Разработка установки для сушки семян мелкосеменных культур с обоснованием ее оптимальных параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Долгов Владимир Иванович

• Долгов Владимир Иванович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Долгов Владимир Иванович

СОДЕРЖАНИЕ

43

49

54

стр

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Сушка семян и ее эффективность

1.2 Анализ способов сушки семян и зерна

1.3 Анализ конструкций и классификация средств механизации процесса сушки зерна и семян

1.4 Анализ теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки семян

1.5 Цель и задачи проводимых научных исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ СУШКИ СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР

2.1 Конструктивно-технологическая модель сушильного устройства для обработки семян мелкосеменных культур

2.2 Обоснование конструктивно-режимных параметров установки для ^ сушки семян мелкосеменных культур

2.2.1 Движение семян мелкосемянных культур в установке

2.2.2 Дифференциальные уравнения движения частицы семенного материала по спирали транспортирующего рабочего органа

2.2.3 Результаты решения дифференциальных уравнений движения частицы семенного материла, транспортируемой диском со спиралью

2.3 Обоснование тепло-, массообменных характеристик процесса контактной сушки семян мелкосеменных культур в разрабатываемой 61 сушилке

2.3.1 Обоснование теплового режима в сушильной камере разрабатываемого средства механизации

2.3.2 Обоснование энергетического коэффициента полезного действия разрабатываемого средства механизации процесса сушки семян 65 мелкосеменных культур

2.3.3 Термодинамический анализ сушильного процесса ^ в разрабатываемом средстве механизации

2.4 Выводы

3 ПЛАНИРОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА 74 СУШКИ СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР

3.1 Программа лабораторных исследований установки для сушки семян мелкосеменных культур

3.2 Выбор и обоснование исследуемых факторов

3.3 Анализ показателей и методов проведения основного исследования

3.4 Элемент системы как объект исследования

3.5 Кодирование факторов и методика составления плана-матрицы ^ проводимых экспериментов

3.6 Подготовка проведения основного эксперимента

61

74

111

122

3.6.1 Последовательное проведение эксперимента

3.6.2 Анализ распределений исследуемых признаков

3.6.3 Анализ результатов экспериментов, адекватность моделей 102 3.7 Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР 111 В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

4.1 Экспериментальный комплекс для исследования процесса сушки семян мелкосеменных культур

4.2 Поисковые исследования. Приборное обеспечение исследований

4.3 Результаты проведения основного эксперимента по оптимизации параметров установки для сушки семян мелкосеменных культур

4.3.1 Экспериментальное обоснование распределения градиента температуры в зависимости от режимных параметров сушки

4.3.2 Анализ экспериментальных кривых сушки семян различных мелкосеменных культур при одно-, двух- и четырёхзаходном 125 транспортирующем рабочем органе

4.3.3 Оптимизационные экспериментальные исследования режимов сушки семян мелкосемянных культур 4.6 Выводы

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ АГРОПРЕДПРИЯТИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

5.1 Программа и методика исследований

5.2 Результаты исследований установки в условиях агропредприятий

5.3 Экономическая эффективность сушки семян мелкосеменных ^^ культур в разработанной сушилке контактного типа

5.3.1 Определение себестоимости изготовления сушильной установки для сушки семян мелкосеменных культур

5.3.2 Определение экономической эффективности внедрения сушильной установки для сушки семян мелкосеменных культур

5.4 Выводы 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150 ЛИТЕРАТУРА 153 ПРИЛОЖЕНИЕ

130

135

140

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка установки для сушки семян мелкосеменных культур с обоснованием ее оптимальных параметров»

