автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих процессов сушки зерна злаковых и семян масличных культур с использованием теплонасосных технологий

На правах рукописи

БРИТИКОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА ЗЛАКОВЫХ И СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.18.12- Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук

4 АПР гоїз

Воронеж-2013

005051443

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «В ГУ ИТ»)

Научный консультант: заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий») Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

доктор технических наук, профессор Резчиков Вениамин Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»)

доктор технических наук, профессор Шаззо Аслан Юсуфович (ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»)

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки Россельхозакадемии» (ГНУ ВНИИЗ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «18» апреля 2013 года в 1330 часов в конференц-зале на заседании совета по защите кандидатских диссертаций, по защите докторских диссертаций Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036 г. Воронеж, пр-т Революции, 19.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации Шр5://уак2.е<1§оу.т_и ВГУИТ http://wwvv.vsuet.ru «17» января 2013 г. С диссертацией можно ознакомиться в биб^ибтеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Автореферат разослан «18» марта 2013 гЬда

Ученый секретарь совета по защите каш йдатс* ^х диссертаций, по защите докторских диссертаций, профессор ( '

Калашников Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рынок хлебопродуктов занимает одно из важнейших мест в экономике народного хозяйства. Зерно является стратегически важным продуктом, от состояния его производственной и перерабатывающей базы во многом зависит продовольственная безопасность страны. Наметившаяся в последние годы положительная динамика по сбору урожая зерновых в России позволяет ежегодно увеличивать объемы поставок зерна отечественному производителю, а также наращивать его экспорт. Если в 2005 г. валовой сбор зерна составил 78,2 млн. тонн, то в 2011 г. - 93,9 млн. тонн.

В этой связи элеваторное хозяйство должно в короткие сроки осуществлять приемку и поточную послеуборочную обработку зерна, важнейшим звеном которой является сушка, так как большая часть заготовляемого зерна поступает, как правило, с повышенной влажностью и его сохранность зависит от работы зерносушильных установок. Большинство сельскохозяйственных предприятий испытывают дефицит в зерносушильной технике и не в состоянии довести зерно до базисной товарной кондиции.

Современные тенденции в развитии теории сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих технологий сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения тепловых насосов (ТН). Эффективное замещение в системах теплоснабжения ископаемых видов топлива при сушке зерна злаковых и семян масличных культур на теплоту возобновляемых и вторичных источников посредством ТН является одним из важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды. В России установленная мощность теплонасосных установок (ТНУ) всех типов не превышает 65 МВт, тогда как тепловая мощность действующего в мире парка ТН составляет 250 ГВт, что делает их внедрение актуальным в условиях экономического курса страны, направленного на энергосбережение и энергоэффективность, скорейшее устранение имеющегося отставания в этой сфере.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки и хранения зерна, а также их аппаратурное оформление отражены в работах

A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, В.И. Жидко, И.Ф. Пикуса, И.Л. Любошица,

B.C. Уколова, В.А Резникова, В.Ф. Сорочинского, Б.И. Леончика, Шевцова A.A., Н.В. Остапчука, И.Т. Кретова, Г.А. Егорова, В.И. Атаназевича, А.Ю. Шаззо и др.

Однако эксплуатируемые в настоящее время сушильные установки, зачастую, не используют теплоту отработанного сушильного агента, рекуперация которой позволит существенно повысить экономичность сушилок. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа

и поиска решений по повышению эффективности процессов сушки и хранения зерна на основе подключения ТН является актуальной проблемой.

Научная работа проводилась в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежского государственного университета инженерных технологий «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК» (ГР 01201253866), а также в рамках государственного контракта № Г1459 от 13.05.2010 г. на выполнение НИР по теме «Тепловая пеленгация внутренних источников теплоты в дисперсных системах и ее реализация в аппаратах с поперечной подачей теплоносителя» в рамках обобщенной проблемы: «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы».

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - развитие научно-теоретических основ ресурсосбережения в процессах сушки и хранения зерна злаковых и семян масличных культур с применением теплонасосных технологий; разработка рекомендаций по проектированию и внедрению в производство высокоэффективных сушильных установок; реализация программно-логических алгоритмов оптимального управления технологическими параметрами, направленных на минимизацию удельных теплоэнергетических потерь, повышение качества высушенного зерна и охрану окружающей среды.

Дня достижения цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка научно-теоретических подходов к энергосбережению за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов с применением замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, проектирование новых компоновочных решений технологии сушки зерна с использованием тепловых насосов и повышение экологической безопасности.

2. Обоснование концепции моделирования максимально прибыльных технологий сушки зерна злаковых и семян масличных культур в виде совокупности функции цели (критерия оптимизации), математического описания процесса сушки и системы ограничений. Выбор в качестве критерия оптимизации средней по времени прибыли, определение ее однозначной функциональной связи с технологическим режимом сушки, возможностью оперативного поиска наилучшего компромисса между качеством и количеством высушенного зерна, а также их соотношения с затратами ресурсов всех видов.

3. Составление структурной модели энергосберегающей технологии сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту. Выполнение процедуры анализа и синтеза технологии зерносушения как системы процессов. Разработка энергоэффективных процессов сушки зерна с применением теплонасосных технологий, обеспечивающих экологическую безопасность зернопроизводства.

3. Изучение основных кинетических закономерностей процессов конвективной сушки зерна при программированном теплоподводе и выявление рациональной области изменения режимных параметров, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества.

4. Разработка математических моделей тепломассообменных процессов на основе топологического принципа формализации сложной технологической системы, повышение качества экспериментов и точности расчетов, необходимых для оптимизации и управления технологическими параметрами процессов сушки и хранения зерна.

5. Выполнение комплексных экспериментальных и теоретических исследований кинетических, гидродинамических и тепломассообменных закономерностей процесса сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах с циклическим вводом антиоксиданта. Изучение влияния антиоксиданта на активность жирных кислот в процессе сушки семян по симметричной и несимметричной схемах осцилляции, разработка способа стабилизации термовлажностных характеристик семян при сушке и хранении.

6. Разработка новых конструктивных решений сушильных установок, повышающих эффективность технологии зерносушения.

7. Создание информационного обеспечения для реализации новых способов сушки и управления технологическими параметрами, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.

8. Решение задачи оптимизации процесса сушки зерна по технико-экономическому показателю.

9. Разработка способа тепловой пеленгации локальных очагов самосогревания зернового сырья при силосном хранении.

10. Определение условий рационального сопряжения тепловых объектов с различными температурными потенциалами для повышения эффективности утилизации и рекуперации тепла вторичных источников в процессах сушки и хранения зерна.

11. Производственная апробация предлагаемых способов сушки и управления с оценкой качества высушенной продукции и эффективностью предлагаемых технологий по рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов.

Научная концепция: разработка и научное обеспечение подходов и методов ресурсосбережения в процессах сушки и хранения зерна

злаковых и семян масличных культур с применением теплонасосных технологий; создание высокоэффективных, экологически безопасных процессов сушки с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа основных гидродинамических, кинетических, тепломас-сообменных закономерностей и математического моделирования; разработка способов управления технологическими параметрами, обеспечивающих экономию энергетических ресурсов, высокое качество высушиваемого зерна и охрану окружающей среды.

Научные положения, выносимые на защиту:

- комплекс проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающих структуризацию тепломассообмен-ных процессов в технологии зерносушения злаковых и семян масличных культур с использованием тепловых насосов;

- концептуальный подход к созданию инновационных технологий, техники и способов управления процессами конвективной сушки зерна при комбинированных режимах теплоподвода;

- научно обоснованные способы энергосбережения за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов и замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам;

- алгоритмы и результаты моделирования процессов сушки зерна злаковых и семян масличных культур;

- принципы выбора рациональных режимов процессов сушки, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности сушильных установок и качества высушенного зерна;

- методологический подход к созданию системы автоматической оптимизации технологии зерносушения по технико-экономическому показателю, обеспечивающей экономию материальных и энергетических ресурсов;

- концепцию тепловой пеленгации локальных очагов самосогревания зерновой массы при силосном хранении для своевременно активного вентилирования зерна при его долгосрочном хранении.

Научная новизна. 1. Разработан концептуальный подход в создании энергоэффективных технологий сушки и хранения зерна на основе развития принципов энергосбережения по утилизации и рекуперации вторичных ресурсов, направленных на рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, охрану окружающей среды, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций зерносушильных установок с применением тепловых насосов.

2. Выявлены и математически описаны закономерности кинетики сушки зерна злаковых культур при различных температурных режимах применительно к реальным условиям сушки гравитационно

движущегося слоя зерна; получены уравнения кинетики сушки; изучена нестационарность полей температуры в зерносушилках шахтного типа; определены численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик.

3. Решена математическая модель процесса сушки зерна при перекрестном движении агента сушки через слой зерновой массы, учитывающая связь температуры и влагосодержания дисперсного материала, движущегося непрерывным потоком. Модель позволяет определять поля температур и влагосодержаний зернового слоя.

4. Получено в аналитической форме решение системы уравнений A.B. Лыкова для нестационарного процесса сушки зерна методом разложения в модифицированные ряды Фурье. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составило не более 4 %.

5. Разработана математическая модель процесса сушки зерновых культур при переменном теплоподводе, учитывающая связь температуры, влагосодержания и удельной нагрузки зерна на решетку. Модель позволяет определять температурные поля зернового слоя. Применение модели в задачах управления процессом сушки обеспечивает оперативную стабилизацию термовлажностных характеристик зерна в области допустимых технологических свойств.

6. Предложен графо-аналитический метод моделирования кинетических закономерностей процесса сушки зернистого слоя при программированном энергоподводе и подход к проектированию зерносушилок.

7. Предложена математическая модель процесса самосогревания зернового сырья в виде системы дифференциальных уравнений для полуограниченной пластины с источником теплоты на поверхности очага самосогревания, позволяющая проводить систематические расчеты параметров процесса распространения тепла в силосе. Результаты моделирования сопоставимы с данными экспериментальных исследований и не превышают 11,5 %. Полученная информация использована при выборе оптимальных режимов активного вентилирования и охлаждения зернового сырья в процессе его хранения в силосах.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Предложены новые способы конвективной сушки и активного вентилирования зерна злаковых и семян масличных культур (Пат. РФ № № 2303213, 2406340, № 2416919, № 2410884, № 2425304) с применением тепловых насосов, обеспечивающие максимальную реализацию неиспользованных резервов энергосбережения.

2. Разработан способ сушки зерна с энергосберегающей схемой подключения парокомпрессионного теплового насоса к зерносушилке и алгоритм управления параметрами одновременно протекающих про-

цессов сушки зерна, осушения отработанного воздуха, регенерации рабочих поверхностей теплообменник устройств, рекуперативного теплообмена между теплоносителями разного температурного потенциала (Пат. № 2303213).

3. Разработана схема подключения пароэжекторного теплового насоса (ПЭТН) к зерносушилке, обеспечивающего эффективную подготовку сушильного агента, рациональное использование вторичных энергоресурсов, стабильное качество высушенного зерна и экологически безопасные условия эксплуатации теплового оборудования (положит, решение о выдаче патента РФ по заявке № 2011145615/13 от 09.12.2012).

4. Предложены способы сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах с циклическим вводом антиоксиданта и установка для их осуществления (Пат. РФ №№ 2110884, 2416063).

5. Предложена стратегия управления процессами сушки зерна в шахтных рециркуляционных сушилках и длительного хранении в зернохранилищах силосного типа. Разработан способ стабилизации термо-влажностных характеристик зерна при его сушке и хранении, предусматривающий оперативное предупреждение самосогревания зерновой массы (Пат. РФ №№ 2303213,2425304).

6. Разработан метод экспресс-анализа качества зерна злаковых и семян масличных культур с помощью детектирующего устройства «пьезоэлектронный нос» (Пат. РФ № 2466528).

8. Разработаны конструкции сушильных установок (Пат. РФ №№ 2377488, 2416063, 2418249), зернохранилища силосного типа (Пат. № 2301518) и методики их расчета.

