автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка барабанной гелиосушилки зерна и обоснование её конструктивно-технологических параметров

04

На правах рукописи

V

БАЙДАКОВ ЕВГЕНИИ МИХАИЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА БАРАБАННОЙ ГЕЛИОСУШИЛКИ ЗЕРНА И ОБОСНОВАНИЕ ЕЁ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ' МиЗ ¿0:2

Москва-2012

005045071

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Брянская ГСХА).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Купреенко Алексей Иванович.

Официальные оппоненты: Голубковнч Александр Викторович

доктор технических наук, профессор, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии), главный научный сотрудник лаборатории механизации вентилирования и сушки семян и зерна;

Курдюмов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина» (ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА), заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности и энергетики.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Орел ГАУ).

Защита диссертации состоится «/£>> 2012 г. в /¿Г" часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 006.020.01 при ГНУ ВИМ Россельхозакадемии по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан «./¿у> .¿¿ал 2012 г и размещен на сайте ВАК РФ в электронной базе диссертаций и авторефератов «/У» и-и» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сушка зерна ускоряет процесс его послеуборочного озревания, обеспечивает стойкость при хранении, улучшает технологические и по-евные качества зерна.

В настоящее время имеются высокопроизводительные автоматизированные ерносушильные установки. Однако их применение нерентабельно при небольших бъемах производства и невысокой влажности свежеубранного зерна в условиях оллективных, фермерских хозяйств, селекционно-семеноводческих станций, т.к. вязано с большими капитальными вложениями, высокими энергозатратами. Недос-атком высокотемпературных зерносушилок является также загрязнение зерна и ок-ужающей среды токсичными продуктами горения топлива; неравномерность на-рева зерновой массы и образование трещин, вызываемое высокой скоростью суши, что снижает технологические и посевные качества зерна. Применение естественной сушки зерна на току или напольных зерносушилок с электрокалориферами ребует больших затрат труда и электроэнергии.

В связи с этим разработка технических средств сушки зерна на основе аль-ернативных источников энергии, обеспечивающих энерго- ресурсосбережение, выполнение экологических требований является актуальной задачей.

Цель работы - разработка барабанной гелиосушилки зерна и обоснование её конструктивно-технологических параметров с целью снижения энергозатрат на процесс сушки и повышения качества готового продукта.

Объект исследований - технологический процесс сушки зерна в барабанной гелиосушилке.

Предмет исследований - зависимости характеристик процесса сушки зерна от конструктивно-технологических параметров гелиосушилки и параметров окружающей среды.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, теплотехники, математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами, с использованием методики планирования экспериментов. При обработке экспериментальных данных были использованы методы математической статистики. Достоверность результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; проведением сравнительных испытаний в производственных условиях.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

• конструктивно-технологическая схема барабанной гелиосушилки зерна;

• математическая модель конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна;

• результаты экспериментальных исследований барабанной гелиосушилки;

• экономическая эффективность использования барабанных гелиосушилок.

Научная новизна работы состоит в обосновании конструктивно-технологической схемы барабанной гелиосушилки зерна - вращающегося сушильного барабана и верхнего солнечного коллектора, защищенных патентами на полезные модели РФ № 71744, № 92157; разработке математической модели обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна; установлении функциональных зависимостей между физическими параметрами окружающей среды, высушиваемого зерна и конструктивно-технологическими параметрами барабанной гелиосушилки зерна.

Практическая значимость работы состоит в создании барабанной гелиосушилки зерна с увеличенной тягой в вытяжной трубе, обеспечивающей сушку зерна как в дневное, так и в ночное время суток; разработке методики инженерного расчета конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна.

Реализация результатов исследований. Достоверность исследований подтверждена положительными результатами производственных испытаний и внедрением барабанной гелиосушилки в Выгоничском ГСУ Брянского филиала ФГУ «Гос-сорткомиссия» Выгоничского района Брянской области, учебной научно-производственной машинно-технологической опытно-испытательной станции (УНПМТОИС) Брянской ГСХА. Материалы и результаты исследований приняты к использованию ООО «Опытно-конструкторское бюро по теплогенераторам» (г. Брянск) при разработке и совершенствовании оборудования для сушки и хранения зерна. Результаты научных исследований используются в учебном процессе Брянской ГСХА при проведении занятий по дисциплине «Возобновляемые источники энергии» и «Сельскохозяйственная техника и технологии».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Брянской ГСХА в 2007-2012 гг., Московского ГАУ им. В.П. Горячкина в 2010 г., межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронежский ГАУ, 2009 г.), X Международном научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орловский ГАУ, 2010 г.).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 15 научных работах, в том числе 3 работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено два патента на полезные модели РФ № 71744 и № 92157. Общий объём опубликованных работ составляет 8,42 усл. печ. л, из них на долю автора приходится 3,4 усл. печ. л.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использования литературы и приложений. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, включая список литературы из 145 наименований (в том числе на 15 иностранных языках), содержит 100 рисунков, 9 таблиц и 7 приложений на 47 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы исследований и общей характеристике работы.

В первой главе «Современное состояние и перспективы снижения энергозатрат в технологии сушки зерна» рассмотрены технологические особенности качественной сушки зерна, энергоматериалоёмкость способов и технических средств сушки зерна, перспективы использования гелиоустановок в технологии сушки зерна.

Исследованию процессов сушки зерна посвящены работы Авдеева A.B., Анискина В.И., Андрианова Н.М., Атаназевича В.И., Беленькой Л.И., Голубковича A.B., Гинзбурга A.C., Жидко В.И., Журавлёва А.П., Елизарова В.П., Колесова Л.В., Крауспа В.Р., Курдюмова В.И. Лурье А.Б., Лыкова A.B., Малина Н.И., Манасяна С.К., Михайлова Ю.А., Окуня Г.С., Отена Л., Остапчука Н.В., Павлова С.А., Пе-хальского И.А., Птицына С.Д., Пабиса Л., Резчикова В.А., Рудобашты С.П., Сажина Б.С., Семенова В.Ф., Смита Е.А., Сорочинского В.Ф., Супруновича Р., Цугленка Н.В., Шарпа P.A. и др.

