Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,798

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Андрианов Н.М. 1, 2 Мэй Шуньчи 2 Сюе Юн 2

---

1 Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

2 Уханьский текстильный университет

Цель исследования – совершенствование технологических режимов барабанных зерносушилок и их системы контроля. В работе приведены результаты экспериментальных исследований сушилки в условиях производства и результаты математического моделирования ее рациональных режимов. Полученная информация характеризует сушилку как стохастическую, распределённую, многосвязную динамическую систему, обладающую транспортным запаздыванием и нелинейными связями между основными переменными состояния её рабочего процесса. Колебания начальной температуры и влажности зерна вызывают значительные колебания его температуры и влажности в сушилке, период которых сопоставим с экспозицией сушки. Сушилка способна уменьшать дисперсию колебаний влажности зерна, тем не менее, неравномерность нагрева и сушки зерна во времени и пространстве ее рабочей камеры превышает агротехнические допуски. Установлено, что температура зерна достигает максимального значения в средней части рабочей камеры, а на выходе из неё понижается на 1,2…15,0 градусов. Значения максимальной температуры и скорости влагоудаления здесь очень близки к предельно допустимым, что может являться причиной ухудшения качественных показателей зерна. Следовательно, контроль интенсивности сушки необходимо осуществлять не на выходе из рабочей камеры, а в зоне с максимальным нагревом зерна. Возможно увеличение интенсивности сушки в 1,3–1,5 раза за счет предварительного нагрева зерна. Однако температура предварительного нагрева зерна ограничена достигаемой интенсивностью процесса внутри рабочей камеры. В сушильной линии из нескольких барабанных сушилок возможно реализовать распределенное управление режимами сушки.

Статья в формате PDF

450 KB

сушилка барабанная

режимы сушки

моделирование

интенсификация

1. Андрианов Н.М. Выбор режимов сушки зерна // Сельский механизатор. – 2011. – № 8. – С. 8–9.

2. Андрианов Н.М. Оптимизация технологических режимов барабанных зерносушилок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 3. – С. 201–206.

3. Андрианов Н.М. Оптимизация зерновых сушилок и их систем управления // Депонированная рукопись № 197-В2005 10.02.2005 г. – 299 с.

4. Андрианов Н.М. Исследование стационарных режимов барабанной зерносушилки и возможностей повышения их интенсивности / Н.М. Андрианов, Мэй Шуньчи // Тракторы и сельхозмашины. – 2015. – № 10. – С. 48–52.

5. Андрианов Н.М. Оценка статистических характеристик потока зернового вороха, поступающего в сушилку / Н.М. Андрианов, С.К. Манасян и др. // Тракторы и сельхозмашины. – 2015. – № 2. – С. 20–22.

6. Андрианов Н.М. Задание начальных условий и стохастической составляющей математической модели процесса сушки зерновых сушилок / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй и др. // Ползуновский альманах. – 2014. – № 2. – С. 30–35.

7. Андрианов Н.М. Повышение эффективности функционирования зерновых сушилок // Современные наукоемкие технологии. – 2004. – № 2. – С. 175–177.

8. Андрианов Н.М. Особенности работы зерновых сушилок // Техника в сельском хозяйстве. – 2006. – № 4. – С. 9–12.

9. Андрианов Н.М. Идентификация шахтной зерносушилки в условиях нормальной работы / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2 (часть 16). – С. 3459–3465.

10. Андрианов Н.М. Моделирование динамических характеристик барабанных зерносушилок // Вестник МАНЭБ. – 2010. – Т/ 15. – № 3. – С. 103–113.

11. Андрианов Н.М. Математическая модель сушильной камеры зерновых сушилок // Успехи современного естествознания. – 2003. – № 11. – С. 101–102.

12. Андрианов Н.М. Алгоритм идентификации коэффициентов математической модели сушки зерна // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: сб. науч. трудов СПбГАУ. – СПб., 2005. – С. 5–9.

13. Бабаев О.Б. Выбор режимов сушки зерна / О.Б. Бабаев, Л.В. Колесов // Техника в сельском хозяйстве. – 1986. – № 2. – С. 49–50.

14. Миттельман Г.С. Рекомендации по сушке семян на шахтных и барабанных сушилках / Г.С. Миттельман, Н.А. Филатов // Селекция и семеноводство. – 1979. – № 1. – С. 41–45.