ВВЕДЕНИЕ

Повышение урожайности зерновых культур остается приоритетной целью агропромышленного комплекса, направленной на обеспечение продовольственной независимости государства. Важнейшую роль играет модернизация технологий хранения, подготовки и переработки зерна, позволяющая минимизировать потери продукции, сохранить и повысить её качественные характеристики, а также рациональнее использовать зерно - стратегически важный пищевой ресурс. Зерновые продукты являются основными источниками питательных веществ для человека, обеспечивая организм необходимыми макро- и микроэлементами. Хлебобулочные изделия покрывают значительную долю суточной энергетической потребности населения, включая потребность в витаминах группы B и E, минеральных солях и аминокислотах. Благодаря низкой стоимости растительного белка по сравнению с животными аналогами, потребление хлеба позволяет существенно экономить средства семьи на питание, одновременно удовлетворяя основные физиологические потребности организма. Обработка и хранение урожая требуют значительных ресурсов и инфраструктуры, однако высокая рентабельность производства качественного зерна делает инвестиции в данную сферу оправданными. Ожидается повышение спроса на инновационные технологии и оборудование для послеуборочных операций и складирования зерна, способствующее росту объемов сбора и снижению издержек. Необходимость модернизации существующей техники обусловлена несоответствием между возможностями имеющихся машин и требованиями современного аграрного сектора, обусловленными изменениями форм хозяйствования и влиянием рынка. Усовершенствование методов термической обработки зерна путем высушивания улучшает потребительские свойства муки и повышает эффективность перерабатывающей промышленности, снижая затраты на энергию и эксплуатацию оборудования.

Таким образом, создание новых эффективных решений в области тепловых процессов и бережливого использования ресурсов становится значимой научной и производственной задачей современности.

Решению обоснованной выше задачи и посвящена данная диссертационная работа.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ на 2016 - 2020 гг. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (рег. № АААА-А16-116041110193-8) и на 2021-2025 гг. «Научное обоснование и разработка энергосберегающих средств механизации тепловой обработки зерна» (регистрационный номер 121042600234-3).

Цель исследования - разработка установки для сушки семян мелкосеменных культур с обоснованием оптимальных конструктивных параметров и режимов ее работы, обеспечивающих минимизацию энергетических затрат на процесс сушки и требуемое качество готового продукта при соблюдении экономически эффективной пропускной способности.

Объект исследований - технологический процесс контактной сушки семян мелкосеменных культур.

Предмет исследования - параметры технологического процесса контактной сушки семян мелкосеменных культур и техническое средство для реализации этого процесса.

Методика исследований. Исследования теоретического блока выполнены на основе фундаментальных положений законов термодинамики и механики с использованием существующих постулатов классической математики и математической статистики.

Экспериментальную проверку результатов теоретических исследований осуществляли в лабораторных и производственных условиях.

Методологическую базу экспериментального блока составили существующие официально утверждённые государсвтенные и отраслевые стандарты, а также широко распространённые и зарекомендовавшие себя методики, доработанные и адаптированные автором к проводимым исследованиям.

Научная новизна работы:

1. Теоретические зависимости, позволяющие определить основные конструктивные параметры разрабатываемой установки с учетом теплофизических свойств семян.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований оптимизированы конструктивные параметры и режимы работы установки для сушки семян мелкосемянных культур, позволяющие максимально сохранить их жизнеспособность.

3. Получены адекватные математические модели процесса сушки семян мелкосемянных культур в предложенной установке, позволяющие выбрать тот или иной режим сушки в зависимости от вида семян и их исходной влажности.

Является новой конструкция установки для сушки семян мелкосемянных культур на основе транспортирующего рабочего органа, выполненного в виде спирали Архимеда. Новизна технических решений подтверждена пятью патентами на изобретения (№№ 2620142; 2626941; 2628788; 2632180; 2632181) и одиннадцатью патентами РФ на полезную модель (№№ 167410; 167411; 167412; 169187; 170451; 171164; 171700; 171701; 171702; 171703; 171712).

Теоретическую и практическую значимость диссертационной работы представляют:

- инновационная конструкция устройства для сушки семян мелкосемянных культур с транспортирующим рабочим органом, выпаленном в виде спирали Архимеда;

- результаты теоретических исследований по оптимизации основных параметров разработанного средства механизации для сушки семян мелкосемянных культур;

- результаты лабораторной и производственной проверки работы устройства для сушки семян мелкосемянных культур;

Экономия денежных средств при сравнении с зерносушилкой СЛ-0,3х2 в расчёте на годовой период составила 49447,97 рублей, или в расчёте на сушку 1

килограмма семян, при снижении влажности с 20 % до 14 % - 3,24 руб. Инвестиционные вложения по нашим расчётам окупятся через 1,79 лет.