На основании проведенного анализа современного состояния и перспектив снижения энергозатрат в технологии сушки зерна для условий коллективных, фермерских хозяйств, опытных селекционно-семеноводческих станций поставлены следующие задачи исследования:

1. На основе анализа существующих конструкций обосновать конструктивно-технологическую схему гелиосушилки зерна.

2. Обосновать конструктивно-технологические параметры барабанной гелиосушилки зерна.

3. На основе экспериментальных исследований установить влияние конструктивно-технологических параметров гелиосушилки зерна на энергетические и экономические показатели процесса сушки.

4. Провести производственные испытания и дать технико-экономическую оценку эффективности использования гелиосушилки зерна.

Во второй главе «Обоснование конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна» дано теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки.

На основе анализа конструкции известных гелиосушильных установок обоснована конструктивно-технологическая схема гелиосушилки зерна периодического действия. Она должна состоять из наклонного солнечного коллектора 1 с гравийным аккумулятором 2, сушильной камеры 10, в которой размещен перфорированный барабан 9 с приводом, и вытяжной трубы 6, выполненной в виде солнечного коллектора 5 с дефлектором 4 (рис. 1).

Гелиосушилка работает следующим образом. Барабан заполняется зерном на 3/4 своего объёма. Воздух поступает в сушильную камеру, проходя через зазор между прозрачным покрытием входного коллектора и поверхностью гравия, огибая перегородку и подогреваясь. Избыток тепла воспринимает гравий. В камеру воздух входит через сетку 13. Фартуки 7 и 8 скользят по поверхности барабана и организуют поток воздуха так, как указано на рис. 1 снизу барабана через него и затем вверх в вытяжной коллектор, подогревается и устремляется вверх, образуя тягу. При наличии ветра тяга усиливается дефлектором, который также препятствует попаданию воды в сушильную камеру во время дождя. При отсутствии солнца сушилка некоторое время работает за счет тепла, накопленного в гравийном аккумуляторе.

Рис. 1 - Конструктивно-технологическая схема барабанной гелиосушилки

На рис. 2 представлена функционально-параметрическая схема барабанной гелиосушилки.

6- 4- 'і

солнечный коллектор Ь- 4 £

Высушенное зерно <-

'рлнечные лучи

сушильный агент <-

К п. 4>. >і

солнечные лучи

атмосферный Воздух <-

сушильная камера

нижний солнечный коллектор

/д. %. ¿п. {з

Рис. 2 - Функционально-параметрическая схема барабанной гелиосушилки

Тепловой баланс барабанной гелиосушилки периодического действия за один цикл сушки в дневное время можно представить в виде:

^' К +¿1 <2нср = бел + <2гА+<2з+<2Б+<2ос,Вт, (1)

где £ - расход агента сушки, кг/с; і0 - энтальпия атмосферного воздуха, Дж/кг; <2нсР - средняя плотность потока солнечной энергии, Вт/м2; - площадь нижнего солнечного коллектора, м2; дгл - затраты теплоты, связанные с изменением энтальпии сушильного агента, Вт; дгл - затраты теплоты на нагрев аккумулятора, Вт; ()3 - потери теплоты на нагрев зерна, Вт; (2,; - потери теплоты на нагрев сушильного барабана, Вт; бос - потери теплоты в окружающую среду, через ограждения сушилки, Вт.

Затраты теплоты 2С/( учитывают теплоту, затраченную на испарение влаги из ерна и возвращенную в виде энтальпии водяного пара, и определяются по формуле:

дсА = Ь-і1,Вт, (2)

где г2 - энтальпия сушильного агента на выходе из сушильного барабана,

Дж/кг.

С учетом формул (1) и (2) получим выражение требуемой площади нижнего солнечного коллектора в развернутом виде:

Ее»

Д>2 - '0 ) + -— +-+-+ ¿^ К'сКер 'ОСср )

Т Т Т

* тп м/:. 'п * наги.

(3)

где тга - масса гравийного аккумулятора, кг; сш - теплоемкость гравия, Дж/(кг °С); іга - температура аккумулятора в конце зарядке, °С; - температура аккумулятора в начале сушки, °С; г,ар - время зарядки гравийного аккумулятора, с; т,„ - масса влажного зерна до сушки, кг; с, - теплоемкость зерна, Дж/(кг' °С); / , -температура зерна в конце сушки, °С; і', - температура зерна в начале сушки, °С; г„„р - продолжительность периода нагрева зерна (сушильного барабана), с; тб - масса барабана с приводом, кг; с6 - теплоемкость барабана, Дж/(кг °С); і6 - температура барабана в конце сушки, °С; і'6 - температура барабана в начале сушки, °С; ^^ -суммарная поверхность теплоотдающих ограждений гелиосушилки, м2; К - коэффициент теплопередачи от агента сушки в окружающую среду через ограждения гелиосушилки, Вт/(м2' °С); 1Ск,:р - средняя температура в сушильной камере за период

сушки, °С; - средняя температура окружающей среды за период сушки, °С.

Тепловой баланс барабанной гелиосушилки за один цикл сушки в ночное время за счет энергии, накопленной аккумулятором, имеет вид:

^->0+0гл+С21+0Е=0сл+Ясх:,Вт. (4)

Верхний солнечный коллектор обеспечивает усиление тяги в вытяжной трубе, т.е. расхода сушильного агента за счет его подогрева. В зависимости от разности температур сушильного агента и окружающего воздуха, диапазона рабочих скоростей воздуха в вытяжной трубе определена высота вытяжной трубы и соответственно гелиосушилки равная 5,4 м. Также обоснован требуемый объем аккумулятора теплоты.

Основными конструктивными параметрами сушильного барабана является его диаметр О и длина /, определяющие важный эксплуатационный параметр - вместимость барабана V. Максимальный диаметр сушильного барабана определяется исходя из кинетики сушки малоподвижного слоя зерна при конвективном теплообмене с сушильным агентом. Максимальная толщина слоя зерна с учетом коэффициента заполнения барабана и определяет его диаметр. Из рассмотрения схемы взаимодействия вращающегося сушильного барабана с зерном (рис. 3) определена мощность, требуемая для привода барабана:

N.. = -

N+N,

2 ЧтЧ„,

, (к -S 1 . - . (. S cos у ^ g r І ■ рЛ---sin ö - 2 • sm----— ■ (1 - cos r -tga - sin / )-sin ß + —

* ^360 2 \ 2 2 cos or J v ' £ " 2

M, + r2 ■! ■ p,\ ж - I П ^ - — sin S 6 '' 1 360 2

/ ч 2 . S S cos (а + у) + — sin — • tg — v ' 5 2 4

Вт.

