автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка энергосберегающей технологии сушки семян зерновых культур с использованием теплонасосной установки

б од

.... ; " РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИМ)

На правах рукописи

ГРИШИН Борис Иванович

УДК 633.365.32 633.365.22

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Рарота выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИМ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, академик Российской академии сельскохозяйственных наук АНИСКИН В. И.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, академик Международной академии информатизации ЕЛИЗАРОВ В. П.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник МИЛЬМАН И.Э.

Ведущее предприятие - СКВ по сушилкам АО

"Брянсксельмаш"

Защита состоится "2iL" 19э5г. в _ час.

на заседании Специализированного совета Д 020.02.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИМ) по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИМ.

f) с

Автореферат разослан ноября 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

У л. В. МАМЕД0ВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из наиболее ответственных этапов послеуборочной обработки семян является сушка. Получившие наибольшее распространение "высокотемпературные" сушилки непрерывного и периодического действия работают при "жестких" режимах, опасных для жизнеспособности семян. Кроме того, они обусловливают высокую энергоемкость процесса (5...7 МДж. на 1 кг. испаренной влаги), а для производства необходимого для подогрева сушильного агента тепла используется дорогостоящее жидкое топливо, продукты сгорания которого загрязняют окружающую среду. Поэтому важной задачей является разработка новых, менее энергоемких и экологически чистых технических средств и технологий сушки семенного материала, обеспечивающих .производство семян с высокими посевными свойствами.

Отечественные и зарубежные исследования показызают, что значительной экономии энергозатрат на сушку семян и зерна можно достичь путем использования теплонасосных установок (ТНУ) в качестве устройств для подготовки (увеличения влагопоглощающей способности) сушильного агента. Установлено, что применение ТНУ позволяет в 1,5. ..3- раза снизить затраты энергии на сушку, обеспечивая при этом высокое»качество семян. Однако результаты проведенных исследований и их разноречивость не позволяют обосновать пригодную к тиражированию технологию сушки семян с помощью ТНУ и параметры установки, необходимой для внедрения данной технологии в е.- х. производство. Решению этих вопросов и посвящена выполненная диссертационная работа.

Цель работы - обоснование энергосберегающей технологии сушки семян зерновых культур с использованием теплонасосной установки, определение типа и основных параметров ТНУ для реализации данной технологии.

Методика исследований. Тип ТНУ и температурный диапазон ее эффективного использования при сушке семян определены путем сравнительного анализа энергетической эффективности теплонасосных установок различного принципа действия и традиционных устройств для подогрева воздуха. Схема работы ТНУ обоснована в результате экспериментального и аналитического исследований влияния параметров получаемого в ТНУ сушильного агента на продолжительность сушки, ее энергоемкость и качество семян.

Лабораторные опыты по сушке семян проводили на установке, позволяющей изменять температуру, влагосодержание и расход сушильного агента (воздуха). Для изменения влагосодержания сушильного агента

использовали барботажный увлажнитель и осушитель воздуха, изготовленный на базе кондиционера БК-1500. Опытным материалом служили семена озимой пшеницы "Заря".

Для аналитического исследования процесса сушки семян в "толстом"- слое применен "ступенчатый" метод расчета ее продолжительности, реализованный в программе "SUSHKAXM. TBC" (язык программирования TURBO BASIC). На ПЭВМ типа IBM PC рассчитаны параметры процесса сушки семян в диапазонах температуры и влагосодержания воздуха соответственно 20. ..40° С и 1,7. ..25 г водяного пара/кг сухого воздуха.

Комплект оборудования, необходимый для реализации предлагаемой технологии, обоснован путем анализа технологических возможностей используемых в хозяйствах установок для временного хранения и низкотемпературной сушки семян, а также расчетом пропускной способности и загрузки оборудования в зависимости от объема обрабатываемого материала и продолжительности уборочного периода.

При расчете экономической эффективности разработанной технологии сушки семян в качестве базовых вариантов использованы традиционные технологии высокотемпературной и низкотемпературной сушки.

Научную новизну представляют:

- зависимости, характеризующие влияние температуры и влагосодержания воздуха на продолжительность сушки семян в расширенном диапазоне влагосодержания воздуха (1,7... 26, 5 г/кг);

- зависимости коэффициента сушки и "динамической" равновесной влажности семян от влагосодержания и температуры воздуха для условий низкотемпературной сушки семенного материала;

- зависимости продолжительности и энергоемкости процесса сушки семян от степени подогрева воздуха в конденсаторе ТНУ (при различных схемах ее работы);

- метод выбора рациональной схемы подготовки в ТНУ сушильного агента, используемого для низкотемпературной сушки семян на установках периодического действия.

Практическую значимость представляют:

- технологическая схема комбинированного использования вырабатываемого в ТНУ тепла и холода для временной консервации и сушки семян с помощью ТНУ, позволяющая снизить энергозатраты на сушку на 30... 50% и в 1,3...1,5 раза повысить сезонную производительность оборудования для послеуборочной обработки семян;

- предложения по определению состава оборудования для проведения временной консервации и сушки влажных семян с помощью теплона-сосной установки;

- методика определения технологических параметров теплонасос-ной установки;

- программа для расчета на ПЭВМ процесса низкотемпературной .сушки семян в "толстом" неподвижном слое.

