебопродуктов»

Защита диссертации состоится О/с'/Я&с^/ЗЯ 1998г. на заседании Диссертационного совета К.063.51.07 Московского Государственного университета пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11 Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совета университета. Автореферат разослан Се///7?Я<^>Я 1998г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат технических наук,

доцент И.М.Савина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью повышения эффективности сушки зерна кукурузы в слое за счет получения и обобщения новой информации о свойствах зерна, о кииетике его конвективной сушки при различных параметрах режима процесса, позволяющих определить варианты процесса, осуществление которых должно обеспечить совершенствование технологии сушки и разработку сушилок для получения сухого продукта требуемого качества при максимальной производительности оборудования и минимальных энергозатратах.

Цель работы состоит в постановке и проведении комплексных экспериментальных и аналитических исследований, результаты которых необходимы для обоснования рациональных режимов и технологических приемов конвективной сушки зерна кукурузы в слое, а также для развития методов расчета и моделирования ее вариантов.

Методы исследования.

Согласно основным положениям системного подхода определена последовательность выполнения работы: исследование свойств объекта и кинетики процесса; формализация информации; моделирование процесса; разработка аппарата для осуществления процессов и технологической линии.

1. Экспериментальные методы: для получения данных при построении изотерм сорбции (тензиметрия), кривых сушки в слое и термограмм процесса (применение массо- и термометрических систем для получения сведений об изменении массы и температуры материала при сушке на лабораторном стенде и экспериментальной установке). При постановке экспериментов осуществлялось планирование экспериментов, при обработке опытных данных применяли стандартные программы для ПЭВМ (метод наименьших квадратов).

2. Расчетно-теоретические методы: основные положения теории сушки (теория внутреннего и внешнего тепломассопереноса, аппроксимация кривых сушки и термограмм); математические мак-рокинетические модели сушки дисперсных материалов в слое.

Показатели качества зерна кукурузы (всхожесть, трещинова-тость) оценивались согласно отраслевым стандартам.

Научная новизна определяется следующими результатами:

- получены и обобщены новые данные о гигроскопических свойствах и термодинамических характеристиках зерна кукурузы (на примере желтой зубовидной);

- установлены особенности конвективной сушки зерна кукурузы в слое (определены равновесные влагосодержания, число Ребин-дера);

- обобщены новые экспериментальные данные об изменении во времени влагосодержания и температуры зерна кукурузы при конвективной сушке в слое;

- доказана возможность приближенного математического моделирования сушки зерна кукурузы на основе макрокинетических моделей, адаптированных для условий процесса в слое при конвективном энергоподводе.

Практическая ценность результатов:

- получены данные и соотношения, составляющие основу инженерного расчета конвективной сушки кукурузы и оборудования для ее осуществления (определение параметров режима, времени сушки, температуры материала, аэродинамического сопротивления слоя, энергозатрат, размеров сушильной камеры);

- предложена комплексная методика анализа сушки кукурузы в слое с привлечением экспериментальных данных и аналитических расчетных соотношений, позволяющая оценивать влияние параметров режима и условий сушки зерна кукурузы на эффективность процесса;

- разработан (на уровне изобретения), создан и испытан экспериментальный образец стационарной рециркуляционной зерносушилки колонкового типа производительностью 12,5 т/ч зерна кукурузы; просушена партия зерна рядовой желтой зубовидной кукурузы с начальной влажностью 23,0 - 28,0% до конечной влажности 14,0 -15,0%; достигнута фактическая средняя производительность сушилки в плановом исчислении 11,7 т/ч; удельный расход условного топлива на сушку в среднем составил 9,9 кг/т-ч, расход электроэнергии в среднем - 2,9 кВт/ т-ч; по результатам исследовательских испытаний экспериментального образца колонковой зерносушилки разработаны исходные требования на опытный образец стационарной рециркуляционной колонковой зерносушилки 25 пл.т/ч для зерна кукурузы.

Полученные соотношения для расчета кинетики сушки зерна кукурузы в слое использованы при разработке динамической модели зерносушилки, предназначенной для создания САР.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Состояние и перспективы развития теории технологии и техники сушки сельскохозяйственных продуктов»(Елгава, июнь 1979); на седьмом Всемирном конгрессе по зерну и хлебу (Прага, июль 1982); на Всесоюзной конференции «Автоматизация технологических процессов

и производств перерабатывающих отраслей промышленности» (Подольск, сентябрь 1989); на ученом Совете ВНИИЗ (1982,1985,1986, 1989); на НТС Минхлебопродуктов РСФСР (1986)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ, в т. ч. 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, общих выводов, списка литературы (104 наименования), 5 приложений; изложена на 159 страницах машинописного текста; содержит 31 рисунок, 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается недостаточно высокая эффективность применяемых в России сушильных установок (СУ) для зерна кукурузы. Перспективно совершенствование процессов и оборудования для конвективной сушки зерна кукурузы в слое, например, за счет увеличения толщины слоя, повышения равномерности полей скорости движения и температуры сушильного агента, рециркуляции потоков и др. Необходима новая информация о свойствах и особенностях кинетики сушки зерна кукурузы в слое, которая является основой для совершенствования технологии этого процесса и обоснования наиболее эффективных вариантов его осуществления.

