автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование режима хранения зерна на основе повышения эффективности работы системы вентиляции межзернового пространства

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. П. ОГАРЁВА

На правах рукописи

УДК 131.243.32:62 - 684.22

БОРИСКИН АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМА ХРАНЕНИЯ ЗЕРНА НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕЖЗЕРНОВОГО ПРОСТРАНСТВА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на. соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

АЛ.Савельев

кандидат технических наук доцент М.М.Ачапкин

Саранок 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................5

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРА..............8

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......10

1.1. Основные свойства зерна и зерновой массы................10

1.2. Внешние факторы, влияющие на качественные характеристики зерна...................................16

1.3. Обзор имеющейся литературы по вопросам хранения зерновых культур.............................. . ......25

1.3.1 .Хранение зерна без доступа воздуха.................... 26

1.3.2.Хранение зерна в сухом состоянии..................... 27

1.3.3.Хранение зерна в охлаждённом состоянии . ..............28

1.3.4.Хранение зерна при усиленном воздухообмене в межзерновом пространстве............................ .29

1.4. Анализ качественных характеристик применяемых

систем активного вентилирования зерна.................. .31

1.4.1 .Стационарные установки активного вентилирования

зерна............................................... 31

1.4.2.Наполъно-переносные установки активного вентилирования зерна................ ................36

1.4.3.Передвижные грубные установки активного вентилирования зерна ................................ .37

1.5. Краткая характеристика методики расчёта систем

активного вентилирования зерновой массы................40

1.6. Выводы и задачи исследования.......................... 44

2. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕЖЗЕРНОВОГО ПРОСТРАНСТВА В РЕЖИМЕ

ПОСТОЯННОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ ЗЕРНОВОЙ МАССЫ ...............................................48

2.1. Теоретические основы взаимодействия параметров зерна и наружного воздуха при вентилировании межзернового пространства в режиме постоянного вентилирования зерновой насыпи......................................48

2.2. Обоснование требуемого воздухообмена..................51

2.3. Теоретическое обоснование сопротивления слоя зерна воздушному потоку....................................52

2.4. Разработка методики расчёта напорных воздухопроводов .... 58

2.5. Выводы..............................................65

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ . . .67

3.1. Задачи экспериментальных исследований................. 6?

3.2. Краткое описание экспериментальной установки и методика проведения замеров ............................68

3.3. Методика учёта погрешности измерений..................72

3.4. Проведение экспериментальных исследований с применением теории планирования эксперимента ..........75

3.5. Канонический анализ математической модели.............79

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕЖЗЕРНОВОГО ПРОСТРАНСТВА В РЕЖИМЕ ПОСТОЯННОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ ЗЕРНОВОЙ НАСЫПИ....................................82

4.1. Построение линий равных откликов в натуральных значениях............................................82

4.2. Основы расчёта разработанной системы вентиляции межзернового пространства в режиме постоянного вентилирования зерновой насыпи........................89

4.3. Обоснование основных положений рекомендуемой методики расчёта системы вентиляции....................90

4.3.1 .Количественная оценка значимости сопротивления слоя

зерна воздушному потоку.............................91

4.3.2. Анализ процесса взаимодействия параметров зерна и наружного воздуха при работе предлагаемой системы вентиляции в период одного производственного цикла

хранения зерна......................................93

4.3.3.Обоснование методики аэродинамического расчёта

напорных воздухопроводов . /.........................101

4.4. Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕЖЗЕРНОВОГО ПРОСТРАНСТВА В РЕЖИМЕ ПОСТОЯННОГО

ВЕНТИЛИРОВАНИЯ ЗЕРНОВОЙ НАСЫПИ..............114

ОБЩИЕ вывода И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.....................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............122

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................133

ВВЕДЕНИЕ

Производство зерна является одним из основных направлений сельскохозяйственного производства. При этом производство зерна имеет сезонный характер, а его потребление осуществляется в течение всего года. Кроме этого, часть зерна используется для создания государственных резервов и в качестве семенного материла для его воспроизводства. Всё это требует решения вопросов по организации обработки и хранения зерна с сохранением его качественных характеристик при условии обеспечения минимальных потерь и оптимальных технико-экономических показателей.

