автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности послеуборочной обработки льнотресты в рулонах путем оптимизации параметров процесса сушки и режимов работы оборудования

На правах рукописи

Шушков Роман Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЛЬНОТРЕСТЫ В РУЛОНАХ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СУШКИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 МАР 2015

Вологда-Молочное - 2015

005559747

005559747

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина».

Научный руководитель: Оробинский Дмитрий Федорович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Пашин Евгений Львович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии производства льняного волокна ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет»

Углин Владислав Константинович,

кандидат технических наук, заведующий технологическим отделом ФГБНУ «Северо-Западный научно-исследовательский институт молочного и лугопаст-бшцного хозяйства»

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт механизации льноводства»

Защита диссертации состоится «28» апреля 2015 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « ? Г » 2015 г.

Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru, http://spbgau.ru.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Смирнов Василий Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Лен-долгунец - ценнейшая техническая культура, используемая в медицине, текстильной, пищевой и оборонной промышленностях, автомобилестроении, строительстве, коммунальном хозяйстве, при производстве бытовой химии.

Вологодская область - исторический центр льноводства. Здесь сохранены не только многовековые традиции, но и полный комплекс предприятий от выращивания и первичной переработки до выпуска готовых тканей и изделий из них.

В последние годы в Вологодской области на поддержку льноводства выделяются значительные денежные средства. В январе 2008 года стартовала областная целевая программа «Развитие льняного комплекса Вологодской области на 2008-2012 годы». Продолжением её явилась подпрограмма, заработавшая с января 2013 года и реализуемая в рамках государственной программы «Развитие агропромышленного комплекса и потребительского рынка Вологодской области на 2013-2020 годы». Однако финансовые вливания не являются залогом эффективности льняной отрасли.

На Вологодчине подъем льнотресты обычно проводится во второй половине августа. В это время наблюдается небольшое количество солнечных дней при значительном числе дождливых и пасмурных, высокая относительная влажность и сравнительно низкая температура воздуха. Это приводит к растягиванию периода уборки до конца сентября и к большим потерям выращенного урожая, достигающим в отдельные годы 40-50%. Недобор урожая из-за погодных условий резко снижает рентабельность производства культуры.

Так в 2011 г. в Вологодской области было отведено под лен-долгунец 9145 га, урожай тресты убран с площади 4927 га, потери составили 46,2%. В 2012 г. было засеяно 6202 га, а урожай убран с площади 3363 га, потери составили 54,2%. В 2013 г. засеяли 4940 га, убрали 4350 га, потери составили 12%. Недостаточное внимание к проблеме сохранности льносырья является одной из причин низкой эффективности льняной отрасли.

Чтобы сохранить урожай в период уборки в условиях повышенного увлажнения предлагается применять, как элемент технологии уборочных работ, искусственное досушивание рулонов льнотресты. Процесс искусственной сушки достаточно энергоемкий, поэтому для снижения расхода энергии необходимо максимально использовать испарительную способность сушильных установок. В связи с этим для сохранения выращенного урожая льнотресты и уменьшении энергоемкости досушивания рулонов необходимо исследовать процесс сушки, с целью его интенсификации.

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н.В. Верещагина в соответствии с планом НИР по теме «Разработка и исследование ресурсосберегающей технологии сушки рулонов льна в условиях Северо-Запада Российской Федерации», зарегистрированной в ФГАНУ ЦИТиС под №01201252924.

Цель исследований. Повышение эффективности послеуборочной обработки льнотресты в рулонах путем оптимизации параметров процесса сушки и режимов работы оборудования.

Объект исследований. Технологический процесс сушки влажной льнотресты, спрессованной в рулон, выполняемый экспериментальной сушильной установкой.

Предмет исследований. Закономерности процесса сушки льнотресты, спрессованной в рулон.

Методы исследований. Решение поставленных задач проведено с использованием как стандартных, так и частных методов исследований с применением математического моделирования, планирования эксперимента и обработки данных на ЭВМ. Работа включает теоретические и экспериментальные исследования. Достоверность основных положений работы проверялась в ходе лабораторных экспериментов и производственных испытаний, проводимых по общепринятым методикам. Исследования по изучению закономерностей сушки льнотресты в рулоне осуществлялись с использованием гравиметрического метода определения влажности, а также экспресс-методом при помощи влагомеров WILE-25 и BJTP-1. Статистическую обработку опытных данных осуществляли с помощью дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов при использовании пакета прикладных программ Statgraphics Centurion XV и Microsoft Excel 2010.

Научную новизну составляют:

- методика теоретического обоснования конструктивно-технологических параметров устройства для сушки рулонов льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона;

- имитационные модели для моделирования процесса досушивания рулонов льнотресты и моделирования работы технологической линии досушивания;

- математические зависимости процесса сушки рулонов льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона;

- способ равномерной сушки льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона.