9. Разработаны программы для ЭВМ (свид. Роспатента о гос. регистрации № 2010613333 и № 2011618172) и программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления процессами сушки и хранения зерна злаковых и семян масличных культур (Пат. РФ № 2303213, 2425304), позволяющие эффективно использовать низко- и высокотемпературный потенциал сушильного агента; снизить затраты энергии в калорифере и тепловые нагрузки на конденсатор и испаритель теплового насоса, и как следствие, обеспечить снижение удельных энергозатрат на 10... 15%.

10. Научная новизна предложенных технических решений отражена в 15 патентах РФ на изобретения. Проданы лицензии ООО «Воронежский Промзернопроект» на патент № 2301518, ООО «Агромаш» на патент № 2416919, ООО «Проектно-технологический институт экологии, промышленной безопасности и строительства» на патент № 2418249, ООО «Пром-СтройПроект» на патенты РФ № 2416063 и 2425304 и свидетельство № 2011618172.

Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Москва, 1998 г., 2011 г.); (Могилев, 2005 г.); (Одесса, 2006 г.); (Воронеж, 2006 г., 2009 г., 2010 г.); (Пловдив, 2010 г.); (Махачкала, 2010 г.); отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006-2012 г.).

Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках «Центрагромаш» (Воронеж, 2006 г.), «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2005 г.), «Продторг» (Воронеж, 2007 г., 2011 г.), на конкурсе инновационных проектов «Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 2009 г.), по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.

Публикации. По материалам работы опубликовано 67 научных работ, в т. ч. 1 монография, 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на полезную модель, 14 патентов РФ на изобретения, 2 свидетельства Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 332 страницах машинописного текста, содержит 123 рисунка и 35 таблиц. Список литературы включает 268 наименований. Приложения к диссертации представлены на 95 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние процессов сушки и хранения зерна, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе приводится анализ современного состояния теории и практики моделирования процессов сушки и хранения зерна, рассматриваются существующие модельные представления в данной области. Даётся обзор методов решения задач тепломассопереноса. Детально рассмотрены вопросы проектирования зерносушилок и перспективы применения теплонасосных технологий в зерносушении на основе рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определены пути и методы решения поставленных научных проблем и обоснован выбор объектов исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям процесса сушки зерна в шахтных зерносушилках.

Разработана математическая модель процесса сушки зерна в гравитационном слое шахтной зерносушилки при следующих допуще-

ниях: не учитывались температурные градиенты, термодиффузия, распределенность источников теплоты в единичном зерне; пренебрега-лось потоками теплоты в зерновом слое за счет теплопроводности в сравнении с конвективными потоками; не учитывалась усадка и градиент давления; распределение полей температур и влагосодержаний рассматривалось в цилиндрической системе координат; единичное зерно представлялось в форме цилиндра.

Уравнение распределения полей влагосодержаний

ди ди / \

—+1Г---а„,(т)

от о х

д2и 1 ди о г2 г дг

= 0'

Уравнение распределения температурных полей

8т дх с' у' с

^ и + п, ^ " дт дх

и (т, х)= -Дг- [ ги(т,х, '

Граничные условия

ди(т,х, г)

дг

Начальные условия

м(0, х, г)=и0(л-, г), в(0, х)= в(>(л) Условия симметрии

ди(т,х,г)

дг

= 0. 0(г,О)=/(г).

(1)

= 0 , (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

г =О

Система уравнений (1) - (6) приведена к безразмерному виду и представлена системой обобщенных дифференциальных уравнений:

'ди„ _ ~ и„-1 + ди^ .

д! И ¡2,, д2

с? х

1.11

V

<Шк ах

3/7

2Л2

2

Г

и^, -

3 п

и,

I 2 к

2 К

(7)

(8)

Гп\2* + 1) 2«2 п{2к-Х)

ыи

а х

дТ д X

с граничными условиями

, к=2,...,п-\; (9)

^-=1.и(2л2 (с/„_, -и„) - (2,,-1)В.>„)' (10)

(11)

= - N11 Г + Ко Вг, {/„

dU„ = dU_ dZ ~ dZ с начальными условиями

= - Bi„, U,

t/,|=i, / = і,2,...,и; г|=і,

(12)

(13)

и условиями сопряжения

и„- и„= О (14)

Полученная система дифференциальных уравнений (7) - (14) решена методом Рунге-Кутта. Проверка на адекватность математической модели проводилась путем минимизации суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений влагосодержаний и температур зернового слоя в местах отбора проб для всех режимов. Численный эксперимент позволил найти значения коэффициентов теплообмена А = 0,329 кДж/(м3 К с) и массообмена В = 4,05-107 м/с, которые обеспечили наилучшую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Их отклонение по абсолютному значению не превышало 12,5 %.

Дня зерна сферической формы получено численно-аналитическое решение системы уравнений A.B. Лыкова для нестационарного процесса сушки методом разложения в модифицированные ряды Фурье при следующих упрощающих допущениях: градиент давления равен нулю; коэффициенты теплопроводности, диффузии влаги, относительный коэффициент термодиффузии усреднены и принимали постоянные значения; единичное зерно представлялось в форме шара с радиусом .

Система уравнений A.B. Лыкова в сферической системе координат использовалась в виде:

дГ дт

ди

дт

= А,

д2Т 2 дТ

дг2 г дг >

д2Т 2 дТ

дг2 г дг

+ Ау

+ Ау

f d2U 2 dU дг г дг

(15)

d2U

'дг2

2 dU г дг

где г - пространственная координата, отнесённая к эквивалентному радиусу шара г = х/Лэкв; Т = (9-в0)/(вс-в0)-безразмерная температура зерна; и = и/и0 - безразмерное влагосодержание зерна; (и, Т) > 0 , (и,Т) < оо при г -> 0 г є [0,1], г є [0,1], т = I Ьк , с условием ограниченности решения:

|2\С/|«», (16)

граничными условиями третьего рода:

дТ{г,т)

бг дЩг,т)

+ ах[\- Г(г, г)|г=| ] - а2[и(г, г)|г=1 - ир /«,„] = О, + [1 - Г(г, г)|,=, ] + Ь2 [Щг, г)|,=] - и„ / и0 ] = О,

ог

и начальными условиями:

Т(г,0) = 0 , и(г,0) = 1, (18)

где комплексы критериев определяются уравнениями: Ап =1 +£КоЬиРп , А12 =гКо!д1 , Л21 = ЬиРп , Л12 =Ьи ,

а2 = (1 - £)КоЬиВ1„,, Л, = Рп В1Г/, Ь2 = В1„,(1-(1-£)РпКоЬи) с использованием критериев: Коссовича - Ко = г 0 г/0/сц(вс -вй)\ Лыкова -

Ьи = ат/а; Поснова - Рп =5(вс-в0)1щ ; Фурье - Ро=аг/Лэ2кв; тепло-обменный и массообменный критерии Био - = а Яжъ ¡X,

В1Ш = рЯжв/ят соответственно; в, <90 - текущая и начальная температура зерна, вс - температура среды, К; и, ир, и0 - текущее, равновесное и

начальное влагосодержание зерна соответственно, (кг /кг); е - критерий фазового превращения, величина безразмерная, характеризующая долю влаги, перемещающейся в виде пара; г0 - удельная теплота парообразования, кДж/кг; ат - коэффициент диффузии влаги, м2/с; 8 - термоградиентный коэффициент, 1/К; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2-К); /?-коэффициент массоотдачи, м/с, ст - удельная теплоемкость зерна, Дж/(кг-К); р0 - плотность абсолютно сухого зерна, кг/м3.

Решение системы (15) — (18) для искомых функций получено в виде:

Т = -[М.+2х{т)%т{т71г)], и = -[м„ +^,(г)зт(шягг)]. (19)

у. Г

Разработана программа для ЭВМ (Свидетельство Роспатента о гос. регистрации № 2010613333), позволяющая производить расчёт полей температуры и влагосодержания зерна для процесса нестационарной сушки методом модифицированных рядов Фурье для N членов ряда, при этом время расчета для N = 2, 3, 6 и 9 составляет 10, 20, 50 и 110 с соответственно. Установлено, что решение сходится уже при двух членах ряда Фурье.

Результаты проверки предложенной математической модели на адекватность показали (рис. 1), что значения показателей средней ошибки аппроксимации и коэффициента детерминации для температуры составляют 4 % и 0,957, а для влагосодержания - 2 % и 0,968 соответственно.

І І І

тттгггптт

Рис. 2. Схема управления технологическими параметрами при сушке зерна в зерносушилке с парокомпрессионным тепловым насосом: 1 - сушилка; 2, 3 - зоны сушки; 4 - зона охлаждения; 5 - теплообменник; 6, 7 - калориферы; 8, 9, 10 - вентиляторы; 11, 12- циклоны; 13 - компрессор; 14, 15 - секции конденсатора; 16 - ТРВ; 17, 18 - резервная и рабочая секции испарителя; 19, 20 - переключатели потоков; 21 — микропроцессор

Рис. 1. Сравнение изменения во времени расчетных значений температуры и влагосодержа-ния зерна в относительных единицах с экспериментальными точками

Применение модифицированных рядов Фурье позволяет получить приближенное решение с любой заданной точностью в аналитическом виде (19) при минимальных затратах времени на вычисления.

В третьей главе рассмотрены различные варианты компоновочных решений, направленных на повышение энергетической эффективности процессов сушки зерна в шахтных зерносушилках с применением теплонасосных технологий. Используя разработанные математические модели и программное обеспечение для управления технологическими параметрами, предложен способ сушки зерна с энергосберегающей схемой подключения ПКТН к зерносушилке и алгоритм управления параметрами одновременно протекающих процессов сушки зерна, осушения отработанного воздуха, регенерации рабочих поверхностей теплообменных устройств, рекуперативного теплообмена между теплоносителями разного температурного потенциала (рис. 2).

В способе предусмотрено использовать теплоту отработанного сушильного агента для размораживания секции испарителя, рабо-

тающей в режиме регенерации. Предлагаемый способ управления энергосберегающей технологией сушки в зерносушилке с тепловым насосом компенсирует потери эффективности процесса сушки зерна, повышает точность и надежность управления технологическими параметрами в области заданных значений и позволяет снизить удельные энергозатраты на 10... 15 %.

При отсутствии источников вторичного тепла в условиях децентрализованных систем теплоснабжения, когда тепловая энергия генерируется непосредственно на объекте производства обосновано применение паро-эжекторного теплового насоса (ПЭТН). При этом реализована возможность использования теплоты низкотемпературного потенциала, в частности, бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов, что позволяет эффективно решать задачи энергосбережения (рис. 3).

Влажное зерно предварительно подогревается в теплообменнике 6, где происходит подвяливание зерна за счет тепловой обработки высоковлажным отработанным сушильным агентом. После предварительного подогрева зерно поступает в зону сушки зерносушилки, где происходит снижение его влажности до стандартного значения. В зоне охлаждения зерно охлаждается до температуры 20...22 °С и выводится из сушилки.

Смесь отработанного сушильного агента после зон сушки и охлаждения отводится в циклон для очистки от содержащихся в ней взвешенных твердых частиц, затем охлаждается в холодоприемнике путем теплопередачи от хладагента, в качестве которого используется вода. В холодоприемнике сушильный агент достигает температуры точки «росы» и содержащаяся в нем влага конденсируется в виде капельной жидкости на поверхности теплообмена, за счет чего происходит его осушение.

Производственные испытания способа на экспериментальном оборудовании в условиях ООО «Зернопромбезопасность» при сушке зерна тритикале с начальной влажностью 1В,5...21,5 % в прямоточной шахтной зерносушилке производительностью 12 т/ч по высушенному зерну показали, что подключение теплового насоса в тепловую схему производства позволило снизить удельные энергозатраты на 5... 10 %; обеспечить стабильное качество высушенного зерна и экологически безопасные условия реализации за счет применения воды в качестве хладагента.

Предложена энергосберегающая технология зерносушения в двухступенчатой теплонасосной установке и алгоритм управления для ее осуществления (рис. 4).

В четвертой главе изучены основные кинетические закономерности процесса сушки зерновых культур при переменном теплоподводе.