На сегодняшний день в нашей стране практически создана наука, как отмечается в [82], о хранении зерна, в основу которой вошли труды А.Н.Баха, И.И.Опарина, В.Л.Кретовича, Л.А.Трисвятского и многих других учёных. Большая роль в разработке научных основ хранения зерна принадлежит коллективам Всесоюзного научно-исследовательского института зерна в Москве, сельскохозяйственной Академии им. Тимирязева, Московского технологического института пищевой промышленности, Одесского института инженеров мукомольной промышленности и элеваторного хозяйства и, кроме того, научно-исследовательским и производственным лабораториям многих организаций. Следует отметить, что в нашей стране вопросами обработки и хранения зерна занималось в основном элеваторно-складское хозяйство, которое было выделено в одно их важнейших отраслей сельскохозяйственного производсгва. Оно на достаточно высокой научно-технической основе, с учётом этапов развития уровня научно-технического прогресса,' решало вопросы предварительной обработки зерна до определённой кондиции и последующего рентабельного хранения.

Однако переориентация сельскохозяйственного производства на новые формы хозяйственно-финансовой деятельности с уклоном на мелкотоварное производство в виде фермерских хозяйство обусловило определённые трудности. По мнению Л.А.Трисвятского [84], это привело, прежде всего, к снижению производства зерна со 104 млн. т в 1986 - 90 г.г. до 63-69 млн. т в 1996-97 г.г., ибо 5% зерна, которые дают индивидуальные фермерские хозяйства, даже с большой долей оптимизма, нельзя считать сколько-нибудь серьёзным вкладом в зерновые ресурсы страны. Кроме этого, по его мнению, «... реформаторы, многие из которые просто некомпетентны в вопросах аграрной экономики, разрушив ' коллективную форму организации сельскохозяйственного, в т.ч. зернового производства...», довели до того, что сейчас самим фермерским хозяйствам требуется помощь государства. Дело в том, что ряд фужций элеваторно-складских хозяйств в современных условиях автоматически перешли на места, а складское хозяйство оказалось недостаточно развитым в колхозах и совхозах и совершенно отсутствует в фермерских хозяйствах. Кроме того, совершенно отсутствуют на местах сушильные агрегаты и оборудование для первичной обработки зерна малой производительности, практически нет достаточно эффективных научно-технических разработок по сушке и хранению зерна. В то же время, резкое повышение цен на строительные материалы и оборудование, отсутствие чёткой схемы межхозяйственных связей и дезорганизация других хозяйственно-экономических процессов сельскохозяйственного производства усугубляет характер решения вопросов хранения зерна, что особенно характерно для территории Республики Мордовия. Такое положение обусловило определение темы теоретических и экспериментальных исследований, заключающихся в обосновании разработки принцштиально новой схемы системы вентиляции меж-

зернового пространства в режиме постоянного вешшшрования, удовлетворяющей требованиям сохранности качественных характеристик во время хранения и обеспечивающей необходимые технико-экономические показатели, доступные хозяйствам по производству зерна. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предпосылки создания более совершенного инженерно-технического средства по механизации процесса хранения зерна.

2. Экспериментальные исследования для обоснования параметров работы системы вентиляции межзернового пространства, работающей в режиме постоянного вентилирования зерновой насыпи.

3. Методика расчёта величины сопротивления слоя зерна воздушному потоку.

4. Методика аэродинамического расчёта системы вентиляции зерновой насыпи.

5. Технико-экономические показатели разработанной системы вентиляции.

Автор выражает- искреннюю благодарность члену-корреспонденту РААСН, доктору технических наук, профессору В.Т.Ерофееву, кандидату экономических наук А.А.Козлову за ценные замечания и консультации по отдельным разделам выполненной работы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРА.

V - объём, м3

/

С - удельная теплоёмкость материала, кДж/ кг ■ град, в - масса материала, кг

I - температура материала, °С

I - длина, м

о — скорость, м/с

р - давление, Па

ш — влажность материала, %

чг - количество влаги в материале, кг

-г - время, час

(р - относительная влажность воздуха, %

/

а - влагосодержание воздуха, % у- объёмная масса, кг/м3 р - мощность теплового потока, Вт а - коэффициент теплообмена, Вт/м2- град.