Практическую значимость представляют:

- рабочий орган устройства для подачи теплоносителя в рулон льнотресты;

- программы для ЭВМ, позволяющие моделировать процесс сушки льнотресты в рулоне и работу технологической линии досушивания рулонов льнотресты (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ №2014660010 и №2014611542);

- способ равномерной сушки льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона, обеспечивающий качественную сушку рулона при уменьшении энергетических и материальных затрат и техническое средство для его выполнения (патент на изобретение №2524265);

- оптимальные параметры процесса сушки и режимы работы сушильной установки, обеспечивающие эффективное протекание процесса искусственной сушки льнотресты, спрессованной в рулон.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке рабочего органа для подачи теплоносителя в рулон льнотресты, реализованы при обосновании конструктивных параметров и режимов работы установки для досушивания рулонов льнотресты.

Разработанный и изготовленный опытный образец сушильной установки прошел производственную проверку в условиях сельскохозяйственного предприятия ЗАО «Шексна» Шекснинского района Вологодской области.

Опытный образец сушильной установки и разработанные программы моделирования на ЭВМ внедрены и используются в учебном процессе на инженерном факультете ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н.В. Верещагина.

Положения, выносимые на защиту:

• энергосберегающий способ равномерной сушки льнотресты при подаче теплоносителя внутрь рулона;

• конструктивно-технологические параметры рабочего органа устройства для сушки рулонов льнотресты;

• оптимальные параметры и режимы работы оборудования для сушки рулонов льнотресты;

• результаты технико-экономической оценки эффективности исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной

работы докладывались на: V, VI и VII Ежегодных смотр-сессиях аспирантов и молодых ученых ВГМХА им. Н.В. Верещагина (г. Вологда), (2011, 2012 и 2013 гг.); Международной научно-практической конференции ППС и аспирантов СПбГАУ (г. Санкт-Петербург), (2012, 2013 и 2014 гг.); Международной научно-практической конференции молодых ученых СПбГАУ (г. Санкт-Петербург), (2013 г.); VIII Международной научно-практической конференции СЗНИИ-МЭСХ (г. Санкт-Петербург), (2013 г).

Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ. По результатам исследований получены 1 патент на изобретение и 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 180 страницах компьютерного текста, содержит 16 таблиц, 51 рисунок. Состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 185 наименований, в том числе 5 на иностранных языках, и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» приведен анализ технологий уборки льна-долгунца, проанализированы погодные условия в период уборки льна, дана характеристика процесса сушки льняной тресты, представлен обзор технических средств для сушки рулонов сельскохозяйственных культур, рассмотрены вопросы энергоемкости процесса сушки льнотресты в рулонах.

Большой вклад в изучение физико-математических процессов тепломассообмена при сушке различных материалов внесли работы Рамзина JI.K., Лебедева П.Д., Филоненко Г.К., Поснова Б.А. и других исследователей. Метод построения кривых, описывающих кинетику процесса сушки, разработал Лыков A.B. Глубокие основы теории и практики сушки и увлажнения лубоволокни-стых материалов заложены в трудах Фальковского И.М., Хомуцкого Н.Д., Су-метова В.А. и др. Исследованиями процесса сушки льнотресты в толстом слое (в рулоне) занимались Тарлецкий А.Г., Оробинский Д.Ф., Дьячков В.А., Вайн-руб А.И., Дубкова И.А., Егоров М.Е., Зеленко В.И., Мухин В.В., Федик Л.Ю. и другие исследователи.

По результатам проведенного анализа выявлены причины низкой эффективности льноводства в Вологодской области и рассмотрены возможные пути их решения. Обращено внимание на энергосбережение при искусственной сушке урожая льна, в связи с чем, необходимо изыскание новых способов сушки льнотресты и рабочих органов, обеспечивающих подачу теплоносителя внутрь рулона.

На основании анализа была сформулирована рабочая гипотеза, цель и задачи исследований. В соответствии с целью исследований было предусмотрено решение следующих задач:

- разработать энергосберегающий способ сушки льнотресты, прессованной в рулоны;

- разработать конструкцию распределителя теплоносителя, обеспечивающую подачу и распределение теплоносителя внутри рулона;

- обосновать конструктивно-технологическую схему сушильной установки для искусственной сушки рулонов льнотресты с подачей теплоносителя внутрь рулона, обеспечивающую экономию энергозатрат на технологический процесс;

- обосновать оптимальные параметры и режимы работы оборудования для сушки льнотресты в рулонах;

- провести технико-экономическую оценку эффективности способа сушки льнотресты с подачей теплоносителя внутрь рулона.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса сушки рулонов льнотресты» дано теоретическое исследование процесса сушки рулона льнотресты.

Из практики работы льноводов ЗАО «Шексна» Шекснинского района Вологодской области и проведенных полевых экспериментов можно сделать вывод, что максимально возможная влажность льнотресты при прессовании не должна превышать 40%. Излишне влажная треста может слипаться, при этом в рулоне образуются области, через которые теплоноситель не сможет пройти, что негативно скажется на последующей искусственной сушке. Также при формировании рулонов льнотресты повышенной влажности наблюдались отдельные случаи забивания пресс-подборщиков.

Сушат тресту в рулонах до влажности 19%, при которой обеспечивается её надежная сохранность.

В результате анализа кинетики и тепломассообмена в процессе сушки рулонов льнотресты определены основные способы интенсификации и энергосбережения.