рециркуляционной сушилке с применением пароэжекгорного теплового насоса: 1 - зона тепло- и влагообмена; 2, 3 - зоны сушки; 4 - зона охлаждения; 5 - теплообменник; 6 - циклон; 7, 8 - калориферы; 9 -парогенератор; 10-эжектор; 11 - испаритель, 12 - хсшодоприемник; 13 -конденсатор; 14-ТРВ; 15, 16-насосы; 17,18, 19-вентиляторы; 20-сборник конденсата; 21 - нория; 22 - микропроцессор

Рис. 4. Схема управления процессом сушки зерна в прямоточной шахтной зерносушилке с двухступенчатым тепловым насосом: 1 -сушилка; 2. 3, 4 -первая, вторая и третья зоны сушки; 5 - зона охлаждения; 6 - теплообменник; 7. 9, 10 - вентиляторы; И, 12 - компрессоры первой и второй ступени; 13, 14 - конденсаторы; 15, 16 - испарители первой и второй ступени; 17 - промежуточный сосуд; 18,19-ТРВ; 20-теплообменник-рекуператор; 21, 22 - ресиверы; 23 - микропроцессор

Опыты проводились с озимой пшеницей сорта «Мироновская», ячменем сорта «Таловский-34», овсом сорта «Мирный». Кинетика сушки зерновых культур исследовалась как при постоянных параметрах процесса, так и в переменном режиме: линейная скорость теплоносителя изменялась от 3,2 м/с в начале сушки до 0,2 м/с в конце, температура - от 313 К в начале до 373 К в конце, влагосодержание теплоносителя в каждом опыте поддерживалось постоянным в интервале значений 0,001 ...0,025 кг/кг.

Кинетические закономерности процесса сушки зерновых культур (рис. 5-7) представлены в виде экспериментальных кривых нагрева, сушки и скорости сушки зерна.

а б

Рис. 5. Кривые нагрева, сушки (а) и скорости сушки (б) зерна пшеницы при следующих параметрах: И'н = 20 %; Т= 373 К; V = 3,2 м/с; д = 300 Н/м2; х„-10":' кг/кг: 1 - 20; 2 - 15; 3 - 10; 4 - 5

а б

Рис. 6. Кривые сушки и нагрева зерна овса (а): Т= 393 К; х = 0,010 кг/кг;

V = 2,2 м/с; q, Н/м2: 1 - 1050; 2 -900; 3 - 750; 4 - 600; 5 - 450; 6 - 300; 7- 150; кривые скорости сушки зерна овса (б): х = 0,010 кг/кг; v = 2,2 м/с; q= 750 Н/м2; Т, К: 1 - 373; 2 - 383; 3 - 393; 4 - 398

Рис. 7. Кривые сушки, нагрева (а) и скорости сушки (б) зерна ячменя при: 1-Уи = 20,5 %; Т = 373 К; л = 0,010 кг/кг; V = 1,6 м/с;

Н/м2; I - 150; 2 - 300; 3 - 450

Анализ кривых сушки и скорости сушки зерна пшеницы, ячменя и овса показывает, что процесс сушки осуществляется в периоде убывающей скорости сушки, а интенсивность диффузии влаги значительно меньше интенсивности влагообмена.

Увеличение температуры теплоносителя Т интенсифицирует внутреннюю диффузию влаги и ведет к резкому возрастанию температуры зерна Т3. Анализ кривых нагрева и сушки зерна при различных значениях удельной нагрузки зерна пшеницы на газораспределительную решетку с/ оказывает существенное влияние величины <7 на интенсивность испарения влаги.

Несмотря на разнообразие режимов, кривые нагрева и сушки имеют одинаковый характер. Это означает, что в пределах допустимых температур нагрева зерна процесс сушкн протекает при постепенном уменьшении скорости испарения влаги и интенсивном возрастании температуры зерна, т. е. темпы роста нагрева зерна опережают скорость его сушки.

В пятой главе рассмотрен методологический подход к расчету и проектированию перспективных конструкций зерносушилок. Переменные температура Т, скорость V, влагосодержание х теплоносителя на входе в слой зерна и удельная нагрузка зерна на газораспределительную решетку с/ являлись кусочно-постоянными функциями времени.

Конвективная сушка зерна рассматривалась как процесс, имеющий известные интервалы времени; [0, т,]; [г,, г?];...; [г,,.,, г„], на которых т,, V,, X/, <//, Т2, V,, х2; д2,... Т„, V,,, х,„ принимали фиксированные значения. Каждым значениям Ть V,, х„ <7,, соответствовала кривая сушки, определяемая моделью:

\У(Т„у„Чгх,г, ); ЩТ2г2,д2.хг.т);...: ЩТи^,.дп.хпт), (20) где і = (1, п) — количество этапов сушки.

Тогда поле влажности зерна при переменном режиме сушки предлагалось определять в виде системы:

IV (Т2, ч2,д2,х2 г; + (т- *)))Ут е]т,,т2[;. (21)

V (Т„ , V,,, Чп , хі: + (т - , )). V г є ]т„_ ,.т„[;

Для уменьшения разрывов производных при построении кривой сушки в переменных режимах предлагалось определять вспомогательные параметры г/, г/,... т„из решения уравнений:

гу : 1У(Т1,\1,д1,х1 т,) = \У(Т2,х2,д2,х2.,г)), т\ : 1У(Т2 ,у2,д2,х2,т'2+(т2-т,))= №(Т3, г3, д3, х3 т2 ),

(22)

Здесь моменты времени т, и т,\ т, и т/,..., г„_, и т„.~ определяют соответственно одну и ту же влажность зерна IV,, ИЛ, )¥„.,, которую оно достигает при различных Т, V, х, д.

Экспериментальные кривые сушки носят экспоненциальный характер и к концу, сушки асимптотически приближаются к установившемуся значению равновесной влажности IVр. Поэтому в качестве аппроксимирующей функции было использовано уравнение

(IV -IV )/(IV -IV,, ) = ехр(-кТ"' др т) ■

(23)

Последовательная подстановка в уравнение (23) основных параметров процесса — температуры Т, скорости V и относительной влажности ан теплоносителя, удельной нагрузки зерна на газораспределительную решетку д требовала соответствующей коррекции коэффициента к и уточнения показателей степеней пг, п, г и р соответственно при Т, V, х и с]. В этом случае для определения параметров модели к, т, п, г,р был использован метод средних величин, который позволил обеспечить достаточно высокую степень идентификации модели (23) экспериментальным кривым сушки.

В соответствии с экспериментальными данными были идентифицированы коэффициенты эмпирической модели (23) для зерна пшеницы, овса и ячменя в следующей области изменения параметров процесса: 14 % < IV,, < 25 %; 353 К <Т< 398 К; 0,2 м/с < V < 1,2 м/с; 5103 кг/кг < х < 25-10"3 кг/кг; 0,100 Н/м2 <д< 1850 Н/м2 (табл.)

Таблица

Значения коэффициентов к, т, п, г, р

Наименование зерновой культуры к т П Р

Пшеница 8,22-Ю"'5 5,1 2,04 -2,0 2,0

Ячмень 8,8Ы0"15 4,7 1,93 -2,1 1,9

Овес 8,54-10"15 4,8 1,86 -2,1 1,9

Коэффициент сушки кф соответствующий фиксированным Т„ дс„ V,, определяли из условия минимума выражения:

6 N

X Ц/1

4=1п=1

IV „

IV ,

(V.

IV ,

к Т 1

(24)

Расчетная формула для определения коэффициента сушки для каждой комбинации Т, у, х, с/ имеет вид

к ц =

Ярт

(25)

Проверку гипотезы о нормальности распределения исследуемой величины проводили по х2-критерию. Установлено, что данные наблюдений согласуются с гипотезой нормального распределения коэффициента к, соответствующего всей совокупности режимных групп.

Выборочное сравнение режимов сушки по совокупности экспериментальных и расчетных данных показало вполне удовлетворительную сходимость результатов (рис. 8).

Для определения полей температур и вла-госодержаний в слое высушиваемого зерна использовалось дифференциальное уравнение теплового баланса в

3000 с 3600

Рис. 8. Расчетные кривые нагрева и сушки зерна пшеницы при различных температурах теплоносителя, Т, К: I - 393, 2 - 373, 3 - 353; V = 0,4 м/с; х„ = 0,005 кг/кг

следующем виде:

Л ( р3(т ,д )с(т ,д )Т3(т ,д ))

СІТ

= ач(Т(т)-Т3(т,Ч)) +

4 ^г, Г, у, \

с/ т

После интегрирования и преобразований (26) при условии: 1

Ті - г,

получено

Т3(тііЯі) =

г,., _

Щ = ¡У(т„Т, .ч.х^Яі), і = (1,п):

Рз(*і-ьЯі-і)сз(*і-і.Яі-і) ау ( т(-ты) РЗ(гГЯІ)С3(гІ-Яі) Р3(*і4І)с3(тІ-ЯІ).

(28)

Рз(гі'ЯІ)С3(тІ>ЯІ) ' Р3(ті'Я)с3(т1,ц1)

Т3(тіЧ, д,_,) +

(29)

IV.

т

~Рз(Ті-І-Яі-і)

--£>, (Т; М: )--

100+^ 3 ' ' 100+^_;

Насыпную плотность зерна определяли из условия материально го баланса по сухим веществам в зерне:

Рз(Ті'Яі)~-

100 +И",,

\

о

(30)

(І + Щ )

И';

100 +

ёд

здесь є(0) - начальная порозность зернового слоя, д„ - начальная удельная нагрузка, Н/м2; р* - плотность абсолютно сухого зерна, кг/м3; р - коэффициент пропорциональности; с. - удельная теплоемкость зерна, кДж/(кг- К).

Изменение удельной нагрузки слоя зерна во времени с учетом его усадки определяли по эмпирической формуле:

Чі = ч(ті) = є Чо

IV..

'-Ї'-ІЇ

IV,,

+ (1- Є )с/„.

(31)

Для нормального хода биохимических превращений в высушиваемом зерне необходимо поддерживать соотношение между Т, и IV1 : Т3(т>,д1)<338-0,3131У(т„д1), 1 = (Цг) (32)

Ограничение (32) позволяет вести процесс сушки в области стандартных физико-химических свойств зерна. Если считать, что Т3 , ц) и Т1,-/,

то заменив индексацию (;'-1) на / выражение (29) относительно Ti примет вид:

Г Рз( р3( Тщ.дм)с3( Ті+/,ді+/) н ~—-:-;-1З(ТІ+і'сІІ+І)--—-;-х

Рз(гі-Яї)сз(т,-Я,)

ач(ті+1~ті)

Рз(тМ-Ям) сз(Ті+1-Ям) Рз(гі+1-Яі+і) сз(Ті+І-Ям).

Щ+1 - V

Т3(т,.Чі)-

-Рз( ті+І-Яі+і)~

-РІ(Ті.ЯІ)

100+Щ+] Ш + Щ

Коэффициент теплообмена ау в (33) найден в результате машинного эксперимента на ЭВМ. Его значение подбиралось из условия минимизации среднеквадратичных отклонений расчетных значений температуры и влажности зерна от экспериментальных (рис. 9), которые не превышали 9,6 %.

Как видно из (33), температура теплоносителя на г-ом интервале 1) определяется с помощью Г3(г/+/,<7/+/), Г,(т1,с/,) , 1У1+/, IV, . Поскольку последние являются функциями неизвестных значений температуры теплоносителя 7}, ТІ+І, то предложено использовать дискретизацию режимов

сушки как по времени, так и по влажности. Для осуществления систематических расчетов процесса сушки при программированном теплоподводе разра-

ботана программа, реализующая рассмотренный алгоритм на ЭВМ.

1 этап

4 этап

т %■

Рис. 9. Кривые сушки и нагрева зерна ячменя (1), пшеницы (2), овса (3) при переменном режиме:

№ этапа Ат , мин Т, К V, м/с х„, кг/кг д, Н/м-

I 10 358 2,2 0,005 970

II 22 363 1,4 0,010 720

III 14 378 1,0 0,015 530

IV 14 380 0,7 0,020 440

о, х, Д - экспериментальные точки; -

• расчетные кривые

На основе рационального переменного режима предложен подход к проектированию зерносушилок. Процесс сушки разбивается на несколько временных этапов, на каждом из которых в зависимости от текущей влажности зерна задается закон изменения режима сушки. Для реализации переменных режимов разработаны конструкции сушилок для конвективной сушки зерна злаковых и семян масличных культур (Пат. РФ №№ 2377488, 2416063, 2418249) (рис. 10, 11, 12).