где Nc - мощность на преодоление момента сопротивления от действия силы тяжести зерна, приложенной к центру масс в точке Е\ Ng - мощность на сообщение кинетической энергии сушильному барабану с зерном; г - радиус барабана, м; со -угловая скорость барабана, с"1; tjm - КПД опорных роликов; ц - КПД зубчатой передачи привода; g - ускорение свободного падения, м/с2; pt - насыпная плотность зерна, кг/м3; Мб - масса барабана, кг; а - угол естественного откоса зерна при вращении барабана, град.

Расчетную продолжительность сущки с учетом методики, предложенной A.B. Лыковым, определяли по формуле:

• (и, „ - Й>, „ )

: 0,36-4/,„-¿„Мюо-О

/ \ ÜJV „

- 2,3 oj-lg^-

(6)

где г, - продолжительность сушки в периоде постоянной скорости сушки; т2 - продолжительность сушки в периоде убывающей скорости сушки; т,„ - масса влажного зерна до сушки, кг; я - начальная влажность зерна, %; &>„„ - влажность материала в начале второго периода сушки, %;£ - расход агента сушки, кг/с; <іХср - среднее влагосодержание отработанного агента сушки, кг/кг; <10 - наРис. 3 - Схема к определению мощности чальное влагосодержание агента сушки, привода барабана кг/кг; тр - равновесная влажность, %;

со1К - конечная влажность зерна, %. Здесь значение влажности тхп определяется по результатам экспериментальных исследований.

Одним из распространенных критериев обоснования конструктивно-технологических параметров технических средств является минимум прямых эксплуатационных затрат.

Прямые эксплуатационные затраты на сушку зерна в барабанной гелиосушилке

сэ = Зл + Зю + Ззп +3Эл^> тіп,руб./т, (7)

где - Зд - затраты на реновацию гелиосушилки; 3Т0 - затраты на техническое обслуживание и ремонт гелиосушилки; зш - затраты на заработную плату обслуживающего персонала; Зэл - затраты на электроэнергию для привода барабана.

В выражения составляющих критерия (7), уравнения (3), (5), (6) математической модели обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной ге-лиосушилки, входят величины, имеющие переменное значение в течение периода сушки. Поэтому при реализации модели в выражения подставляются средние значения соответствующих величин, полученные на основании обработки статистических данных, а также рассчитанные на основе установленных регрессионных зависимостей.

В третьей главе «Программа и методика исследований» приведены программа и методика экспериментальных исследований. Программа экспериментальных исследований включала:

• определение физико-механических свойств зерна пшеницы, как объекта исследования;

• определение метеорологических условий проведения экспериментов;

• лабораторные исследования макета вытяжной трубы в виде солнечного коллектора с дефлектором;

• исследование влияния конструктивно-технологических параметров гелиосушил-ки и параметров окружающей среды на характеристики процесса сушки зерна. Исследования проводились по схеме как однофакторного, так и двухфактор-

ного эксперимента с соответствующим его планированием. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с применением методов математической статистики на ПЭВМ с помощью программ «Statistica 6» и «Excel 7.0».

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты экспериментальных исследований барабанной гелиосушилки зерна.

Характеристика климатических условий испытаний получена на все декады августа и сентября 2009-2011 г.г. по итогам обзора погодного мониторинга (агрометеорологических бюллетеней) метеорологической станции 1 разряда Брянской ГСХА.

Для замера температуры гравийного аккумулятора, сушильного агента и окружающей среды использовалось 8 датчиков термосопротивления и восьмиканаль-ный измеритель-регулятор температуры ТРМ 138 с выводом результатов замеров на ПЭВМ. Температура и влажность зерна измерялась прибором Wile 65.

Площадь нижнего солнечного коллектора опытного образца гелиосушилки составляла 8,32 м2, диаметр сушильного барабана 0,7 м, длина барабана 2 м, частота вращения барабана - 1,5 мин" (рис. 4).

Для загрузки и выгрузки зерна пневмотранспортёром сушильный барабан имеет откидные крышки (рис. 5).

Рис. 4 - Барабанная гелиосушилка зерна Рис. 5 - Сушильный барабан гелиосушилки

Характер изменения исследуемых параметров в процессе сушки в дневное время суток представлен на рис. 6, в ночное время - на рис. 7.

60

14

часы суток, ч

-температура окружающей среды -температура в сушильной камере - влажность зерна

"температура гравииного аккумулятора -температура зерна

Рис. 6 - Изменение температуры и влажности зерна в дневное время суток в ясную погоду

30 --г -19

2 3 4 часы суток.ч

-температура окружающей среды -температура в сушильной камере -влажность зерна

-температура гравииного аккумулятора -температура зерна

Рис. 7 - Изменение температуры и влажности зерна в ночное время суток

Были получены кривые сушки (рис. 8), кривые скорости сушки (рис. 9) и температурные кривые сушки зерна (рис. 10) для дневного и ночного времени суток, при различных погодных условиях, с вращением и без вращения сушильного барабана.

В ясную погоду процесс сушки протекает более интенсивно и соответствующие периоды сушки четко выражены. Установлено, что вращение барабана способствует лучшему прогреву зерна, ускорению процесса сушки как в дневное, так и в ночное время вследствие обеспечения контакта всей поверхности каждого зерна с сушильным агентом, более равномерному падению температуры гравийного аккумулятора в ночное время.