15. Чижиков А.Г. Операционная технология послеуборочной обработки и хранения зерна (в Нечерноземной зоне) / А.Г. Чижиков и др. – М.: Россельхозиздат, 1981. – 191 с.

Цель исследования – совершенствование технологических режимов барабанных зерносушилок и системы контроля над их протеканием.

Материалы и методы исследования

В работе приведены результаты экспериментальных исследований сушилки СЗСБ-4 в условиях производства, а также результаты математического моделирования ее рациональных режимов.

Решалась задача определения взаимных связей между входными и выходными переменными процесса сушки (рис. 1), состояние которого определяется температурой теплоносителя J_Т(t), температурой J_З(t) и влажностью W(t) зерна, их начальные значения J_З0(t) и W₀(t) определяют условия сушки, а температура теплоносителя J_Т0(t) и экспозиция G(t) – режим обработки.

Рис. 1. Модель рабочего процесса барабанной сушилки

При исследовании экспозицию сушки G(t) и температуру теплоносителя J_Т0(t) на входе в рабочую камеру стабилизировали автоматически. Значение экспозиции G(t) задавали изменением подачи зернового вороха. Температуру и влажность зерна фиксировали на входе и выходе, а также в различных точках по длине рабочей камеры. Температуру теплоносителя фиксировали на ее выходе.

Измерение температуры и влажности зерна в камере осуществляли методом отбора проб. Для этого в стенке камеры выполнили отверстия, снабженные задвижками с электромагнитным приводом. Устройство позволило осуществить периодический отбор проб без остановки вращения рабочей камеры. Каждая проба автоматически ссыпалась в термос, где измерялись ее температура и влажность. Расположение мест отбора проб относительно начала камеры показано в табл. 2.

Обрабатывали культуру рожь «Вятка» семенного, продовольственного и фуражного назначения. Подачу вороха G(t) в опытах поддерживали в интервале 1,4…4,4 т/ч, температуру теплоносителя J_Т0(t) – в интервале 100…250 °С. Продолжительность опытов в разные дни составила 4…6 часов. Это позволило на входе и выходе камеры получать 60…100 измерений при интервале фиксации процессов 3 минуты, а внутри камеры – 24…36 измерений при интервале фиксации 10 минут. Всего получено 24 стационарных реализации. Полученные результаты обработаны статистическими методами.

Результаты исследования и их обсуждение

Статистические характеристики переменных состояния процесса сушки (табл. 1) подтверждают, что входные переменные J_З0(t) и W₀(t) в течение времени изменяются стохастически в широких пределах, что возбуждает колебания выходных переменных J_З(t) и W(t) в интервале, превышающем агротехнический допуск [5–8, 15].

Таблица 1

Статистические характеристики переменных на входе и выходе сушилки

Влажность зерна на входе изменялась в диапазоне 18,2…26,6 % при σW0 = 0,51…2,11(%)2, а температура – в пределах 4,5…30,0 °С при σJЗ0 = 0,35…1,65 °С2.

При изменении температуры теплоносителя JТ(t) в диапазоне 100…250 °С в камере сушки удавалось снизить влажность зерна на 0,9…12,9 %, при этом его нагрев оставался ниже предельно допустимого.

Среднеквадратические отклонения колебаний влажности зерна к выходу из сушильной камеры понижаются, что свидетельствует о её способности сглаживать их амплитуду, а температуры зерна и теплоносителя, наоборот, повышаются. Установлено, что с повышением температуры теплоносителя JТ0 и снижением подачи зерна G в камеру её способность сглаживать колебания влажности зерна улучшается. Отношение дисперсии колебаний влажности зерна на выходе камеры к дисперсии колебаний влажности на её входе укладывается в диапазон 0,37…0,94.

С увеличением температуры теплоносителя повышается влагосъем зерна ΔW = W0 – W и температура его нагрева, что свидетельствует об интенсификации сушки. Увеличение подачи G ведет к уменьшению влагосъема и температуры зерна.

Для некоторых режимов (табл. 1) изменение средних значений влажности и температуры зерна по длине рабочей камеры представлено в табл. 2, а на рис. 2 – пример протекания этих зависимостей.

