ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ СЕМЯН РАПСА ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БУНКЕРА АКТИВНОГО

На правах рукописи

Максимов Николай Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ СЕМЯН РАПСА ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БУНКЕРА АКТИВНОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Морозов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Сечкин Василий Семёнович

- кандидат технических наук, доцент

Перекопский Александр Николаевич

Ведущая организация – ФГОУ ВПО «Смоленская ГСХА»

Защита состоится 7 июля 2011 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское ш., 3, факс (812) 466-56-66, e-mail: nii@sp.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ
СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Автореферат разослан 2 июня 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Черей Н.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рапс – ценнейшая мелкосеменная масличная культура, широко возделываемая в мире и набирающая популярность в России. Объёмы производства рапса растут из года в год. Наиболее уязвимым звеном во всём технологическом процессе производства семян этой культуры является послеуборочная обработка, на которую приходится до 40% общих потерь семян. Одним из важных и ответственных этапов послеуборочной обработки семян является сушка. В настоящее время для сушки семян рапса применяется зерносушильная техника, используемая для сушки традиционных зерновых культур. Семена рапса в силу малых размеров и содержания жиров подвержены перегреву, поэтому во избежание количественных и качественных потерь сушка должна осуществляться на более «мягких» режимах. Проведённый анализ показал, что среди сушилок, применяемых для сушки семян рапса, данным условиям в наибольшей степени удовлетворяют установки активного вентилирования.

Наиболее перспективными и технически более совершенными среди известных конструкций установок активного вентилирования являются бункера активного вентилирования, широко применяемые на существующих зерноочистительно-сушильных комплексах (КЗС). Однако имеющиеся недостатки конструкции на сегодняшний день сдерживают применение в полной мере данных установок. К основным недостаткам бункеров активного вентилирования следует отнести неравномерное распределение подаваемого воздуха по кольцевому объёму бункера, а также наличие выпускного устройства, не обеспечивающего достаточной надёжности и равномерности процесса выпуска семян из бункера. Поэтому исследования, направленные на совершенствование конструктивных и технологических параметров бункера активного вентилирования для повышения качества сушки семян рапса в настоящее время имеют актуальное значение.

Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Северо-Запада РФ на 2006-2010 гг. и планом НИР ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» по региональным научно-техническим проектам на 2010-2014 гг., по теме № 3: «Повышение эффективности сушки и охлаждения зерна и мелкосеменных культур на очистительно-сушильных комплексах в условиях Северо-Запада РФ путем совершенствования технологических процессов и основных рабочих органов».

Целью исследования является повышение эффективности процесса сушки семян рапса, в бункерах активного вентилирования путём совершенствования его конструктивных и технологических параметров.

Объект исследования. Технологический процесс сушки семян в бункере активного вентилирования.

Предмет исследования. Производственный образец бункера активного вентилирования (на базе БВ-25) для сушки семян.

Практическая ценность. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема бункера активного вентилирования для сушки семян. На основании теоретических и экспериментальных исследований определены рациональные конструктивные параметры и режимы работы установки. Внедрение усовершенствованного бункера активного вентилирования для сушки семян способствует повышению качества выполняемого процесса: снижению потерь семян в процессе послеуборочной обработки; снижению времени и энергозатрат, требуемых для выполнения сушки семян.

Реализация результатов. По результатам исследований во ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» был изготовлен и испытан опытный образец бункера активного вентилирования с многоканальной системой распределения воздуха и выпускным устройством на основе шлюзового затвора, который прошёл испытания в ООО «Веть» Себежского района Псковской области.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы доложены:

- на 4-й международной научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в развитие науки», г. Великие Луки, 2009 г.

- на 61-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», г. Кострома 2010 г.

- на 5-й международной научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в развитие науки», г. Великие Луки, 2010 г.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 7 печатных работ, подана заявка на выдачу патента Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 122 наименований. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 36 иллюстраций и 17 приложений.