В шестой главе рассмотрены вопросы экспериментального и аналитического исследования процесса осциллирующей сушки семян масличных культур в плотном и псевдоожиженном слое с циклическим вводом антиоксиданта.

Для получения информации о кинетике процесса термолиза семян масличных культур выполнен дифференциально-термический анализ. В качестве объекта исследования использовали как нестабилизированные семена (контроль), так и стабилизированные антиоксидантом семена льна и рапса. Исследования закономерностей процесса сушки семян масличных культур в атмосфере газа аргон с постоянной скоростью нагрева 5 К/мин до 300 °С методом неизотермического анализа проводили на приборе термоанализаторе STA 409 LUXX фирмы NETZSCH.

высуикчшыи Н/Н)Лы<т

Рис. 10. Сушилка: 1 - корпус; 2 -питатель; 3 - вытяжной патрубок; 4 - тросовый транспортер; 5 - выгрузочная камера; 6 - патрубки для подвода теплоносителя; 7 - пневмоцилиндры; 8 - загрузочный патрубок; 9 - сетчатые формочки; 10-привод; 11 - направляющие; 12, 20-штыри; 13, 15-пазы; 14-шкив; 16 - камеры установки формочек; 17 -трехсекционная сушильная камера; 18 - магнетроны; 19 - вакуум-присоски

Рис. 11. Механизм перемещения формочек из горизонтального в

вертикальное положение: 1 - корпус; 4 - тросовый транспортер: 7 - пневмоцилиндры; 9 - сетчатые формочки; 11 - направляющие; 12, 20-штыри; 13, 15 - пазы; 14 - шкив; 19 - вакуум-присоски

Термоаналитические кривые, применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики, одновременно регистрировали изменения температуры, массы образца, скорости изменения температуры, энтальпии и массы.

Анализ полученных данных позволил выделить три ступени дегидратации семян льна и рапса при термическом воздействии, которые

Рис. 12. Сушилка: 1 - корпус; 2, 5 - загрузочный и выгрузочный бункеры; 3, 6 -патрубки для отвода и подвода теплоносителя; 4 - транспортеры; 7 - ворошители; 8 - сетчатые пластины; 10 - регулируемый привод

показали незначительное расхождение массовой доли влаги семян с антиоксидантом и без него, что позволяет осуществлять энергоподвод в процессе сушки без изменения его режимов.

Изучена динамика изменения показателей качества жира в семенах льна и рапса при вводе антиоксиданта между циклами нагрева и охлаждения семян. Определены температурные режимы сушки, обеспечивающие низкое содержание перекисных соединений и свободных жирных кислот в высушенных семенах. Антиоксидантную активность семян оценивали на приборе Цвет Яуза-01-АА.

Проведены исследования по выбору антиоксидантов из группы препаратов направленного действия. Наиболее эффективным для стабилизации жира оказался препарат Эндокс. Хранение семян подтверждает высокую эффективность данного антиоксиданта. При внесении других препаратов: бутилокситолуола, фумаровой кислоты, агидола, кислотное число жира в хранившихся семенах рапса составило соответственно 6,8; 8,3; 7,9 мг КОН/г и перекисное число - 10,7; 8,5; 13,9 ммоль/кг 1/20. При вводе Эндокса значения этих показателей в конце опыта не превысили 6,3 мг КОН/г и 5,3 ммоль/кг 1/20.

Гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя семян определялись экспериментально по изменению сопротивления Ар в зависимости от скорости сушильного агента и удельной нагрузки семян льна на газораспределительную решетку Ар =/(Ч ц), а также по

изменению ВЫСОТЫ СЛОЯ }%! = /(V, к) (рис. 13, 14, 15, 16). Пик давления АРтах свидетельствует о необходимости затраты дополнительной энергии потока на преодоление сил сцепления частиц. Перед закипанием слой семян льна расширялся в направлении движения сушильного агента. В процессе сушки семян степень расширения слоя влияла на распределение скоростей потока теплоносителя по всей площади газораспределительной решетки (рис. 14) и обуславливало минимально возможную скорость сушильного агента, обеспечивающую равномерное кипение

г—Кг

«Л! <-х—— -х- — —х ■...-.

1.6 м/с 2,0

Рис. 13. Зависимость сопротивления слоя семян льна от скорости сушильного агента при различном значении начальной высоты слоя/%, м: 1-0,175; 2-0,15; 3 —0,125;4-0,1

семян в зоне загрузкн. За критерий изменения структуры принималось отношение (Р„„ГД\Г) к высоте псевдоожиженного слоя семян. Из анализа кривых (рис. 15) установлено, что увеличение удельной нагрузки семян на решетку способствует образованию более однородной структуры псевдоожиженного слоя.

3,0(1 3.25 3.» 3.75

Рис. 14. Зависимость степени расширения семян льна от числа псевдоожижения при различных высотах слоя, м: 1 -0,1; 2-0,125; 3 -0,15; 4-0,175

р.т/Р.».

Зависимость величины - тш.'Рср от высоты псевдоожиженного слоя семян льна при различных нагрузках, Н/м2: 1 - 35; 2-44;3-53;4 —62

Рис. 16. Зависимость сопротивления слоя семян льна от продолжительности процесса сушки в осциллирующем режиме при различных значениях скорости сушильного агента на этапах нагрева и охлаждения

При исследовании кинетических закономерностей сушки семян изучались различные варианты ведения процесса, как по симметричной, так и по несимметричной схемам осциллирования (рис. 17).

Определение температур нагрева и охлаждения семян проводили методами математического моделирования с учетом ограничений, накладываемых на режимные параметры процесса, при следующих допущениях: в пределах циклов нагрева интенсивность сушки и средняя температура семян постоянны; сложный вид кривых периодических температурных колебаний изменяется по косинусоидальному закону.

Рис. 17. Кривые сушки IV = /(г) и нагрева семян рапса 0„„=/(т) при: несимметричной осцилляции температурного режима

Лгнаг:Лгохл = Ю:5: 1 - (тт = 330 К, /охл =278 К; 2 - Гнаг = 333 К, /охл = 293 К; 3 - гнаг = 343 К; /охл = 278 К; 4 - <наг = 353 К; /охл = 278 К

Для определения температуры сушильного агента на каждом шаге дискретизации на интервалах нагрева и охлаждения использовалось уравнение теплового баланса для сушильного агента в виде:

йт

\\'(х, її)

100 + ]¥(г,И) ) (344)

+1--1---' 4

ат

Проинтегрируем левую и правую части уравнения (34):

Ті-Т:, ' ' ' ' «Ї-/

г г<, {і00 + }У(т,!г)Рз(Т,'і)) ^ (35)

і (І т

сіт

' ' 1 Ті-1

Температура семян на каждом последующем интервале изменялась по известному закону, т. е.,

2 тг„ . 41 ("ко+ !)+(?..

= Ап СОЗ

'уч

■ м

О

/-1 '

(36)

2гг

I < 2 / л-

НЦат Н ат

М = агс^

г , г— 1 ат 1 + —. — яЬ ,

X

(37)

(38)

где ^, Э)Л - температура семян на последующем и предыдущем временном расчетном участке туч (цикле нагрева или охлаждения), К; А0 -максимальная безразмерная амплитуда колебаний температуры; Т — максимальная температура сушильного агента в полупериоде, К; а — коэффициент температуропроводности, м2/с; 0,5 г, - продолжительность полупериода цикла нагрева или охлаждения, мин; Ко - среднее значение критерия Коссовича; М — смещение по фазе колебаний температуры поверхности семян по сравнению с колебанием температуры среды; Н — относительный коэффициент теплообмена, м; а — коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к частице семян Вт/м2-К; X - коэффициент теплопроводности семян, Вт/м-К.

После интегрирования и преобразований уравнения (34) с учетом (35) - (38) получено уравнение для определения температуры сушильного агента на каждом временном интервале:

7", =

РцС^

„О

Рисз

Л0

( 2ят

уч

■ м

(Ко+ 1)

Рлс

а у (

</-1

31 31

IV,

Рз1сз

(39)

т

1-1

-Рз1-1

юо + ' юо + г,_, Модель (34) - (39) решена методом итераций с помощью программного комплекса к ЭВМ при следующих начальных условиях:

РАН) | т,„ = р, „; в(х,Ь) | ^ = в„; Т(т,к) | г_м = Т„. (40) Максимальные отклонения расчетных кривых сушки и нагрева семян от экспериментальных составили 5,8 и 8,6 % соответственно.

В седьмой главе предложен способ сушки по схеме осцилляции в четыре цикла нагрева и охлаждения семян при соотношении их продолжи-

тельности 2:1 с циклическим вводом антиоксиданта Эндокса (Пат. РФ №. 2416919). Перед первым циклом сушки при начальной влажности семян более 17 % количество вводимого Эндокса должно составлять 0,3 % к общей массе; перед вторым циклом (влажность семян 14... 15 %) ввод Эндокса должен составлять 0,18.. .0,25 %; перед третьим (влажность 11... 12 %) -0,05... 0,1 % и четвертым - (влажность 8... 10 %) 0,01... 0,04 %. В результате снижена общая микробиологическая обсемененность семян и увеличен

срок их хранения.

По результатам исследований разработана конструкция сушилки для семян масличных культур с вводом антиоксиданта (рис. 18).

б

Рис. 18. Сушилка для семян масличных культур (а) и камера смешивания (б): 1 - сушильная камера, 2 - узел загрузки; 3 -питатель; 4 - рама, 5, 6, 7 - секции сушки, смешивания, охлаждения, 8 - воздухоподводящие короба, 9 - перфорированная лента, 10 - натяжные барабаны, 11 - механизмы перемещения натяжных барабанов, 12 - пазы, 13 - смесители, 14 - привод смесителей; 15 - распределитель потока; 16 - направляющая. 17 - каретка, 18 -патрубки для ввода антиоксиданта, 19 - патрубок смесителя

Рассмотрены возможности энергосбережения с использованием двухступенчатого теплового насоса в сушильных установках с перфорированной лентой при максимальной рекуперации теплоты отработанного сушильного агента, не требующей компрессии (рис. 19).

Рис. 19. Схема управления процессом сушки: /, II, III - первая, вторая и третья камеры сушки; ! - сушилка; 2 - устройство для выгрузки зерна; 3 - теплообменник; 4, 5 -вентиляторы; 6, 7 - компрессоры, 8, 9 - испарители и 10, 11 - конденсаторы теплонасос-ной установки соответственно первой и второй ступени; 12 - промежуточный сосуд; 13, 14 -регулирующие вентили; 15 - теплообменник-охладитель; 16 - теплообменник-рекуператор

Разработаны энергоэффективные способы стабилизации термо-влажностных характеристик семян масличных и зерна злаковых культур в процессах сушки и хранения с применением теплонасосных технологий (рис. 20, 21), обеспечивающие высокое качество зернопродук-тов (Пат. РФ №№ 2425304,2303213).

Предложен экспресс-метод определения степени ранней порчи семян рапса и зерна пшеницы с использованием детектирующего устройства «Электронный нос» на основе пьезоэлектрических резонаторов с чувствительными покрытиями из растворов сорбентов (Пат. РФ № 2466528).