В первом разделе приведен обзор публикаций по теме диссертации, отражающий современные сведения о составе, строении и свойствах зерна кукурузы, о существующих способах его сушки.

В период уборки и заготовки зерно кукурузы обладает повышенной влажностью, является нестойким при хранении, подвергается быстрой порче и нуждается в немедленной сушке. По своей форме, размерам, строению, физико-механическим и физиолого-биохимическим свойствам, а также теплофизическим и термодинамическим характеристикам оно значительно отличается от зерна колосовых культур. Поэтому для его сушки необходимо применять специальные технологические режимы и приемы сушки.

Рассмотрены возможности и целесообразность применения в данной работе аналитических и экспериментальных методов исследования сушки дисперсных материалов в слое. Аргументирована эффективность сочетания этих методов.

Показана целесообразность экспериментального получения новых первичных данных о гигроскопических свойствах и об особенностях конвективной сушки зерна кукурузы в слое. Аппроксимация этих данных позволяет получить соотношения, составляющие основу инженерных расчетов СУ. Аналитические зависимости, например, математические модели сушки дисперсных материалов,

б

разработанные проф. В.Ф.Фроловым, совместно с обобщенными результатами экспериментов, существенно расширяют возможности анализа и расчета процессов и установок для тепловой сушки зерна кукурузы и других материалов.

Анализ современного состояния вопроса показал, что для сушки зерна продовольственно-кормовой кукурузы применяют различные способы, технологические режимы и приемы. Они разработаны в большинстве случаев применительно к зерносушильным агрегатам шахтного типа, которые имеют ряд известных недостатков (не обеспечивают равномерной сушки и характеризуются низкими технико-экономическими показателями). Рециркуляционные прямоточные зерносушилки позволяют повысить эффективность сушки, но режимы, разработанные для них, также, как и для шахтных агрегатов, не учитывают особенности свойств зерна кукурузы. Показана принципиальная возможность сушки зерна кукурузы с применением предварительного подогрева. Этот'способ изучен недостаточно, однако, при учете комплекса свойств зерна кукурузы может обеспечить его эффективную сушку. Осуществление способа возможно при увеличенной толщине плотного зернового слоя кукурузы (до 500 мм).

Разработка и обоснование новых технологических режимов и приемов сушки зерна продовольственно-кормовой кукурузы в потоке с учетом всего комплекса свойств и целевого назначения, сохраняющих его ценные питательные достоинства, составляют актуальную задачу.

Кроме изложенной выше цели работы, сформулированы ее конкретные задачи:

- получить и обобщить новые данные о гигроскопических свойствах зерна кукурузы, на основании анализа которых определить его термодинамические характеристики, энергию связи влаги с материалом;

- экспериментально изучить особенности кинетики конвективной сушки зерна кукурузы в слое, обобщить кривые сушки и термограммы в виде соотношений для инженерного расчета интенсивности сушки и нагревания зерна;

- разработать комплексную методику расчета сушки в слое на основе обобщенных экспериментальных данных и математических зависимостей, моделирующих макрокинетику сушки в слое;

- на основании комплексной методики расчета сушки в слое, с учетом показателей качества зерна кукурузы и энергозатрат уточнить параметры режима сушки, оценить целесообразность теплотех-нологических решений для повышения эффективности процесса;

- разработать, изготовить и испытать высокоэффективную экспериментальную зерносушилку для зерна кукурузы.

Во втором разделе изложены методы и результаты наших экспериментально-аналитических исследований сушки зерна кукурузы.

На первом этапе выполнения исследований проводились эксперименты на лабораторной установке, позволившей предварительно оценить особенности конвективной сушки зерен кукурузы в плотном слое, толщиной от 0,2 до 0,5 м. Схема установки представлена на рис.1.

Установка представляет собой модель шахты 3 с размерами в плане 0,2 х 0,2 м, высотой 0,5 м. Шахта разборная, состоит из пяти ячеек, высота каждой 0,1 м. Установка оснащена электрическим калорифером I, обеспечивающим нагревание сушильного агента до температуры 150°С. Два вентилятора ПВУ 2, установленные последовательно, развивают давление в сети до 0,3 кПа и позволяют изменять скорость воздуха на рабочем участке от 0,2 до 1,2 м/с.

Регулирование расхода обеспечивается при помощи винтобой задвижки. Толщина зернового слоя изменялась с шагом 100 мм: от 200 до 500 мм. Изменение температуры нагрева зерна по высоте слоя контролировалось на протяжении всей сушки при выключенном вентиляторе. В каждой ячейке на различной глубине с шагом 50 мм симметрично установлены четыре хромеяь-копелевые (ХК) термопары 5. Запись температуры производилась потенциометрами КСП-4 (4).

При выполнении экспериментов получали данные для построения кривых сушки и термограмм (кривых зависимости температуры зерна от времени).