Реализация результатов исследований.

На основании проведенных исследований разработаны исходные требования, техническое задание и изготовлены опытные образцы теп-лонасосной установки ТХУ50-2-0. По результатам приемочных испытаний установка рекомендована в серийное производство (акт приемки опытного образца N'2611 от 24 февраля 1994 г), которое начато в 1995 г. Проведена производственная проверка разработанной технологии сушки семян (протокол Подольской МИС N20-108-91). Результаты работы приняты к использованию СКВ по сушилкам АО "Брянсксельмаш" и Мелитопольским заводом холодильного машиностроения "Рэфма".

^ Апробация работы. Результаты исследований доложены на конференции молодых специалистов ВИМа (Москва, 1987 г.), 43-й научно -практической конференции в Латвийской СХА (Елгава, 1988 г.), при проведении школы "Пути экономии топливно - энергетических ресурсов в теплоемких процессах сельскохозяйственного производства" (Москва, ВДНХ СССР, 1988 г.), на Всесоюзных научно - практических конференциях "Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе" (Новосибирск, СибИМЭ, 1989 г.) и "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях АПК, торговле и на транспорте" (Одесса, ОТИХП, 1989 г.), Всероссийских научно - практических конференциях "Научно - технический прогресс в инженерной сфере АПК России" (Москва, ГОСНИТИ -ВИМ - ВИЭСХ, 1994, 1995 г.),- Второй Международной выставке-конференции "Энергосберегающая техника и технологии" (Киев, Дворец спорта, 1995 г).

Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации изложено в шести печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Содержит {ЬЯ страниц машинописного текста, 20 таблиц и 59 рисунков. Список использованной литературы включает 99 наименований отечественных авторов и 48 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе I обоснована целесообразность применения теплонасосных установок в процессах сушки семян зерновых культур, сформулированы

цель и задачи работы.

Анализ современного состояния техники сушки семян показал, что используемые технологии и технические средства энергоемки и не в полной мере соответствуют особенностям семенного материала, как объекта сушки. В частности, при применении высокотемпературной сушки (наиболее распространенной на сегодняшний день) реализуются "жесткие" тепловые режимы, часто приводящие к снижению посевных свойств семян. Кроме того, в качестве источника тепла в основном используется дорогостоящее жидкое осветленное топливо.

Известно, что наилучшие условия для послеуборочного дозревания семян и сохранения их качества обеспечиваются при низкотемпературной сушке. Накопленный опыт показывает, что применение для этих целей ТНУ позволяет не только получать семена с высокой всхожестью, но и исключить использование жидкого топлива при сушке. Кроме того, в результате использования низкопотенциального тепла окружающего или отработавшего воздуха применение ТНУ позволяет на 30...70% снизить затраты энергии на испарение влаги из высушиваемого материала и реализовать экологически чистый способ сушки семян.

Вопросами использования ТНУ в процессах сушки семян и зерна занимались А. С.Гинзбург, Н. С.Чайченец, Е. Б.Мамбеткулов, В. И. Анис-кин, В.М.Лурье. Н. Pohler, В. Stutzer, R.C.Brook, Р. Howard и другие ученые. Предложены технологии сушки продовольственного зерна (Н. С. Чайченец, Е. Б. Мамбеткулов), семян трав (Н. Pofiler, B.Stutzer). Однако, проведенные исследования не достаточны для разработки пригодной к тиражированию, энергосберегающей технологии сушки семян, зерновых культур с использованием ТНУ и обоснования основных параметров теплонасосной установки, необходимой для реализации данной технологии.

Для выполнения поставленной цели работы были сформулированы следующие задачи:

1) определить тип геплонасссных установок, которые следует использовать для сушки семян зерновых культур, и условия их эффективного применения;

2) изучить влияние осушения и подогрева сушильного агента (воздуха) на продолжительность, энергоемкость процесса сушки и качество семян, на основании чего определить рациональную схему работы ТНУ;

'3) обосновать основные параметры теплонасосной установки, разработать ее опытный образец и испытать его в хозяйственных условиях;

4) обосновать комплект оборудования и технологические операции,

- г -

необходимые для реализации энергосберегающей технологии сушки семян с использованием теплонасосной установки;

5) провести производственную проверку разработанной технологии и рассчитать ее эффективность.

В главе II приведены программа и методика экспериментальных и теоретических исследований, необходимых для решения поставленных задач. Особое внимание уделено методике проведения лабораторных опытов по сушке семян воздухом, имеющим различные температуру и влагосодержание.

Лабораторные опыты проведены на установке (рис. 1), позволяющей изменять влагосодержание, температуру и расход подаваемого в материал воздуха. Для уменьшения влагосодержания и температуры сушильного агента использовали осушитель воздуха, изготовленный путем реконструкции кондиционера БК-1500. Обрабатываемый в осушителе поток воздуха продувался последовательно через испаритель и конденсатор, что обеспечивало непрерывную работу устройства в период проведения опытов. Увлажнение сушильного агента производили в барбо-тажном увлажнителе, при этом степень насыщения воздуха влагой регулировали путем подогрева воды в увлажнителе и изменением расхода проходящего через увлажнитель воздуха. Автоматическое поддержание температуры сушильного агента на заданном уровне осуществляли с помощью универсального электронного терморегулятора УТ-1.