Для интенсификации процесса сушки рулонов льнотресты предлагается устройство, позволяющее подавать теплоноситель непосредственно внутрь рулона (рисунок 1). Устройство состоит из полого цилиндра (распределителя теплоносителя) 2, на котором по высоте и окружности размещены отверстия, конуса 3 для прокалывания рулона и воздуховода 1 для подачи теплоносителя.

Устройство работает следующим образом. В середину рулона льнотресты 4 вводится распределитель, с помощью которого теплоноситель с заданными параметрами (температура, скорость) подается непосредственно внутрь рулона и распределяется в нем.

Преимущество предлагаемого способа сушки рулонов льнотресты и устройства для подачи теплоносителя в рулон заключается в следующем:

- во-первых, процесс сушки идет интенсивнее и равномернее, так как просушиваемый слой тресты по диаметру одинаков и теплоноситель пронизывает слой с одинаковой скоростью;

- во-вторых, поверхностная влага перемещается от центра рулона к периферии значительно быстрее и зависит от скорости движения теплоносителя;

- в-третьих, поверхностная влага, достигнув внешней части рулона, за счет перепада давлений быстрее уходит с поверхности рулона.

Мп •

®!®11Г

Рисунок 1 — Устройство подачи теплоносителя внутрь рулона:

1 - воздуховод;

2 — распределитель теплоносителя;

3 - конус; 4 -рулон

льнотресты

1

—■ \ Теплоноситель

Установлено, что закономерность распределения теплоносителя по длине распределителя можно описать уравнением Бернулли:

р, + Н,у + а, ^у = рп + Нпу + ап ^у

(У.-УпГ

у + И

сум *

(1)

28' '" "■ "2ё' 2g где р! и рп — статические давления в начальном и конечном сечениях потока, Па; Н, и Нп - высота расположения сечений потока воздуха над произвольно выбранной горизонтальной плоскостью, принятой за плоскость сравнения (рисунок 1), м; у - плотность воздуха, кг/м3; а, и а„ - коэффициенты кинетической энергии, учитывающие неравномерность распределения скоростей в начальном и конечном сечениях потока, а = 1,05-1,15; V] и уп - средние скорости движения

воздуха в начальном и конечном сечениях потока, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2; Ьсум - суммарные потери давления на преодоление сопротивлений при движении воздуха от начального сечения к конечному, Па.

Схема к расчету усилия внедрения распределителя теплоносителя в рулон

Усилие внедрения распределителя теплоносителя в рулон льнотресты определяется из выражения:

FBH = [q • ti • R р т • 1к • (sin а + ктр • cos а)] + [qG • 2п ■ R р т ■ Н 2 ■ ктр ], (2)

где q - нормальное напряжение в зоне конической части распределителя, Н/м2;

RpT - радиус основания конуса, м; 1к — длина образующей конуса, м; а -угол заострения, оптимальные значения а = 10-15°; ктр - коэффициент трения скольжения стали по льнотресте, в зависимости от влажности тресты к^ = 0,2-0,6; qc - нормальное напряжение в зоне цилиндрической части распределителя, Н/м2; Н2 - высота цилиндрической части распределителя, м.

Информационная модель объекта исследования для установления наиболее приемлемых величин факторов, управляющих процессом сушки льнотресты в рулоне, представлена на рисунке 3.

WH ÍB <ра

Рисунок 3 - Информационная модель объекта т исследования

МуД

Льняная треста, спресссйанная & рулон (сушка)

Входные параметры (факторы): температура теплоносителя °С; скорость теплоносителя на выходе из отверстий распределителя V, м/с; плотность прессования льнотресты в рулоне р, кг/м3.

Воздействие внешней среды: начальная абсолютная влажность льнотресты в рулоне и'н, %; температура окружающего воздуха и, °С; относительная влажность окружающего воздуха фв, %.

Выходные параметры [критерии оптимизации]: время сушки рулона т, ч; удельный расход электроэнергии на испарение влаги Ыуд, кВт ч/кг.

Выбранные факторы: температура теплоносителя, скорость теплоносителя и плотность прессования льнотресты значимы и линейно независимы. Предельные значения этих факторов установили в результате проведения предварительных опытов и анализа литературных источников. В таблице 1 представлены факторы и уровни их варьирования.

Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования

Факторы Кодовое обозначение Натуральное обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования

-1 0 +1

Температура теплоносителя, °С X, 15 40 55 70

Скорость теплоносителя, м/с Х2 V 1,5 5 6,5 8

Плотность прессования, кг/м3 Хз Р 25 100 125 150

Процесс сушки влажных материалов заключается в переводе влаги, содержащейся в материале, в парообразное состояние, поглощении пара окружающей средой и отводе его от объекта сушки.

Общая продолжительность процесса сушки тресты, прессованной в рулон составляет:

1

X = Т. +Т-, = —

1 2 N

(\УН -АУц,) + а | +Р^кр-\Ук)

\ук - \Ур)

(3)

где Т] — продолжительность сушки в первом периоде, ч; т2 - продолжительность сушки во втором периоде, ч; N - скорость сушки в первом периоде, %/ч; \УК - конечная влажность льнотресты, %; \¥хр - критическая влажность льнотресты, %; - начальная влажность льнотресты, %; \¥р - равновесная влажность льнотресты, %; а и р - безразмерные коэффициенты, зависящие от толщины материала и определяемые опытным путем; ш — показатель степени, зависящий от характера связи влаги с материалом.

