ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА В ЗЕРНОСУШИЛКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

На правах рукописи

Манасян Сергей Керопович

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА В ЗЕРНОСУШИЛКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Красноярск – 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный университет»

Научный консультант – доктор технических наук, профессор,

академик РАТН

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор

Иванов Николай Михайлович

– доктор технических наук, профессор

Матюшев Василий Викторович

– доктор технических наук, профессор

Каверзин Сергей Викторович

Ведущая организация - ГНУ КНИИСХ СО Россельхозакадемии

Защита состоится 30 октября 2008 г. в 9 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО « Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, ауд. 3-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «17» июля 2008 г.

Автореферат размещен 17 июля на сайте http://kgau.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач, обеспечивающих устойчивое развитие страны и ее продовольственную безопасность, является увеличение производства зерна, сокращение потерь на всех стадиях его производства. Задача увеличения производства зерна должна решаться не только путем увеличения валового сбора, но и улучшения качества послеуборочной обработки, так как качество зерна — второй урожай. Более половины собранного урожая остается в сельском хозяйстве, поэтому особое значение имеет сушка, которая является наиболее узким местом в послеуборочной обработке зерна для Восточной Сибири и других зон повышенного увлажнения. Она позволяет не только сохранить огромный объем продукции, но при правильной организации и выборе режимов повысить качество просушиваемого зернового материала. Однако, в настоящее время при наличии большого (но далеко не достаточного) количества зерносушилок (значительная часть которых устарела как физически, так и морально) на с.-х. предприятиях различных типов, они не всегда эксплуатируются в оптимальных режимах, вследствие чего расход топлива оказывается выше, а производительность сушилок — ниже паспортных. Не удовлетворяются также и другие целевые функционалы процесса сушки — качественные характеристики зерна на выходе сушилок не всегда удовлетворяют агротехническим требованиям для шахтной, барабанной и других типов зерносушилок. В результате анализа функционирования различных по конструкционным особенностям сушильных устройств, предназначенных для сушки зерна, выявлено, что необходимо в первую очередь конструкционно предусмотреть и в практических условиях режимно обеспечить сбалансированность основных составляющих технологического процесса, связанных с взаимодействием зерна с тепловой и охлаждающей энергией. Перспективными направлениями, позволяющими обеспечить соблюдение вышеуказанных принципов, являются использование:

– позонного способа сушки, предусматривающего дифференцированные режимы и векторное управление процессом по ;

– системообразующих элементов (внутренних и внешних).

Только при полной сбалансированности взаимодействия зерна с агентами сушки от момента их поступления во внутреннюю часть сушильных устройств до выхода готовой продукции на склад, можно в результате получить необходимую по качеству кондиционность зерна. В качестве агентов выступают теплоносители, влагопоглотители, нагретые поверхности и другие носители тепловой и охлаждающей энергии, а также инверторы для обеспечения механической диффузии, перемешивания, отлежки и отволаживания зерна; вибраторы для разрыхления и псевдоожижения зернового слоя; нагнетающие камеры–скаты; задерживающие элементы; козырьки–отбойники, разветвленные и совмещенные элементы воздухораспределительной, слоеформирующей, перемешивающей, вибрационной систем, и другие внутренние системообразующие элементы, позволяющие в совокупности устранить противоречия между эффективными (т.е. наиболее интенсивными и при этом сохраняющими требуемые качественные показатели) и практически реализованными (в существующих конструкциях зерносушилок) режимами процесса сушки. При этом требуется строго соблюдать необходимую скорость и режим продвижения зерна (которые находятся в прямой зависимости от различных внутренних конструкционных особенностей сушильных устройств), а также температурный и динамический режимы кондуктивно–конвективной энергии (которые зависят от конструктивных особенностей воздухораспределительной системы и других источников создания и использования сушащего потенциала), воздействующей на сушимый зерновой материал. Эти две группы важнейших факторов – параметры внутриконструкционных элементов и режимы воздухораспределительной системы могут быть не только приведены в соответствие друг с другом, но и совмещены с использованием принципов многофункциональности и синергизма.

Поэтому важнейшей задачей является выбор соответствующих эффективных режимов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения и обоснование технологических решений, схем и приемов, способствующих достижению или приближению к качественному характеру оптимального процесса, что может быть получено с использованием имитационной модели процесса сушки зерна и с учетом особенностей условий функционирования установок. В качестве внешних системообразующих элементов целесообразно использовать: компенсирующие бункера многоцелевого и специального назначения для предварительного нагрева и подсушки, временного хранения и активного вентилирования, досушивания и охлаждения зерна; зернотранспорт; устройства для рециркуляции; выпускные аппараты непрерывно–дискретного действия; инверторы для перемешивания зерна; вибраторы для разрыхления зернового слоя; устройства для отлежки и отволаживания зернового материала, реализующие соответствующие технологические приемы и позволяющих осуществлять распределенное дифференцированное многомерное и многосвязное управление процессами сушки.

Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001–2005 гг., координационным планом НИР СО Россельхозакадемии на 2006-2010 гг. и планами НИР КрасГАУ 1986...2005 гг. (и на 2006...2008 гг. «Повышение эффективности процесса сушки зерна за счет совершенствования средств его механизации, электрификации и автоматизации» – руководитель Н.В. Цугленок, ответственный исполнитель С.К. Манасян. «Разработка позонных зерносушилок блочно–модульной структуры» – руководитель С.К. Манасян, ответственный исполнитель Н.В. Демский).

Цель исследований. Разработка имитационных моделей процессов сушки зерна для снижения энергозатрат в зерносушилках с.-х. назначения.

Объект исследований. Процессы сушки зерна в шахтных, барабанных, бункерных, конвейерных и пневмогазовых сушилках и условия функционирования зерносушилок сельскохозяйственного назначения.

Предмет исследования. Закономерности формирования и взаимосвязь технологических, технико–экономических, агробиотехнологических, природно–климатических показателей, параметров и режимов, и производственных условий при использовании различных схем функционирования комплексов послеуборочной обработки зерна.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа, многоуровневого имитационного моделирования, идентификации, алгоритмизации и оптимизации, положения теории тепломассопереноса и теории сушки коллоидных капиллярнопористых тел, теории вероятностей и математической статистики, основы теоретической механики, статистической динамики с.–х. машин и агрегатов, аэродинамики, теплотехники.

При проведении экспериментальных исследований за основу были взяты методики проведения опытов и испытаний зерносушилок, государственные и отраслевые стандарты, требования и нормы метрологии, контроль качества технологических процессов планирования, теория подобия и моделирования, теория испытаний.

Научная новизна. Разработана общая многоуровневая имитационная модель процесса сушки зерна в слое с различным состоянием зернового материала (плотный неподвижный, плотный малоподвижный, плотный подвижный, рыхлый, псевдоожиженный). Разработаны методы построения обобщенных моделей для разных типов зерносушилок и их настройки для осуществления технологических процессов с заданными условиями однозначности. Разработана методика корректного упрощения динамических тепломассообменных систем высокотемпературной сушки. Разработана методика многостадийной идентификации имитационных моделей различного уровня и предложены алгоритмы численной реализации моделей по уровням их построения и стадиям их идентификации. Разработаны «вход–выходные» модели процесса сушки для различных конструкций зерносушилок и алгоритмы вычисления коэффициентов амплитудно–фазовых частотных характеристических уравнений и передаточных функций непосредственно через модельные параметры зерносушилки. Разработаны модели векторной оптимизации при решении задачи параметрического синтеза сушильной камеры зерносушилок. Проведены исследования по имитации и управлению процессом сушки зерна в режиме реального времени. Разработанные методы построения эффективных режимов сушки зерна различного исходного состояния в существующих и модернизированных зерносушилках и сушильных линиях с предварительным подогревом зерна, ступенчатой и позонной сушки с отлежкой, рециркуляцией сушильного агента (в соответствии с решением поставленной на основе математической модели задачи оптимального управления процессом сушки зерна) и конструкции зерносушилок.

Практическая значимость работы. Разработаны номограммы для выбора основных режимных параметров сушки зерна семенного, продовольственного и фуражного назначения и методика оценки технологической эффективности функционирования существующих и разрабатываемых зерносушилок по критерию оценки состояния зернового слоя в сушильной зоне. Разработанные рекомендации утверждены в качестве основного документа для выбора параметров и режимов зерносушилок для с.-х. организаций отделом механизации и материально-технического обеспечения Агентства сельского хозяйства администрации Красноярского края. Разработанные конструкции шахтных, барабанных, камерных и бункерных сушилок и эффективные режимы сушки зерна приняты к внедрению СКБ «Брянсксельмаш».

Реализация результатов исследований. Полученные результаты теоретических разработок позонного способа сушки зерна в серийных и перспективных зерносушилках и дифференцированные ускоренные режимы сушки зерна в шахтных и барабанных сушилках внедрены на зерноочистительно – сушильных комплексах в ряде хозяйств Восточной Сибири и Нечерноземной зоны – СПК «Солонцы» Емельяновского района, КФХ «Шейнмаер» и СХПК Лапшихинский» Ачинского района Красноярского края, Кировской лугоболотной опытной станции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса и племхозяйстве «Луговой» Оричевского района Кировской области, совхозе «Россия» Маловишерского района Новгородской области и др. Результаты НИР по разработке зерносушилок блочно–модульной конструкции приняты к внедрению агентством сельского хозяйства администрации Красноярского края. Технические решения по оптимизации технологических и технико–экономических параметров и режимов работы различных конструкций зерносушилок, реализующих позонный способ сушки внедрены в ЗАО «Светлолобовское» Новоселовского района Красноярского края. Методики системного моделирования и оценивания параметров технологической и технико–экономической эффективности зерносушилок используются в учебном процессе Красноярского ГАУ и изложены в учебных пособиях с грифами Министерства сельского хозяйства РФ и СибРУМЦ.