В опытах использовалось зерно желтой и белой зубовидной кукурузы сортов Буковинская-3 и Осетинская, используемой в крах-мало-паточной промышленности. К этому зерну предъявляются наиболее жесткие технологические требования, соблюдение которых гарантирует максимальный выход крахмала, а также высокое качество и питательную ценность зерна кукурузы и при другом целевом назначении. Сохранение всхожести на уровне 55% и более после сушки обеспечивает выход крахмала, удовлетворяющий технологическим требованиям, предъявляемым к зерну кукурузы. Такая методическая предпосылка позволяет наиболее полно оценить качество зерна кукурузы после сушки при исследовании процесса и обосновании режимов.

Схема лабораторной устснобки Зля сушки зерна 8 плотном неподвижном слое

I- Л

5 4

1

К)

\_/

Установка ХК—теры по сеченио ячейки

100

1 - электрокалорифер; 2 - вентилятор; 3 - камера (шахта); 4- - потенциометры; 5 - термопары.

Осуществляли искусственное увлажнение зерна кукурузы от 17% до 35%. Конечная влажность зерна была 13+15%. Зерно кукурузы увлажнялось при комнатной температуре, а затем периодически перемешивалось и выдерживалось при температуре -7°С в течение 4+5 суток.

При проведении экспериментов соблюдали следующие интервалы изменения основных параметров процесса: температура агента сушки - 80+140°С; скорость воздуха - 0,2+1,0 м/с; толщина зернового слоя - 200+500 мм; продолжительность сушки - 20+90 мин.

Охлаждение зерна в случае необходимости осуществляли атмосферным воздухом.

Измеряли и регулировали: температуру агента сушки ХК-термопарами, изменением нагрузки калорифера; температуру нагрева зерна по толщине слоя ХК-термопарами в каждой зоне; скорость агента сушки и охлаждающего воздуха при помощи винтовой задвижки; производительность установки - шлюзовым затвором выпускного механизма с регулируемым приводом.

Отбор проб для определения влажности осуществлялся зондом через отверстия в боковой стенке каждые 10 - 15 минут. Влажность сушильного агента измеряли аспирационным психрометром МВ-4М.

После сушки качество зерна кукурузы определялось по ГОСТ 3040-55 (определение влажности), ГОСТ 12038-66 (всхожесть и энергия прорастания), определялась трещиноватость зерна до и после сушки.

Использовали также стендовую установку, которая состоит из двух вертикальных теплоизолированных колонок шириной 500 мм, с перфорированными боковыми газораспределительными стенками. Зерно перемещалось в каналах вертикально, под действием силы тяжести и продувалось агентом сушки и охлаждающим воздухом в поперечном направлении. Толщина слоя зерна (каналов) регулировалась от 100 до 500 мм при помощи съемных перфорированных перегородок. Живое сечение перфорированных перегородок принято равным 36%.

Стендовая установка оснащена системой регулируемого выпуска зерна из шахты, нагрева и сушки, что дает возможность изменять ее производительность от 0,02 до 0,2 т/ч. Установка также оснащена двумя электрическими калориферами общей мощностью 36 кВт, позволяющими нагревать агент сушки до температуры 200°С, тремя вентиляторами высокого давления, развивающими давление 0,3 кПа, что обеспечивает продувание слоя зерна кукурузы до 500 мм.

Предусмотрен контроль температур агента сушки и средней температуры нагрева зерна.

На стендовой экспериментальной установке моделировалась сушка влажного зерна кукурузы в плотном подвижном слое с изменяющейся толщиной при поперечном одностороннем и реверсивном продувании его агентом сушки. Зерно предварительно подвергалось искусственному увлажнению в течение 2-4 суток. Для одного опыта готовили партию влажного зерна общей массой 150 кг. Продолжительность опыта составляла 40*60 мин.

Кроме того, часть экспериментов проведена на отдельной колонне.

Экспериментально тензимерическим методом определена зависимость равновесной влажности зерна кукурузы wc (желтой зубовидной сорта Буковинская и белой зубовидной сорта Стерлинг) от влажности воздушной среды и температуры. Исходная влажность зерна - от 21,3 до 23,5% (на сухую массу).

Анализ априорной информации и предварительных опытов позволил выбрать в качестве рабочего ротатабельный центральный композиционный униформ-план (РЦКП), теория и методика применения которого хорошо разработаны. Опытные данные обрабатывались на ЭВМ по стандартной программе методом наименьших квадратов. Рассчитаны среднеарифметическая и относительная погрешности полученного уравнения, множественный коэффициент корреляции (0,985), значимость коэффициентов и адекватность модели.

В результате обработки данных получено адекватное уравнение регрессии для определения равновесной влажности зерна кукурузы (в процентах) при десорбции

' "Wp =7,39 + 0,055q> - 0,024t + 0,0007ср2 (1)

для интервалов изменения величин: 30<ф<80%; 25<t<55°C;

20< мР< 25%. Здесь ф и t, соответственно, относительная влажность и температура воздуха.