3 4 5

продолжительность сушки, ч

~ в облачную погоду при вращении сушильного барабана -в облачную погоду без вращения сушильного барабана " в ясную погоду при вращении сушильного барабана -а ясную погоду без вращения сушильного барабана

Рис. 8 - Кривые сушки в дневное время суток

о 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6

количество удаленной влаги, %

в облачную погоду при вращении сушильного барабана ■ в облачную погоду без вращения сушильного барабана — в ясную погоду при вращении сушильного барабана ясную погоду без вращения сушильного барабана

Рис. 9 - Кривые скорости сушки в дневное время суток

влажность зерна, %

......в облачную погоду при вращении сушильного барабана

облачную погоду без вращения сушильного барабана -т>"в ясную погоду при вращении сушильного барабана -о-в ясную погоду без вращения сушильного барабана

Рис. 10 - Температурные кривые сушки в дневное время суток

и

На основании экспериментальных данных получены линейные регрессионные зависимости:

- средней дневной температуры окружающей среды от средней плотности потока солнечной энергии (2„ср за период сушки

'осср = 0,0260^+12,81; (8)

- средней температуры сушильного агента ¡САср от средней дневной температуры окружающей среды 1{Гср за период сушки

^=10,531 + 0,759-^; (9)

- средней температуры в сушильной камере гСКср от средней температуры сушильного агента ¡САср за период сушки

^„=1,531-^-5,628; (10)

- начальной температуры гравийного аккумулятора 1'га от средней утренней температуры окружающей среды на момент начала сушки зерна 1Жуяр

^=1,266 + 0,927-/^; (11)

- конечной температуры нагрева гравийного аккумулятора <га от средней дневной температуры окружающей среды 1Жср за период сушки

/,.„. = 2,355-/^ -20,956; (12)

- средней температуры сушильного агента на выходе из дефлектора 1гср от средней дневной температуры окружающей среды за период сушки

^„=1,524/^-3,875; (13)

В процессе сушки необходимо, чтобы температура нагрева зерна не превышала установленные допустимые пределы в зависимости от назначения зерна. На основании экспериментальных данных получена регрессионная зависимость температуры нагрева зерна /,, от средней температуры в сушильной камере ¡СКср:

/3„ =2,622 + 0,879 -/с&р. (14)

В процессе испытаний максимальная температура нагрева зерна, составила 40°С, при максимальной температуре окружающей среды 31°С, температуре сушильного агента 52°С.

Верхний солнечный коллектор обеспечивает подогрев отработанного сушильного агента, что увеличивает его скорость движения на выходе из вытяжной трубы и, соответственно, расход агента (рис. 11).

Основными факторами, определяющими время сушки зерна, являются площадь нижнего солнечного коллектора и температура окружающей среды, связанная с уровнем солнечной активности.

Для установления взаимосвязи между этими параметрами был реализован двухфакторный эксперимент с варьированием независимых переменных на двух уровнях (при исходной влажности зерна 18,3 %). В результате получена соответствующая линейная регрессионная зависимость:

= 16,125-0,228^ - 0,258(15)

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 температура сушильного агента на выходе из вытяжной трубы, град.

• экспериментальные точки линии тренда

Рис. 11 - Зависимость расхода сушильного агента от температуры в верхнем солнечном коллекторе

Поверхность функции отклика представлена на рис 12.

продолжительность сушки, ч = 16,125-0,2284*х~0,2583*у

Рис. 12 - График поверхности функции отклика

Гелиосушилка обеспечила гарантированное высушивание партии зерна за 6...7 часов дневного времени и партии зерна за ночное время. Удельная нагрузка составила до 60 кг зерна на квадратный метр площади горизонтального солнечного коллектора. При этом обеспечивается сушка партий зерна, имеющих различную влажность. Барабанная гелиосушилка зерна испытана также на сушке зернобобовых культур.

В сравнении с напольной сушилкой и камерной с электроподогревом воздуха гелиосушилка имеет одинаковую скорость сушки при значительном снижении энергозатрат на процесс. Требуемая мощность на вращение барабана составила 0,2 кВт в отличие от напольной сушилки, имевшей установленную мощность 13 кВт.

Гравийный аккумулятор и увеличенная тяга в вытяжной трубе препятствуют образованию конденсата в сушилке и повышению влажности зерна в период дождей. Это позволяет хранить в сушилке влажное зерно в течение такого периода без опасности его самосогревания.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность барабанной гелио-сушилки зерна» приведены результаты обоснования конструктивно-технологичес-ких параметров барабанной гелиосушилки и ее технико-экономическая эффективность.

Результаты экспериментальных исследований послужили исходными данными при реализации математической модели конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки. В качестве дополнительных показателей определялись: количество удаляемой влаги; тепловой КПД сушилки в дневное и ночное время суток; приращение теплового потока, поступающего с сушильным агентом, за счет подогрева в коллекторе; тепловой поток на входе в сушильную камеру и выходе из нее; приращение теплового потока на верхнем коллекторе. В среде «Excel 7.0» была реализована математическая модель обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки.

Данные по плотности солнечной радиации взяты из агрометеорологического бюллетеня метеорологической станции 1 разряда Брянской ГСХА (серия Б номер 410885, выдана Росгидрометом 25 января 2005 г.) по декадам исследуемых месяцев за три последних года. Коэффициент теплопередачи рассчитывали исходя из толщины отдельных слоев ограждения, теплоизоляции и коэффициентов теплопроводности изоляционного и строительного материалов.

На основании расчетов построены зависимости прямых эксплуатационных затрат на процесс и необходимой площади нижнего солнечного коллектора от вместимости сушильного барабана (рис. 13).

-прямые эксплуатационные затраты -площадь нижнего солнечного коллектора

Рис. 13 - Зависимость прямых эксплуатационных затрат на процесс и необходимой площади нижнего солнечного коллектора от вместимости сушильного барабана

Анализ рис. 13 показывает, что значительное снижение прямых эксплуатационных затрат на сушку зерна в барабанных гелиосушилках происходит до значения вместимости сушильного барабана равного 1900 кг. Далее с увеличением вместимости сушильного барабана затраты продолжают незначительно снижаться. Необходимая площадь нижнего солнечного коллектора при этом пропорционально возрастает.

Анализ структуры прямых эксплуатационных затрат на сушку зерна показывает, что наибольшую долю совокупных затрат составляют затраты на заработную плату и реновацию сушилки (рис. 14).

0,35

I 0,3

I 0,25

1 °'2

I 0,15

1 0,1 3!