В этой же главе изложена методика "ступенчатого" расчета процесса сушки семян на ПЭВМ, предусматривающая последовательное рассмотрение процесса влагоотдачи "толстого" неподвижного,слоя высушиваемого материала по "элементарным" ("тонким") слоям.

В главе III проанализированы энергетические, конструктивные и технологические показатели парокомпрессионных, воздушных (газовых), абсорбционных и термоэлектрических теплонасосных установок.

Основной характеристикой ТНУ является коэффициент преобразования Ц , представляющий собой соотношение получаемого в установке тепла QT к затрачиваемой на ее привод энергии N

Qr

Теоретически максимально возможное значение |1 имеет идеальная теплонасосная установка, в которой осуществляется обратный термодинамический цикл Карно (цикл Г- 2'- 3'- 4* на рис.2 а). В цикле Карно процессы сжатия и расширения рабочего тела (процессы 1'- 2' и

ВОЗДУХ

Рис. 1. Схема лабораторной установки

I - осушитель воздуха; 2 - барботажный увлажнитель воздуха;

3 - смеситель; 4 - кассеты с зерном; 5 - электронный регулятор температуры; 6 - регулятор напряжения; 7 - вентилятор';

8 - ротаметр; 9 - воздуховод; 10 - электрокалорифер;

II - выравниватель температуры воздушного потока;

12 - заслонка; 13 - потенциометр.

3*- 4") происходят без изменения его энтропии, то есть без потерь энергии. Кроме того, аккумулирование низкопотенциального тепла и передача его потребителю (процессы 4;- 1' и 2'- 3") происходят при постоянной температуре рабочего тела, что соответствует максимально эффективному процессу теплопереноса.

Рабочий цикл, наиболее близкий к идеальному, имеют парокомп-рессионные ТНУ (цикл 1-2-3-4-5-6-7-1 на рис. 2 б). В этих установках процессы отдачи (2-3-4-5) и аккумулирования

а) д~)

РИС: 2. Изображение циклов идеальной (а) и реальной парокомпрес-сионной ТНУ (б) в диаграмме температура Т - энтропия 5 * рабочего тела (хладагента) X - удельное содержание пара в парожидкостной смеси хладагента.

(6-7-1) тепла сопровождаются изменением фазового состояния рабочего тела (хладагента) при практически постоянной температуре. Установка работает следующим образом.

Парообразный хладагент сжимается в компрессоре до давления конденсации Рк (процесс 1 - 2) и поступает в конденсатор, где отдает тепло потребителю, переходя из парообразного состояния в жидкое (процесс 2-3-4-5). Жидкий хладагент расширяется в дроссельном вентиле до давления испарения Р0 (процесс 5-6), в результате чего его. температура снижается, и поступает в испаритель. В последнем хладагент переходит из жидкого состояния в парообразное, аккумулируя при этом тепло низкотемпературного источника (процесс 6 - 7 -I), и поступает на всасывание в компрессор.

Более высокий (в 1,5. ..2, 5 раза) чем у других типов ТНУ коэффициент преобразования {-I , а также возможность создания мобильных конструкций различной производительности обусловливают целесообразность использования при сушке семян парокомпрессионных теплснасос-ных установок.

В данной главе также приведены результаты расчета удельных затрат "первичной" энергии (включающей в себя потери энергии, сря-

занные с производством, передачей электроэнергии и эффективностью теплогенератора) на увеличение влагопоглощащей способности сушильного агента и испарение влаги из высушиваемого материала. Рассмотрены следующие варианты увеличения влагопоглощащей способности направляемого на сушку воздуха:

Вариант I - подогрев наружного воздуха в теплогенераторе, работающем на жидком топливе (рис. За).

Вариант II - предварительный подогрев наружного воздуха в регенеративном теплообменнике и основной подогрев в теплогенераторе (рис. 3 б).

Вариант III - подогрев наружного воздуха в конденсаторе ТНУ, утилизирующей тепло окружающей среды (рис. 3 в).

Вариант IV - подогрев наружного воздуха в конденсаторе ТНУ, утилизирующей тепло отработавшего воздуха (рис. 3 г).

Вариант V - осушение (в испарителе ТНУ) и подогрев (в конденсаторе ТНУ) наружного воздуха (рис. 3 д).

Вариант VI - осушение (в испарителе) и подогрев (в конденсаторе) отработавшего воздуха (рис. 3 е).

В результате. расчета для рассмотренных вариантов работы ТНУ были получены зависимости затрат электроэнергии Еэ (необходимой для работы ТНУ) на сушку от степени подогрева сушильного агента в конденсаторе ТНУ. В обобщенном виде полученные зависимости выражаются уравнением:

Еэ = Я-) дТ + Ь1 , МДж / кг испаренной влаги (2)

где дТ - степень подогрева воздуха в конденсаторе ТНУ, °С; a1f bi _ коэффициенты, соответствующие схемам работы ТНУ и параметрам наружного воздуха (таблица 1 на стр. 16).