Расхождение вычисленных и найденных опытным путем значений не превышает 6,8%. На основании этих результатов определены термодинамические и массообменные характеристики в зависимости от изменения wc по методике Л.М.Никитиной.

Рассчитаны химический потенциал массопереноса, удельная • изотермическая массоемкость, термоградиентный коэффициент, дифференциальная теплота адсорбции, энергия связи влаги (гсв) при различной влажности зерна. Оказалось, что гсв изменяется в пределах от 141 до 247 кДж/кг и должна учитываться при расчетах процесса сушки.

Эксперименты по сушке зерна в слое проводились на лабораторной установке при изменении: температуры сушильного агента перед слоем (tc a) в пределах от 80 до 140°С; скорости подаваемого в

слой сушильного агента (ис.а.) - от 0,2 до 0,9 м/с; высоты слоя (Н) - от 0,09 до 0,35 м. На сушку поступало зерно кукурузы с начальной

влажностью (v?|J) от 27,6 до 35,8%. Время процесса 30 мин (тс). Конечные средние влажность (й>£) и температура (<?к) изменялись в пределах, соответственно: 15,6 - 24,8%; 53-74°С.

На рис. 2 показан один из построенных по опытным данным характерный совмещенный график, иллюстрирующий особенности кинетики сушки зерна кукурузы в слое. Точки соответствуют пер/ —с \

вичвым экспериментальным данным о средних влажности (w ) и температуре( 8 ) слоя в зависимости от времени (т).

Вне зависимости от толщины слоя сушка происходила с убывающей скоростью и при непрерывном возрастании температуры зерна в течение всего процесса.

На выходе из слоя относительная влажность сушильного агента составляла 50-60%, а температура на 3-5°С превышала температуру нагревания зерна на 3-5°С, что свидетельствует об эффективном использовании потенциала сушки.

Кроме того, получены экспериментальные данные о распределении температуры зерна (9) по толщине слоя (h). Максимальная неравномерность температурного поля зерновой массы соответствует зоне слоя, прилегающей к наружной поверхности, через которую поступает сушильный агент и в которой процесс происходит при наибольших перепадах температуры (более 25°С). Очевидно, что актуальным является расчет полей температуры и влагосодержания слоя, на основании которого могут быть приняты меры, повышающие равномерность распределения температуры зерна (например, реверсирование потока сушильного агента).

Оценивалось также влияние высоты слоя (Н) на скорость сушки при прочих равных условиях. При увеличении высоты слоя в 2 раза (от 0,2 до 0,4м) максимальная скорость сушки уменьшалась от 0,78 до 0,6 %/мин.

При обобщении данных о кинетике сушки для получения расчетных соотношений, определяющих время процесса, принята концепция, предложенная профессором A.C. Гинзбургом, согласно которой сушку рассматривают, как сложный термодинамический процесс взаимодействия материала и агента сушки, стремящийся к состоянию равновесия. Определяющее влияние на ход сушки оказывает начальный максимальный импульс скорости. Для реализации этой концепции нами использованы кривые скорости сушки. С целью количественной оценки начального импульса определяли максимальную скорость сушки.

Кривые кинетики сушки зерна кукурузы в слое ^ЗО^Сги^О.З-О^ м/с; Н=0.2м; 0^=33,8'

\\ \\ \ N

, \ \ \ \ \у ь IV й т) (7]

/ у^! Хл ___? N - ¿5с,':)

0 10 20 30 Бремя.1:, мин

0.2 0.6 1.0 1.-1 1.3 Старость, сущхл.Х. '»ЛшК

_- аппроксимация данных опытов

___- аналитический расчет

х - экспериментальные данные. ¿ос(т) (?) - тоже,В(т)

Все экспериментальные результаты обобщены и представлены на рис.3 графически в координатах N/Nmax=f(U). Здесь N и Nroax, соответственно, текущая и максимальная (для каждого опыта) скорости сушки; U-безразмерное влагосодержание материала, U = (U-Up)/(UH-Up); u, Up и u„ -текущее, равновесное и начальное влаго-содержания. Величина ир определялась по нашим данным о гигроскопических свойствах кукурузы.

График на рис.3 аппроксимирован соотношением: N/Nmax=Uu. (2)

При известных Nmax и U после интегрирования нами получена формула для определения времени сушки до заданного влагосодержания xc=(u„-up)/(NmaxU1'5). (3)

Формула позволяет оценить время сушки зерна кукурузы в слое с погрешностью, не превышающей 3-5 мин. при tc.a= 80-140uC; Н = 0,2-0,5м; ис.а. =0,2-0,9 м/с.

Кривая сушки, рассчитанная по формуле (3), показана на рис. 2 сплошной линией.

Для определения особенностей изменения температуры зерна выполнен совместный анализ термограмм 8 = f(t) и кривых сушки. Установлено, что согласно графику в = /(и) на рис.3 для условий и параметров экспериментов тепловой коэффициент b = (d9)/(du) « const и 400. Соответственно, число Ребиндера Rb= b-[c:7(r + гсв)] = 400[1962/(2256,8+200) 4О3] =0,32 и может быть принято постоянным при усредненных значениях удельной теплоемкости зерна (с3), теплоты парообразования (г) и энергии связи с материалом (гсв).