I

і 0,05

7

1400 1900

масса загружаемого зерна, кг

«з затраты на заработную плату »затраты на электроэнергию «затраты на реновацию сушилки

■ затраты на ТО и ремонт

Рис. 14 - Структура составляющих прямых эксплуатационных затрат

Неблагоприятные погодные условия приводят к увеличению времени сушки зерна. В этом случае можно дооборудовать гелиосушилку системой дополнительного электроподогрева сушильного агента в сушильной камере.

Определены оптимальные конструктивно-технологические параметры барабанной гелиосушилки: диаметр сушильного барабана 0,88 м; вместимость сушильного барабана 2350 кг; длина сушильного барабана 7,14 м; площадь нижнего солнечного коллектора 42,31 м2; ширина гелиосушилки 7,54 м; длина гелиосушилки 6,05 м; высота гелиосушилки 5,4 м; угол наклона нижнего солнечного коллектора к горизонту 40°; площадь верхнего солнечного коллектора 11,19 м2; масса гравийного аккумулятора гелиосушилки 14,5 т; требуемая мощность электродвигателя привода барабана 2 кВт. Удельная производительность барабанной гелиосушилки составляет 49,2 кг/(м3-ч).

Стоимость барабанной гелиосушилки с такими конструктивными параметрами составила 61560 руб. в ценах 2011 г. Структура составляющих стоимости гелиосушилки представлена на рис. 15.

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000

ограждение ГА верхний СК с дефлектором

Рис. 15 - Структура составляющих стоимости гелиосушилки

Анализ структуры распределения солнечной энергии, поступающей на нижний коллектор, показал, что более половины энергии идет на подогрев сушильного агента, третья часть аккумулируется в гравийном аккумуляторе (рис. 16).

5 4

3

2

1

о Ю 20 30 40 50 60 70 %

1 - подогрев сушильного агента

2 - нагрев гравийного аккумулятора

3 - нагрев зерна

4 - потери в окружающую среду

5 - нагрев барабана

Рис. 16 - Структура распределения солнечной энергии на нижнем коллекторе

Тепловой КПД гелиосушилки в дневное время суток составил 0,22, в ночное время - 0,17.

При использовании барабанной гелиосушилки снижение прямых эксплуатационных затрат на сушку зерна по сравнению с зерносушилкой СЗТ-2,5, работающей на газообразном топливе составит 267 руб./т высушенного зерна при экономии топлива 8 м3/т, работающей на жидком топливе, составит 295 руб./т высушенного зерна при экономии топлива 6 кг/т.

Важным технологическим преимуществом гелиосушилок является возможность использования их для прогрева семян перед посевом для повышения энергии прорастания и всхожести. Известно, что воздушно-тепловой обогрев семян перед посевом увеличивает энергию прорастания на 4...22 %, повышает полевую всхожесть зерна на 15... 18 %, урожайность на 1,5...3 ц/га при улучшении качественных показателей зерна (клейковина, стекловидность и др.).

При использовании высокотемпературных сушилок для этих целей зерно выдерживается в течение 2...3 часов при температуре 40...42 °С. При этом тратиться значительное количество топлива. Исследование показали, что барабанная гелиосу-шилка позволяет осуществить данную технологическую операцию без затрат энергоносителей в режиме камерной сушилки, т.е. без вращения барабана. Полевые испытания подтвердили эффективность данной технологической операции.

С учетом отчислений на страхование техники, налога на имущество, экологического налога экономический эффект от использования гелиосушилок будет еще выше.

Барабанная гелиосушилка внедрена в Выгоничском ГСУ Брянского филиала ФГУ «Госсорткомиссия» Выгоничского района Брянской области и УНПМТОИС Брянской ГСХА, а результаты исследований приняты к использованию ООО «ОКБ по теплогенераторам».

Разработка барабанной гелиосушилки зерна отмечена Дипломом организационно-экспертного совета за вклад в инновационное развитие области, проведенного администрацией Брянской области в рамках конкурса «На лучшее изобретение и рационализаторское предложение в 2011 году». Барабанная гелиосушилка зерна удостоена бронзовой медали XIII Всероссийской агропромышленной выставки «Золотая осень-2011», а её автор стал Лауреатом Всероссийского конкурса «Инженер года-2009» по версии «Инженерное искусство молодых» в номинации «Возобновляемые источники энергии».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При небольших объёмах производства зерна в условиях коллективных, фермерских хозяйств, селекционно-семеноводческих станций использование гелио-сушилок позволяет обеспечить энерго-ресурсосбережение, выполнение экологических требований в процессе сушки зерна.

Гелиосушилка зерна периодического действия должна состоять из наклонного солнечного коллектора с гравийным аккумулятором, сушильной камеры, в которой размещен перфорированный сушильный барабан с приводом, и вытяжной трубы, выполненной в виде солнечного коллектора с дефлектором.

2. Барабанная гелиосушилка зерна обеспечивает щадящий тепловой режим сушки с нагревом зерна до температуры не более 40°С, обработку зерна до кондиции за один цикл сушки от исходной влажности зерна 20%.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки по критерию минимума прямых эксплуатационных затрат; получены регрессионные зависимости теплотехнических характеристик гелиосушилки от параметров окружающей среды и площади нижнего солнечного коллектора гелиосушилки.

4. В результате реализации математической модели обоснования конструк-ивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки определены следующие оптимальные значения параметров: диаметр сушильного барабана 0,88 м; отношение диаметра сушильного барабана к его длине - 0,125; высота гелиосушилки 5,4 м; угол наклона нижнего солнечного коллектора к горизонту 40°; удельная площадь нижнего солнечного коллектора - 1,8 м2 на 100 кг высушенного зерна; отношение площадей нижнего и верхнего коллекторов - 3,5; удельная масса гравийного

ккумулятора - 2,6 т/м3 объёма сушильного барабана; удельная мощность привода -80 Вт/м длины сушильного барабана. Удельная производительность барабанной елиосушилки составляет 49,2 кг/(м3'ч).

5. Барабанная гелиосушилка обеспечивает гарантированное высушивание :артии зерна в дневное время (августа-сентября месяцев) и в ночное, за счет наколенной в течение дня тепловой энергии в гравийном аккумуляторе. Гравийный акумулятор и увеличенная тяга в вытяжной трубе препятствуют образованию кон-енсата в сушилке и повышению влажности зерна в период дождей, что позволяет ранить в сушилке влажное зерно в течение такого периода без опасности его само-огревания и ухудшения качества.