Технологический процесс сушки рулонов льнотресты по своей сути (поступление теплоносителя, его нагрев, вынос теплоносителем влаги) относится к системам массового обслуживания. Поэтому рационально представить его в символике (}-схем. Известно, что процессы, представляемые (^-схемами, удобно моделировать с применением общецелевой системы имитационного моделирования СРББ. Данная программа работает по принципу движения и обслуживания транзактов. В качестве транзакта для сушки рулонов льнотресты принимали 1 м3 воздуха.

Подготовка исходных данных для работы с программой предусматривает:

•принять начальную и конечную влажность льнотресты в рулоне (WH и WK), а также температуру (tB) и относительную влажность окружающего воздуха (фв);

•определить сколько кубических метров воздуха необходимо прокачать через рулон (Q), чтобы понизить влажность льнотресты с начальной (WH) до конечной (WK) при разной температуре воздушного потока (t);

•определить среднее время прохода 1 м3 воздуха через электрокалорифер (Т2) при известных его размерах и при разных скоростях воздушного потока (v);

•определить среднее время (Т3) прохода 1 м3 воздуха через рулон при разной скорости воздушного потока (v) и разной плотности прессования льнотресты (р);

•определить среднее время (Ti) подачи 1 м3 воздуха вентилятором при разной скорости воздушного потока (v).

По завершении прогона модели из стандартного отчета определяли модельное время начала и конца прогона, разность этих значений и является временем сушки рулона при заданных условиях (т). Используя полученные данные и параметры рулона льнотресты, определяли удельный расход электроэнергии на испарение 1 кг влаги (NyA):

(4)

ш

111 вл

где N - часовой расход электроэнергии электрокалорифером и электродвигателем, кВт; тм — масса влаги, удаляемой из рулона в процессе сушки, кг.

твл=то—^——> (5)

р 100 - WK

где тр - начальная масса рулона льнотресты, кг.

Машинный (компьютерный) эксперимент проводили при следующих исходных данных:

1. Размеры рулона (высота х диаметр) - 1,1 х 1,2 м;

2. Начальная влажность льнотресты в рулоне — 40% (абс.);

3. Конечная влажность льнотресты в рулоне - 19% (абс.);

4. Температура окружающего воздуха - +20 °С;

5. Относительная влажность окружающего воздуха — 60%;

6. Повторность опытов — трехкратная.

С целью определения влияния выбранных факторов на параметры оптимизации использовали матрицу трехуровневого плана 2-го порядка Бокса-Бенкена для трех факторов. Перед реализацией плана матрицы производили рандомизацию опытов с использованием таблиц случайных чисел. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Statgraphics Centurion XV. Для получения математической зависимости влияния выбранных факторов на процесс сушки рулонов льнотресты в результате множественного регрессионного анализа были получены уравнения регрессии в натуральных значениях переменных факторов:

т = 9,06648 + 0,0851574 t - 0,248519 v - 0,117783 ■ р + 0,000862963 • t2 + + 0,0236667-t-v - 0,004-t-p + 0,116296-v2 - 0,0304667-vp + 0,00290267 p2, (6)

Nya = 4,88306 + 0,110833 t - 0,00722222-v - 0,1428 p - 0,00136667-t2 + + 0,000666667 tv + 0,00048-t-p - 0,00777778-v2 + 0,0008-vp + 0,000628 p2, (7) Анализируя уравнения регрессии, можно сказать, что на время сушки рулонов льнотресты влияют не только сами факторы, но и их квадраты, и парное взаимодействие. Можно сделать вывод, что наибольшее влияние на время сушки оказывает плотность прессования льнотресты в рулоне. При ее увеличении уменьшается выход процесса (то есть увеличивается время сушки рулона). Повышение температуры и скорости теплоносителя увеличивает выход процесса. Из этого следует, что для уменьшения времени сушки необходимо увеличивать скорость и температуру теплоносителя, а плотность прессования необходимо снижать.

Наибольшее влияние на энергетические затраты оказывают плотность прессования и температура теплоносителя. При их увеличении существенно увеличивается расход электроэнергии. Скорость теплоносителя весьма незначительно влияет на расход электроэнергии. Для получения минимальных энергетических затрат необходимо уменьшать все три фактора.

Для нахождения оптимальных параметров сушильной установки использовали нелинейное программирование. Решение задачи оптимизации — поиск минимального времени на сушку рулона методом нелинейного программирования, записывается в следующем виде:

т = f(t, v, р) -» min, (8)

40 < t < 70 5 < v < 8 100 < р < 150 Nw = f(t,v,p)<A, (9)

Переменная А служит для ограничения целевой функции затрат энергии. В таблице 2 представлены теоретические оптимальные параметры процесса сушки льнотресты в рулоне при подаче теплоносителя внутрь рулона.

Показатель Значение

Температура теплоносителя 1, °С 48-70

Скорость теплоносителя V, м/с 7,2-8,0

Плотность прессования рулона р, кг/м3 100-110

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» описана программа и методика экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводили на специально разработанной и изготовленной сушильной установке, позволяющей подавать воздух внутрь рулона, моделировать условия и режимы принудительного вентилирования подогретым воздухом льнотресты, спрессованной в рулоны при одностороннем движении теплоносителя через досушиваемый материал (рисунок 4).