В диссертации приведены результаты оценки числа Лыкова (Lu). Его усредненная величина оказалась равной 0,95-10"2, что соответствует скорости распространения изоконцентрационных поверхностей на два порядка ниже, по сравнению со скоростью распространения изотерм. Следовательно, определяющее значение при сушке кукурузы имеет теплоперенос. Кроме того, в диссертации доказана возможность пренебречь для условий выполненных экспериментов внутренним переносом теплоты в объеме зерновок и рассматривать внешнюю задачу теплообмена.

В связи с ограниченными возможностями постановки и проведения экспериментов для изучения кинетики сушки зерен кукурузы в слое нами выполнены исследования, позволяющие определить эффективность применения методики расчета этого процесса, разработанной профессором В.Ф. Фроловым, и адаптированной для задачи, решаемой в диссертации. Эта методика основана на ряде допуще-

Обработка данных опытов, М/Няк^Ц) 0.6

-1г N«4™

0,5

0,4

0,3 0,2

0,1

! Ь /

/

♦/с

/

-к и

Эксяерииентальиьге данные о зависимости 6=Г(и)

и с

) -

35

У1 Що

е

\

О 0,1 0,2 0,3 0.4 0.5 Влагссспгежанне.и. кг/кг

Зависимость та.*.? оп

б

/

1

\А Г

<

I) 0.1 0,2 0,3 0,4 0.5 Высота стоя. К, и

ний: сферичность и монодисперсность частиц, линейность зависимости скорости сушки от текущего влагосодержания материала, возможность пренебречь внутренним (в объеме частиц) тепломассо-переносом.

При условии, что Rb ~ const, могут быть приняты следующие расчетные формулы, полученные В.Ф. Фроловым аналитически. Скорость сушки в слое:

= Л(и-ир )ехр|-В*%-ир \l + Rb)dlj, (4)

где А = 6a(tQ -в)([ртгс{^и ~up)d\,

В* = 6a(l - s){cG(uH - up)f] = B/{uH - up )

Здесь: a - коэффициент теплоотдачи при взаимодействии сушильного агента с материалом, Вт/(м2К); G - массовый расход сушильного агента, кг/(м2 'с); рг - плотность частиц (зерен кукурузы),

кг/м3; е - порозность слоя, г риас - насыпная плотность

РТ

слоя, кг/м3, £• «0,45;<d - средний эквивалентный диаметр частиц, d = 0,0048 м (по справочным данным).

В связи с необходимостью расчета а согласно рекомендациям М.Э. Аэрова, О.М. Тодеса и Д.А. Наринского принято расчетное соотношение

Nu3 = 0,395 Re°M-Pr0Ji . (5)

В качестве определяющего размера здесь принят эквивалентный диаметр каналов, d3, образующихся в слое частиц, который определяется по формуле: d3 ~ Asd/[6(1-E)].

Нами выполнены расчеты а для параметров режима экспериментов, при которых а = 76,8- 136,7 Вт/(м2'к).

Для расчета нестационарных полей влагосодержания нами использована формула:

( \ ^Н ^ р

Up + 1+[ехр(л г)ч]ехр[-(1+Дб)ЯЛ] ' (6)

Среднее по слою значение влагосодержания материала определяется интегрированием распределения (б) по высоте:

Для расчета нестационарных полей температуры материала нами принято аппроксимирующее соотношение , полученное при условии в !и=и =0 0:

1п(1+—ы„)-1п(1+—н)

-г J

1п(1+-^-иЛ)-1п(1+—Мр)

Су- С'р

(8)

Здесь с„- удельная теплоемкость воздуха, С1—с3 Для определения возможности и эффективности применения соотношений (6), (7), (8) нами выполнено сравнение расчетных экспериментальных данных. Результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений конечного влагосодержания зерна кукурузы («к м™ и кк,р) показаны в таблице.

Таблица 1

Результаты расчета конечного влагосодержания зерна

№№ опыта «о, "С и», кг/кг ир, кг/кг Н, м в кг/м2с А В* В и к.р и К.ЭКСП

1 130 0,316 0,08 0,2 0,5 0,02 564,6 133,2 0,146 0,178

2 80 0,352 0Л4 0,2 0,5 0,012 626,2 132,8 0,22 0.232

3 80 0,338 0,14 0,2 0,85 0,018 560,5 111 0,188 0,1905

4 90 0,318 0,13 0,3 0,85 0,017 587,2 110,4 0,188 0,205

5 80 0,358 0,14 0,09 0,25 0,0059 793,8 173,1 0,257 0,248

6 120 0,276 0,09 0,35 0,35 0,013 817,2 152,0 0,214 0,182

7 140 0,290 0,08 0,35 0,35 0,013 721,0 151,4 0,22 0,156

Кроме того, по соотношениям (7) и (8) рассчитаны кривые сушки, например, (пунктирная линия на рис. 2) и термограммы.