6. При использовании барабанной гелиосушилки экономический эффект от снижения прямых эксплуатационных затрат составит по сравнению с зерносушилкой СЗТ-2,5, работающей на газообразном топливе - 267 руб./т высушенного зерна при экономии топлива 8 м3/т; работающей на жидком топливе - 295 руб./т высушенного зерна при экономии топлива 6 кг/т.

7. Зерно, обработанное перед посевом воздушно-тепловым способом в гелио-сушилке, имеет полевую всхожесть на 16,1% выше, чем необработанное зерно; урожайность выше соответственно на 7,7%, клейковина зерна - на 5,4%, стекловидность - на 12,2%, качество клейковины выше на 3,5 усл. ед.

Перспективными направлениями использования гелиосушилки являются: сушка высококачественного семенного материала; сушка зерна с целью обеспечения его высоких хлебопекарных качеств; предпосевная воздушно-тепловая обработка семян зерновых.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Байдаков, Е.М. Использование возобновляемых источников энергии для сушки зерна / Е.М. Байдаков // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, № 7, 2009. - С. 32-35.

2. Купреенко, А.И. Барабанная гелиосушилка зерна / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Сельский механизатор, № 6, 2010. - С. 32-33.

3. Купреенко, А.И. К обоснованию параметров барабанной гелиосушилки зерна / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Вестник ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», № 1 (52), 2012.-С. 48-51.

патенты

4. Пат. на полезную модель 71744 Российская Федерация, МПК Р 26В 3/28, Гелиосушилка / заявители: А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков; патентообладатель ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. - №2007129356/22; заявл. 30.07.2007; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8.

5. Пат. на полезную модель 92157 Российская Федерация, МПК Р 26В 3/28, Гелиосушилка / заявители: А.И. Купреенко, В.А. Тихий, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков; патентообладатель ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. - №2009135214/22; заявл. 21.09.2009; опубл. 10.03.2010, Бюл. №7.

публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

6. Купреенко, А.И. К снижению энергозатрат при сушке зерна / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянской ГСХА, 2007. - С. 6-9.

7. Купреенко, А.И. К расчету необходимой площади гелиоколлектора барабанной зерносушилки / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2008. - С. 37-41.

8. Купреенко, А.И. Гелиосушилка непрерывного действия / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2008. - С. 3-9.

9. Байдаков, Е.М. Возобновляемые источники энергии как основа высокоэффективных технологий / Е.М. Байдаков // Актуальные проблемы развития АПК: землеустройство, кадастры, геодезия, мониторинг и экономика // Сб. статей - М.: Гос. ун-т по землеустройству, 2008. - С. 6-10.

10. Купреенко, А.И. К повышению эффективности гелиосушилок зерна / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Научный журнал «Вестник Брянской ГСХА», № 5, 2009. - С. 63-68.

11. Купреенко, А.И Результаты испытания барабанной гелиосушилки зерна/ А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Научный журнал «Вестник Брянской ГСХА», № 5, 2009. - С. 69-73.

12. Купреенко, А.И. К обоснованию конструкции зернохранилища со встроенной гелиосушильной системой / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработки сельскохозяйственной продукции. Материалы X Международного научно-практического семинара. - Орел: Изд. Орел ГАУ, 2010. - С.76-81.

13. Чащинов, В.И. К выбору теплоизоляции плоского гелиоколлектора / В.И. Чащинов, А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков, О.В. Дьяченко // Научный журнал «Вестник Брянской ГСХА», № 1, 2011. - С. 29-34.

14. Купреенко, А.И. К обоснованию конструктивных параметров сушильного барабана гелиосушилки зерна / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2012. - С. 7-10.

15. Купреенко, А.И. К определению продолжительности процесса сушки зерна в гелиосушилке / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2012. - С. 59-63.

16. Купреенко, А.И. К обоснованию площади коллекторов гелиосушилки / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2012. - С. 63-68.

17. Купреенко, А.И. К определению массы гравийного аккумулятора / А.И. Купреенко, Х.М. Исаев, Е.М. Байдаков // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения // Сб. науч. работ. - Брянск: Изд. Брянская ГСХА, 2012. - С. 68-70.

Подписано в печать 11.05.2012 г. Формат 60x84 1/]6. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Изд. № 2164. Издательство Брянской ГСХА 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино

61 12-5/3903

ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

РАЗРАБОТКА БАРАБАННОЙ ГЕЛНОСУШИЛКИ ЗЕРНА И ОБОСНОВАНИЕ ЕЁ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства (технические науки)

На правах рукописи УДК 633. 1: 631.563.2

БАЙДАКОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Купреенко А.И.

Брянск 2012

Содержание

Введение................................................................................................................................................5

Глава 1 Современное состояние и перспективы снижения энергозатрат в

технологии сушки зерна........................................................................................................9

1.1 Технологические особенности качественной сушки зерна....................9

1.2 Энергоматериалоёмкость способов и технических средств

сушки зерна........................................................................................................................................19

1.3 Перспективы использования гелиоустановок в технологии

сушки зерна........................................................................................................................................34

1.4 Цель и задачи исследования................................................................................................44

Глава 2 Обоснование конструктивно-технологических параметров

барабанной гелиосушилки зерна................... ..............................................46

2.1 Обоснование принципиальной схемы барабанной гелиосушилки..................................................................................................................................46

2.2 Определение требуемой площади гелиоколлекторов........ ..................49

2.3 Определение массы гравийного аккумулятора................................................57

2.4 Обоснование конструктивных параметров сушильного барабана. 60

2.5 Обоснование конструктивных параметров и мощности привода барабана................................................................................................................................................64 .

