автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Теплофизические характеристики стеблелистового кормового сырья как объекта механизированной обработки и хранения

воронежский государственный агроуниверситет

На правах рукописи УДК 536.5:636.085:631.363

ЯНЧЕНКО Виктор Степанович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕБЛЕЛИСТОВОГО КОРМОВОГО СЫРЬЯ КАК ОБЪЕКТА МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ

Специальность — 05.20.01. «Механизация сельскохозяйственного

производства»

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж — 1994

Работа выполнена в Брянском сельскохозяйственном институте.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ермичев В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Антипов С. Т.,

кандидат технических наук, доцент Сундеев А. А.

Ведущая организация: АО Брянский завод сельхозмашин.

Защита состоится ................................. Г994 года в

„.../^....... часов на заседании специализированного совета К 120.54.02 Воронежского государственного агроуниверситета по адресу .....

................................

аудитория , .....зц..............

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного агроуниверситета.

Автореферат разослан .........Л.. 1904 г.

Ученый секретарь специализированного совета )

кандидат технических наук, доцеьй^дД^^..,^......... Шахохин И. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тепловые процессы широко используются кормоприготовлении в качестве самостоятельных технологичес-их операций (например, запаривание, варка, термохимическая бработка, гидробаротермическая обработка, термическое обез-араживание пищевых отходов) или ,в качестве вспомогательных пераций (например, кондиционирование травяной муки перед рессованием, охлаждение гранул и брикетов после прессования, ринудительное провяливание и сушка, самосогревание силоса и енажа). Поэтому отсутствие систематических данных по тепло-изическим характеристикам (ТФХ) растительных влажных мате-иалов тормозит работы по повышению энергосбережения, эф-юктивности и автоматизации технологических устройств кормо-риготовления. Проблема состоит также в разработке простых и ффективных методик определения этих характеристик.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось изучение еплофизических характеристик стеблелистового кормового сырья ак объекта механизированной обработки и хранения.

Для ее достижения решались следующие основные задачи:

1. Разработка прибора для измерения ТФХ влажных грубодис-ерсных растительных материалов.

2. Сравнительный анализ методов аналитического определения ФХ растительных материалов.

3. Разработка методики определения ТФХ по эксперименталь-ым данным на основе численного решения уравнения теплопро-одности, алгоритмов и программ для их расчета на ЭВМ.

4. Экспериментальное исследование теплофизических свойств ипичных кормовых растительных материалов при различных зна-ениях их плотности и влажности для применения в тепловых рас-етах кормоприготовительных устройств.

Объекты исследования. Объектами исследования были типич-ые растительные кормовые материалы различной плотности и лажности: кукурузный силос, кукурузный лист свежий и высу-:енный, солома сухая и замоченная, закономерности изменения еплофизических характеристик этих материалов в зависимости от х состояния, методы определения ТФХ влажных грубодисперсных еществ.

Методика исследований. При проведении экспериментальных сследрваний использовали стандартные и оригинальные методи-:и, приборы и установки. По стандартной методике определяли лажность исследуемого материала. Теплофизические характери-тики (коэффициенты теплопроводности и температуропроводно-ти) определяли на специально разработанном приборе по ориги-[альным методикам. Теоретические исследования были направлены

на решение инверсной задачи теплопроводности для динамич< ского бикалориметра, результаты были использованы для разр; ботки методики численных решений, выполненных на IBM — coi местимых компьютерах в среде TurboPaskal 7.0. -

Достоверность исследований обеспечена поверкой приборов системе Госстандарта Российской Федерации и специальными и< пытаниями измерительного комплекса, статистической обработко полученных результатов с указанием среднеквадратичных откл< нений, отработкой расчетных методик на тестовых примерах. П( лученные погрешности результатов не превышают общеприняты для подобных материалов и методик (относительные погрешност результатов 6...7%).

Научной новизной является решение инверсной задачи тепл< проводности для нелинейного бикалориметра с получением фо! мулы, описывающей нестационарную теплопроводность мног< слойной системы и закономерности изменения теплофизических х; рактеристик стеблелистовых кормов в зависимости от плотност при различной влажности.

