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 JТ(t), температурой JЗ(t) и влажностью W(t) зерна, их начальные значения JЗ0(t) и W0(t) определяют условия сушки, а температура теплоносителя JТ0(t) и экспозиция G(t) – режим обработки.
Рис. 1. Модель рабочего процесса барабанной сушилки
При исследовании экспозицию сушки G(t) и температуру теплоносителя JТ0(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 JТ0(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 JЗ0(t) и W0(t) в течение времени изменяются стохастически в широких пределах, что возбуждает колебания выходных переменных JЗ(t) и W(t) в интервале, превышающем агротехнический допуск [5–8, 15].
Таблица 1
Статистические характеристики переменных на входе и выходе сушилки
|
Номер опыта |
На входе |
На выходе |
||||||||||
|
G, т/ч |
JТ0, °С |
W0, % |
σW0, (%)2 |
JЗ0, °С |
σJЗ0, °С2 |
W, % |
σW, (%)2 |
JЗ, °С |
σJЗ, °С2 |
JТ, °С |
σJТ, °С2 |
|
|
1 |
2,4 |
150 |
26,6 |
0,55 |
22,5 |
0,60 |
19,5 |
0,49 |
40,0 |
0,56 |
56,0 |
0,64 |
|
2 |
4,4 |
150 |
25,4 |
0,51 |
22,0 |
0,35 |
21,5 |
0,46 |
38,0 |
0,81 |
49,0 |
1,02 |
|
3 |
4,4 |
200 |
25,4 |
1,84 |
22,0 |
0,38 |
20,3 |
1,62 |
45,0 |
1,29 |
57,0 |
1,53 |
|
4 |
4,4 |
100 |
25,4 |
2,11 |
22,0 |
0,76 |
23,0 |
2,05 |
32,5 |
2,16 |
41,0 |
2,09 |
|
5 |
3,4 |
150 |
27,9 |
1,64 |
11,5 |
1,11 |
23,5 |
1,32 |
31,5 |
1,56 |
50,0 |
1,69 |
|
6 |
3,4 |
250 |
26,5 |
1,92 |
13,0 |
0,96 |
17,2 |
1,53 |
46,0 |
2,06 |
90,0 |
2,59 |
|
7 |
3,4 |
200 |
26,1 |
0,71 |
14,5 |
0,69 |
17,3 |
0,45 |
44,0 |
1,03 |
86,0 |
2,16 |
|
8 |
1,4 |
100 |
26,0 |
0,52 |
14,0 |
0,86 |
21,0 |
0,41 |
37,0 |
1,13 |
52,0 |
1,64 |
|
9 |
1,4 |
200 |
25,9 |
1,56 |
15,0 |
1,03 |
14,0 |
1,09 |
63,0 |
1,82 |
81,0 |
1,45 |
|
10 |
1,4 |
250 |
25,9 |
1,32 |
15,5 |
0,92 |
13,0 |
0,63 |
65,0 |
0,96 |
98,0 |
1,29 |
|
11 |
1,4 |
150 |
23,2 |
0,52 |
15,0 |
1,23 |
17,0 |
0,43 |
49,0 |
0,56 |
67,0 |
0,63 |
|
12 |
1,4 |
150 |
20,8 |
0,55 |
27,8 |
1,21 |
15,8 |
0,42 |
52,0 |
0,45 |
84,0 |
0,85 |
|
13 |
3,4 |
150 |
21,2 |
0,98 |
28,0 |
1,32 |
16,4 |
0,69 |
46,0 |
1,34 |
62,0 |
1,54 |
|
14 |
4,4 |
150 |
21,2 |
0,51 |
28,0 |
0,95 |
18,1 |
0,39 |
42,5 |
0,84 |
54,0 |
1,11 |
|
15 |
2,4 |
150 |
21,2 |
0,54 |
28,5 |
0,89 |
16,3 |
0,36 |
52,0 |
0,78 |
62,0 |
0,88 |
|
16 |
2,4 |
250 |
20,8 |
0,56 |
30,0 |
1,29 |
11,0 |
0,37 |
68,0 |
1,15 |
92,0 |
1,45 |
|
17 |
2,4 |
100 |
22,3 |
1,96 |
10,5 |
0,69 |
19,8 |
1,38 |
31,5 |
2,05 |
45,0 |
2,65 |
|
18 |
2,4 |
200 |
22,0 |
2,09 |
12,0 |
0,97 |
16,0 |
1,32 |
44,5 |
1,84 |
64,0 |
1,56 |
|
19 |
2,4 |
250 |
21,0 |
1,41 |
13,0 |
1,06 |
14,8 |
0,86 |
52,0 |
1,28 |
82,0 |
1,92 |
|
20 |
3,4 |
150 |
18,2 |
1,24 |
9,0 |
1,06 |
16,2 |
1,02 |
35,0 |
1,56 |
52,0 |
1,78 |
|
21 |
3,4 |
100 |
19,0 |
1,29 |
8,5 |
1,32 |
17,2 |
1,13 |
29,5 |
1,39 |
38,0 |
1,68 |
|
22 |
1,4 |
100 |
21,0 |
0,96 |
8,5 |
1,56 |
16,7 |
0,81 |
34,0 |
1,22 |
52,0 |
1,65 |
|
23 |
4,4 |
200 |
20,1 |
0,62 |
15,5 |
0,69 |
16,2 |
0,53 |
41,5 |