Расхождение расчетных и опытных величин находится в пределах 10-30%, что определяет возможность применения аналитических соотношений для оценочных расчетов.

Для расчета времени сушки по формуле (3) необходимо определение 7Утах, например, по данным кратковременных экспериментов (г = 2+5 мин.). Однако, это не всегда возможно, что и определило целесообразность выяснения эффективности расчетной оценки . Сравнение величины Ытах.Р, полученной по формуле (7), с Л'та,.3 показало их существенное различие, что объясняется прежде всего серьезными допущениями, принятыми при разработке математической модели. Кроме того, значительное (в несколько раз) превышение действительной (экспериментальной) скорости сушки над расчетной можно объяснить тем, что в начале процесса развитая по-

верхность пор в поверхностных слоях зерновок и зародыше определяет повышенную интенсивность внешнего тепломассообмена. Далее, по мере удаления влаги возрастает диффузионное сопротивление потоку массы из объема зерновок и, соответственно, различие расчетной и экспериментальной скоростей сушки уменьшается.

Для оценки Nmm (с точностью 15-7-20%) получена эмпирическая зависимость, определяющая величину отношения Nmax JNmax.p^KH от Н (Рис.3):

tf„ = l+10,6H. (9)

Для решения теплотехнологических задач, например, повышения качества зерна за счет осуществления изменения направления движения сушильного агента, необходима информация о нестационарных полях влажности (влагосодержания) и температуры зерна. Расчетно приближенное определение этих полей может быть выполнено на основе уравнений (6) и (8). Их анализ позволяет по времени, соответствующему достижению равновесного влагосодержа-ния на поверхности слоя зерна, оценивать время изменения направления движения сушильного агента, определять эффективные меры для устранения перегрева и пересушивания зерна, решать задачи кинетической оптимизации.

Изучение особенностей сушки зерна кукурузы при реверсировании сушильного агента выполнено нами экспериментально, т.к. получить информацию о полях и и 6 с достаточной точностью расчетно не удалось. Опыты проводили на стендовой установке, высоту слоя изменяли от 0,3 до 0,5 м.

Увеличение скорости сушки при реверсивном продувании по сравнению с односторонним продуванием согласно опытным данным достигало 0,1%/мин. Отмечено также снижение неравномерности нагрева и сушки по толщине слоя. Температура зерна не превышала 60°С, т.е. соответствовала предельно допустимым значениям. Всхожесть зерна при температуре агента сушки 120°С снижалась не более, чем на 10% при начальной всхожести 64%. В пристенных слоях потемневших, перегретых и трещиноватых зерен не наблюдалось.

Кроме того, на стендовой установке выполнена оценка энергетических затрат на сушку по результатам теплового баланса. Толщина слоя зерна изменялась от 0,25 до 0,35 м, начальная температура сушильного агента - от 90 до 170°С.

Полученные экспериментальные данные показали, что при толщине зернового слоя 300 - 350 мм, использование тепла сушильного агента увеличивается на 5,0 - 8,0% по сравнению со слоем толщиной 200 - 250 мм, за счет снижения потерь тепла с отработанным агентом при уменьшении его температуры. Количество испа-

реиной влаги, величина которого определяет производительность сушилки, в слое 300 - 500 мм на 3,0 - 7,0% больше, чем в слое 200 -250 мм.

Установлено, что в слое толщиной 300 - 350 мм нагрев зерна, испарение из него влаги происходят более равномерно.

Получены также на специальной лабораторной установке данные о затратах электрической энергии на продувание сушильного агента через слой зерна кукурузы при его высоте до 0,5 м. Для условий опытов установлено, что при возрастании скорости сушильного агента на 0,2 м/с, гидравлическое сопротивление возрастает в 3-4 раза. Удельные затраты электроэнергии, при увеличении скорости агента сушки больше 0,7 м/с и продувании слоя толщиной свыше 400 мм, возрастают по сравнению с этим показателем для существующих шахтных сушилок на 25 - 30%. Исходя из этого, при продувании слоя кукурузы толщиной 300 - 400 мм, целесообразно ограничить скорость воздуха (не более 0,7 м/с).

При обосновании параметров режима сушки исходили из необходимости сохранения его всхожести не менее 55%. Сделан вывод о том, что всхожесть не менее 55% при сушке зерна кукурузы может быть обеспечена при температуре сушильного агента не выше 130°С и продолжительности процесса не более 60 мин. Температура зерна не должна превышать 60°С.

Б третьем разделе представлены сведения о реализации результатов исследований.

Анализ отраслевой информации показал, что существенное повышение эффективности зерносушилок может быть обеспечено при использовании систем автоматического регулирования (САР) с управляющей вычислительной машиной. Достижимыми являются увеличение их производительности (на 60 и более %%), снижение энергозатрат (около 25 %) при сроке окупаемости от 3,5 до 5,8 лет. В связи с этим с нашим участием ВНПО «Зернопродукт» и Институт проблем управления РАН разработали описанную в диссертации математическую модель сушки зерна кукурузы и других культур, позволяющую обеспечить управление сушкой по параметрам влажности и температуры зерна.