Уравнение действительно для значений дТ от 10 до 50°С. Относительная погрешность уравнения не превышает 8,5%.

Анализ результатов расчета показал, что при значениях дТ = 10... 20" С применение 'ГНУ позволяет в 2. ..4 раза уменьшить затраты "первичной" энергии на увеличение влагопоглощающей способности сушильного агента и испарение влаги из материала по сравнению с традиционными вариантами подготовки сушильного агента (рис. ' 3 а, б). Учитывая более высокую стоимость ТНУ по сравнению с теплогенераторами и другим оборудованием, используемым для подогрева сушильного агента, указанный температурный диапазон (соответствующий условиям низкотемпературной сушки семян) является наиболее предпоч-

г)

6) д)

$) в)

Рис. 3. Варианты увеличения влагопоглощащей способности сушильного агента

ТГ - теплогенератор; РТ - регенеративный теплообменник; КС - камера сушки; К - компрессор; Д - дроссельный вентиль.

тительным для применения теплонасосных установок.

С повышением степени подогрева сушильного агента и, соответственно, разницы между температурными уровнями, на которых осуществляется перенос энергии, энергетическая эффективность ТНУ снижается.

В целом, применение ТНУ позволяет снизить энергозатраты на сушку при степени подогрева сушильного агента не более 30...45°С (диапазон обусловлен конкретными условиями работы ТНУ).

В главе IV представлены результаты теоретического и экспериментального исследований процесса сушки семян зерновых культур, позволившие определить рациональную схему подготовки сушильного агента в теплонасосной установке.

Путем расчета затрат энергии на обработку воздуха в ТНУ при различных режимах ее работы показано, что для определения эффективной схемы работы ТНУ необходимо проведение специальных исследований процесса сушки семян воздухом, имеющим различные температуру и вла-госодержание.

Закономерности низкотемпературной (температура сушильного агента 14,3...40°С) сушки семян в "элементарном" слов определяли экспериментально. С использованием метода "спрямления" кривых сушки получена зависимость "динамической" равновесной влажности \J\fp семян от температуры 1 и влагосодерясания с1 сушильного агента в ранее не исследованном диапазоне с! (от 3,7 до 26,5 г водяного пара / кг сухого воздуха):

У\*р= 6,08 -0,1071 +-—-- , % (3)

(0,0051 + 0,93) ' -0,61

где УУр - "динамическая" равновесная влажность семян (по отношению к массе сухого вещества): I - температура сушильного агента, °С;

с1 - влагосодержание сушильного агента, г/кг.

Установлена также зависимость коэффициента сушки Кс от температуры 1 сушильного агента:

3,84

Кс = 0,01(0,051 + 0,285) +0,059 (4)

Полученные зависимости необходимы для расчета процесса сушки семян в "толстом" неподвижном слое.

По результатам экспериментальных исследований построена диаграмма Т'^Дф) , позволяющая оценить влияние основных параметров сушильного агента на продолжительность Т' сушки семян в "элементарном" слое (рис. 4 а).

Из диаграммы видно, что достижение заданных значений относительной влажности ф и влагопоглощающей способности О воздуха мо-

—-/ 1,4

12

8 4

О 5 10 15 20 25 , г/

а, /кг

Т,ч

<20

50 40

,0 «5 25 .г/

, .КГ

б)

Рис. 4. Диаграммы для определения продолжительности сушки X, Т семян пшеницы в зависимости от температуры £ , влагосодержания с! , относительной влажности ф и влагопоглощающей способности О сушильного агента в "элементарном" (а) и "толстом" (б) слое. \л/н = 20%; Ык=14%.

жет производиться путем увеличения его температуры и снижения 'его влагосодержания (осушения). При этом в случае одинакового (в абсолютном выражении) изменения ф и D подогрев воздуха позволяет получить значительно большее сокращение X' , чем осушение.

С использованием .зависимостей 3 и 4 на ПЭВМ типа IBM PC проведен расчет процесса сушки "толстого" слоя материала. Программа для ПЭВМ составлена по алгоритму, в основу которого положен "ступенчатый" метод расчета. • В результате вычислений получены зависимости продолжительности сушки Т зерновой массы от параметров и удельной подачи сушильного агента. Их удобно представить в виде диаграмм, аналогичных диаграмме X*(t,d,Cp) (Рис- 4 а) Для "элементарного" слоя.

Приведенная на рисунке 4 (б) диаграмма Т (t,d,(p) (для "толстого" слоя) соответствует удельной подаче сушильного агента, равной 0, 5 кг/ч (порядка 0,4 м3/ч) на кг сухого вещества зерна (с. в.з.). Наклон приведенных на диаграмме линий ф = const показывает, что снижение относительной влажности воздуха путем его подогрева позволяет в 1,1...1,3 раза больше сократить продолжительность сушки, чем такое же уменьшение ф в результате снижения влагосодержания воздуха.