Основные положения, выносимые на защиту:

- технологическая схема и конструктивные параметры бункера активного вентилирования;

- теоретические зависимости для определения конструктивных параметров бункера активного вентилирования;

- математические модели процесса сушки и процесса выпуска семян;

- результаты производственных исследований по определению рациональных режимов работы бункера активного вентилирования и его технико-экономическая оценка;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и направления работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проведён обзор использования и значимость мелкосеменных масличных культур для народного хозяйства, рассмотрен анализ существующего оборудования и сушки семян, рассмотрены и проанализированы пути повышения эффективности работы бункерных установок.

Исследованиями конструкций зерносушильного оборудования и режимов работы, применяемых для обработки рапса занимались Авдеев А.В., Голубкович А.В., Давиденко Е.К., Журавлёв А.И., Ревякин Е.Л., и др. В силу конструктивных недостатков эксплуатируемых зерносушилок и особенностей обработки семян рапса, процесс сушки является достаточно энергоёмким и требующим изыскания способов и технических решений, направленных на повышение эффективности эксплуатации зерносушильного оборудования.

Одним из перспективных решений для сушки семян рапса является использование бункеров активного вентилирования. Вопросами, связанными с изучением и совершенствованием конструкции бункера активного вентилирования занимались авторы Голубкович А.В., Захарченко И.В., Чижиков А.Г., Сычугов Н.П., Наймушин М.И., Долгодворов Г.М., Мальтри В., Цуглёнок Н.В., Манасян С.К., Пиляева О.В. и др.

Среди имеющихся на сегодняшний день конструкций бункерных установок перспективным решением с точки зрения равномерности подвода воздуха, а также надёжности работы является использование многоканальной воздухораспределительной системы на основе воздухоподводящих каналов (коробов), расположенных в кольцевом объёме бункера в горизонтальном положении. Помимо этого для обеспечения надёжности и автоматизации процесса выпуска семян из бункера предлагается использование более надёжного и технологичного выпускного устройства, в качестве которого может выступать шлюзовой затвор. Вопросами определения оптимальных конструктивных параметров шлюзовых затворов занимались Тарасов В.П., Тарасов А.В., Лямкин Е.С. и др., однако чёткой методики выбора конструктивных параметров данных устройств не разработано.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

- выявить рациональные пути повышения эффективности сушки семян в бункере активного вентилирования;

- получить аналитические зависимости для определения конструктивных и технологических параметров бункера активного вентилирования;

- получить уравнения регрессии процесса сушки и выпуска семян в бункере активного вентилирования;

- обосновать рациональные конструктивные параметры и режимы сушки семян в усовершенствованном бункере активного вентилирования с многоканальной системой распределения воздуха и шлюзовым затвором системы выпуска;

- обосновать рациональные конструктивные параметры и режимы работы выпускного устройства;

- провести производственные испытания, дать технико-экономическую оценку полученных результатов и сделать выводы.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса сушки и выпуска семян в бункере активного вентилирования» сделано обоснование процесса тепломассообмена и расчёт времени сушки семян в предлагаемом бункере активного вентилирования, обоснованы рациональные параметры и режимы работы выпускного устройства, разработана теория заполнения ячеек выпускного устройства насыпным материалом.

Расчёт процессов тепломассообмена и времени сушки семян рапса велись с использованием классических формул, применяемых в теории сушки сыпучих материалов, с учётом конструктивных особенностей многоканальной системы распределения воздуха и физико-механических свойств семян рапса.

Для эффективного протекания процесса сушки необходимо, чтобы тепло подводимое с агентом сушки шло на испарение влаги из материала. Тепловой баланс бункера активного вентилирования в расчёте на 1 кг испарённой влаги можно записать в виде:

(1)

где и – затраты теплоты соответственно на подогрев 1 кг влажного воздуха и на испарение влаги из материала, Дж/кг; – потери тепла с уходящим воздухом, Дж/кг; – потери тепла с высушенными семенами, Дж/кг; – потери тепла на ограждение семенного материала, Дж/кг.

Затраты теплоты на подогрев 1 кг влажного воздуха можно определить из формулы:

(2)

где – расход сухого воздуха в расчёте на 1 кг испарённой влаги; и – энтальпия соответственно подогретого и наружного воздуха.