а) б)

Рисунок 4 - Схема (а) и общий вид (б) сушильной установки:

1 - основание установки; 2 - распределитель теплоносителя (прокалыватель рулона); 3 ~ воздуховод; 4 - вентилятор; 5 - электрокалорифер; 6 - пульт управления

Для оценки процесса сушки рулонов льнотресты был реализован многофакторный эксперимент, направленный на определение влияния основных факторов на ход процесса. С целью определения влияния выбранных факторов на параметры оптимизации использовали матрицу трехуровневого плана 2-го порядка Бокса-Бенкена для трех факторов. Перед реализацией плана матрицы производили рандомизацию опытов с использованием таблиц случайных чисел. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Statgraphics Centurion XV. Повторность опытов - трехкратная.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты и анализ полученных экспериментальных данных по обоснованию и оптимизации параметров распределителя теплоносителя и сушильной установки для малоэнергоемкой искусственной сушки рулонов льнотресты с подачей теплоносителя внутрь рулона.

Экспериментально определили, что оптимальный диаметр распределителя теплоносителя равен 89-114 мм. Диаметр меньше 89 мм не обеспечивает обжим распределителя спрессованной трестой, в связи, с чем теплоноситель направляется не радиально внутрь рулона, а вверх и вниз вдоль распределителя. Диаметр более 114 мм вызывает значительное уплотнение тресты в центральной зоне рулона, повышая сопротивление движению теплоносителя, а также при внедрении в рулон распределитель может «выдавить» центральные слои рулона при низкой плотности его прессования.

Для дальнейших исследований процесса сушки льнотресты, спрессованной в рулон, при подаче теплоносителя внутрь рулона выбрали распределитель с наружным диаметром цилиндрической части 108 мм, диаметр выходных отверстий на распределителе 26 мм, общее количество отверстий - 128 (16 рядов по 8 отверстий в каждом равномерно расположены по высоте распределителя).

Расчетное усилие внедрения распределителя в рулон льнотресты средней плотности прессования 120-130 кг/м3, при диаметре цилиндрической части

распределителя 108 мм, с углом заострения образующей конуса 15°, начальной влажностью льнотресты 35-40% составляет не более 3,2-3,5 кН.

При статистической обработке данных эксперимента по сушке рулонов льнотресты были получены следующие уравнения регрессии, где факторы представлены натуральном виде:

х = 5,5463 + 0,259259 t - 0,509259-v- 0,0883333-р + 0,00037037 t2 + + 0,0333333 t-v — 0,006 t p + 0,148148-v2- 0,04-vp + 0,00373333 p2,

Nyjl= 1,33361 +0,2412224+0,314444v-0,158933 p - 0,00232222-t2 +

(10)

+ 0,00111111 tv + 0,000333333 tp - 0,0455556-v2 + 0,002-vp + 0,000748 p2, (11) Значимость коэффициентов уравнения регрессии проверяли с использованием критерия Стьюдента, а адекватность всего уравнения с помощью критерия Фишера.

По уравнениям регрессии построены поверхности отклика в трехмерном изображении, отражающие влияние двух основных факторов (температура t и плотность прессования р) на параметры оптимизации т и (рисунки 5 и 6).

„ »=6.5

v=6,5

6,8 5,8 4,8 3,8 2, 1,8

Рисунок 5 — Зависимость времени сушки рулона льнотресты (т) от температуры теплоносителя (t) и плотности (р) v = const = 6,5 м/с

Рисунок 6 - Зависимость расхода электроэнергии на испарение влаги

(Nyj от температуры теплоносителя (t) и плотности (р) v = const = 6,5 м/с

На рисунках 7 и 8 представлены зависимости времени сушки рулонов льнотресты и удельного расхода электроэнергии от выбранных факторов.

Nv,ti, кВт-ч/кг

40 70 5 a 1Ü0 150

1,°С V, м/с р, кг/м3

Рисунок 7 - Зависимость времени

10 70 S 8 ВО 150

t, 'C V, м/с р. кг/м'

Рисунок 8 - Зависимость удельного

сушки рулонов льнотресты от факторов расхода электроэнергии от факторов

Из графиков, представленных на рисунке 7, можно сделать вывод, что увеличение температуры и скорости теплоносителя сокращают время сушки рулонов льнотресты, между ними обратно пропорциональные зависимости. Между плотностью прессования и временем сушки прямо пропорциональная зависимость. Это можно объяснить тем, что при увеличении плотности тресты в рулоне увеличивается сопротивление, которое должен преодолеть подаваемый теплоноситель, в результате это ведет к снижению скорости влагообмена и увеличению продолжительности сушки.

При прочих равных условиях с увеличением плотности льнотресты в рулоне времени на ее досушивание требуется больше. Так, например, при плотности рулона 100 кг/м3 (при t = 70 °С; v = 6,5 м/с) продолжительность сушки составила 4 часа, при увеличении плотности до 150 кг/м' времени на досушивание потребовалось в 3 раза больше - 12 часов.