Из-за сложности задачи моделирования зерносушилок с высокой точностью для разработки и исследования системы управления целесообразно использовать приближенную, качественную модель, отражающую основные динамические свойства главных параметров сушилки и управляющих воздействий. Предлагается при описании модели рассматривать весь тракт движения зерна в сушилке по отдельным участкам — слоям. В каждом слое зерно характеризуется одинаковой усредненной температурой и влажностью. Изменение

влажности и температуры зерна по слоям и во времени определяется системой линейных уравнений, содержащих параметры модели -коэффициенты, численно определяющие скорость изменения влажности N1 и температуры В.

По результатам экспериментов при сушке зерна пшеницы в слое Н,=3-10'6 %-с"1,В=5-10_4 с"1; зерна кукурузы -М,=5-10"6 % с1, В=1,Ы0"3 с'1. N1 и В для кукурузы превышают их значения для пшеницы, что является следствием более жестких режимов сушки.

Для оценки N1 и В могут быть привлечены зависимости для расчета N (т) и 9, (т), предложенные нами и приведенные выше.

Анализ результатов выполненного моделирования показал их адекватность опытным данным, полученным на установке ЗС ДСП-24. Принятый вариант структуры модели обладает достаточным набором параметров для соответствующей настройке под объекты, статические характеристики и динамические свойства которых лежат в широких пределах. Описанная модели, результатов ее реализации и САР приведены в диссертации.

Результаты исследований позволили также разработать колонковую сушилку производительностью 12,5 т/ч, основным элементом которой является ограниченный перфорированными стенками вертикальный канал, по которому под действием силы тяжести перемещается зерно. Технологическая схема этой сушилки предусматривает наличие симметричных продольных шахт для сушки и охлаждения, рециркуляционной нории и нории охладительной колонки , вентиляторов сушильной и охладительной колонок, бункеров тепло-влагообмена, выпускных механизмов, делителя зернового потока и топки.

Сырое зерно смешивается в башмаке рециркуляционной нории с частью просушенного нагретого зерна. Смесь зерна подается в

бункер тепловлагообмена, где происходит отлежка в течение 12-15 мин. Далее смесь зерна с «выровненной» температурой направляется в шахты сушильной колонки, где в течение 25^30 мин происходит ее сушка. На выходе из шахты один из потоков направляется на рециркуляцию, а второй - в охладительную колонку.

Экспериментальный образец рециркуляционной колонковой зерносушилки производительностью 12,5 т/ч разработан с нашим участием Целиноградским филиалом ЦКТБ ВНИИЗ и был испытан на Холмском элеваторе Краснодарского края.

Кроме того создана линия для переработки кукурузы, включающая передвижную кукурузную молотилку МКП-30, сушильную и охладительную колонки сушилки, платформенные весы с установленными на них бункерами, а также транспортные механизмы.

При испытаниях определены параметры зерна и воздуха на входе и выходе из сушилки, расход натурального топлива и электроэнергии, изменение показателей качества зерна в процессе сушки. Определены эксплуатационные показатели: температура сушильного агента - 12(ЫЗО°С; влажность сырого зерна - 23,5-28,5 %; влажность просушенного зерна - 13,8-17,4 %; температура сырого зерна - 3-12°С; температура охлажденного зерна - 12-28 С; температура нагрева зерна - 40-46°С; средняя производительность сушилки -11,7 пл.т/ч; средний удельный расход условного топлива - 9,9 кг/пл.т; средний удельный расход электроэнергии - 2,9 кВт.ч./пл.т; полученный удельный расход топлива - ниже расчетного; расчетный удельный расход условного топлива - 11,2 кг/пл.т; расчетный удельный расход электроэнергии - 2,7 кВт,ч./пл.т. Количество поврежденных зерен при сушке увеличивается в среднем на 0,5 %. Сорная примесь за счет ее уноса при сушке снижается в среднем на 0,8 %. Металлоемкость, затраты условного топлива и электроэнергии на единицу плановой производительности, по сравнению с аналогом и прототипом - зерносушилками РД 1x25-70 и ДСП-32от, снижены на 10 15 %

По результатам испытаний, во ВНИИЗ с нашим участием, разработаны исходные требования на опытный образец стационарной рециркуляционной зерносушилки производительностью 25 т/ч.

. Кроме того, в результате исследований, нами выполнен ряд смежных разработок, в т.ч. на уровне изобретений, реализация которых направлена на повышение эффективности зерносушилок.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Совершенствование сушки многоцелевой культуры - кукурузы, является важной народнохозяйственной задачей, для решения которой необходима новая информация о свойствах кукурузы, как объекте сушки, о кинетике этого процесса, а также разработка эффективных технологических и технических решений для его осуществления. При этом следует учитывать прежде всего требования технологии переработки кукурузы и необходимость сбережения энергии.