Внедрение. Разработанная установка для сушки семян мелкосеменных культур исследована и внедрена в производственный процесс подработки семян на таких агропредприятиях Ульяновской области, как: сельскохозяйственное производственное предприятие «Наша Родина» Николаевского района; сельскохозяйственный производственный кооператив имени Чапаева Старомайнского района. Кроме того, сушилка прошла производственные исследования на производственной площадке отдела растениеводства, селекции и агротехнологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Ульяновский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина».

Апробация результатов. Основные положения защищаемой диссертации автором доложены, обсуждены и одобрены научным экспертным сообществом на 7 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов, форумах молодых учёных и т.д.

Положения и результаты работы, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости по определению конструктивных параметров и режимов работы разработанного средства механизации процесса сушки семян мелкосеменных культур;

- математические модели процесса сушки семян проса, рыжика и рапса в предложенной установке;

- технический концепт устройства для сушки семян мелкосеменных культур с транспортирующим рабочим органом, выполненным в виде одно-, двух- и четырёхзаходной спирали Архимеда;

- результаты лабораторных исследований по определению оптимальных режимов работы устройства для сушки семян мелкосеменных культур и итоги проверки полученных результатов в условиях агропредприятий.

Степень достоверности результатов. Достоверность научных выводов данной работы обусловлена высокой степенью совпадения между результатами

теоретического анализа и проведенными экспериментальными исследованиями. Надежность полученных данных дополнительно обеспечена применением аттестованных измерительных приборов и традиционных статистических методов обработки экспериментальной информации, проверкой адекватности полученных математических моделей и повторяемостью результатов измерений.

Публикации. По материалам подготовленной диссертации автором опубликовано 29 работ, из них 1 статья издана в реферативной базе Scopus, 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, а также 16 патентов РФ на изобретения и полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части, включающей в себе пять глав, заключения и приложения. Содержание работы изложено на 163 страницах машинописного текста, включает 52 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 121 наименования.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Сушка семян и ее эффективность

Семенное зерно - живой организм. Одной из основных характерных особенностей его жизнедеятельности является дыхание зерна. При этом основной отличительной чертой осуществления технологии сушки семян и зерна выделяют недопущение отрицательного изменения основных процессов его жизнедеятельности с учётом одновременного сохранения целостности и жизнеспособности. Аналогичные критерии ученые и практики выдвигают как к сушке семенного зерна, так и к тепловому воздействию на зерно, конечной целью которого является продовольственное назначение.

Следует обозначить, что дыхательный процесс семенного зерна протекает при выделении во внешнюю среду влаги и СО2. Также активно при дыхании выделяется тепловая энергия. При этом возрастание интенсивности дыхательного процесса наблюдается при изменении в большую сторону таких параметров семенного зерна, как его влажность и температура [1, 20, 31, 40].

Пиковой точкой, после которой происходит резкое возрастание активности процессов жизнедеятельности в зерне, а также развитие в зерновой массе микрофлоры, считают влажность зерна, равную 16.. .17 %. Все процессы жизнедеятельности зерна прекращаются при критической температуре нагрева до 45.55 °С. С учетом этого и ограничивает максимальную температуру нагрева обрабатываемого зерна [2, 3, 9, 16, 42].

Только что убранное с поля зерно обычно имеет влажность, в несколько раз превосходящую оптимальную. Также такое зерно, которое поступает после комбайна, имеет различные сорные примеси. От этого конечное значение влажности зерна ещё дополнительно увеличивается. В связи с этим важно как можно быстрее очистить основное зерно от примесей. В противном случае в свеже-убранной зерновой массе произойдут вредные явления: самосогревание, зарождение плесени. Всё это приведет, в конечном итоге, к скоротечному развитию хлебных вредителей и болезней, что, в свою очередь, существенно снизит семенные и товарные качества зерна [4, 5, 8, 33, 38].