Из их протекания видно, что по мере перемещения зерна по камере его влажность W уменьшается, а температура JЗ сначала интенсивно увеличивается, приблизительно к середине камеры стабилизируется, а затем понижается. Объясняется это тем, что зерно и теплоноситель движутся по камере в одном направлении. В начале камеры температура теплоносителя высока, а зерна – мала, поэтому наблюдается интенсивный нагрев зерна и понижение температуры теплоносителя при незначительном понижении влажности зерна. По мере нагрева зерна интенсифицируется процесс испарения влаги, что ведет к постепенному замедлению роста температуры зерна. Этому же способствует одновременное монотонное понижение температуры теплоносителя по мере продвижения по камере. В зоне, расположенной от начала камеры на расстоянии приблизительно 0,45…0,75 её длины, процесс увеличения температуры зерна завершается, но наблюдается интенсивное уменьшение влажности. Дальнейшее понижение температуры теплоносителя ведет к уменьшению количества теплоты, подводимой к зерну, поэтому его температура, а следовательно, и скорость испарения влаги постепенно уменьшаются.

Таблица 2

Изменение влажности и температуры зерна по длине рабочей камеры

Рис. 2. Изменение температуры и влажности зерна вдоль рабочей камеры

С изменением подачи G зерна в камеру (табл. 2) зона максимального нагрева незначительно смещается по её длине. Так, при меньших подачах G зона максимального нагрева располагается ближе к началу камеры, при больших – дальше. Значение превышений температуры зерна в зоне максимального нагрева над температурой на выходе камеры достигает 1,2…7,2 °С. Это превышение тем выше, чем больше начальная влажность зерна W₀, температура теплоносителя J_Т0 и меньше подача G.

Принимая гипотезу о нормальном законе распределения случайной функции изменения влажности зерна на выходе камеры сушки, определили вероятность ее пребывания в заданном агротехническими требованиями [15] симметричном допуске (Δ_W = ±1,5 %), которая при среднеквадратических отклонениях, укладывающихся в диапазон σ_W = 0,36…2,05(%)2, составляет РΔ = 0,54…0,99. Это подтверждает низкое качество выполнения рабочего процесса в сушилках.

Таким образом, полученная информация характеризует сушилку как стохастическую, распределённую, многосвязную динамическую систему с нелинейными связями между переменными состояния её рабочего процесса, функционирование которой имеет низкие показатели качества [3, 4, 9].

Возможности совершенствования рабочего процесса сушилки и ее системы контроля оценили методами математического моделирования с использованием уравнений [3, 10, 11]:

с начальными условиями: W(0,x) = W₀(х); J_З(0, x) = J_З0(x); J_T(0, x) = J_T0(x),

граничными условиями: W(t,0) = W₀(t), J_З(t, 0) = J_З0(t); J_T(t, 0) = J_T0(t),

W(t,∞) = WP, J_З(t, ∞) = J_T(∞, L); при W(0,0) = W₀(t), J_З(0, 0) = J_З0(t).

Здесь W, J_З и J_T – влагосодержание зерна, температура зерна и температура теплоносителя; t, x – координаты времени и пространства; V_З и V_T – скорость перемещения зерна и теплоносителя по камере сушки; r – скрытая теплота парообразования; с_З и ρ_З – удельная теплоемкость и плотность зерна; с_Т и ρ_Т – удельная теплоемкость и плотность теплоносителя; R и m – эквивалентный радиус и коэффициент формы зерновки; e – скважность зернового слоя; L – длина камеры сушки; kβ, , – модельные коэффициенты.

Набор значений модельных коэффициентов уравнений определен по экспериментальным данным методом решения обратной задачи тепло- и массопереноса [12]. Для любого режима (табл. 1 и 2) относительная погрешность аппроксимации экспериментальных данных результатами их моделирования не превышает: для влажности зерна – 0,08, для температуры зерна – 0,12, для температуры теплоносителя 0,14. Моделирование стационарных режимов сушки реализовано в среде математического пакета MAPLE [3].

Зависимости кинетики нагрева и сушки зерна в сушилке приведены на рис. 3. Представленные данные подтверждают, что для всех режимов сушки температура зерна J_З достигает максимального значения в средней части сушильной камеры, а к выходу из неё понижается на 5…15 °С. При семенных и продовольственных режимах максимальные значения температуры близки к предельно допустимым J_ЗД, что важно учитывать в практике эксплуатации сушилок и разработке рекомендаций по совершенствованию системы контроля.