Практическая ценность и реализация результатов исследованш

Разработана методика и прибор для определения теплофизически характеристик кормовых материалов. Конструкция прибора, вь бранный приборный интерфейс и разработанные алгоритмы рек< мендуются к использованию в сельскохозяйственном цроиаводстЕ для улучшения устройств тепловой обработки кормов. В недр ем результатов исследований на сахарном заводе АО «Лопандино на Погарском овощесушильном заводе дает экономический эффе* около 15,5 млн. руб. год (в ценах на 1.06.1994 г.).

Апробация. Результаты работы доложены и одобрены на сем научно-технических конференциях: Брянского сельскохозяйственно] института (Брянск, 1993, 1994 гг.), ВНИИМЖа РАСХН (Подолье, 1992, 1993 гг.), Воронежского госагроуниверситета (Вороне» 1992 г.), С.-Петербургского госагроуниверситета (Пушкин, 199 1994 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликова! в 7 научных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти гла выводов, списка'использованной литературы из Г16 наименованк (из них 18 иностранных) и 6 приложений. Работа изложена í 201. странице .машинописного текста, содержит 44 рисунка, 31 та< лицу, 24 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое обоснование актуальности темы.

В первом разделе «Состояние вопроса. Постановка задачи исследования» дан анализ использования тепловых процессов в кор-моприготовлении при сеножировании и силосовании, сушке, кондиционировании и прессовании гранул и брикетов, запаривании корнеклубнеплодов и соломы, термической и гидробаротермиче-ской обработке грубых кормов. Рассматривается возможность теоретического описания процессов термообработки кормов и определения теплофизических характеристик растительных материалов, входящих в уравнения и расчетные формулы (теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность). Отсутствие ТФХ. таких стеблелистовых кормовых материалов, как соломы, сена, травяной муки, гранул и брикетов, существенно тормозит разработку эффективных экономических механизированных технологических процессов и агрегатов кормоподготовки. В связи с этим сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе «Экспериментальное определение тепло-физических характеристик стеблелистового кормового сырья» приведено обоснование выбора конструкции прибора и режимов для экспериментального исследования теплофизических характеристик влажных дисперсных материалов, описание экспериментальной установки, результаты экспериментальных исследований и статистическая оценка их достоверности. Экспериментальное определение ТФХ проводилось методом регулярного бикалориметра с линейным изменением температуры поверхности системы из плоских пластин по зависимости:

Т=Т0 + Ьт (1)

где То — температура окружающей среды;

Ь — скорость изменения температуры, К/с.

Пластину из растительного сырья толщиной Ь-2 помещали между двумя пластинами из эталонного материала толщиной Ь каждая. Начальное распределение температуры в системе принималось равномерным. ТФХ образца из кормового материала определяли по формулам квазистационарного метода:

^-а^(ксрАТ-ЬЬ), (2)

где Хь а1 и Яг, аг — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности внутренней и наружных пластин соответственно:

ксР=Я2/(1112); Ь^СараУДОО;

Сг, Рг — теплоемкость и плотность материала наружных пластин;

АТ0=Т1(1ьт) — Т](о, т) — перепад температуры между наружной поверхностью и центром внутренней пластины;

ДТ=Т2(11 + 12, т)—Т2(1ьт) — перепад температур на поверхностях наружных пластин.

Рис. 1, Схема экспериментальной установкиг

1 — воздушный термостат; 2 — измерительная ячейка; 8 —. вентилятор; 4 — термопары с термоэлектродными проводами; 5 — автоматический потенциометр

Экспериментальная установка состояла из сушильного шкафа 1 типа СУП-4, играющего роль воздушного термостата, измерительной ячейки 2, вентилятора 3 (рис. 1). Изменение температур рабочей зоны ячейки записывали с помощью автоматического потенциометра 5. Объектом исследования служили кукурузный силос, кукурузный лист и солома.