Рис. 20. Способ стабилизации термовлажностных характеристик семян масличных культур в процессах сушки и хранения

Рис. 21. Способ стабилизации термовлажностных характеристик зерна злаковых культур в процессах сушки и хранения

Предложен метод тепловой пеленгации локальных очагов самосогревания в зерновой массе при ее хранении в силосах, в соответствии с которым сформулирована задача поиска источников теплоты, их значения и времени возникновения:

ср0 ~ = div(X(W, t)gradt) + qp(> (41)

i(x,y,z,0) = to; (42)

aqv>i)IL] =0; («)

dn J,

где x,y,z — декартовые координаты, n - нормаль к поверхности зерна, /0

- начальная температура зерна, К, рв — плотность зерна, кДж/кг, W- влаго-

содержание зерна, кг/кг, q — источник теплоты, выделяемый локальным

объемом зерновой массы, Дж, X{\V,t) - коэффициент теплопроводности,

Вт/(м К), t - температура, К, с - удельная теплоёмкость зерна, Дж/(кг-К),

с, q р д^ - действующий источник теплоты, Вт/м3, дт

при следующих упрощающих допущениях:

- в каждый момент времени т температурное поле твердых и квазиоднородных тел характеризуется совокупностью изотермических поверхностей t(x,y,z,r) = const;

- граничное условие (43) второго рода на границе очага самосогревания S характеризует отсутствие теплообмена с окружающей средой;

- в момент времени г/с в объеме V в некоторых N точках (хп,уп,2п) по информации, полученной с объекта, известными являются значения температуры tn = t{xn,yn,zn,Tk), п- 1,N ;

- источники теплоты интенсивностью qm, возникшие в разные моменты времени, сосредоточены в М точках (xm,ym,zm) объема V,

m = 1, М .

- источник теплоты q , обладающий наибольшей интенсивностью,

интегрирует действия остальных источников теплоты.

Температурное поле в дисперсной системе с распределенными параметрами представлено в виде системы уравнений:

д, = д, ,erfc 1 ; (44)

2^

— = -^2—=L=-expf——1; (45)

дх х ^я-Fo' \ 4FoJ

1 ..J--J- , (46)

дт 2т Ч 4Fo-J

где at / дт - скорость повышения температуры поля; Atu - разность

температуры насыпи и источника теплоты.

Результаты моделирования представлены изменением величины повышения температуры (рис. 22) и скоростью повышения температуры в насыпи на различном расстоянии от источника теплоты (рис. 23).

5.0

Ч'С

2.0

1 i , 1 4 f t

2

/ /

0 60 120 ISO 240 г, ч 300

Рис. 22. Изменение величины повышения температуры в насыпи на расстоянии от источника теплоты х, м: 1 - 0,2; 2-0,4; 3-0,6; 4-0,8; 5-1,0

Рис. 23. Скорость повышения температуры в насыпи с(/ 8т на различном расстоянии от очага самосогревания х, м: 1 - 0,2; 2 - 0,3; 3 - 0,4; 4-0,5; 5

Для расчета передачи информационных сигналов от очагов самосогревания по модели (45) - (50) разработано программное обеспечение (Свид. Роспатента № 2011618172). Относительная погрешность результатов моделирования (рис. 20, 21) составила 3...4%.

Получен сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии об утверждении средств измерений RU.C32.061.А № 32069/1 от 27.07.2008 г. устройства дистанционного контроля температуры АИСТ, зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений под № 23511-08 и допущенного к применению в Российской Федерации.

В восьмой главе предложен концептуальный подход к созданию максимально-прибыльных технологий сушки зерна на основе достижения компромисса между наиболее важными технико-экономическими показателями: максимальным объемом высушенного зерна, минимальными материальными и энергетическими затратами на процесс сушки при выполнении ограничений на качество готового продукта.

В качестве функции цели (критерия оптимизации) использована средняя по времени прибыль, получаемая за высушенное зерно, при этом из объема высушенного продукта в единицу времени в стоимостном выражении вычитались материальные и эксплуатационные затраты на его производство:

»ТЫ

т* 0

Ц^ т( /з(г,0)у(г,0)(Г (г,0) - Т)

<1т-

Установлена однозначная связь средней по времени прибыли с технологическим режимом сушки. Задача оптимизации рассматривалась как выбор оптимального режима сушки на основании характеристик, полученных в результате испытаний зерносушильной установки с максимально возможным учетом неуправляемых факторов.

Сочетанием экспериментальных и аналитических методов исследования показана возможность оценки эффективности работы зерносушилки с тепловым насосом (рис. 24) по величине суммарных теплоэнергетических затрат, приходящихся на единицу массы испаряемой влаги, от скорости сушильного агента на входе в сушилку (рис. 25).

Рис. 24. Схема прямоточной шахтной Рис. 25. Зависимость суммарных зерносушилки ДСП с тепловым насосом: 1 топливно-энергетических затрат при- зона предварительного нагрева зерна; 2 ходящихся на единицу испаряемой - первая ступень сушки; 3 - вторая сту- влаги, от скорости сушильного агента пень сушки; 4 - зона охлаждения; 5 - ка- в коробе для различных значений лориферы; 6 - вентиляторы; 7 - конденса- начальной влажности пшеницы IV,,, тор; 8 - испаритель; 9 - компрессор %: 1 - 20; 2 - 19,8; 3 - 18,5; 4 - 16,3

Выполнен эксергетический анализ сложных технологических систем сушки зерна с применением парокомпрессионного и пароэжек-торного тепловых насосов. Системы (рис. 26) условно отделены от окружающей среды семью контрольными поверхностями: I - IV и VI включают одни и те же элементы для двух систем: I - теплообменник и ци-

V

і

V

клон, II -1-я зона сушки, III - 2-я зона сушки, IV -зона охлаждения и вентилятор, VI - калориферы и вентилятор; для схемы с ПКТН VII - тепловой насос,V — теплообменник; для схемы с ПЭХМ V - пароэжекторная холодильная машина, VII - парогенератор, насос и сборник конденсата.

Рис. 26. Теплонасосные схемы шахтных зерносушилок: а - технологическая схема с применением ПЭХМ; б- схема обмена потоками с окружающей средой: 1 - теплообменник; 2-1-я камера сушилки; 3 - 2-я камера сушилки; 4 - зона охлаждения; 5 -сушилка; 6, 18,20 - вентиляторы; 7, 19 - калориферы; 8- циклон; 9 - парогенератор; 10 - эжектор; 11 - испаритель, 12 - холодоприемник; 13 - конденсатор; 14-терморегулнрующий вентиль; 15 - нория; 16, 17 - насосы; 21 - предохранительный клапан; 22 - сборник конденсата; материальные потоки: 0.2.1 - влажное зерно; 0.2.2 - высушенное зерно;02.3 - взвешенные частицы; 1.0-хладагент; 1.1 - пары хладагента; 1.3 - хладагент в испаритель; 1.4 - конденсат, 1.5 - вода; 2.2 - пар; 3.0 - сухой воздух; 3.1 - отработанный сушильный агент; 3.2 - кондиционированный сушильный

агент

Рассмотрено влияние на систему внутренних и внешних эксерге-тических потерь. В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входили потери от конечной разности температур в результате рекуперативного теплообмена между зерном и воздухом, а также между паром и воздухом (в схеме с ПЭТН) и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема теплоносителя при его поступлении из трубопровода в зоны сушки и охлаждения. Внешние потери связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Они обусловлены отличием температуры теплоносителей от температуры окружающей среды, несовершенством тепловой изоляции оборудования, сбросом конденсата и удалением из циклона взвешенных частиц.

При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рис. 27) в качестве абсолютного эксергетического параметра выбрана эксергетическая мощность Е, кДж/ч, учитывающая энергию материальных и тепловых потоков с учетом производительности.

По результатам эксергетического анализа показано, что эксерге-тический КПД для способов сушки зерна с применением ПКХМ и ПЭХМ составляет 68,01 % и 75,68 % соответственно, что существенно выше, чем у известных технологий, и свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы за счет использования отработанных теплоносителей и организации работы системы в замкнутом цикле.

Рис. 27. Эксергетические диаграммы Грассмана-Шаргута традиционной технологии комбикормов (а) и технологии с применением ПКХМ (б)

Разработана система автоматической оптимизации процесса сушки по величине суммарных энергозатрат с дрейфующим оптимумом в зависимости от начальной влажности зерна.

Эффективное замещение с помощью тепловых насосов в процессе сушки различных видов топлива на теплоту возобновляемых и вторичных

источников открывает реальные перспективы в энергосбережении и охране окружающей среды на зерноперерабатывающих предприятиях.

Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения сушилки ДСП-16 с ТН на элеваторе с годовым грузооборотом в 40000 т зерна составит 5165,61 т.р.

В приложении приведены программы к ЭВМ, а также представлены материалы, подтверждающие практическое внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Моделирование максимально прибыльных технологий сушки зерна злаковых и масличных культур на основе феноменологических законов термодинамики и балансовых уравнений тепла, массы и энергии позволило получить однозначную функциональную связь критерия оптимизации с технологическим режимом сушки и возможность оперативного поиска наилучшего компромисса между качеством, количеством высушенного зерна и энергозатратами на процесс сушки.

2. Разработаны энергоэффективные процессы сушки и хранения зерна с применением теплонасосных технологий (Пат. РФ №№ 2303213, 2406340, 2410884, 2416919, 2425304, 2456813). Предложены компоновочные решения подключения парокомпрессионного (ПКТП) и пароэжек-торного (ПЭТП) теплового насоса к объектам сушки и хранения зерна. Применение ПЭТН открывает возможность использования теплоты низкотемпературного потенциала, в частности, бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов. При отсутствии источников вторичного тепла в условиях децентрализованных систем теплоснабжения на зерноперерабатывающих предприятиях предпочтительно применять ПКТП, способных перекрывать мощность различных теплоисточников.

3. Решена математическая модель процесса сушки зерна при перекрестном движении агента сушки через слой зерновой массы, учитывающая связь температуры и влагосодержания дисперсного материала, движущегося непрерывным потоком. Использование модели в микропроцессорном управлении позволяет регулировать температуру и вла-госодержание зерна в области допустимых технологических свойств.

4. Получено решение уравнений A.B. Лыкова в аналитической форме методом разложения в модифицированные ряды Фурье, организация которых позволяет удерживать по одному первому слагаемому при расхождении расчетных и экспериментальных данных не более 4 %.

5. Выявлены и математически описаны гидродинамические, кинетические и тепломассообменные закономерности процесса сушки зерна злаковых культур при программированном теплоподводе и мас-

личных семян в осциллирующих режимах с циклическим вводом ан-тиоксиданта; определены численные значения и диапазон изменения основных технологических параметров.

6. Методами математического моделирования дисперсных систем как объектов с распределенными параметрами разработана математическая модель процесса самосогревания зернового сырья в силосе. Решена обратная задача теплопроводности, позволяющая по информационным сигналам о текущей температуре зернового слоя в условии постоянно действующих помех осуществлять оперативное предупреждение локальных очагов самосогревания при хранении зерна. Разработан способ тепловой пеленгации источников кондуктивных полей в дисперсных системах (Пат. № 51453).

7. Разработаны способы сушки и оригинальные конструкции сушильных установок для их осуществления (Пат. РФ № 2377488, 2416063, 2418249, положит, решение о выдаче патента РФ по заявке № 2011 145615/13 от 09.12.2012).

8. Разработаны программы для ЭВМ (свид. о гос. регистрации № 2010613333 и № 2011618172) и программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления процессами сушки и хранения зерна злаковых и масличных культур, позволяющие эффективно использовать низко- и высокотемпературный потенциал сушильного агента; снизить затраты энергии в калорифере и тепловые нагрузки на конденсатор и испаритель теплового насоса, и как следствие, обеспечить снижение удельных энергозатрат на 10... 15 %.

9. Разработаны способы стабилизации термовлажностных характеристик зерна при его сушке в шахтных зерносушилках и длительном хранении в зернохранилищах силосного типа с использованием парокомпрессионной теплонасосной установки (Пат. РФ № 2303213, 2425304), обеспечивающие минимизацию удельных теплоэнергетических потерь, повышение качества высушенного зерна и охрану окружающей среды.

10. Измерения с помощью датчиков на основе пьезоэлектрических резонаторов с чувствительными покрытиями из растворов сорбентов позволили осуществлять экспресс-контроль доброкачественности зерна и устанавливать степень его порчи (решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2011120513/13).

11. Эксергетический КПД для способов сушки зерна с применением ПКХМ и ПЭХМ составляет 68,01 % и 75,68 % соответственно, что существенно выше, чем у известных технологий и свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы за счет

использования отработанных теплоносителей и организации работы системы в замкнутом цикле.