Из этого следует, что для уменьшения времени сушки необходимо увеличивать скорость и температуру теплоносителя, а плотность прессования необходимо снижать.

Как видно из графиков, представленных на рисунке 8, между факторами и удельным расходом электроэнергии прямо пропорциональная зависимость. Наибольшее влияние на энергетические затраты оказывают плотность прессования и температура подогрева теплоносителя. При их увеличении существенно увеличивается расход электроэнергии. Скорость теплоносителя в сравнении с температурой и плотностью незначительно влияет на расход электроэнергии. Для получения минимальных энергетических затрат необходимо уменьшать все три фактора.

При прочих равных условиях с увеличением плотности льнотресты в рулоне увеличивается удельный расход электроэнергии. Так, например, при плотности рулона 100 кг/м3 (при t = 70 °С; v = 6,5 м/с) расход электроэнергии составил 2,94 кВт ч/кг, при увеличении плотности до 150 кг/м3 расход электроэнергии увеличился больше чем в 2 раза до 5,89 кВт ч/кг.

На рисунках 9-11 представлены кривые сушки льнотресты в рулоне при различных температурах и скоростях теплоносителя. Влажность измеряли в трех зонах рулона: зона комлей (0-0,35 м от основания рулона), средняя зона (0,35-0,7 м) и зона вершин (0,7-1,1 м). w. % 45

\ЧРисунок 9 - Кривые сушки

* ......... льнотресты по высоте рулона:

,•-Vsr-;-------i.-.:?^««^™..........................................:

r>v.

1-0-0,35 м;

2-0,35-0,7 м;

3-0,7-1,1 м; t = 70 °С; v = 8 м/с;

р= 125 кг/м3

Рисунок 10 - Кривые сушки льнотресты по высоте рулона: 1 - 0-0,35 м;

2-0,35-0,7 м;

3-0,7-1,1 м;

I = 40 °С; V = 8 м/с; р= 125 кг/м3

Рисунок 11 - Кривые сушки льнотресты по высоте рулона: 1 - 0-0,35 м; 2 - 0,35-0,7 м; 3-0,7-1,1 м; I = 70 °С; V = 5 м/с; р = 125 кг/м3

Из графиков, представленных на рисунках 9 и 10, видно, что с повышением температуры теплоносителя от 40 до 70 °С (при V = 8 м/с; р = 125 кг/м3) продолжительность сушки сокращается в 2 раза.

Подогрев воздуха в калорифере приводит сначала к резкому, а затем к менее интенсивному сокращению продолжительности сушки. Повышение температуры теплоносителя ограничено опасностью снижения качества высушиваемой тресты.

Из графиков, представленных на рисунках 9 и 11, видно, что с увеличением скорости теплоносителя продолжительность сушки сокращается. В начальный период сушки скорость теплоносителя наиболее влияет на процесс сушки, к концу влияние скорости сказывается в меньшей степени. При увеличении скорости теплоносителя от 5 до 8 м/с (при I = 70 °С; р = 125 кг/м3) время сушки сокращается в 1,6 раза.

Анализ данных показал, что вершинная часть стеблей в рулонах высыхает быстрее, чем комлевая, а комлевая быстрее, чем средняя. Так, за одно и то же время вершинная часть высохла до влажности 14%, комлевая - до 17%, средняя - до 19% (рисунок 9).

Анализ влажности льнотресты по высоте рулона показал, что при определенных условиях разница по влажности в средней и вершинной частях стебля может достигать 12% (рисунок 9).

При более низких температурах теплоносителя (+40 °С) льнотреста в рулоне сохнет менее интенсивно, но более равномерно.

Уменьшение скорости теплоносителя незначительно снижает равномерность сушки рулона по высоте, увеличивается продолжительность процесса

\>Ч>#.__

30 ; \

15 г~ 10

9 10 г. ч

4(1 35 30 :5 20 15 10

сушки из-за недостаточно быстрой замены влажного воздуха, менее влажным и более теплым. Увеличение скорости движения теплоносителя приводит к интенсификации испарения за счет повышения коэффициента теплопередачи от теплоносителя к льнотресте.

В таблице 3 представлены экспериментальные оптимальные параметры процесса сушки льнотресты в рулоне при подаче теплоносителя внутрь рулона, которые определены согласно методике, представленной во второй главе.

Таблица 3 - Экспериментальные оптимальные параметры процесса сушки

Показатель Значение

Температура теплоносителя 1, °С 52-70

Скорость теплоносителя V, м/с 7,6-8,0

Плотность прессования рулона р, кг/м 100-110

По данным таблиц 2 и 3 видим, что расхождения между оптимальными параметрами процесса сушки в теории и эксперименте незначительны.

Анализируя теоретические и экспериментальные данные по всей работе, пришли к выводу, что критерии оптимизации (т и Ыуд) в эксперименте имеют большие значения, чем в теории. Это связано со спецификой распределения теплоносителя по высоте распределителя и с неэффективным использованием теплоносителя в виду особенностей рулона льнотресты как объекта сушки, что приводит к неравномерности сушки рулона по высоте.