Итоговая спелость убранного зерна часто достигается спустя значительное время после проведения его обмолота. Данный временной интервал именуют периодом послеуборочного дозревания зерна. В этом периоде происходит следующее: снижается влажность убранного зерна, увеличивается его энергия прорастания, а также возрастают хлебопекарные качества. Технически скорость процесса послеуборочного дозревания возможно существенно увеличить. Для этого используют послеуборочную сушку зерна посредством нагрева его тепловой энергией. Следует отметить, что гигроскопические свойства зерна, то есть его особенность, характеризующая способность отдавать влагу в окружающую среду, либо наоборот - впитывать влагу из внешней среды, служит серьёзным критерием при выборе способа сушки, обосновании технологических параметров проведения дальнейшей переработки зерна, либо определении последнего на длительное хранение. При этом проведёнными ранее исследованиями установлена зависимость влияния содержания влаги в зерне на сроки его безопасного хранения (рисунок 1.1) [29, 48, 52, 63].

180 г| 160 | ПО Й 120 I 100

£80 * 60

20 О

темпеоатуоа ГС1

— 5 10 15

г

20 25 30

13 /4 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2^ 25 содержание длаги б зерне, %

Рисунок 1.1 - Зависимость длительности хранения зерна от его влагосодержа-ния и температуры (источник: https://agroproekt.kz/kupit-zernosushilku-cena-zemosusЫlki/52-gram-eqшpment^oolmg^oolmg-of-gram/159) Из накопленного существенного практического опыта осуществления процессов сушки зерна выявлено, что охарактеризовать, сколько присутствует влаги

в обрабатываемом зерне, можно, используя критерий, который позволяет это сделать в количественных единицах. Таким показателем служит значение относительной влажности - отношение массы влаги, которую поглотило зерно к общей массе влажного зерна до сушки. Критерий выражается в процентах и определяется зависимостью:

Ч>вз=|;Х100 %, (1.1)

где шв - масса влаги в обрабатываемом зерне, кг; шз - масса зерна до сушки, кг.

При теоретических расчётах часто используют термин - абсолютную влажность, которая определяется посредством дроби, где в числителе - масса влаги в зерне, а в знаменателе - масса сухого вещества зерна, подвергаемого тепловой сушке:

^3=^x100 %, (1.2)

где шс - масса абсолютно сухого вещества зерна, кг.

При этом взаимосвязь показателей относительной или абсолютной влажности чаще всего выполняют следующим образом:

= _100ЕВЧО/о; (1.3)

ов3 100+ш '

ва

100т .ч

^авз =-,%; (1.4)

авз 100+ш ' 4 '

Формулы (1.3) и (1.4) определяют условие, при котором численные значения абсолютной влажности всегда будут превосходить показатели относительной влажности при постоянном значении содержания влаги в зерне.

Действующими отраслевыми и государственными стандартами предусмотрено разделение зерна по содержанию влаги на 4 состояния: сухое, средней сухости, влажное и сырое. При этом допускаемые нормы влажности (кондиции), предусматривающие возможность длительного хранения зерна, приведены в таблице 1.1.

Исследуемый процесс удаления излишней влаги из зерна посредством нагрева последнего характеризуется как один из технически и технологически сложно осуществимых. Здесь происходит интеграция и одновременное действие

нескольких факторов физико-химической природы, теплотехнической и энергетической [13, 14, 21, 36, 67].

Таблица 1.1 - Классификация состояния зерна в зависимости от влажности

Зерновая культура Состояние зерна

сухое средней сухости влажное сырое

относительная влажность, %

до свыше до свыше до свыше

Пшеница, рожь, ячмень, рис, гречиха 14 14 15,5 15,5 17 17

Овес, кукуруза в зерне, горох 14 14 16 16 18 18

Кукуруза в початках 16 16 18 18 20 20

Просо 13,5 13,5 15 15 17 17

Вика яровая 15 15 17 17 20 20

Семена льна и подсолнечника 11 11 13 13 14,5 14,5

Основное влияние на процесс теплового воздействия при этом оказывают параметры: форма связи влаги с зерном, скорость тепловой сушки, предельно допустимые температуры нагрева теплоносителя при конвективной сушке, либо предельно допустимая температура греющей поверхности при контактной сушке, температура нагрева зерна, скорость движения теплоносителя (при конвективном нагреве), а также немаловажную роль играет характер тепло- и массо-(влаго-) обмена.