12. Проведена промышленная апробация полученных результатов с их технико-экономической оценкой. Проданы лицензии ООО «Воронежский Промзернопроект» на патент № 2301518, ООО «Агромаш» на патент № 2416919, ООО «Проектно-технологический институт экологии, промышленной безопасности и строительства» на патент № 2418249, ООО «ПромСтройПроект» на патенты РФ № 2416063 и 2425304 и свидетельст-во№2011618172.

Освоено серийное производство комплекса технических средств устройства дистанционного контроля температуры АИСТ по патенту РФ № 51453(000 «ПромСтройПроект») и внедрено с программным обеспечением по свидетельству о госрегистрации № 2011618172 для реализации способа тепловой пеленгации на ОАО «Советская МТС» (п. Волжанец Курской области) в составе проектной документации «Реконструкция семенного завода ОАО «Советская МТС» 10 т/ч», получившей положительное заключение государственной экспертизы № 46-1-4-0181-12 от 10.07.2012 г. Проведены производственные испытания способа стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и хранении на ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод». Внедрен способ сушки семян рапса в осциллирующем режиме на ОАО «Волгоградский комбикормовый завод».

Объем экономического эффекта от внедрения сушилки ДСП-16 с тепловым насосом на элеваторе с годовым грузооборотом в 40000 т. составит 5,1656 млн р. в год.

Результаты работы отражены в следующих публикациях: Монография

1. Бритиков, Д. А. Энергосбережение в процессах сушки зерновых культур с использованием теплонасосных технологий [Текст]: монография / Д. А. Бритиков, А. А. Шевцов - М.: ДеЛи плюс, 2012. - 328 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

2. Бритиков, Д. А. Экспертиза промышленной безопасности. [Текст] / Д. А. Бритиков // Хлебопродукты. - 2003. - № 8. - С. 14-16.

3. Бритиков, Д. А. Проблемы промышленной безопасности на взрывоопасных объектах хранения и переработки зерна [Текст] / Д. А. Бритиков // Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 10. - С. 50-51.

4. Шевцов, А. А. Определение рациональных параметров процесса осушения влажного воздуха в испарителе теплонасосной установки [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Л. И. Лыткина, Д. А. Бритиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 12. - С. 77-79.

5. Шевцов, А. А. Стабилизация термовлажностных характеристик зерна при его сушке и хранении [Текст] / А. А. Шевцов, А. Н. Осгриков, Д. А. Бритиков // Автоматизация и Современные технологии. - 2006. - № 10. - С. 15-20.

6. Шевцов, А. А. Математическая модель процесса самосогревания зернового сырья при хранении в силосе [Текст] / А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Д.

A. Бритиков, И. В. Фурсова // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2006. -№3.-С. 56-59.

7. Шевцов, А. А. Оценка состояния воды в семенах льна как объекте сушки методом дифференциально-термического анализа [Текст] ! А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, И. В. Кузнецова, Jl. Н. Фролова // Вестник российской академии сельскохозяйственных наук. — 2009. — № 6. — С. 77-78.

8. Шевцов, А. А. Моделирование процесса сушки зерна в гравитационном подвижном слое шахтной зерносушилки [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Д. А. Бритиков, Т. Н. Тертычная // Известия вузов. Пищевая технология. -2009. -№ 5, 6.-С. 81-84.

9. Володин, Н. Не надо отапливать атмосферу [Текст] / Н. Володин, Т. Ковалева, Л. Друзьяк, Д. А. Бритиков // Хлебопродукты. - 2010. - № 4. - С. 62-63.

10. Шевцов, А. А. Изменение качества семян рапса в процессе сушки с циклическим вводом антиоксиданта [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, Е. С. Шенцова, JI. Н. Фролова, A.C. Лесных // Вестник российской академии сельскохозяйственных наук. - 2010. - № 4. - С. 72-74.

11. Шевцов, А. А. Аналитическое решение математической модели связанного тепломассопереноса при конвективной сушке зерна [Текст] / А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А. Бритиков // Известия вузов. Пищевая технология. -2010. - № 4. - С. 99-104.

12. Бритиков, Д. А. Методология выбора оптимальных решений при конвективной сушке зерна в шахтных зерносушилках [Текст] / Д. А. Бритиков // Вестник Воронежской государственной технологической академии. - 2010. -№ 1. - С. 33-37.

13. Бритиков, Д. А. Государственный надзор - важное звено в обеспечении промышленной и продовольственной безопасности России [Текст] / Д. Бритиков, Г. Селезнев // Хлебопродукты. - 2010. - № 3. - С. 6-8.

14. Шевцов, А. А. Концепция моделирования максимально прибыльных технологий сушки зерна в плотном подвижном слое [Текст] / А. А. Шевцов, А.

B. Дранников, Д. А. Бритиков // Автоматизация и Современные технологии. -2010.-Х» 10.-С. 7-10.

15. Бритиков, Д. А. Разработка методики расчета сушилки для сыпучих продуктов [Текст] /Д. А. Бритиков, М. С. Ушакова // Финансы, экономика, стратегия. -2010. -№ 11.- С. 41-44,

16. Шевцов А. А. Компенсация потерь эффективности процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке с тепловым насосом [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков // Хлебопродукты. - 2011. - № 1. - С. 48-50.

17. Шевцов, А. А. Коррекция режимов сушки по кратности рециркуляции сухой и газовой фаз [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Д. А. Бритиков, Т. Н. Тертычная, А. В. Калинина // Хранение и переработка сельхозсырья. -2011.-№ 1.-С. 28-30.

18. Бритиков, Д. А. Применение пароэжекторной холодильной машины в технологии зерносушения [Текст] / Д. А. Бритиков // Вестник Воронежской государственной технологической академии. - 2011. - № 1. - С. 24-26.

19. Шевцов, А. А. Математическая модель определения внутренних источников теплоты в дисперсной системе с распределенными параметрами [Текст] / А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А Бритиков // Вестник Воронежской государственной технологической академии. - 2011. - № 2. - С. 79-83.

20. Бритиков, Д. А. Хранение и переработка растительного сырья [Текст] / Д. А. Бритиков // Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 10. - С. 32-34.

21. Шевцов, А. А. Математическое описание процесса сушки семян рапса в осциллирующих режимах [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, Л. Н. Фролова, А. С. Лесных//Хранение и переработка сельхозсырья. -2011. 10. -С. 73-75.

22. Шевцов, А. А. Декомпозиционное аналитическое исследование многопараметрической системы сушки и хранения зерна с применением теплового насоса [Текст] / А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А. Бритиков // Системы управления и информационные технологии. - 2011. - № 4. - С. 90-94.

23. Бритиков, Д. А. Стратегия управления процессами сушки и хранения зерна злаковых культур / Д. А. Бритиков // Хлебопродукты. - 2012. - № 3. - С. 6-8.

24. Бритиков, Д. А. Инновационные решения в технологии зерносуше-ния/Д. А. Бритиков, А. А. Шевцов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012. - № 3. - С. 91-99.

25. Шевцов, А. А. Сравнительная энергетическая оценка способов сушки зерна с применением тепловых насосов методом эксергетического анализа [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, Е.А. Острикова, А. В. Пономарев // Известия вузов. Пищевая технология. - 2012. - № 4. — С. 88-92.

Патенты на изобретения и свидетельства РОСПАТЕНТА

26. Пат. № 51453 РФ на полезную модель. Устройство для контроля температуры сыпучих мелкодисперсных материалов [Текст] / Д. А. Бритиков, А. М. Бритиков; заявитель и патентообладатель Бритиков Д. А., Бритиков А М. - № 2005118451. заявл. 14.06.2005; опубл. 27.02.2006, Бюл. № 6.

27. Пат. № 2301518 РФ, МПК51 А 01 Е 25/22, А 01 А 25/00. Зернохранилище [Текст] / А. А. Шевцов, А. Н. Остриков, Д. А. Бритиков, Е. В. Фурсова; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2005141324; заявл. 29.12.2005; опубл. 27.06.2007, Бюл. № 18.

28. Пат. № 2303213 РФ, МПК7 И 26 В 3/14, К 26 В 21/08, Р 26 В 21/10. Способ стабилизации термовлажностных характеристик зерна при его сушке и хранении [Тексг]/А. А. Шевцов, А. Н. Остриков, Д. А Бритиков, Е. В. Фурсова; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№ 2005133720/06; Заявлено 02.11.2005; Опубл. 20.07.2007; Бюл. № 20.

29. Паг. № 2377488 С1 РФ, МПК7 Е 26 В 17/12. Конвективная сушилка [Гекст]/А. А. Шевцов, А. В. Дракников, А А. Дерканосова, Д. А. Бритиков, В. П. Ясиневская (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2008140886/06; Заявлено 16.10.2008; Опубл. 27.12.2009; Бюл. №36.

30. Пат. № 2406340 С2 РФ, МПК А 23 В 9/02. Способ сушки зерна [Текст]/А. А. Шевцов, Д. А Ершиков, А В. Дранников, Т. Н. Тертычная, А. В. Калинина; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№ 2009103466/13; Заявлено 02.01.2009; Опубл. 20.12.2010; Бюл. № 35.

31. Пат. № 2410884 С2 РФ, МПК А 23 В 9/24, С 11 В 1/06. Способ сушки масличных семян с вводом стабилизатора и установка для его осуществления [Текст]/А А. Шевцов, А В. Дранников, Д. А Еретиков, Л. Н. Фролова, А. В. Калинина; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. — № 200911978813/13; Заявлено 25.05.2009; Опубл. 10.02.2011; Бюл. № 4.

32. Пат. К« 2411885 С1 РФ, МПК А 23 Р 1/02, А 23 N 17/00. Способ производства крупки по технологии влажного гранулирования с использованием фсгготроф-ной биомассы н фуза растительных масел и линия для его осуществления [Текст]/А А. Шевцов, А. В. Пономарев, Е. С. Шенцова, Л. И. Лыткина, А. В. Дранников, Д. А. Бригиков, Д. С. Хорхордин; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№ 2009132801/13; Заявлено 31.08.2009; Опубл. 20.02.2011; Бюл. № 5.

33. Пат. № 2416063 С1 РФ, МПК Р 26 В 17/04. Сушилка [Текст]/А. Н. Остри-ков, А. А. Шевцов, Д. А. Ершиков, М. Ю. Ушакова; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010105473/06; Заявлено 15.02.2010; Опубл. 10.04.2011; Бюл. №10.

34. Пат. № 2416919 С1 РФ, МПК А 23 В 9/16. Способ сушки семян рапса [Текст]/ А. А Шевцов, Д. А. Бритиков, Л. Н. Фролова, А. С. Лесных; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 20091395992/13; Заявлено 26.10.2009; Опубл. 27.04.2011; Бюл. № 12.

35. Пат. № 2418249 С1 РФ, МПК Р 26 В 17/04. Сушилка [Текст] / А. Н. Ост-риков, А. А. Шевцов, Д. А Ершиков, М. Ю. Ушакова; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010105464/06; Заявлено 15.02.2010; Опубл. 10.05.2011; Бюл. № 13.

36. Пат. № 2422194 С2 РФ, МПК В 01 Р 7/08. Смесителмранулятор [Текст] / А. А. Шевцов, А. Н. Остриков, Л. И. Лыткина, Д. А. Бритиков, И. Б. Чайкин; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2009100236/06; Заявлено 04.01.2009; Опгбл. 27.06.2011; Бюл. № 20.

37. Пат. № 2425304 С1 РФ, МПК7 Б 26 В 3/14, Р 26 В 21/08, Р 26 В 21/10. Способ стабилизации термовлажностных характеристик зерна злаковых и масличных культур при сушке и хранении [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, А. В. Дранников, О. Н. Ожерельева, Л. Н. Фролова (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010110880/06; Заявлено 22.03.2010; Опубл. 27.07.2011; Бюл. №21.

38. Пет. № 2456815 С1 РФ, МПК А 23 Ь 1/10. Способ влаготепловой обработки зерна гречихи [Текст] / А А. Шевцов, Л.И. Лыткина, Д. А. Бритиков, А. В. Дранников, А. А. Подрезова (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акац. -№ 201106684/06; Заявлено 22.04.2011; Опубл. 27.07.2012; Бюл. № 21.