На защиту выносятся:

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами испытаний разработанных технологий, режимов и процессов сушки зерна, проведенной верификацией модели, проверкой адекватности отдельных подмоделей, проверкой их вычислительной, математической и физической корректности.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на международных, всероссийский и региональных научно–технических конференциях, совещаниях и семинарах в Красноярском ГАУ (КСХИ, 1986–1990, 1993–2008 гг.); ЦНИИ автоматики и гидравлики (1980, 1982 гг. и Тбилисского филиала, 1979, 1981 гг.); Тульском ГТУ (ТПИ, 1982–1984 гг.); Санкт–Петербургском ГАУ (ЛСХИ, 1983–1986, 1990–1993 гг.); Вятской ГСХА (Кировский СХИ,1985,1993г.); КНИИСХ (г.Красноярск, 1986г.); Челябинском ГАУ (2004г.); НИИСХ Северо–Востока им. Н.В.Рудницкого (НПО «Луч», г. Киров) (1992 г.); ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1984–1987 гг.); НИПТИМЭСХ НЗ РФ (г. С-Пб–Пушкин, 1982–1985, 1991–1993 гг.); Белорусском ИМСХ (г. Минск, 1984 г); СКБ «Брянсксельмаш» (1984–1986 гг.); ВНИИ Электропривод (1986 г.); ОАО «ВИСХОМ» (НПО «ВИСХОМ», 1987–1990, 2003–2004 гг.); ВИМ (2005 г.); Красноярском ГУ (1997–1998 гг.); ВВЦ РФ (ВДНХ СССР, 1986 г.); CIES (Comparative and International Education Society, Питсбург, США, 1991 г.); КНЦ СО РАН (г. Красноярск, 1995-1997 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства и 2 патента на изобретение, 1 монография, 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, а также 19 научных отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 350 страницах, содержит 61 рисунок, 12 таблиц и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, показана необходимость создания теоретических моделей функционирования сушильных установок различных типов, и совершенствования их параметров, определена цель исследований, отмечена практическая значимость и показана научная новизна работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проводится анализ технологий и технических средств механизации послеуборочной обработки зерна и выявлены основные тенденции их развития для условий зон повышенного увлажнения.

Научные исследования и разработки по совершенствованию процессов сушки зерна осуществляются специалистами ведущих научно–исследовательских учреждений нашей страны: ВИМ, ВИСХОМ, ВИЭСХ, ВНИПТИМЭСХ, НИПТИМЭСХ НЗ, НИИСХ С–В, МГАУ, С–ПбГАУ, НГАУ, СибИМЭ, АлтГТУ, АГАУ, КрасГАУ, КБ и СКБ заводов Брянсксельмаш, Воронежзерномаш, и др., а также зарубежными фирмами по разработке и производ­ству зерносушильных установок Setting (Хорватия), Campbell, Aeroglide (США), Law (Франция) и др.

Изучению вопроса совершенствования процесса сушки зерна на основе математического моделирования посвятили свои работы отечественные и зарубежные исследователи: В.П. Горячкин, В.Г. Антипин, А.Б.Лурье, В.И. Анискин, А.В. Авдеев, Н.М. Андрианов, В.И. Атаназевич, А.С. Гинзбург, А.Г. Громов, Г.А. Гуляев, В.П. Елизаров, В.И. Жидко, Л.В. Колесов, Э.И. Липкович, Г.С. Окунь, Н.В. Остапчук, В.А. Резчиков, Г.А. Ровный, Н.В. Цугленок, А.Г. Чижиков, Ф.Н. Эрк, Е.А.Смит, В. Мальтри, Р.А. Шарп, Л. Отен, Л. Пабис, Р. Супрунович и др.

Значительный вклад в развитие индустриаль­ной технологии процесса сушки зерна внесли исследования В.А. Кубышева, В.И. Анискина, А.В.Авдеева, Н.М. Иванова, В.А. Сысуева, А.П. Тарасенко, Е.Ф. Гришина, М.А. Жукова, И.В. Захарченко, Е.М. Зимина, Н.П. Сычугова, Г.Е. Чепурина, А.Г. Чижикова, Н.В. Цугленка и других ученых.

Повышению устойчивости функционирования и энергосбережению в системах с.–х. машин на основе оптимизации температуры рабочих сред в различных природно–климатических и производственных условиях посвящены работы В.И. Анискина, А.В. Бастрон, В.И. Беляева, А.И. Буркова, Р.Н. Волика, В.Д. Галкина, В.Г. Еникеева, Н.М. Иванова, С.В. Каверзина, Э.И. Липковича, А.Б. Лурье, В.В. Матюшева, Н.И. Селиванова, И.Я. Федоренко, Н.В. Цугленка и других ученых.

Методологические основы процессов зерносушения базируются на теории сушки капиллярнопористых коллоидных тел, без учета па­раметров зернового слоя. Это сдерживает поиск новых способов, ме­тодов, параметров и режимов. Поэтому для увеличения эффективно­сти процессов сушки свежеубранного зерна требуется дальнейшее изучение закономерностей взаимосвязанного тепловлагопереноса в сушильных камерах зерносушилок различного типа. Этим вопросам посвящены работы А.В. Лыкова, С.Д.Птицына, Л.В. Колесова, Н.М. Андрианова, Н.И. Малина, Ю.А. Михайлова, А.Ф. Эрка и других исследователей.