Анализ диаграмм T(t,d,(p) , построенных для различных значений удельной подачи Gg сушильного агента, показал следующее. При значениях Gc менее 1,0 кг/ч на 1 кг с. в. з. увеличение D за счет подогрева сушильного агента обеспечивает меньшее (на 7... 11%) сокращение Т , чем аналогичное увеличение D путем осушения. При увеличении G с более 1,0. ..1,2 кг/ч на 1 кг с. в.з. форма приведенных на рисунке 4 (б) линий ф = const и D = const начинает меняться и приближаться к той, которую они имеют при сушке семян в "элементарном" слое (рис. 4а), то есть увеличение влагопоглощающей способности сушильного агента путем его подогрева становится более эффективным, чем путем осушения.

Учитывая отмеченную выше эффективность подогрева и осушения воздуха как способов уменьшения его' относительной влажности, данное обстоятельство позволяет сделать следующий вывод. Для повышения интенсивности сушки семян подготовку сушильного агента в ТНУ следует производить путем его подогрева, а не путем осушения. Этому требованию соответствует схема работы теплонасосной установки, при которой через нее продувается два потока воздуха, один из'которых (рис. 3 в, г) подогревается (в конденсаторе) за счет охлаждения другого потока (в испарителе). В качестве источников низкопотенциаль-

ного тепла могут использоваться наружный воздух или отработавший сушильный агент (во втором случае достигается наибольшая энергетическая эффективность установки).

Экспериментальное исследование процесса сушки семян в "толстом" неподвижном слое подтвердило достоверность данных, полученных расчетным путем. Относительная погрешность результатов "ступенчатого" расчета продолжительности сушки семян (в качестве "действительных" значений принимали продолжительность сушки, определенную экспериментально) составила не более 11,6%, а ее среднее значение -10, 4%.

Анализы посевных свойств семян до и после высушивания показали, что использованные при проведении опытов (в "элементарном" и "толстом" слое) режимы сушки не оказали отрицательного воздействия на качество семян.

Правильность выбора схемы "подогрева / охлаждения" воздуха (рис. 3 в, г) как наиболее эффективной схемы работы ТНУ при низкотемпературной сушке семян, подтверждена расчетом удельных суммарных затрат энергии на сушку Е^ , определяемых как отношение затрат электроэнергии на привод ТНУ и вентилятора к количеству испаренной из материала влаги. При работе ТНУ по данной схеме энергозатраты на сушку в 1,2. ..1,5 раза меньше, чем при работе по схеме "осушения" воздуха (рис. 3 д, е).

Значения Е^ определяли по формуле:

Т-Мв-3,6

Е2 » Еэ + - ' ^ на КГ испаренной влаги (5)

9в

где: Еэ ~ удельные затраты электроэнергии на привод ТНУ, МДж/кг испаренной влаги;

Мв - потребляемая мощность вентилятора, используемого для продувания слоя высушиваемых семян, кВт;

Т - продолжительность сушки, ч;~

дв- количество испаренной из семян влаги, кг.

С помощью ПЭВМ получено уравнение, в обобщенном виде выражающее зависимость продолжительности сушки % семян пшеницы в "толстом" неподвижном слое от степени подогрева воздуха в конденсаторе ТНУ и удельной подачи сушильного агента:

X = [Сс(А У + В дТт + С 1п(дТ) + К)], ч (6)

где: дТ- степень подогрева воздуха в конденсаторе ТНУ, °С;

Gq- удельная подача сушильного агента, кг/ч на 1 кг с. в. з.; А, В, С, К, Г», m - коэффициенты, - значения которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов уравнений 2, 6

Значения коэффициентов, соответствующие вариантам работы ТНУ (III...VI на стр. 10) и параметрам наружного воздуха

Коэф-

фици- Температура и относительная Температура и относительная

ент влажность наружного воздуха влажность наружного воздуха

10° С и 85% 20°С и 60%

III IV V VI III IV V VI

агю3 33,6 1В, 56 28,7 20, 44 29,74 20, 65 24,5 18, 56

brio3 196,0 262,4 315,0 299,6 81,2 101,5 231,0 248,4

А-ю5 4,853 4,853 4,437 4, 98 0,0 0,0 7, 339 217, 84

В-103 0,0 0,0 0,0 0,0 3,065 3,065 0,0 -30, 51

С-ю3 18, 867 18, 867 5,482 5, 52 0,0 0,0 0,0 0,0

К-ю3 -25,35 -25, 35 0,0 0,0 11,535 11,535 12, 096 0,0

п 2,0 2,0 2,0 2,0 — — 2, 0 1,0

m — — — — 1,0 1.0 — -1,0

Уравнение действительно в диапазоне удельной подачи сушильного агента 0, 5... 1, 4 кг/ч (порядка 0,4 ... 1,2. м3/ч) на 1 кг сухого вещества зерна. При температуре 1н и относительной влажности фн наружного воздуха 20°С и 60% уравнение (6) действительно в диапазоне дТ от 5 до 20° С При значениях 1Н = ю° С и фн = 85% полученное уравнение может использоваться в диапазоне дТ от 10 до 30°С. Относительная погрешность уравнения не превышает 12%.