39. Пат. № 2466528 С1 А01 Р 25/00, К 01 й 7/00 Способ установления ранней порчи семян рапса// Е.С. Шенцова, Т.А. Кучменко, А.С. Лесных, Д. А. Бритиков, Р.У. Умарханов, Д.А. Погребная (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№ 2011120513/13; Заявлено 25.05.2011; Опубл. 20.11.2012; Бюл. № 32.

40. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613333 «Расчет полей температуры и влагосодержания для процесса нестационарной сушки зерна методом модифицированных рядов Фурье»/ А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А. Бритиков (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010611441; Заявлено 22.03.2010; Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 20.05.2010 г.

41. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618172 «Расчет полей температуры для процесса самосогревания зерна при силосном хранении» / А. М. Бритиков, А. А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А. Бритиков (РФ); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2011614947; Заявлено 05.07.2011; Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 18.10.2011 г.

Статьи и материалы конференций

42. Бритиков, А. М. Современные методы и средства обеспечения взрывобе-зопасносги при хранении зерна и продуктов его переработки в складах силосного типа [Текст] / А. М. Бритиков, Д. А. Бритиков И Современное комбикормовое производство и перспективы его развития (Комбикорма-98): Сборник тезисов докладов II Международной конференции-выставки. - М: 1998. - С. 47.

43. Шевцов, А. А. Экспериментальное и аналитическое исследование процесса самосогревания зерна в силосе [Текст] / А.А. Шевцов, И.О. Павлов, Д.А. Бритиков // Материалы XLIV отчетной науч. конф. за 2005 год: В 3 ч. / Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2006. —Ч. 2. -С. 142-143.

44. Бритиков, Д. А. Моделирование процесса самосогревания зернового сырья в зернохранилище [Текст] / Д. А. Бритиков // Материалы V международной конференции «Техника и технология пищевых производств». - Могилев: - Могилев. гос. технол. ин-т. Могилев, 2005. - С. 121-122.

45. Шевцов, А. А. Моделирование процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке (Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій / Міністерство освіти і науки України. -Одесса: 2006. - Вип. 28. - Т. 2. - С. 211.

46. Шевцов, А. А. Моделирование процесса самосогревания зернового сырья в силосе / А.А. Шевцов, Д.А. Бритиков, И.О. Павлов, Е.В. Фурсова// Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XIX Международ. науч. конф. В 10-и томах. Т. 3. - Секция 3 / Под общ. ред. B.C. Балакирева. - Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. технол. акад, 2006. - С. 23-24.

47. Остриков, А. Н. Алгоритм расчета пропускной способности ленточной сушилки с движением транспортирующего органа по синусоидальному закону [Текст] / А. Н. Остриков, А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков // Вестник Воронежской государственной технологической академии. — 2009. - № 1. - С. 36-38.

48. Шевцов, А. А. Концепция моделирования прибыльных технологий сушки пищевого растительного сырья [Текст] /А.А. Шевцов, Д.А. Бритиков // Материалы III международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)». В 3 т. - Т. 2. - Воронеж, гос. технол. акад: Воронеж, 2009. - С. 343-345.

49. Шевцов, А. А Комбинированный энергоподвод при сушке высоковлажных материалов как средство ресурсосбережения [Текст] / АА. Шевцов, А.В. Дранников, ДА. Бритиков, Е.В. Костина, А.В. Калинина // Успехи современного естествознания.-2010.-№ 1.-С. 103-104.

50. Бритиков, Д. А. Моделирование процессов тепло- и массопереноса при сушке зерна [Текст] / Д.А. Бритиков // Современные наукоемкие технологии. -2010. -№ 2. -С. 36-39.

51. Шевцов, А. А. Применение модифицированных рядов Фурье для решения уравнений A.B. Лыкова [Текст] / А.А Шевцов, И.О. Павлов, Е.В. Воронова, Д.А. Бритиков // Материалы международного научно-практического семинара к 100-летию со дня рождения А. В. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». - ГОУВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2010.-С. 107-108.

52. Бритиков, Д. А. Поиск оптимальных режимов процесса сушки зерна в условиях рециркуляции материальных и энергетических потоков [Текст] / Д.А. Бритиков // Материалы международного научно-практического семинара к 100-летию со дня рождения А. В. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». - ГОУВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2010.-С. 309-310.

53. Шевцов, А. А. Обоснование температурных режимов сушки масличных культур в осциллирующих режимах [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, Л. Н. Фролова, А. С. Лесных // Материалы международного научно-практического семинара к 100-летию со дня рождения А. В. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». - ГОУВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2010. - С. 327-329.

54. Шевцов, А. А. Снижение окисления жирных кислот в семенах льна при их сушке [Текст] / A.A. Шевцов, Д.А. Бритиков, Л.Н. Фролова, A.C. Лесных // Материалы II международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике пищевых производств» - ГОУВПО «ВГТА». - Воронеж, 2010.-С. 77-78.

55. Остриков, А. Н. Особенности проектирования секционных конвективных сушилок с регулируемым теплоподводом [Текст] / А.Н. Остриков, A.A. Шевцов, Д.А. Бритиков, М.Ю. Ушакова II Материалы XLVIII отчетной науч. конф. за 2009 год: В 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2010. - Ч. 2. - С. 30-31.

56. Шевцов, А. А. Эксергетический анализ технологии комбикормов с использованием фотоавтотрофного биосинтеза [Текст] / А.А Шевцов, A.B. Пономарев, Д.А. Бритиков // Материалы XLVIII отчетной науч. конф. за 2009 год: В 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2010. - Ч. 2. - С. 24.

57. Шевцов, А. А. Разработка конструкции секционной сушилки для сыпучих продуктов при переменном теплоподводе [Текст] / A.A. Шевцов, А.Н. Остриков, Д.А. Бритиков, М.Ю. Ушакова // Материалы науч. конф. с международным участием «Хранителна наука, техника и технологии 2010» - Пловдив, 2010. - Т. LVII. - Свитьк 2. - С. 579-582.

58. Бритиков, Д. А. Разработка конструкции зернохранилища [Текст]/Д.А. Бритиков // Сб. материалов Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов» - ГОУВПО «ДГТУ». - Махачкала, 2010. - С. 148-152.

59. Шевцов, А. А. Математическое моделирование процесса сушки масличных культур в осциллирующих режимах [Текст] / A.A. Шевцов, Д.А. Бритиков, Л.Н. Фролова, A.C. Лесных // Сб. материалов Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов» - ГОУВПО «ДГТУ».-Махачкала, 2010.-С. 174-177.

60. Бритиков Д. А. Кинетика процесса сушки чечевицы в плотном пересы-

пающемся слое при переменном теплоподводе [Текст] / Д. А. Бритиков, М. С. Ушакова // Материалы XLIX отчетной науч. конф. за 2010 год: В 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2011. - Ч. 2. - С. 78-79.

61. Бритиков, Д. А. Математическое моделирование процесса сушки сыпучих материалов без учета внутренних источников теплоты [Текст] / Д. А. Бритиков // Сб. трудов IV международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ—2011», — Москва, 2011. - Т. 2. - С. 88-90.

62. Шевцов, А. А. Принципы конструирования сушильной установки для сушки масличных культур с циклическим вводом антиоксиданта [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А. Бритиков, JI. Н. Фролова, А. С. Лесных // Сб. трудов IV междунар. науч.-практ. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ — 2011» -Москва, 2011.-Т. 2.-С. 76-78.

63. Бритиков, Д. А. Кинетические закономерности процесса сушки зерновых культур при переменном теплоподводе [Текст] / Д. А. Бритиков // Сб. материалов международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП») / Воронеж гос. технол. акад. - Воронеж: ВГТА, 2011. - С. 180-185.

64. Шевцов, А. А. Графо-аналитическая интерпретация кривых кинетики сушки зерна при переменных режимах и подход к проектированию зерносушилок [Текст] / А. А. Шевцов, Д. А Бритиков // Сб. материалов международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП») / Воронеж, гос. технол акад. Воронеж: ВГТА 2011. - С. 268-276.

65. Шевцов, А. А Сушильная установка для сушки масличных культур с циклическим вводом антиокевданта (Текст] / А А Шевцов, Д А. Бритиков, Л. Н. Фролова // Сб. материалов международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП»у-Воронеж, гос. технол. акая. -Воронеж: ВГТА 2011. - С. 280-281.

66. Шевцов, А А Решение обратной задачи теплопроводности для контроля и управления температурными полями в слое дисперсного материала [Текст] / А А. Шевцов, И. О. Павлов, Е. В. Воронова, Д. А. Бритиков // Инженерно-физический журнал. - 2012. - Т. 85. - № 4. - С. 753-760.

67. Бритиков, Д. А Обоснование теоретического подхода к созданию сушилок с регулируемой удельной нагрузкой продукта на леніу [Текст] /ДА Бритиков // Сб. материалов международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: В 3 ч. - Ч. 27 Воронеж. гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, - 2012. - С. 143-148.

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Подписано в печать 15.03.2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 60

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА ЗЛАКОВЫХ И СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

05201350789

БРИТИКОВ Дмитрий Александрович

Научный консультант: Заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор А. А. Шевцов

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 6

Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки зерна злаковых и масличных культур с использованием теплонасосных технологий..................................................................... 19

1.1. Основные закономерности процесса сушки зерновых

культур..................................................................................... 19

1.2. Обзор сушилок для сушки зерновых культур................. 35

1.3. Эффективные способы консервирования сырья с

помощью антиоксидантов............................................. 49

1.4. Современное состояние применения зерносушилок с использованием теплонасосной установки........................... 52

1.5. Оценка энергетических возможностей применения

тепловых насосов при конвективной сушке зерна................. 71

1.6. Методология системного подхода в задачах исследования замкнутой сушильной технологической системы с тепловым насосом.................................................................... 73

1.7. Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований....................77

Глава 2. Моделирование процесса сушки зерна в прямоточной шахтной зерносушилке........................................................ 82

2.1. Формирование подхода к моделированию тепло- и массопереноса в процессе сушки зернистого материала»....... 82

2.2. Математическая модель процесса сушки в подвижном слое дисперсного материала при перекрестном движении

зернового слоя и сушильного агента............................................................85

2.3. Численное решение математической модели процесса сушки зерна при перекрестном движении зернового слоя и агента сушки.............................................................. 88

2.4. Идентификация параметров модели по экспериментальным данным........................................................................ 91

2.5. Аналитическое решение математической модели

связанного тепломассопереноса при конвективной сушке зерна 96 Глава 3. Применение теплонасосных технологий для повышения эффективности процесса конвективной сушки зерна.......... 112

3.1. Компенсация потерь эффективности процесса сушки

зерна в шахтной зерносушилке с тепловым насосом............. 112

3.2. Утилизация теплоты высушенного зерна в шахтной зерносушилке с парокомпрессионным тепловым насосом..... 117

3.3. Применение пароэжекторного теплового насоса

в технологии зерносушения........................................... 123

3.5. Алгоритм управления процессом сушки в зерносушилке с ПЭТН........................................................................ 126

3.6. Комбинированная схема изотермической сушки зерна в прямоточной шахтной зерносушилке с двухступенчатой теплона-сосной установкой............................................................ 131

Глава 4. Исследование гидродинамических и кинетических закономерностей процесса сушки зерновых культур........................ 137

4.1. Экспериментальная установка и методика исследований 137

4.2. Исследование гидродинамики процесса сушки зерна........ 141

4.3. Исследование гидродинамики процесса сушки овса...... 146

4.4. Кинетические закономерности процесса сушки зерновых культур...................................................................... 151

4.5. Исследование сложных кинетических реакций в ячмене методом термического анализа..................................... 154

4.6. Исследование форм связи влаги в зерне овса методом дифференциально-термического анализа.......................... 158

Глава 5. Методологический подход к расчету и проектированию перспективных конструкций зерносушилок......................... 164