Равномерность сушки рулона льнотресты трудно обеспечить ввиду того что плотность прессования рулона в различных его частях разная, в результате теплоноситель устремляется по пути наименьшего сопротивления, то есть в зону наименьшей плотности. В этой зоне процесс сушки идет интенсивнее, чем в зоне большей плотности, и когда одна часть рулона достигла кондиционной влажности вторая ещё находиться в процессе сушки.

Для равномерности процесса сушки рулона по высоте нами предлагается приспособление - подвижный поршень /, расположенный внутри распределителя. Суть изобретения заключается в следующем (рисунок 12): внутри распределителя установлен стержень с наружной резьбой, на котором установлен подвижный поршень /. Установка внутри распределителя поршня, способного перемещаться по высоте, позволяет варьировать объем теплоносителя, подаваемый в различные зоны рулона 2.

В связи с этим предлагается условно разбить рулон на две зоны (нижнюю и верхнюю) и сушить его по зонам, вначале сушится нижняя зона. При сушке нижней зоны теплоноситель, выходя из распределителя под давлением, частично направляется к наружной поверхности рулона, часть воздуха направляется вдоль стеблей по пути наименьшего сопротивления кверху рулона, крышка 3, установленная сверху рулона, направляет этот воздух к наружной поверхности, происходит процесс досушки материала. При достижении в нижней зоне кондиционной влажности поршень поднимается вверх и происходит досушивание верхней зоны. С использованием подвижного поршня сушка рулона происходит более интенсивно и равномерно, а теплоноситель расходуется эффективнее.

При проведении опытов по сушке рулонов льнотресты при оптимальных параметрах процесса с использованием внутри распределителя теплоносителя подвижного поршня получили следующие значения:

• среднее время сушки рулона т = 2,7 ч;

• средний расход электроэнергии на удаление влаги 1Муд = 1,82 кВт ч/кг;

• средний расход тепла на удаление влаги (без учета работы вентилятора) РУд = 1,7 кВт-ч/кг (или 1461 ккал/кг, или 6,12 МДж/кг).

\

. л»

р.. »ор -Чвор -~ 6 о о —

/1/

/

I/ ~ А

Рисунок 12-Схема разбивки рулона по зонам:

I — нижняя зона;

II — верхняя зона;

1 — регулятор потока теплоносителя по высоте

рулона (подвижный поршень);

2 —рулон льнотресты

3 - крышка

"\ Теплоноситель

Проведенные производственные испытания показали, что при сушке рулонов льнотресты средней плотности прессования 110 кг/м3, средней массы рулона 135 кг, с начальной влажности 40% до кондиционной 19% при температуре теплоносителя 70°С и его скорости 8 м/с, удельный расход электроэнергии на удаление влаги составляет 1,98-2,11 кВт ч/кг, время сушки одного рулона равняется 2,9-3,1 ч.

В пятой главе «Экономическая эффективность сушки льнотресты, спрессованной в рулоны» приведены результаты оценки экономической эффективности сушки рулонов льнотресты.

На основе анализа посевных площадей в хозяйствах Вологодской области определили средний размер посевной площади Бп = 205 га, при средней урожайности льнотресты Утр = 2,6 т/га. Средние потери урожая льнотресты в Вологодской области за последние три года составили 37,5%. Можно сделать вывод, что средняя площадь, с которой тресту необходимо досушить, составит 77 га, при цене реализации тресты за 1 тонну 5531 руб./т.

Экономические расчеты показывают, что применение досушки части урожая льнотресты при неблагоприятных погодных условиях с использованием сушилки рулонов приносит годовой экономический эффект равный 170370,20 рублей (2212,60 руб. в расчете на 1 га) при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений 4,3 года. При наличии у сельскохозяйственного предприятия здания под пункт сушки срок окупаемости сократится до 2,1 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показывают, что в Вологодской области погодные условия в период уборки урожая льна зачастую бывают неблагоприятными, что приводит к потерям качества тресты и урожая в целом. Это дает основание рекомендовать для льноводческих хозяйств области досушивать часть урожая льнотресты в рулонах на специальных сушильных установках.

2. Разработан способ и техническое средство для сушки льнотресты в рулонах, отличающиеся от существующих тем, что теплоноситель подается внутрь рулона.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены параметры распределителя теплоносителя в виде цилиндра с коническим наконечником, размещенными по всей его длине отверстиями равного диаметра:

• диаметр распределителя-89-114 мм;

• диаметр выходных отверстий распределителя - 26 мм;

• общее количество отверстий — 128 (16 рядов по 8 отверстий в каждом равномерно расположены по высоте распределителя).

4. Получены зависимости, устанавливающие связь времени сушки и расхода энергии с плотностью прессования льнотресты, температурой и скоростью теплоносителя. Зависимости позволяют прогнозировать процесс сушки и управлять им.

5. Для сушки льнотресты, спрессованной в рулоны, методом подачи теплоносителя внутрь рулона установлены следующие оптимальные параметры процесса:

• начальная влажность льнотресты в рулоне — не более 40% (абс.);

• плотность прессования рулона — 100-110 кг/м3;

• температура теплоносителя — 52-70 °С;

• скорость теплоносителя - 7,6-8,0 м/с.