Проведенные исследования позволили разработать метод выбора рациональной схемы подготовки в ТНУ сушильного агента, используемого для низкотемпературной сушки семян зерновых культур. Выбор производится по двум критериям: продолжительности и энергоемкости процесса сушки. Продолжительность сушки в зависимости от параметров сушиль-

ного агента либо степени его подогрева в конденсаторе ТНУ можно определить с помощью диаграмм Т(1,с1,ф) (рис. 4 б) и уравнения 6. По уравнениям 2, 5, а также представленным в диссертации зависимостям энергозатрат на сушку от степени подогрева воздуха в конденсаторе ТНУ можно определить энергоемкость процесса, соответствующую схеме работы теплонасосной установки.

В главе V обоснована энергосберегающая технология сушки семян зерновых культур с использованием ТНУ.

Анализ применяемых в хозяйствах технических средств сушки и временного хранения влажных семян показал, что теплонасосную установку целесообразно агрегатировать с бункерами активного вентилирования, основные достоинства которых - универсальность применения (возможность временного хранения и сушки влажного материала, а также хранения высушенных семян до момента их реализации), полная механизация загрузки и выгрузки, а также возможность использования в составе поточных линий послеуборочной обработки семян.

Исходя из условий эксплуатации ТНУ при суше семян и необходимости обеспечения установкой не только качественной сушки, но и временной консервации влажных семян охлаждением, обоснованы основные параметры теплонасосной установки ТХУ50-2-0:

- тепло / холодопроизводительность, кВт -60/45

- потребляемая мощность, кВт ■ - 15...18

- расход воздуха, м3/ч - 11000... 12000

- степень подогрева воздуха, °С - на 8. ..16

- степень охлаждения воздуха, °С '- на 8... 10

Принципиальная схема установки ТХУ50-2-0 приведена на рис.5(а).

Установка имеет два режима работы: получение подогретого и охлажденного воздуха (1-й режим) и получение осушенного воздуха (П-й режим, рис. 5 б). Разработка установки производилась с учетом ее возможного использования для других технологических нужд с.-х. производства (создание искусственного микроклимата в животноводческих и производственных помещениях, охлаждение овощной продукции, картофеля при закладке в хранилища и в период хранения и т. д.). По результатам проведенных на Подольской МИС приемочных испытаний установка ТХУ50-2-0 рекомендована в серийное производство (протоколы N 20-108-91 и N 20-16-92).

Результаты расчета состава и сезонной производительности комплекта технологического оборудования для сушки и временной консервации влажных семян с помощью ТНУ представлены в.таблице 2. Полученные данные свидетельствуют о целесообразности агрегатирования уста-

16©

® 16

I РЕЖИМ

Ь20вС_____

?»80% -

И РЕЖИМ

3

а)

и-12'С, ¥=85% 1^14

5-е. '

\ ЬЗО'С — ¥=35

2

I РЕЖИМ "[\=20*С 4=80%

Ь35'С ¥=35%

Рис. 5. Схемы теплонасосной установки ТХУ50-2-0

а) принципиальная;

б) технологическая;

1 - компрессор;

2 - конденсатор;

3 - испаритель;

4 - вентилятор;

5 - жалюзи;

6 - терморегулирующий

вентиль;

7 - ресивер;

8 - фильтр-осушитель;

9 - теплообменник;

10 - смотровое стекло;

11 - соленоидный

вентиль;

12 - датчик-реле раз-

ности давлений;

13 - датчик-реле

-давлений

14 - запорный клапан;

15 - запорный вентиль;

16 - манометр;

17 - датчик температуры;

—&— жидкий хладагент; —1>— парообразный

хладагент; _ направления

подачи воздуха.

<Я

новки ТХУ50-2-0 с двумя отделениями вентилируемых бункеров 0БВ-160, в состав которых входит 8 бункеров БВ-40.

Таблица 2

Показатели технологического процесса временной консервации и сушки влажных семян с использованием установки ТХУ50-2-0

Продол- Необходимое Длительность хранения зерна Общая длитель-

житель- количество в охлажденном состоянии. су т. ность обработ-

ность бункерор ки семян.

уборки. БВ-40, шт. максимальная средняя сутки

зерно-

вых, Сезонный объем обработки семян, т

сутки

300 450 600 300 450 600 300 450 600 300 450 600

10 6 10 - 8 21 - 6,2 14,3 - 20 31 -

15 5 8 - 6 15 - 5,0 10,1 - 22 32 -

20 4 7 10 4 8 17 3.3 6.4 12,0 23 30 38

25 3 6 8 3 7 12 2,0 5.2 8,5 27 31 38

На основании результатов проведенных исследований и с учетом опыта применения теплохолодильных машин для временной консервации влажных семян охлаждением (работы 0.П.Поплевина, В.М.Лурье, В. И.Анискина и др.) обоснована энергосберегающая технология сушки семян зерновых культур с использованием теплонасосной установки ТХУ50-2-0. Схема реализации этой технологии при использовании двух отделений 0БВ-160 показана на рис. 6.

Поступающий с поля влажный семенной ворох проходит предварительную очистку, и.с-помощью нории подается в вентилируемые бункеры. Сразу после заполнения первых двух бункеров начинается сушка семян, а продолжающий поступать материал загружается в оставшиеся бункеры, где производится его временная консервация холодом (на схеме для компактности показаны только 2 из 6-ти "охлаждаемых" бункеров) .