Даже при семенных режимах (рис. 3, б) скорость влагоудаления dW/dt в средней части сушильной камеры достигает предельно допустимых значений (dW/dt)_Д, что может являться одной из причин ухудшения качественных показателей семенного зерна. При продовольственных режимах (рис. 3, а), вследствие применения более высоких температур теплоносителя JТ0, скорость влагоудаления увеличивается до 15…25 %/ч и значительно превышает допустимую (10 %/ч). Столь интенсивная сушка может приводить к появлению чрезмерных внутренних напряжений в зерновках и растрескиванию их оболочки.

Выполненный анализ вскрывает ряд недостатков эксплуатации барабанных сушилок. Во-первых, система контроля рабочего процесса сушилок несовершенна. Контроль температуры зерна необходимо осуществлять в зоне его максимального нагрева в рабочей камере, которая располагается в ее средней части, а не на выходе. Во-вторых, для эксплуатации сушилок рекомендованы неоправданно интенсивные режимы, при которых нагрев зерна и скорость влагоудаления достигают предельно допустимых значений. Для продовольственных режимов скорость влагоудаления значительно превышает допустимую. Отмеченные особенности в сочетании с отсутствием надежной системы контроля над протеканием процесса нередко ведут к понижению качественных показателей обрабатываемого зерна. По этим причинам барабанные сушилки в практике эксплуатации получают много нареканий и в хозяйствах ограниченно используются для сушки семенного зерна [13–14].

Вместе с тем имеются резервы совершенствования процесса сушки. На рис. 4 приведены зависимости кинетики нагрева и сушки зерна в сушилке, иллюстрирующие возможность интенсификации процесса за счет предварительного нагрева зерна. Приведенные данные подтверждают, что с увеличением начальной температуры зерна JЗ0 возрастает его нагрев J_З во всей сушильной камере, а следовательно, и интенсивность процессов тепло- и массопереноса. Это подтверждается увеличением скорости сушки зерна dW/dt во всех зонах рабочей камеры, за счет чего удается увеличить производительность сушилки. Расчеты показывают, что за счет предварительного нагрева зерна кратность увеличения производительности сушилки может составить 1,3…1,5.

При моделировании режимов с предварительным нагревом зерна выявлено, что температура J_З0, до которой его можно нагревать, ограничена. Так, из данных рис. 4 видно, что при повышении начальной температуры зерна существенно возрастают скорость сушки dW/dt и нагрев зерна J_З в начальной зоне рабочей камеры. Поэтому дальнейшее увеличение начальной температуры зерна ограничено достижением их предельно допустимых значений (dW/dt)_Д и J_ЗД в рабочей камере.

Возможности реализовать распределенное управление тепловыми режимами в барабанной сушилке отсутствуют. Однако их можно реализовать в сушильной линии из нескольких барабанных сушилок.

а б

Рис. 3. Кинетика нагрева и сушки зерна: а – продовольственного назначения; б– семенного

Рис. 4. Кинетика нагрева и сушки зерна: 1 – без предварительного нагрева (G₁ = 2,4 т/ч); 2 – с частичным предварительным нагревом (G₂ = 3,6 т/ч)

Выводы

1. Полученная информация характеризует барабанную сушилку как стохастическую, распределённую, многосвязную динамическую систему, обладающую транспортным запаздыванием и нелинейными связями между переменными состояния её рабочего процесса. Колебания начальной влажности и температуры зерна вызывают значительные колебания его температуры и влажности в сушилке, период которых сопоставим с экспозицией сушки. Сушилка способна уменьшать дисперсию колебаний влажности зерна, тем не менее неравномерность нагрева и сушки зерна во времени и пространстве ее рабочей камеры превышает агротехнические допуски.

2. Установлено, что температура зерна достигает максимального значения в средней части рабочей камеры, а к выходу из неё понижается на 1,2…15,0 °С. Максимальные значения температуры и скорости влагоудаления здесь близки к предельно допустимым, что может являться причиной ухудшения качественных показателей зерна. Поэтому контроль интенсивности сушки необходимо осуществлять не на выходе рабочей камеры, а в зоне с максимальным нагревом зерна.

3. Возможно увеличение производительности сушилки в 1,3–1,5 раза за счет предварительного нагрева зерна. Однако температура предварительного нагрева зерна ограничена достигаемой интенсивностью процесса внутри рабочей камеры. Распределенное управление режимами сушки можно реализовать в сушильной линии из нескольких барабанных сушилок.

Рецензенты:

Волхонов М.С., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе, Костромская государственная сельскохозяйственная академия, Костромская область, п. Караваево;

Швецов И.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной энергетики, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, г. Великий Новгород.

Библиографическая ссылка