Для обработки экспериментальных данных был разработан алгоритм на основе следующих исходных положений (рис. 2):

— зона регулярного режима нагревания характеризуется экспо-тенциальной зависимостью температуры от времени, объективным указанием выбора зоны служила экспоненциальная регрессия с коэффициентом парной корреляции Ие<1 на величину ее=3...5%. При невыполнении этого условия точки снизу выбранного участка термограммы отбрасываются;

— ТФХ исследуемого материала определялись для средней температуры образца в рассматриваемом сечении термограммы, при этом в соответствии с зольным методом температурная зависимость считалась линейной. Справедливость аппроксимации проверялась определением коэффициента корреляции И линейной регрессии с предельной погрешностью

е—1 —[е]. (3)

Измерительный комплекс поверяли по известным теплофизиче-ским характеристикам кварцевого песка.

Было найдено, что разработанный зольный метод позволяет определить коэффициент теплопроводности с относительной погрешностью 6%, коэффициент температуропроводности — 7%'.

Обосновано применение для обобщения экспериментальных данных линейной аппроксимации: при определении коэффициента температуропроводности в форме

а==Хар + Уа; (4)

а при определении коэффициента .теплопроводности

Л^ХЬр + УХ. (5)

где Ха, X*-, УХ — постоянные, р — плотность растительного еырья.

Указанный метод обработки позволил впервые получить ТФХ типичных стеблелистовых материалов (таблица 1).

Таблица 1.

Коэффициенты для определения ТФХ стеблелистового вормового сырья _

Формула (4) (5)

Материал, влажность Х,.10" м» м» к* XX-10« Вт м» кг К~ УХ-Ю4 Вт НХ

с кг с мК

Силос, —5.71. .1(Н> 18.33 0.856 4.44 8.72 0.996

Солома, №=20.94,% -0.245 55.37 0.9932 2.574 5,89 1.0

Солома, \У=77.15% —18.25. .10-3 28.57 0.997 3.9 14.13 0.998

К. лист, 12.6% -0.5 78<3 0.984 1.7 3.83 0.866

К. лист, \У=78..3% -13.9. ЛО-з 1 14.65 | 0.975 2.42 7.66 0.868

В третьем разделе «Теоретическое определение коэффициента теплопроводности дисперсных материалов» приведен анализ существующих аналитических выражений теоретического определе-

Ввод

термо-граш

——

а б 1

Экспонени. аппроксимация Гь

нет / Недопуотим! погрешность

Линейная аппроксимация

едопустим погрешности

И

С?атистич.

обработка

Аппрокснмац результатов

14

а*/<р)

15

С

КОНвУ I

Рис. 21. Укрупненная блок-схема обработки экспериментальных термогравдх

ния коэффициента теплопроводности и проверка их адекватности эксперименту. Для расчета ТФХ влажных кормовых материалов наиболее приемлема методика Г. Н. Дульнева и Ю. П. Заричняка, предполагающая моделирование твердого пористого увлажненного материала структурой с взаимопроникающими компонентами. Для многокомпонентной системы использован прием последовательного сведения ее к двухкомпонентной. Произведены расчеты коэффициента теплопроводности для плотности смеси от 50 до 800 кг/м3 и влажности 20%: и 80)%. Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов указывает на применимость изложенной методики. Теоретические расчеты рекомендованы для получения предварительных результатов и подбора геометрических размеров и режимов работы прибора для определения ТФХ.

В четвертом разделе «Применение метода конечных разностей для определения теплофизических характеристик по экспериментальным данным» обосновано применение метода конечных разностей для решения инверсных задач нестационарной теплопроводности с целью упрощения и уточнения методики определения ТФХ растительных материалов.

Для численного решения задачи теплопроводности в бикалори-метре рассмотрен процесс передачи тепла через стык эталонной пластины и образца, и на основе консервативной разностной схемы получена формула для определения температуры стыка. На поперечное сечение системы, состоящей из двух состыкованных бесконечных пластин, наложена двумерная пространственная сетка (рис. 3),

2 - пластина

стык 1 - пластина

г.

п- 1

ъ.