2.6 Определение продолжительности процесса сушки......................................72

2.7 Критерий обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна............. ..............................76

Глава 3 Программа и методика исследований........................................................................82

3.1 Цель и программа экспериментальных исследований..............................82

3.2 Общая методика экспериментальных исследований....................................83

3.3 Методика экспериментальных исследований физико-механических свойств зерна................................................................................................85

3.4 Методика определения всхожести и энергии прорастания семян.. 93

3.5 Методика исследования процесса сушки зерна в гелиосушилке....................................................................................................................................96

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований................................................102

4.1 Характеристика климатических условий экспериментальных исследований....................................................................................................................................102

4.2 Характеристика зерновой массы как объекта сушки..........................................106

4.3 Описание экспериментальной барабанной гелиосушилки

зерна..........................................................................................................................................................110

4.4 Результаты экспериментальных исследований барабанной гелиосушилки..................................................................................................................................116

Глава 5 Технико-экономическая эффективность барабанной

гелиосушилки зерна..................................................................................................................152

5.1 Результаты обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна......................................................152

5.2 Сравнительная экономическая эффективность барабанной

гелиосушилки зерна..................................................................................................................159

Общие выводы....................................................................164

Список используемой литературы................................................................................166

Приложение 1 (листинг программы расчета барабанной

гелиосушилки для диаметра барабана 0,70 м)..................................................178

Приложение 2 (листинг программы расчета барабанной

гелиосушилки для диаметра барабана 0,88 м)..................................................183

Приложение 3 (агрометеорологический бюллетень по декадам

августа 2009-2011 г.г.)..............................................................................................................188

Приложение 4 (пат. на полезные модели № 71744, № 92157)............225

Приложение 5 (отчет о результатах сортоиспытания яровой ^

пшеницы 2010-2011 г.г.)....................................................

Приложение 6 (дипломы.)......................................................................................................237

Приложение 7 (акты внедрения)....................................................................................240

Аннотация

Диссертация содержит 177 страниц основного текста и 47 страниц приложений. Основной текст включает в себя введение, пять глав и общие выводы и рекомендации производству, в том числе 100 рисунков и 9 таблиц. Список использованной литературы содержит 145 наименований, в том числе 15 на иностранном языке.

В работе на основе анализа современного состояния технологий и технологических особенностей качественной сушки зерна обоснована перспективность использования гелиоустановок.

Разработана методика обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна, обеспечивающей повышение качества зерна и снижение энергозатрат на процесс.

По критерию минимума прямых эксплуатационных затрат определены оптимальные конструктивно-технологические параметры барабанной гелиосушилки зерна, установлено влияние параметров окружающей среды на их изменение.

Проведена сравнительная экономическая оценка эффективности применения барабанных гелиосушилок для сушки зерновой массы и тепловой обработки зерна перед посевом.

Диссертация написана на русском языке.

Введение

Наращивание производства зерна является одной из важнейших задач устойчивого развития продовольственного рынка страны, а также обеспечения ее продовольственной безопасности. Эта задача должна решаться не только повышением валового сбора урожая зерновых, но и обеспечением качества зерна, ведь известно, что качество зерна - второй урожай. Производство зерна сезонно, потребление его круглогодично, поэтому очень важно создать необходимые условия для его длительного хранения.

Как известно, в свежеубранном зерне продолжается процесс послеуборочного дозревания. К моменту уборки зерно еще не достигло полной физиологической зрелости и не обладает высокими технологическими свойствами. Правильно организованная сушка позволяет ускорить этот процесс, а также способствует выравниванию влажности и степени зрелости зерновой массы, улучшению внешнего вида и технологических свойств зерна.

Сушка, являясь наиболее важным технологическим процессом послеуборочной обработки зерна, в тоже время является и наиболее энергозатратным процессом.

Для досушивания зерна применяются сушилки различных типов со средним расходом жидкого топлива 100 кг/ч или газа 70 кг/т и установленной мощности электродвигателей порядка 50 кВт.

По своей природе зерно является коллоидным, а по структуре капиллярно-пористым телом со сложным химическим составом. При сушке зерна большое значение имеет не только температура нагрева зерна, но и продолжительность воздействия тепла. Важнейшей характеристикой зерна являются его теплофизические свойства. Исследования теплофизических характеристик единичного зерна и зернового слоя показали, что значения коэффициентов тепло- и температуропроводности для единичного зерна значительно отличаются от показателей для слоя того же зерна. Поэтому для быстрого нагрева всей массы зерна необходимо, чтобы в сушильной установке обеспечивался бы нагрев каждого отдельного зерна [17, 56, 131, 132, 133, 134].

Первые русские исследователи процесса сушки зерна (И. Чернопятов, 1867 г., Н. Румянцев, 1896 г.) обратили внимание на то, что зерно под действием высоких температур теряет всхожесть. Ими также было замечено, что высокая температура особенно пагубно действует на сырое зерно. По мере подсыхания зерна высокие температуры менее опасны.

Наиболее обычным повреждением зерна при его искусственной высокотемпературной сушке является образование трещин, вызываемое высокой скоростью сушки. Такое повреждение проявляется в образовании трещин на поверхности зерна или внутренних трещин. При помоле зерна пшеницы с трещинами снижается выход муки высшего сорта. Для предупреждения образования трещин следует контролировать как температуру сушильного агента, так и величину снижения влажности зерна за один пропуск через сушилку. При высокой скорости сушки зерна внутренние трещины образуются в эндосперме, что приводит к его дроблению при транспортировке. Образование трещин возрастает при увеличении температуры сушильного агента и подачи воздуха [27, 28, 31, 135, 136, 137, 138, 139].

В последние годы ряд объективных причин, а именно, рост населения планеты, цен на нефтетопливо и природный газ (из-за усиливающегося энергетического кризиса и возрастающего дефицита энергии, отрицательных экологических последствий от работы тепловых и атомных электрических станций) обусловили интерес ученых к работам по использованию возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, солнечной энергии. Разработка энергетических установок, использующих природные источники энергии, активно проводится во всех развитых странах, в т.ч. и в нашей стране [19,115].

Среди возобновляемых источников энергии одно из наиболее значимых мест занимает солнечная энергия, использование которой обеспечивает экологическую чистоту при возможности её применения практически во всех частях земного шара.

Одна из перспективных областей применения солнечной энергии в сельскохозяйственном производстве - послеуборочная сушка зерна.

При использовании существующих установок, на сушку зерна приходится от 85 до 97 % общих затрат энергии на его обработку. В целом по стране на сушку расходуется около 12 % используемого топлива. Расчёт показывает, что стоимость только топлива, расходуемого на сушку зерна, составляют около 10 % цены реализации зерна.