2. Ранее изучены различные свойства зерна кукурузы (физико-химические, структурно-механические, теплофизические, электрофизические и др.). Однако недостаточно полно и не для всех сортов кукурузы известны гигроскопические свойства и термодинамические характеристики, необходимые для анализа и расчета процессов тепломассопереноса, являющиеся определяющими при поиске путей совершенствования сушки.

Поэтому нами экспериментально тензиметрическим методом получены изотермы десорбции семян кукурузы (желтой зубовидной сорта "Буковинская" и белой зубовидной сорта "Стерлинг"), на основании которых при различных температуре и влажности определены значения равновесной влажности, энергии связи влаги, химического потенциала массопереноса, удельной изотермической мас-соемкости, термоградиентного коэффициента и др.

3. В большинстве работ предшественников, содержащих данные о тепловой сушке зерна кукурузы, недостаточно обобщенной информации, позволяющей рассчитать скорость и время процесса, температуру зерна. В связи с этим нами установлены соотношения, аппроксимирующие опытные данные в широком диапазоне изменения параметров режима сушки зерна в слое. В условиях опытов этот процесс происходит в периоде уменьшающейся (падающей) скорости, при непрерывном росте температуры зерна.

4. Для расширения возможностей расчета и анализа сушки кукурузы обоснован выбор макрокинетической модели кинетики процесса, ранее разработанной профессором В.Ф. Фроловым, которая разработана при ряде допущений (о сферичности и монодисперсности частиц, об отсутствии влияния пористости зерен, о линейном характере уменьшения скорости сушки). Нами выполнены исследования, позволившие оценить точность результатов расчета на основании модели, а также повысить эту точность за счет использования коэффициентов, определяемых экспериментально при минимальном объеме опытов.

При адаптации модели для наших условий сушки кукурузы в слое установлено, что число Ребиндера практически постоянно. Это позволило значительно упростить аналитические зависимости, рекомендуемые для практического применения при расчетах и анализе кривых сушки, термограмм, нестационарных полей влажности и температуры в слое зерна.

5. По результатам экспериментов обоснованы и рекомендованы параметры режима сушки зерен кукурузы в слое (температура сушильного агента, скорость его движения, высота слоя) с учетом технологических требований (прежде всего всхожести зерен), энергосберегающих эффектов (за счет повышения эффективности использования сушильного агента в слое, высоту которого целесообразно увеличить до 0,4-0,5 м; за счет ограничения скорости сушильного агента),

6. Применение новых опытных данных и расчетных соотношений, в т.ч. определяющих время целесообразного изменения направления подачи сушильного агента при анализе нестационарных полей влажности и температуры зерна, позволило разработать и ис-

пытать опытно-экспериментальную колонковую сушилку для кукурузы производительностью 12,5 т/ч в линии для переработки кукурузы. Разработаны исходные требования на опытный образец сушилки для зерна кукурузы, производительностью 25 т/ч. Кроме того, созданы математическая модель и АСУ, обеспечивающие повышение эффективности сушилок для зерна кукурузы.

Список печатных работ по теме диссертации

1. Авторское свидетельство СССР на изобретение "Рециркуляционная зерносушилка" № 715907. Бюллетень № б, 15.02.80 (ВЛ. Резчиков, М.Ю. Уразов).

2. Авторское свидетельство СССР на изобретение "Способ тепловой обработки сыпучих термочувствительных материалов" № 861897. Бюллетень № 33, 07.09.81 (В.А. Резчиков, С.Н. Орлов, М.Ю. Уразов).

3. Уразов М.Ю. Исследование процесса сушки зерна кукурузы в слое толщиной 500 мм. // статья в трудах ВНИИЗ "Сушка зерна". Вып. 97, Москва, 1981. С. 48 - 54.

4. Резчиков В.А., Ковешникова И.А., Уразов М.Ю. Рециркуляционные зерносушилки колонкового типа. // статья в инф.сборнике "Совершенствование технологии сушки зерна". Вып.8. Москва, ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1982.

5. Резчиков В.А., Уразов М.Ю. Опыт создания колонковых рециркуляционных зерносушилок. // Тез.докл. Седьмого Всемирного конгресса по зерну и хлебу. Прага, июль 1982.

6. Уразов М.Ю., Резчиков В,А. Экспериментальное исследование гигроскопических свойств зерна кукурузы. // Сб. научных тр. ВНИИЗерна "Повышение научно - технического уровня техники и технологии в элеваторной, мукомольной и крупяной промышленности". Вып. 113. Москва, 1989. С. 154 -165.

7. Уразов М.Ю. Расчет кинетики сушки зерна кукурузы в слое. // Хлебопродукты. - 1998. - № 9. - с. 14 - 15.

M.Urazov

Dissertation "The advance of convection performance of drying grain of corn in massive lay"

Speciality 05 18 12 - Processes and Apparatus of Food Production

ABSTRACT

A new information about the quality of grain of corn as a object of drying has been came by. New complex experiments and calculations, founded on investigation of adaptation macrokinetic mathematical model have been acquited. A new effective grain dryer column has been -designed.

Заказ №91.Тираж 100 экз. Печать офсетная.

Издательский комплекс МГУПП. 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11