Скорость протекания процесса сушки зерна характеризуется в основном прочностью взаимодействия (связи) влаги с зерном [61, 76, 79, 80].

Академик Ребиндер П.А. [7] предложил систематизацию существующих форм данных связей влаги с зерном. При этом учёный учёл требуемые энергозатраты, которые необходимы для того, чтобы выделить нужное количество влаги из зерна. Согласно классификации Ребиндера формы связи влаги с зерном можно подразделить на химические, физико-химические и механические. Первый вид связи на химическом уровне характеризуется практически нулевой возможностью её удаления из зерна. Это наиболее связанная влага.

Влага, связанная на физико-химическом уровне, значительно меньше требует энергии на ее удаление из зерна. Данный вид влаги подразделяют на адсорб-ционно связанную и осмотически связанную влагу в зерне. Первый тип влаги в данном случае - это влага, которая перемещается в виде конденсирующегося пара, который вступает в твёрдую часть зерновки. Следует отметить, что такая

влага не характеризуется свойствами, приписываемыми воде в обычном состоянии [77, 93].

Влага, благодаря которой происходит процесс набухания зерна, называется осмотической. При данном процессе влага проходит к внутренним слоям коллоидного тела, минуя полупроницаемые стенки. Для данного вида влаги действительны те же характеристики, что и для обычной воды.

Третий вид связи влаги с зерном - механический, определяется как наименее прочный и для него характерна неопределённость количественных соотношений. К механическому типу влаги приписывают влагу капиллярную, а также влагу смачивания. Оба вида характеризуются теми же свойствами, что и обычная влага. При этом влага смачивания образуется на поверхностном слое зерна, а также в его внутренних порах от прямого соприкосновения влаги с зерном. Состояние данной влаги характеризуется как капельножидкое.

От того, какой вид связи влаги доминирует, все влажные материалы, которые необходимо подвергать процессу сушки, классифицируют на следующие блоки:

- капиллярно-пористые (в них влага связывается преимущественно силами капиллярными, или силами поверхностного натяжения);

- коллоидные (в данных материалах доминирует осмотическая или структурная влага);

- капиллярно-пористые коллоидные (в этом случае высушиваемые материалы включают в себе и осмотически связанную влагу и капиллярную).

Именно к третьему блоку влажных материалов и относят зерно при рассмотрении его как объекта сушки. При этом в процессе теплового воздействия на зерно в зерносушилках происходит удаление только свободной влаги (капиллярной и капельножидкой).

Проходя в межзерновые пустоты, влажный воздух приносит водяные пары, при этом происходит так называемая диффузия внешняя. Далее эти насыщенные влагой пары попадают во внутреннюю структуру отдельных зёрен

(начинается внутренняя диффузия). При данном механизме поглощение внешней влаги будет длиться вплоть до такого состояния зерна, когда основной характеристикой которого не станет состояние полной его гигроскопичности, или полное насыщение влагой воздуха (относительная влажность воздуха ^ в этом случае = 100 %).

Гигроскопическая влажность (или влагосодержание) зерна при описании процесса сушки рассматривается как равное предельной впитывающей ёмкости высушиваемого зерна. При этом для каждого конкретного вида зерна данный показатель свой. К примеру, при ? = 25 °С гигроскопическая точка соответствует значениям абсолютной влажности зерна: у ржи - 36,5 %, пшеницы - 36,3 %, гречихи - 22,5 %.

Гигроскопическое влагосодержание капиллярно-пористых коллоидных материалов обычно не превышает предельное значение ёмкости влаги. В связи с этим последующее увеличение влажности зерна возможно, но только при условии прямого контакта зерна с влагой. В этом случае свободная влага, в процентном отношении превышающая аналогичное значение гигроскопической влаги, проходит в зерно вследствие капиллярного всасывания и осмотического давления.