Г)

б

2

п-1

О

п

<э

3

о

1 2 о о

Рис. 3'. Расчетная схема двухслойной системы

Рассмотрена теплопроводность слоя единичной толщины (при этом ширина элементарного объема вокруг узла на. стыке Б представлена как (61/2+62/2) и получено уравнение теплового баланса для элемента на стыке Э:

М^-М-ыь-вО/х^^хРг+^Ш'.-и/г. (6)

где ©1 — температура узлов первого тела;

I] — второго тела;

и — средняя температура элемента Б в момент времени т; — средняя температура элемента 5 в момент времени

т'=т+Дт; - -

аь Х1 — ТФХ первого тела;

а2, А,2 — ТФХ второго тела;

Х=Й1/62;

р _ р _

612 ~~ Х%2 ' 2_ ~б22 " Из уравнения (6) определена температура стыка системы:

хР1 Р1

Для численного интегрирования уравнения теплопроводности проведен анализ методов решения (явного метода первого порядка точности, неявного метода Кранка-Никольсона, явного метода Дюфора-Франкеля). Численные исследования при решении тестовых задач показали, что явные методы первого порядка точности и Дюфора-Франкеля обеспечивают достаточную точность решения прямой задачи теплопроводности для динамического бика-лориметра. Метод Дюфора-Франкеля, за исключением отдельных случаев, дает меньшую погрешность (в два—три раза), чем явный метод первого порядка точности; в режиме начального прогревания метод Дюфора-Франкеля обеспечивает стабильность результатов в среднем на порядок выше, чем явный метод первого порядка точности; неявный метод Кранка-Никольсона не дает адекватного физическому процессу результата в режиме начального прогревания системы; формула (7), полученная для конечно-разностного расчета теплопроводности через стык пластин, применима с достаточной степенью точности.

Для численного решения инверсной задачи теплопроводности на сечение системы была наложена пространственно-временная сетка, для которой получены формулы определения коэффициента температуропроводности:

— явным МКР первого порядка точности ......

21 ~ 2Дт бщх-еп!* ' (8)

— методом Дюфора-Франкеля л, а 1

Я,к— __Оп1___0п1_

1 2Дт 20п-1к-|(в„1к+1 + е„1к-1) • (У)

1айдено соотношение для определения коэффициента теплопро-одности

^Ы&ЧТЯ " ' (10)

V к- *п2-1к~1п2к „ к__ 1п2к+'-1п2к

~ е0к-9,к ■ ^ — 2Ат е0к-е1к •

Для тестовых задач и для определения ТФХ влажной соломы [рименяли следующую методику расчета. Температуры на по-ерхности системы ^ на стыке 1п2к = 0ок и в центре 8П1к получали ю экспериментальной термограмме. Температуры в узлах сетки а эталонной пластине определяли явным МКР первого порядка очности или методом Дюфора-Франкеля. В расчетах учитывали :елинейность ТФХ эталона Я2=Л2(1), а2==а2(1). При определении емператур в узлах сетки на образце учитывали, что при примене-[ии явных методов первыми температурами, отличающимися от (ачальной 1°, будут температуры диагонали от 0ок==п2 до 0п1к=п1+п2. Исходя из этого получали систему из щ нелинейных уравнений, [еизвестными которой являлись температуры на расчетной диаго-:али и коэффициент температуропроводности а1к1. После решения той системы рассчитывались температуры в узлах над диагональю Ю горизонтали к! включительно. Затем по формулам (8) — (10) шределяди ТФХ исследуемого материала. При этом получено до-:таточно хорошее совпадение результатов с данными квазиста-[.ионарного расчета.

Разработанный метод рекомендован для определения тепло-{шзических характеристик влажных растительных кормовых ма-ериалов при проектировании автоматизированных кормопригото-;ительных агрегатов и создании технологических процессов по об-1аботке растительных кормов.

В пятом разделе «Экономическая эффективность применения >езультатов исследований» приведены результаты расчетов экономической эффективности, складывающейся из возможности сокра-цения энергозатрат при тепловой обработке кормов, металлоем-:ости агрегатов для кормоприготовления и затрат на лабораторное «борудование для исследования теплофизических свойств расти-

тельных материалов. Расчетный экономический эффект при уточнении теплофизических характеристик на каждые 5%, составляет на 1 тонну тюков соломы экономию тепла при прогревании до 100 градусов — 13,33 МДж или сокращение времени на один час; а от применения разработанной лабораторной методики — ЗС(% затрат.