После доведения влажности семян до кондиционной "сушильные" бункеры разгружают, и в них засыпают семена из бункеров, в которых они дольше всего находились во влажном состоянии. В дальнейшем процесс повторяется до завершения сушки последней партии влажного материала.

НА ДАЛЬНЕЙШУЮ ОБРАБОТКУ И ХРАНЕНИЕ

Рис.

6. Схема технологического процесса сушки семян в вентилируемых бункерах с использованием тепло-насосной установки ТХУ50-2-0

1 - автомобильные весы; 2 - автомобилеподъемник; 3 - завальная яма; 4 - нория; 5 - машина предварительной очистки; 6 - "сушильный" бункер; 7 - "охлаждаемый" бункер;" 8 - ленточнвй транспортер; 9 - бункер отходов; 10 - установка ТХУ50-2-0. | I » - подогретый воздух; »■ ■■» - охлажденный воздух;

-- влажные семена; -----*- - отходы;

— * - высушенные семена.

Возможно проведение сушки семян без их пересыпания из "охлаждаемых" бункеров в "сушильные". В этом случае необходима установка специальных воздуховодов, позволяющих подавать в любой из бункеров как охлажденный, так и подогретый воздух, либо периодическая перестыковка (к бункерам) входящих в комплект ТХУ50-2-0 гибких воздуховодов.

Высушенные семена могут направляться на хранение как сразу после сушки, так и после их окончательной очистки. Хранение доведенных до кондиционной влажности семян может производиться на складе (насыпью), либо в механизированном хранилище (например типа МС-500), а также в вентилируемых бункерах. 4

Предложенная технология имеет следующие преимущества:

- гарантированное получение семян с 'высокими посевными качествами;

- исключение затрат жидкого топлива на сушку;

- снижение энергозатрат на сушку не менее чем в 1,5 раза по сравнению с традиционными технологиями высокотемпературной сушки;

- обеспечение экологически чистого производства семян;

- повышение сезонной производительности линий послеуборочной обработки семян в 1,3...1,5 раза (за счет увеличения сроков обработки).

В главе VI представлены результаты производственной проверки и расчета экономической эффективности энергосберегающей технологии сушки семян зерновых культур с использованием установки ТХУ50-2-0.

Разработанная технология проверялась на пунктах послеуборочной обработки семян в ОПХ "Тульская нива" и в опытном хозяйстве Подольской машиноиспытательной станции. Высушено до кондиционной влажности более 250 т семян гороха, овса и ячменя с начальной влажностью 18...25%. Полученные результаты показали, что теплопроизводитель-ность установки является достаточной для проведения одновременной сушки в двух бункерах типа БВ-40. При этом с помощью вырабатываемого в ТНУ холода можно осуществлять длительное (более 10 суток) временное хранение влажных семян без ухудшения их посевных свойств. Установлено, что потребность в электроэнергии при сушке семян с помощью установки ТХУ50-2-0 в 2,0...2,3 раза меньше, чем при использовании электроподогревателей воздуха аналогичной тепловой мощности. По сравнению с сушкой семян в шахтных сушилках применение ТНУ позволило в 1,7...2,2 раза снизить расход "первичной" энергии на сушку.

В результате расчета экономической эффективности установлено, что внедрение новой технологии вместо традиционных технологий высокотемпературной сушки (в колонковой сушилке СК-5) и активного вентилирования (в бункерах БВ-40) с использованием электроподогрева воздуха позволяет получить годовой экономический эффект соответственно 39,2 и 22,9 тыс. руб. на т семян (в ценах на 01.07.1995 г).

ВЫВОДЫ

1. Использование для подготовки сушильного агента (воздуха) теплонасосных установок является одним из эффективных путей снижения энергозатрат на сушку семян. Реализуемый в ТНУ принцип утилизации низкопотенциального тепла окружающей среды либо отработавшего теплоносителя позволяет в 1.5...3 раза снизить затраты условного топлива на подогрев воздуха по сравнению с традиционными воздухопо-догревающими установками.

2. При сушке семян целесообразно использовать парокомпрессион-ные ТНУ, коэффициент преобразования энергии [X которых в 1,5. ..2.5 раза выше, чем Ц ТНУ других типов. На базе парокомпрессионных ТНУ

возможно создание мобильных энергетических средств, удовлетворяющих требованиям различных с.- х. потребителей.

3. Подготовка в ТНУ сушильного агента (снижение относительной влажности и увеличение влагопоглощающей способности) может производиться как путем его подогрева, так и путем его осушения (уменьшения влагосодержания). Наибольшую эффективность, с точки зрения сокращения энергозатрат и продолжительности сушки, обеспечивает схема работы ТНУ, в которой подогрев сушильного агента осуществляется без изменения его влагосодержания за счет утилизации тепла наружного либо отработавшего воздуха.

4. Эффективность применения ТНУ при сушке семян определяется схемой подготовки сушильного агента, начальными параметрами поступающего в ТНУ воздуха и необходимой степенью его подогрева. Установлено, что при степени подогрева воздуха до 30...45°С (диапазон обусловлен конкретными условиями работы ТНУ) применение теплонасос-ных установок позволяет снизить затраты "первичной" энергии на подготовку сушильного агента по сравнению с использованием топочных теплогенераторов.