Удаление избыточной влаги из зерна протекает в результате миграционных механизмов. Причём движение осуществляется от внутренних слоёв к внешним, далее происходит испарение влаги с поверхности зерна. Если влажность незначительная, то перемещение её происходит в форме жидкости, если же влага содержится в достаточно большом количестве, то миграция осуществляется в виде газа (пара) [99, 100, 101].

Следствия, вызывающие перемещение влаги, подразделяют на влагопро-водность и термовлагопроводность. Если температура нагрева по всему зерну, нагреваемому в процессе сушки, характеризуется равными значениями, то движение влаги происходит в направлении от места с большей концентрацией к месту с меньшей концентрацией влаги, то есть от центральных слоёв к поверхност-

ным слоям. Данное явление выражается значением такого показателя как градиент влагосодержания.

С целью повышения скорости испарения влаги с поверхности на зерно воздействуют тепловыми потоками в зерносушилках. В данном случае происходит нагрев зерна, что далее воздействует на процесс перемещения влаги, трансформируя скорость и направление данного процесса. Как было обозначено выше, при воздействии градиента температуры влага двигается от более нагретой поверхности зерна к менее нагретым его участкам (от поверхности к центральным слоям). Это явление - термовлагопроводность, впервые научно описал академик А.В. Лыков [58, 59].

Во время тепловой сушки в зерне явно проявляются оба типа тепло- и вла-гопереноса. Непосредственно процесс сушки зерна осуществляется следующим образом. При влиянии теплоты влага, находящаяся в свободном состоянии, также нагревается и начинает в виде пара удаляться из зерна, проходя через макропоры. Данное явление сходно процессу нагрева и испарения воды со свободной поверхности. В это время влага, которая расположена во внутренних слоях зерна, начинает перемещаться к его поверхности (процесс влагопроводности), при этом отчасти такая влага также преобразуется в пар и удаляется из зерна.

Многочисленными экспериментальными опытами обоснован процесс изменения интенсивности сушки вследствие термовлагопроводности. Так, принимая во внимание, что температурный градиент в этом случае небольшой, то убывание данного показателя не превышает 4 %, следовательно, приемлемо считать, что поток влаги внутри зерна обусловлен лишь наличием влагопроводности и проходит лишь в одном направлении - от центральных слоёв зерновки к её поверхности.

При сушке зерна, используя конвективный теплоподвод, нагретый агент сушки проникает в межзерновые пространства, передавая при этом тепловую энергию обрабатываемому продукту. Сам же агент сушки охлаждается во время данного процесса и одновременно поглощает влагу с поверхности зерна. В этом случае процесс сушки осуществляется циклично, безостановочно, и агент сушки,

отдавший теплоту зерну и «отобравший» влагу у последнего, удаляется в атмосферу, либо направляется на рециркуляцию. На место же отработавшего агента сушки в тепловую камеру зерносушилки подают новую порцию теплоносителя.

Таким образом, зерносушение - технологически сложный процесс, который объединяет характеристики теплофизических явлений и физико-химических превращений. Этот процесс протекает как внешний - тепло- и массо- (влаго-) обмен от внешней поверхности зерна к окружающей среде (сушильному агенту), и как внутренний - теплоперенос и влагоперенос (движение внутри зерна) [107, 114, 120].

Исследования конвективного теплоподвода при сушке зерна показали, что процесс обмена тепловой энергии и влаги при внешнем цикле протекает от воздействия разности парциальных давлений пара у поверхности зерна (рт) и в межзерновых пространствах (рв). При этом в случае превосходящего давления пара в окружающей среде, над аналогичным давлением в зерновом слое, влага в виде пара попадает в зерно. Затем над образовавшимися там ранее менисками происходит сжатие пара в макрокапиллярах. Если же рт > рв, тогда имеет место десорбция (испарение) влаги и миграция её из влажного зерна в окружающий воздух.