Расход теплоты на испарение влаги из семян запишется выражением:

(3)

где – энтальпия перегретого пара, при температуре уходящего (отработанного) воздуха, кДж/кг – удельная теплоёмкость воды, кДж/кг; – средняя температура агента сушки, С.

Принимая начальные параметры агента сушки (влажность, температура, атмосферное давление) и используя численные значения параметров процесса сушки выясняем, что первоначальные вариации влагосодержания воздуха практически не сказываются на КПД бункера активного вентилирования.

Потери теплоты с уходящим воздухом определяли из выражения:

(4)

где – теплоёмкость сухого воздуха, кДж/кг; и – температура нагрева воздуха, соответственно выходящего и входящего в сушильную камеру бункера, °С.

Потери теплоты с высушенным материалом находим из выражения:

(5)

где – масса испарённой влаги, кг; – масса семян после сушки, кг; – удельная теплоёмкость сухих семян, кДж/кг.

Потери теплоты на нагревание ограждения семенного материала, образованного стальными перфорированными листами и воздухоподводящими коробами определяли по формуле:

(6)

где – площадь ограждения семенного материала, м2; – суммарный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К) – средняя разность температур между наружной стенкой бункера и центральной воздухораспределительной трубой.

Площадь металлических частей бункера, ограничивающих семена рапса, определяли из выражения:

(7)

где – диаметр внешней цилиндрической оболочки бункера, м; – высота цилиндрической части бункера, м; – угол откоса нижней (конусной) части бункера, град; – количество коробов, – площадь коробов, м2.

Расчётная схема бункера активного вентилирования приведена на рисунке 1.

Рис. 1 – Схема к расчёту бункера активного вентилирования

Для эффективного подвода воздуха в слой семян используем короба пятигранной формы с открытым днищем и перфорированными боковинами.

Площадь короба определяли по формуле:

(8)

где – длина короба, м; – размер вертикальной части короба, м; – размер наклонной части короба, м.

Схема короба представлена на рисунке 2.

Рис. 2 – Схема короба

Коэффициент полезного действия бункера активного вентилирования для сушки семян рапса определяли из выражения:

(9)

Подстановка численных значений в уравнения теплового баланса позволила установить, что коэффициент полезного действия бункера активного вентилирования для сушки семян рапса с многоканальной схемой подвода воздуха находится в пределах .

Для расчёта продолжительности сушки семян рапса применяли метод приведённой скорости, разработанный Г.К. Филоненко. Продолжительность сушки в этом случае вычисляли по формуле:

(10)

где N – скорость постоянного периода сушки, % / мин; m – показатель степени, характеризующие энергию связи влаги с материалом и физико-химические свойства материала; А и – массообменные коэффициенты, определяющие перемещение влаги внутри материала.

Скорость постоянного периода сушки в этом случае запишем в виде выражения:

(11)

где – средний потенциал сушки; a и b – справочные коэффициенты; – массовая скорость воздуха, кг/(м2с); – величина, обратная удельной нагрузке материала, м2/кг.

С учётом численного решения выражений (10) и (11) а также с учётом начальных параметров процесса сушки было установлено среднее время сушки семян в бункере, которое составило 12 часов.

Одним из важных узлов в конструкции бункера активного вентилирования является выпускное устройство. От выпускного устройства зависит качество и стабильность выпуска готовых семян, идущих на дальнейшую обработку. Выпускное устройство бункера активного вентилирования было предложено заменить на шлюзовой затвор как более надёжное устройство, позволяющее автоматизировать работу и производить выпуск семян с требуемой производительностью. Обоснование рациональных параметров выпускного устройства бункера активного вентилирования проводилась согласно конструктивно-технологической схеме, представленной на рисунке 3.

Рис. 3 – Схема к расчёту параметров выпускного устройства

Относительное ускорение частицы насыпного материала, ограниченной радиальными и боковыми плоскостями, можно записать в виде выражения:

(12)