5. Экспериментальное исследование процесса сушки семян в расширенном диапазоне влагосодержания сушильного агента (1,7...26,5 г водяного пара на кг сухого воздуха) позволило определить зависимости Кс(^) коэффициента сушки от температуры и \Л/р(1, <1) "динамической" равновесной влажности семян от температуры и влагосодержания сушильного агента (уравнения 3, 4).. Зависимость Кс(^ имеет Степенной характер. При постоянном значении температуры сушильного агента зависимость УУр (I, с1) близка к линейной. С использованием полученных зависимостей разработана программа "ступенчатого" расчета на ПЭВМ процесса низкотемпературной сушки семян в "толстом" неподвижном слое.

6. В общем виде зависимость продолжительности сушки семян от удельной подачи сушильного агента и степени его подогрева в конденсаторе ТНУ можно выразить в виде уравнения, в состав которого входят степенные и логарифмическая функции (уравнение 6). Использование данного уравнения наряду с зависимостями энергозатрат на сушку (уравнения 2, 5) позволяет выбрать схему подговки сушильного агента и режим работы ТНУ при ее агрегатировании с низкотемпературными сушильными установками периодического действия.

7. Возможность одновременного получения в ТНУ тепла и холода обусловливает целесообразность их комбинированного использования для сушки и временной консервации влажных семян охлаждением. В этом

случае применение ТНУ позволяет снизить энергозатраты на сушку не менее чем в 1,5 раза и в 1,3. ..1,5 раза повысить сезонную загрузку оборудования для послеуборочной обработки семян за счет увеличения сроков обработки. Наиболее рациональным для агрегатирования с ТНУ оборудованием для низкотемпературной сушки и временного хранения семян являются вентилируемые бункеры.

8. Для проведения сушки 40... 80 т семян на установках периодического действия, в том числе в вентилируемых бункерах, и обеспечения сезонной производительности сушки 400...600 т семян рекомендуется использовать одну теплонасосную установку со следующими параметрами: теплопроизводительность - 60 кВт, холодопроизводительность - 45 кВт, потребляемая мощность - 15...18 кВт, расход воздуха 11000...12000 м3/ч. При необходимости сушки большего объема семян рекомендуется использовать две и более теплонасосных установок. В соответствии с данными рекомендациями разработана техдокументация и изготовлены опытные образцыдеплонасосной установки ТХУ50-2-0. По результатам Государственных испытаний установка рекомендована в серийное производство, которое начато в 1995 г.

9. Энергосберегающая технология сушки семян с использованием ТНУ предусматривает загрузку прошедших предварительную очистку семян в вентилируемые бункеры, временную консервацию влажных семян охлаждением и их последующее высушивание до кондиционной влажности. При использовании установки Т$У50-2-0 максимальная сезонная производительность сушки (до 600 т семян) достигается при ее агрегатировании с 8-ю бункерами типа БВ-40 (БВ-40А).

10. Потребность в электроэнергии при сушке семян с помощью установки ТХУ50-2-0 в 2, 0... 2, 3 раза меньше, чем при использовании электроподогревателей воздуха аналогичной тепловой мощности. По сравнению с сушкой семян в шахтных сушилках применение ТНУ позволяет в 1,7...2,2 раза снизить затраты "первичной" энергии на сушку. Годовой экономический эффект от внедрения-предлагаемой энергосберегающей технологии в производство составляет до 39,2 тыс. руб. на тонну высушенных семян (в ценах на 01.07.1995 г).

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Перспективы использования теплохолодильных машин для сушки сельскохозяйственной продукции. - НТБ ВИМ, М., 1988, Вып. 71, с. 15-18.

2. Использование теплохолодильной установки ТХУ50-2-0 для кондиционирования воздуха животноводческих ферм и сушки семян. - НТБ ВИМ, М., 1989. Вып. 74, с. 11-14 (соавторы Лурье В. М., Иванов Л. В.).

3. Временная консервация и энергосберегающая сушка влажных семян зерновых культур при помощи теплохолодильной установки ТХУ 50-2-0./ Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе, ч. 4 /Тезисы докл. Всес. науч. - практ. конф.- М., ВИМ, 1989, с. 49 (соавтор Анискин В. И.).

4. Универсальная теплохолодильная установка для сельскохозяйственного производства. / Тез. докл. Всес. науч. - практ. конф., Одесса, ротапринт ОИНТЭ,'1989, с. 73 (соавторы: Лурье В. М., Иванов Л. В.)

5. Использование теплохолодильной машины при активном вентилировании семян трав. / Комплексная механизация заготовки кормов. Сб. науч. трудов ВИМ. - М., 1989, с. 110-114 (соавтор Балашов В. Н.).

6. Технология сушки и хранения семян с применением теплонасос-ных установок. - Инженерно - техническое обеспечение АПК.- М., Изд. Информагротех, 1995, N 5, стр. 11-12 (соавтор Анискин В.И.).

Подписано к печати 20.11. 95. Объем 1.0 уч.- изд. л.

Формат бумаги 60x90 1/16 Тираж 100 экз. Заказ N зэ

Типография ЦОПКБ ВИМ