6. Продолжительность сушки одного рулона с плотностью 100 кг/м"1 и начальной влажностью льнотресты 40% не превышает трех часов. Расход тепла на 1 кг испаренной влаги составляет 6,12 МДж.

7. Годовой экономический эффект от сохранения части урожая льнотресты, досушенной на предложенной сушильной установке, составляет 170370,20 рублей (2212,60 руб. в расчете на 1 га).

Перспективы дальнейшей разработки темы: необходимо дальнейшее совершенствование предложенного способа для сохранения урожая льнотресты и повышения энергоэффективности процесса сушки льносырья.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ:

1. Оробинский, Д.Ф. Оптимизация транспортных средств при перевозке льносырья / Д.Ф. Оробинский, P.A. Шушков // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. -2012. — № 5. — С. 136-142.

2. Оробинский, Д.Ф. Универсальный пункт сушки льносырья / Д.Ф. Оробинский, P.A. Шушков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2013.-№3.-С. 2-4.

3. Шушков, P.A. Расчет параметров установки для сушки рулонов льнотресты / P.A. Шушков, Д.Ф. Оробинский // Техника в сельском хозяйстве. -2013.-№5.-С. 2-3.

4. Шушков, P.A. Распределительное устройство для досушивания рулонов льна / P.A. Шушков, Д.Ф. Оробинский // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2013. - № 5. - С. 44-46.

5. Шушков, P.A. Сроки хранения влажных рулонов льнотресты / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Сельский механизатор. -2014-№ 1.- С. 20-21.

6. Шушков, P.A. Имитационное моделирование досушивания рулонов льнотресты / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, В.Н. Вершинин // Техника в сельском хозяйстве. - 2014. - № 4. - С. 29-30.

патенты и свидетельства:

7. Пат. 2524265 Российская Федерация, МПК8 A01F25/08. Устройство для сушки рулонов льна / Шушков P.A., Оробинский Д.Ф., Кузнецов H.H., Попов

B.Д., Зыков A.B., Власенков А.Н.; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии). -№ 2012152685/13; заявл. 06.12.2012; опубл. 27.07.2014, бюл. № 21.

8. Свидетельство 2014611542. Имитационная модель технологической линии пункта досушивания рулонов льнотресты / Шушков P.A., Кузнецов H.H., Вершинин В.Н.; правообладатель Шушков Роман Анатольевич — № 2013661489; заявл. 10.12.2013, бюл. № 2 (88) 2014, 20.02.2014.

9. Свидетельство 2014660010. Имитационная модель досушивания рулонов льнотресты / Шушков P.A., Кузнецов H.H., Вершинин В.Н.; правообладатель Шушков Роман Анатольевич — № 2014617810; заявл. 04.08.2014, бюл. № 10(96)2014, 20.10.2014.

в других изданиях:

10. Шушков, P.A. Обоснование способа досушивания прессованного в рулоны льна / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Молочнохозяй-ственный вестник. - 2012. — № 2. - С. 85-90.

11. Шушков, P.A. Новое устройство для сушки рулонов льна / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: сборник научных трудов. - СПб.: СПбГАУ, 2012. -

C. 293-296.

12. Шушков, P.A. Особенности процесса досушки рулонов льна / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Молочнохозяйственный вестник. - 2012. -№ 3. - С. 84-92.

13. Шушков, P.A. Предварительные испытания устройства для досушки рулонов льна с подачей теплоносителя внутрь рулона / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: сборник научных трудов. - СПб.: СПбГАУ, 2013. - Ч. 1. -С. 408-412.

14. Шушков, P.A. Исследование распределения теплоносителя в процессе досушки рулонов льна / P.A. Шушков, Д.Ф. Оробинский // Аграрная наука XXI

века. Актуальные исследования и перспективы: сборник научных трудов. -СПб.: СПбГАУ, 2013. - С. 222-225.

15. Шушков, P.A. Энергосберегающая установка для досушки рулонов льна / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Международный экологический форум: материалы в трех томах. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2013. -Т. 2.-С. 141-146.

16. Шушков, P.A. Определение усилий при проколе рулона льна распределителем теплоносителя / P.A. Шушков, Д.Ф. Оробииский // Молочнохозяйст-венный вестник. - 2013.-№ 1. - С. 37-41.

17. Шушков, P.A. Искусственное досушивание рулонов льнотресты, как элемент технологии уборочных работ / P.A. Шушков, Д.Ф! Оробинский // Молодежь и инновации — 2013: материалы Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2013.-Ч. 1.-С. 348-351.

18. Шушков, P.A. Пункт досушки рулонов льнотресты / P.A. Шушков, H.H. Кузнецов, Д.Ф. Оробинский // Техника будущего: перспективы развития сельскохозяйственной техники: сборник статей Междунар. науч.-практ. конф. -Краснодар, 2013. - С. 134-136.

19. Шушков, P.A. Повышение эффективности послеуборочных операций заготовки льняного сырья / P.A. Шушков, Д.Ф. Оробинский // Вопросы территориального развития. —2013. -№ 9. - 7 с.

Заказ № 44~Р. Тираж 100 экз. Подписано в печать 20.02.2015 г. ВГМХА 160555, г. Вологда, с. Молочное, ул. Емельянова, 1