По данным АО Брянсксельмаш внедрение результатов исследований для совершенствования сушилки СКМ-1 для льновороха дает экономический эффект приблизительно 1,25.%, снижения себестоимости на одно изделие за счет снижения металлоемкости. Улучшаются также потребительские свойства изделия за счет снижения эксплуатационной энергоемкости и времени обработки сырья. Использование справочных данных и методических материалов диссертационной работы на сахарном заводе АО «Лопандино» Комаричского района Брянской области позволило получить расчетную экономию 12 млн. руб. в год, а на Погарском овощесушильном заводе — 2,24 млн. руб. в год (в ценах на 1.06.94 г.).

Конструкция прибора, выбранный приборный интерфейс и разработанные алгоритмы рекомендованы к использованию в производственных условиях для определения ТФХ растительных кормовых и других подобных материалов. Результаты исследования ТФХ характерных стеблелистовых материалов могут служить как справочные в практике расчета и проектирования теплообменных устройств для тепловой обработки кормов.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Получены теплофизические характеристики типичных стеблелистовых кормовых материалов, широко применяемых в практике кормоприготовления: кукурузного силоса (\У=82%), соломы сухой (\У=20,9%) и замоченной (\У=12,6%), кукурузного листа свежего (Ш=78,3>%) и высушенного (^=12,6%) при различной плотности (от 52 до 800 кг/м3). К определению ТФК растительного кормового сырья адаптирована методика теоретического расчета теплофизических характеристик влажных дисперсных материалов.

2. Разработан, проверен и рекомендован сельскохозяйственному производству простой и надежный прибор для изучения теплофизических характеристик стеблелистовых кормовых материалов.

3. Разработаны методика, алгоритм и программы для решения инверсной задачи теплопроводности, что позволяет определять теплофизические характеристики материалов по экспериментальным данным при нелинейных граничных условиях.

4. Получено теоретическое описание процесса нелинейной теплопроводности многослойных систем, включающих эталонные пластины и образцы влажных растительных материалов.

5. Установлены закономерности изменения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности кормовых влажных материалов в зависимости от плотности и влажности.

6. Прибор и методические материалы для изучения теплофизн-ческих свойств стеблелистовых кормовых материалов внедрены в производство с расчетным экономическим эффектом около 15,5 млн. руб./год (в ценах на 1.06.1994 г.). Установленные коэффициенты теплопроводности и температуропроводности кормовых влажных материалов использованы как справочные данные в практике проектирования и изготовления агрегатов кормоприготовле-ния.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Установка для определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности стеблелистового сырья. Янченко В. С. Брянский ЦНТИ, и. л. № 295-92, 1992.

2. Методика определения теплофизических коэффициентов стеблелистового сырья. Янченко В. С. Брянский ЦНТИ, и. л. № 296-92, 1992.

3. Ермичев В. А., Янченко В. С. Результаты испытания прибора для определения теплофизических свойств кормов. //Совершенствование механизированных технологий производства молока и говядины. Т. 2. — Подольск: ВНИИМЖ, 1993, с. М4—119.

4. Ермичев В. А., Янченко В. С. Исследование теплофизических свойств кормов. //Техника в сельском хозяйстве. — 1993, № 4, с. 19—20.

5. Янченко В. С. Вопросы использования метода конечных разностей для определения теплофизических характеристик материалов. // Материалы научно-практической конференции. —Брянск: Брянский СХИ, ЦИИГиНТОС, Брянский ЦНТИ. — 1993, с. 34—37.

6. Ермичев В. А., Янченко В. С. Совершенствование методики определения теплофизических характеристик кормового сырья. Совершенствование механизированных технологий производства свинины. Т. 3. — Подольск: ВНИИМЖ, 1994, с. 86—94.

7. Янченко В. С. Экспериментальное исследование теплофизических характеристик кормовых растительных материалов /Брян. с.-х. институт. — Брянск, 1994. —14 с. Деп. в ВИНИТИ 27.09.94 г. № 2264-В94,