5.1. Построение эмпирической модели кинетики сушки

зерновых культур......................................................... 164

5.2. Математическая модель процесса сушки зерновых

культур при переменном теплоподводе............................ 168

5.3. Реализация предлагаемого подхода к проектированию зерносушилки............................................................. 179

5.4. Разработка конструкции сушилки с применением переменных режимов............................................................................................................183

5.5. Энергосберегающая технология зерносушения в двухступенчатой теплонасосной установке и алгоритм управления для ее осуществления..................................... 188

Глава 6. Научное обоснование осциллирующих режимов сушки семян масличных культур................................................................... 193

6.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований................................................................................. 193

6.2. Исследование термоустойчивости и форм связи влаги методами термического и термогравиметрического анализов в семенах льна.............................................................. 197

6.3. Исследование гидродинамики процесса сушки семян льна

в осциллирующих режимах........................................................................203

6.4. Исследование кинетических закономерностей сушки

семян льна.................................................................. 207

6.5. Математическая модель процесса сушки семян льна при осциллирующих режимах............................................... 212

6.6. Обоснование использования антиоксидантов на интервале между циклами нагрева и охлаждения при подготовке семян масличных культур к хранению.................. 219

Глава 7. Инновационные решения в технологии зерносушения... 229

7.1. Способ сушки семян масличных культур по несимметричной схеме осцилляции с циклическим вводом антиоксиданта... 229

7.2. Разработка конструкции сушилки для семян масличных культур с вводом антиоксидантов.................................... 232

7.3. Разработка технология стабилизации термовлажностных характеристик зерна в процессах его сушки и хранения........ 235

7.4. Способ управления процессом сушки и хранения зерна

с применением двухступенчатой теплонасосной установки... 239

7.5. Моделирование процесса самосогревания зернового сырья

при силосном хранении................................................................................244

7.6. Разработка способа установления ранней порчи семян

рапса........................................................................ 256

7.7. Способ установления степени порчи зерна в процессе хранения ......................................................................................................................................261

Глава 8. Оптимизация и оценка энергетической эффективности шахтной зерносушилки с использованием теплового насоса...... 266

8.1. Концепция моделирования максимально-прибыльных технологий сушки зерна......................................................... 266

8.2. Оценка энергетической эффективности шахтной зерносушилки с использованием теплового насоса по технико-экономическому показателю.......................................... 272

8.3. Сравнительная энергетическая оценка способов сушки зерна с применением тепловых насосов методом эксергетического анализа........................................... 280

8.4. Обоснование экономической целесообразности технологии стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и хранении с применение теплового насоса... 289

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ..............................

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ............................. 303

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 306

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................. 333

ВВЕДЕНИЕ

Рынок хлебопродуктов занимает одно из важнейших мест в экономике народного хозяйства. Зерно является стратегически важным продуктом, от состояния его производственной и перерабатывающей базы во многом зависит продовольственная безопасность страны. Наметившаяся в последние годы положительная динамика по сбору урожая зерновых в России (рис. 1-2) позволяет ежегодно увеличивать объемы поставок зерна отечественному производителю, а также наращивать его экспорт. Если в 2005 г. валовой сбор зерна составил 78,2 млн. тонн, то в 2011 г. - 94,2 млн. тонн (табл. 1).

2520 1$ 10

5

о

Рис. 1. Динамика урожайности зерновых в 1992-2011 году, ц с га

1200000 1000000 8 0 0 0 0 0 600000 4 0 0 0 0 0 200000 п

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

13 1 Silii

j

1 1

X о* s 1 i? i 1 £. 3> „.«л \ »i, *f «l *

■V - - ^ | E ggf

* 1 . 1

, m "4M r :

Ü 'ff

f Ш 1 Щ- IS

X

19W 1995 2<N»Ö 2005 200« 2007 2ö#8 2009 201Ö> 2#ii

Рис. 2. Динамика валовых сборов зерновых в 2000-2011 гг., тыс. центнеров

В 1990 году в России был собран рекордный урожай зерновых культур -116 млн. тонн зерна. Второй по объемам выращивания зерна результат в истории России составил в 2009 г. около 101 млн. тонн зерна. И в 2011 г. было собрано 94,2 млн. тонн зерна, что является третьим результатом (рис. 1). Вместе с тем, необходимо отметить, в Россию ежегодно завозится около 1 млн. т зерна, что обусловлено спецификой российских зерновых.

Более 70 млн. тонн в России расходуется на внутреннее потребление (пищевые цели, корм скота и птицы, семена, промышленная переработка, потери. Если в 2007-2008 году экспорт зерна из России составит 12,7 млн. т. зерна, то в 2008-2009 г. было экспортировано около 22 млн. т (табл. 1). В 2011 году составил более 20 млн. тонн.

Таблица 1

Валовые сборы зерна в России (Росстат), тыс. т

Культура 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010г. 2011 г.

Пшеница 45006 49390 63765 60027 41468 56240

Рожь 2963 3905 4502 4579 1642 3000

Ячмень 18154 15663 23148 17538 8330 16900

Кукуруза 3669 3953 6682 6393 3080 6700

Овес 4880 5407 5835 5126 3200 5300

Гречиха 866 1 005 924 781 366 800

Рис 686 709 738 749 1061 1049

Просо 600 421 711 672 396 878

Зернобобовые 1764 1301 1794 1876 2031 3333

ИТОГО 78625 81796 108179 101230 61574 94200

В результате в зерноперерабатывающей промышленности появилась необходимость в быстром и оперативном получении предприятиями по производству, хранению и переработке зерна полной информации о качестве и технологических свойствах конкретных партий зерна, о возможностях его переработки в высококачественные и конкурентоспособные продукты питания с наименьшими экономическими затратами и издержками на их производство.

Это в свою очередь отразилось на необходимости модернизации и перевооружении элеваторов, мелькомбинатов, крупозаводов и дальнейшего совершенствовании рыночной инфраструктуры и маркетингового обеспечения.

Перед специалистами отрасли в настоящее время стоят следующие задачи: создание эффективной системы информационного обеспечения, применение современных технологий, машин и зерноперерабатывающего оборудования, анализ состояния производства и управления качеством, внедрение на практике оперативного мониторинга показателей качества зерновых культур.

От объемов производства и качества выращиваемого зерна зависит обеспеченность сырьем таких отраслей пищевой промышленности, как мукомольной, крупяной и комбикормовой.

Элеваторы должны в сжатые сроки осуществлять прием и поточную послеуборочную обработку зерна и обеспечивать его полную сохранность. В связи с тем, что большая часть заготовляемого зерна поступает, как правило, с повышенной влажностью и его сохранность зависит от работы сушилок, то сушка является важнейшим участком поточных комплексно-механизированных линий приема и послеуборочной обработки зерна.

Для осуществления процесса сушки на зерноперерабатывающих предприятиях требуются значительные затраты тепловой и электрической энергии. Однако, технологические режимы процессов сушки зерна в большинстве случаев их нельзя признать рациональными с энергетической точки зрения. Они недостаточно научно обоснованы и не всегда соответствуют гидродинамическим, кинетическим и термодинамическим закономерностям процессов. Значительная часть сушилок, используемых в промышленности, морально и физически и устарела. Это не только отражается на качестве выпускаемой продукции, но и приводит к перерасходу топливно-энергетических ресурсов.

В современных условиях возрастающего дефицита энергетических ресурсов и постоянного увеличения потребления энергии все более актуальными становятся вопросы рационального использования энергии, утилизации и рекуперации теплоты во всех процессах пищевой технологии. Это, безусловно, от-

носится и к сушке зерна, при проведении которой имеет место неполное использование энергии теплоносителя, что связано со специфическими условиями гигротермического взаимодействия между теплоносителем и высушиваемым материалом [9, 36-41, 51, 65, 70].

Перспективным направлением повышения эффективности использования теплоты сушильного агента является совершенствование технологических режимов, так как на проведение тепловых процессов расходуется примерно 55 % теплоты.

Совершенствование технологии связано с увеличением производительности сушильных установок, что, в свою очередь, приводит к снижению удельных расходов теплоты и интенсификации теплообмена.

В последнее время при проведении сушки все более широкое применение находят тепловые насосы. Они позволяют добиться высокого энергетического совершенства зерносушилок за счет рекуперации, использования и утилизации теплоты отработанного теплоносителя [39, 43-48, 62, 79, 99, 101-105, 217].

В тепловом насосе теплота отработанного сушильного агента в результате затраты механической энергии в компрессоре переходит от низкотемпературного потенциала на более высокий температурный уровень рабочего сушильного агента. Это позволит существенно уменьшить затраты энергии (до 30 %), а осуществление «мягких» режимов сушки сушильным агентом с пониженным влагосодержанием вследствие его осушения в испарителе позволяет получить высушенное зерно высокого качества.

Автоматизация технологических процессов сушки зерновых культур также создает значительные возможности экономии энергоресурсов. Однако этот перспективный путь оптимизации управления процессами сушки в перерабатывающих отраслях АПК еще не нашел достойного места в решении актуальных задач энергосбережения.

В настоящее время перспективной тенденцией в современном развитии техники и технологии сушки является применение осциллирующих режимов.

Осциллирующие по тем или иным технологическим параметрам процессы сушки в последнее время привлекают всё большее внимание исследователей [1, 36, 37, 41, 70-74, 107, 119, 126, 135, 177-179, 188, 209, 214]. Они позволяют поддерживать наиболее рациональный по технологическому регламенту температурный режим сушки, интенсифицировать процесс сушки, улучшить качество высушиваемого зерна. Анализ различных осциллирующих технологий сушки показывает, что при определённых условиях они дают вполне ощутимый эффект и поэтому могут быть рекомендованы для промышленного применения, прежде всего, для сушки семян масличных культур.

Теоретическое обоснование целесообразности применения осциллирующих режимов сушки термолабильных материалов впервые дал А. В. Лыков [108 - 113]. Первыми отечественными работами, в которых было показано, что метод осциллирования обеспечивает приемлемую скорость сушки при сохранении надлежащего качества высушиваемых продуктов и высоких технико-экономических показателей процесса, были следующие (даны в хронологическом порядке): П.Н. Федосеева П.Н. [178], В.И. Жидко [70], В.И. Атаназевича [9], A.C. Гинзбурга и В.А. Резчикова [41], И.Ф., Пикуса, И.Л. Любошица [117 -119], Л.С. Слободкина [178].

Теоретические основы тепломассообмена в сушильных процессах и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, М.Ю. Лурье, Н.М. Михайлова, A.C. Гинзбурга, И.М. Федорова, В.В. Красникова, Д.М. Левина, П.Д. Лебедева, И.Л. Любошица, В.И. Жидко, В.Л. Кретовича, Н.П. Г.А. Егорова, А.П. Нечаева, С.П. Пункова, B.C. Уколова, В.И. Муштаева, В.М. Ульянова, Б.М. Смольского, И.Т. Кретова, Б.И. Леончика, В.А. Резчикова, Ю.А. Михайлова, А.П. Гержоя, В.Ф. Самочетова, Г.А. Джорогяна, А.П. Рысина, В.Д. Сквер-чака, Н.В. Остапчука, В.И. Атаназевича и др.

На сегодняшний день достаточно четко обозначены следующие принципы энергосбережения в процессах сушки [3, 9, 12, 18-23, 25, 28, 33, 39-42, 54, 56, 59-62, 69, 122, 134, 135, 139, 145, 149, 180, 189, 193-198, 201, 212-214, 244246]: применение тепловых насосов для осуществления низкотемпературной

сушки; максимальное использование теплоты отработанного сушильного агента за счет его рециркуляции; математическое моделирование, обеспечивающее максимальную степень кинетического, гидродинамического и термодинамического соответствия; использование вторичных энергоресурсов; оптимизация и управление процессами сушки и тепловой обработки, предотвращающие потери теплоты и электроэнергии.

Несмотря на сформировавшиеся принципы энергосбережения в процессах сушки, нет однозначного решения в их реализации. Поэтому решение задач энергосбережения при конкретном способе энергоподвода требует индивидуального подхода с учетом специфики каждого вида продукта.

Актуальность работы. Современные тенденции в развитии теории сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих технологий сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения тепловых насосов (ТН).

Эффективное замещение в сист