Т-, 2

г - площадь, м

Я - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м ■ град.

V - кинематическая вязкость материала, м2/с Я - удельные потери давления на трении, Па/м

Ъ - потери давления в местных сопротивлениях, Па

Ь - производительность оборудования по воздуху, м3/г

Э - эффективность работы системы, руб.

3 - затраты на виды работ, руб. •

ТЭО - технико-экономическое обоснование

УАВ - установка активного вентилирования

ПСВ - предлагаема я система вентиляции КСД - камера статического давления

ВНИИЗ - Всесоюзный научно-исследовательский институт

зерна и продуктов его переработки РостНИИЗ - Ростовский научно-исследовательский институт зерна НТП - научно-технический прогресс СМР - строительно-монтажные работы KMC - коэффициент местного сопротивления

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные свойства зерна и зерновой массы

Для того, чтобы правильно решать вопросы хранения зерна, необходимо знать основные свойства зерновой массы, а также влияние внешних факторов на его качественные характеристики. Анализ отечественной [36, 45, 48, 67, 72, 82, 103] и зарубежной [30, 88] литературы показывает, что зерно представляет собой живой организм и его оптимальная влажность при хранении должна быть не более 4%, т.к. по мнению Л. А.Трисвятского, энергия дыхания зерна в этом случае минимальна, а при гтгТ 1...12% может быть равна даже нулю. А поскольку значение т практически находится в прямой зависимости от внешних метеорологических условий и свойств зерновой массы, инженерно-технические средства, обусловливающие долговечность зерна при хранении, следует проектировать с учётом их оптимизации

Рассмотрим основные свойства зерновой массы, которые учитываются при расчёте систем активного вентилирования.

Объёмная масса (натура) представляет собой массу зерна в кг, содержащегося в единице объёма.

Скважистость (пористость) - отношение объёма межзернового пространства к объёму зерновой массы, выражаемое в долях или %.

Под плотностью, как отмечается в [67], понимают отношение объёма, занятого непосредственно зерном, к объёму, занятому зерновой массой. Величина плотности всегда меньше 1 (100%), т.е. сумма значений плотности и скважистости равна полному объёму зерновой массы. По мнению Б.Е.Мельник [50], плотность характеризует свой-

ства отдельного зерна, а зерновую массу в целом характеризует объёмная масса.

Сыпучесть зерновой массы представляет собой возможность перемещения зерна под действием своей массы. Показателем сыпучести является угол естественного откоса, который представляет собой угол между основанием и образующей конуса, получающийся при свободном падении зерна на горизонтальную плоскость.

Способность зерновой массы при перемещении расслаиваться называют самосортированием. Сыпучесть и самосортирование могут быть следствием неравномерного распределения пористости в зерновой насыпи.

Одной из основных характеристик зерна является влажность. Обычно при рассмотрении влагосодержания в материале используют два основных понятия, а именно: абсолютную и относительную влажность.

у

Абсолютная влажность зерна представляет собою отношение количества влаги \¥ в материале к его сухой части Ос, выраженное в т.е.

V/

©к =--100% . (1.1)

Сгс

Относительная влажность ш есть отношение количества влаги \у в материале к его общей массе (Ос + \у), которая также выражается в % и определяется по формуле: \у

щ = _— . 100% . (1.2)

О,

Как отмечалось ранее, зерно считается устойчивым для хранения, если его относительная влажность яг не превышает 13.. .14%.

Зерно обладает свойством гигроскопичности, т.е. способностью к сорбации и десорбации паров воды, а также имеет определённый уровень термоустойчивости. Показателем термоустойчивости зерна принято считать максимально допустимую температуру его нагрева, которая определяется в соответствии с [67] по формуле:

2350

t3 = --_____ + 20 - 1 ó ед. т , (1.3)

0.37 ■ (1 00 - т) + ш

где т- время всего периода воздействия температуры на зерно. Значение относительной влажности т в этой формуле принимается как среднее из значений начальной щ и конечной гэ^влажности, т.е.

Щ + Щ.