0,92 |
63,0 |
1,42 |
|
24 |
4,4 |
100 |
20,2 |
0,59 |
4,5 |
1,65 |
19,3 |
0,53 |
28,0 |
0,63 |
37,0 |
0,96 |
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
|
Номер опыта |
Подача G, т/ч |
Переменная |
Расстояние точки контроля от начала камеры, м |
||||||||||
|
На входе |
0,87 |
1,30 |
1,88 |
2,46 |
2,96 |
3,69 |
4,41 |
5,21 |
6,00 |
На выходе |
|||
|
1 |
2,4 |
W, % |
26,6 |
25,4 |
24,8 |
24,2 |
23,8 |
23,5 |
23,2 |
22,8 |
22,3 |
21,4 |
19,5 |
|
JЗ, °С |
22,5 |
33,4 |
38,0 |
42,5 |
45,2 |
46,5 |
46,7 |
45,6 |
43,5 |
41,2 |
40,0 |
||
|
JТ, °С |
150 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
56 |
||
|
2 |
4,4 |
W, % |
25,4 |
24,9 |
24,6 |
24,3 |
23,9 |
23,7 |
23,3 |
22,9 |
22,5 |
22,0 |
21,5 |
|
JЗ, °С |
22,0 |
32,9 |
36,5 |
39,8 |
41,7 |
42,4 |
42,2 |
41,1 |
39,7 |
38,7 |
38,0 |
||
|
JТ, °С |
150 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
49 |
||
|
3 |
4,4 |
W, % |
25,4 |
24,5 |
24,1 |
23,5 |
22,9 |
22,4 |
21,8 |
21,2 |
20,7 |
20,4 |
20,3 |
|
JЗ, °С |
22,0 |
35,6 |
40,4 |
44,7 |
47,2 |
48,7 |
47,8 |
46,6 |
45,1 |
44,5 |
45,0 |
||
|
JТ, °С |
200 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
57 |
||
|
4 |
4,4 |
W, % |
25,4 |
25,2 |
25,1 |
24,9 |
24,7 |
24,4 |
14,0 |
23,6 |
23,2 |
23,0 |
23,0 |
|
JЗ, °С |
22,0 |
27,7 |
29,9 |
32,0 |
33,3 |
33,9 |
34,1 |
33,7 |
33,1 |
32,6 |
32,5 |
||
|
JТ, °С |
100 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
41 |
||
|
20 |
3,4 |
W, % |
18,2 |
17,8 |
17,5 |
17,2 |
16,9 |
16,7 |
16,5 |
16,3 |
16,1 |
16,1 |
16,2 |
|
JЗ, °С |
9,0 |
22,2 |
27,9 |
33,6 |
37,3 |
39,2 |
40,3 |
39,8 |
38,2 |
36,4 |
35,0 |
||
|
JТ, °С |
150 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
52 |
||
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 JТ0 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 (ΔW = ±1,5 %), которая при среднеквадратических отклонениях, укладывающихся в диапазон σW = 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); JЗ(0, x) = JЗ0(x); JT(0, x) = JT0(x),
граничными условиями: W(t,0) = W0(t), JЗ(t, 0) = JЗ0(t); JT(t, 0) = JT0(t),
W(t,∞) = WP, JЗ(t, ∞) = JT(∞, L); при W(0,0) = W0(t), JЗ(0, 0) = JЗ0(t).
Здесь W, JЗ и JT – влагосодержание зерна, температура зерна и температура теплоносителя; t, x – координаты времени и пространства; VЗ и VT – скорость перемещения зерна и теплоносителя по камере сушки; r – скрытая теплота парообразования; сЗ и ρЗ – удельная теплоемкость и плотность зерна; сТ и ρТ – 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 JЗ 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 JЗД, 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 JЗ 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 JЗ0, 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 JЗ в начальной зоне рабочей камеры. Поэтому дальнейшее увеличение начальной температуры зерна ограничено достижением их предельно допустимых значений (dW/dt)Д и JЗД 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.