Использование высокотемпературных сушилок целесообразно при высокой влажности свежеубранного зерна - более 20 % [63, 115].

Зачастую коллективные и крестьянские (фермерские) хозяйства не имеют материальной возможности приобрести промышленные зерносушилки из-за их дороговизны и большого расхода топлива, сложности в эксплуатации и обслуживании. Им приходиться ждать, пока влажность зерна на колосе не достигнет 17... 18 % и только тогда приступать к уборке зерновых культур с использованием затем естественной сушки на зернотоку путем периодического перелопачивания зерна, либо искусственной сушки на напольных сушилках с использованием электрокалориферов.

Естественная сушка в гелиосушилках, в данном диапазоне влажности, не уступает, а иногда и превосходит искусственную сушку при отсутствии затрат на топливо и создании щадящего режима сушки как для зерновой массы в целом, так и для единичного зерна в отдельности.

Таким образом, разработка гелиосушилки зерна и обоснование её конструктивно-технологических параметров является актуальной задачей.

Целью исследований является разработка барабанной гелиосушилки зерна и обоснование её конструктивно-технологических параметров с целью снижения энергозатрат на процесс сушки и повышения качества готового продукта.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

- конструктивно-технологическая схема барабанной гелиосушилки зерна;

- математическая модель конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна;

- результаты экспериментальных исследований барабанной гелиосушилки;

- экономическая эффективность использования барабанных гелиосушилок.

Научная новизна работы состоит в обосновании конструктивно-технологической схемы барабанной гелиосушилки зерна, защищенной патентами на полезную модель РФ № 71744, № 92157 [104, 105]; разработке математической модели обоснования конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна; установлении функциональных зависимостей между физическими параметрами окружающей среды, высушиваемого зерна и конструктивно-технологическими параметрами барабанной гелиосушилки зерна.

Практическая значимость работы состоит в создании барабанной гелиосушилки зерна с увеличенной тягой в вытяжной трубе, обеспечивающей сушку зерна как в дневное, так и в ночное время суток; разработке методики инженерного расчета конструктивно-технологических параметров барабанной гелиосушилки зерна.

Результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Брянской ГСХА в 2007-2012 гг., Московского ГАУ им. В.П. Горячкина в 2010 г., межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронежский ГАУ, 2009 г.), X Международном научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработки сельскохозяйственной продукции» (Орловский ГАУ, 2010 г.). По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Разработка барабанной гелиосушилки зерна отмечена Дипломом организационно-экспертного совета за вклад в инновационное развитие области, проведенного администрацией Брянской области в рамках конкурса «На лучшее изобретение и рационализаторское предложение в 2011 году». Барабанная гелиосушилка зерна удостоена бронзовой медали XIII Всероссийской агропромышленной выставки «Золотая осень-2011», а её автор стал Лауреатом Всероссийского конкурса «Инженер года-2009» по версии «Инженерное искусство молодых» в номинации «Возобновляемые источники энергии».

Глава 1 Современное состояние и перспективы снижения энергозатрат в технологии сушки зерна

1.1 Технологические особенности качественной сушки зерна

Зерно - живой организм. В нем протекают биохимические процессы, интенсивность которых зависит от влажности.

Государственные стандарты выделяют четыре состояния семян зерновых культур: сухие, средней сухости, влажные и сырые [28, 33, 36].

Сухое зерно почти не имеет свободной влаги и находится в состоянии покоя или анабиоза. Жизненные процессы в нем полностью не останавливаются, но протекают в замедленном темпе, необходимом лишь для поддержания жизни клеток зародыша. Такое зерно может храниться длительное время. С появлением свободной влаги физиологическая активность (жизнедеятельность) зерна значительно увеличивается. Во влажном и, особенно, сыром состоянии зерно интенсивно дышит, в нём быстро размножаются хлебные вредители (клещ, долгоносик и др.), которые разрушают зерна и ускоряют процесс самосогревания. В процессе дыхания происходит распад углеводов, составляющих основную массу питательных веществ зерна, и выделяются углекислый газ, вода, этиловый спирт и значительное количество теплоты. Вследствие этого зерно теряет массу. Потери сухих веществ в процессе дыхания могут составить от 0,1 до 0,2 % в сутки, а иногда и более.

Для устранения потерь сухих веществ зерна необходимо сразу же после уборки снизить интенсивность его дыхания, которая зависит главным образом от влажности и температуры зерновой массы. Интенсивное дыхание зерна требует наличия в нем свободной влаги. Поэтому влажность зерна, при которой появляется свободная влага, называют критической. У семян пшеницы, ржи, овса, ячменя и гречихи она находится в пределах 14,5... 15,5 %, кукурузы и проса - 12,5... 13,5 %, гороха, фасоли, вики и кормовых бобов - 15... 16 %, а для

семян высокомасличного подсолнечника составляет всего лишь 6. ..8% [18, 61, 107, 111]. Именно поэтому большое значение приобрела сушка, как технологический процесс, обеспечивающий увеличение стойкости зерна при хранении, ускорение послеуборочного дозревания, улучшение технологических и семенных качеств зерна.

Зерна различных культур имеют свои особенности сушки, обусловленные их строением и биолого-технологическими свойствами [15].

Так, при сушке пшеницы не допускается уменьшение содержания клейковины и ухудшение ее качества, которое может достигать от 1 до 25 % и более. Скорость сушки у ржи меньше, чем у пшеницы, поскольку влага в зерне ржи более прочно связана с сухим веществом.

Овес, ячмень и другие пленчатые культуры выдерживают более жесткие режимы сушки, т.е. более высокую температуру теплоносителя, хотя допустимые температуры нагрева самого зерна примерно те же, что и пшеницы и ржи. За счет быстрого высыхания оболочек, влажность у пленчатых культур снижается несколько быстрее, чем у голосемянных [10].

При сушке проса, риса, гречихи не допускается снижение выхода крупы и увеличение количества битых и ошелушенных зерен. При сушке ячменя и кукурузы продовольственного и кормового назначения не допускается денатурация белка. При сушке семян по