ш= -----— . * (1.4)

2

Для оценки теплотехнических свойств зерновой массы служат теплоёмкость и коэффициент теплопроводности. Теплоёмкость зерна в соответствии с [67] определяется tío формуле:

0.37 • (100 - т) ■

С == —-----ккал/'кг • град. (1.5)

юо

В системе СИ с учётом переводного коэффициента количества теплоты с ккал на, кДж (I ккал = 4.2 кДж) формула (1.5) примет вид:

037^00-

100

■ 4.2, 0-9

кг-град.

Коэффициент теплопроводности материала представляет собой мощность теплового потока, проходящего через единицу длины при температурном перепаде в один градус. С.Д.Птицын [67] считает, что коэффициент теплопроводности Л^ материала отдельного зерна значительно выше коэффициента теплопроводности зерновой массы и в первом приближении: можно принимать равным 0.35 Вт/м • град. Такое положение объясняется наличием воздуха в межзерновом про!

странстве зерновой массы и поэтом}/ значение ле при отсутствии токов воздуха для неё ближе к значению коэффициента теплопроводности воздуха и рекомендует принимать равным около 0.06 Вт/м • град.

Таким образом, в соответствии с [80], зерновую массу в целом можно отнести к категории теплоизоляционных материалов.

В процессе хранения зерна, пока его клетки не потеряли жизнеспособность, происходит дыхание. При этом в межзерновое пространство выделяются определённое количество теплоты, углекислого газа и воды. По данным С.Д.Птицына, в частности, пшеница «Мильтрум 0321» при т=\ 4.1% на 100 г своего сухого вещества за

24 часа выделяет уг лекислого газа в количестве 0.27 см"\ При условии достаточного доступа воздуха, выделение 1 г С02 сопровождается выделением около 2,6 кал. теплоты, при недостаточном поступлении воздуха - 0.32 кал. Следует отметить, что энергия дыхания в значительной степени зависит от влажности (рис. 1.1; рис. 1.2; рис. 1.4) в соответствии с [82] и от температуры (рис. 1.3 и рис. 1.4). При этом под энергией дыхания обычно понимают [67, 82] количество выделенного ССЬ за 24 часа 100 или 1000 граммами сухого вещества зерна, а дыхат ельным коэффициентом - отношение объёма выделенного углекислого газа к объёму кислорода, израсходованного

3

I \

«V»

8

6 4

г

£

10 13 16 Гр блажмостб 4 %

I

I

1

ч,

I*

41 «Я £

н

4 £

24

13

_Лен

— Рис 06ее Просо

9 V 17 & Влажности 0 %

Рис. 1.1. Зависимость энергии дыхания и дыхательного коэффициента у зерна пшеницы от её влажности (по данным Кретовича)

Рис. 1.2. Энергия дакания (по поглощению кислорода) у семян различных культур в зависимости от их влажности (по данным Кретовича)

зерном, т.е. С02/02. Если дыхательный коэффициент равен 1, то характер дыхания является аэробным, а если более 1 - анаэробным.

/Й М 40 Я М М [еплера/лура 6 °С

1 ыЮОО

I £ 1 I

Ь §г

^ « 500

Ж I

<4, с

О

8А

Л

V

/7

/ /' в*а*н

м го зо 40

Температура в "С

Рис. 1.3 Влияние температуры на энергию дыхаш ш зерен пшеницы А-.влажность 14%;

Б- 16%; В-

18%:, Г Г°

Рис. 1.4 Комплексное влияние влажности и температуры на энергию дыхания ржи.

Судя по тому, что при анаэробном дыхании выделяется меньше теплоты, можно прийти к выводу о целесообразности хранения зерна в анаэробном режиме дыхания зерна. Однако при этом, как отмечается в [82], выделяется значительное количество винного спирта, который является продуктом обмена веществ в клетках, а, следовательно, оказывает на них губительное действие. В результате жизнеспособность зерна значительно снижается вплоть до полной потери всхожести.

Из рис. 1.1; 1.2; 1.3 и 1.4 видно, что температура и влажность являются важнейшими факторами, влияющими на качественные характеристики зерна.

Крайне нежелательными при хранении зерна следует считать свойства самосогревания, слеживания и прорастания.

Под самосог