Влажность зерна, при котором наблюдается равновесие и останавливается внешний обмен влагой от высушиваемого зерна к окружающему воздуху учёные, исследующие процесс сушки зерна и его эффективность, называют равновесной влажностью. При этом исследователи тепловых процессов отмечают зависимость: с повышением относительной влажности воздуха и уменьшением температуры окружающего воздуха (£в) влажность зерна (^р) возрастает. Детальное изучение процессов сушки зерна позволили выявить граничные условия, при которых материал находится в гигроскопическом состоянии. Эта область также называется областью влажного состояния, влажность зерна же при этом ниже гигроскопической.

К примеру, для изотермы десорбции пшеницы (при £ = 50 °С) эта классификация схематически изображена на рисунке 1.2 [62]. Оси ОХ соответствует

значениям абсолютной влажности (^а, %) зерна, а ось ОУ - относительной влажности воздуха %).

Рисунок 1.2 - Изотерма десорбции для пшеницы при ? = 50 °С Проанализировав рисунок 1.1, можно определить, что зона гигроскопического состояния имеет граничные условия при гигроскопической влажности = 33 ... 34 % (или относительной ш ~ 25 %). Область от начальной влажности влево до конечной влажности - ^а2 является областью сушки. Эта область у исследуемого зерна может быть значительно больше по длительности, чем область десорбции, что связано, в первую очередь, с наличием свободной воды (сверх гигроскопической).

Следует принять во внимание, что хранение зерна в существенно длинных временных промежутках допустимо лишь с учётом выполнения условия, если его относительная влажность ш < 15 %. Следовательно, доказательно, что для пшеницы область сушки слева ограничивается конечной влажностью = 17,65 %. При этом равновесие во влагообмене достигается при относительной влажности воздуха ф = 83 %.

Всё это приводит нас к выводу, что при тепловой конвективной сушке

17

зерна агент сушки при температуре ? = 50 °С может использоваться в качестве адсорбера влаги с поверхности зерна до того момента, когда его относительная влажность не превысит отметку в 83 %.

При этом необходимо выделить и другое граничное условие, связанное с охлаждением зерна. При снижении температуры окружающего воздуха равновесная влажность зерна увеличивается. Таким образом, если зерно с влажностью после сушки = 17,65 % охладить до температуры 20 °С, то равновесная влажность зерна незначительно прибавится (примерно на 1,5.2 %). То есть, утверждение, что в случае относительной влажности воздуха (ф = 83%) зерно при охлаждении станет впитывать снова влагу из него, неверное. Наоборот, учёные отмечают, что при снижении температуры зерно после процесса его тепловой сушки еще будет дополнительно обезвоживаться.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Долгов Владимир Иванович, 2025 год

// // //

О I 2 3 I, с

Рисунок 2.7 - Зависимость линейного перемещения частицы 5* от времени г при различных угловых скоростях вращения спирали Ш0: 1 - при Ю01 = 10 С-1, 2 - при Ю02 = 13 с-1

V, м/с

1,5 1

0,5

\ \ •V

\ \ ч

—---- — —

ч 2 \

0 1 2 3 и с

Рисунок 2.8 - Зависимость линейной скорости частицы и от времени г при различных угловых скоростях вращения спирали шо: 1 - при Ю01 = 10 С-1, 2 - при Ю02 = 13 с-1 Зависимость угловой скорости частицы ш от времени t при различном количестве заходов спирали представлена на рисунке 2.9.

ш1

п 9

Рисунок 2.9 - Зависимость угловой скорости частицы ю от времени ^ при угловой скорости вращения спирали с0 = 10 с ^: сплошная линия - однозаходная спираль; точечная линия - двухзаходная спираль; пунктирная линия - четырехзаходная спираль.

Зависимость линейного перемещения частицы 5* от времени t представлены на рисунке 2.10.

я1п

^И' И '

Рисунок 2.10 - Зависимость линейного перемещения частицы 5 от времени t

при угловой скорости вращения спирали с0 = 10 с ^: сплошная линия - однозаходная спираль; точечная линия - двухзаходная спираль; пунктирная линия - четырехзаходная спираль.

Соответственно зависимость линейной скорости частицы и от экспозиции сушки t при использовании спирали с различным числом заходов представлена на рисунке 2.11.

w2

п

0

2

3

4

3

2

0

0

2

3

4

О1----

0 12 3 4

1п.г1пд2п

Рисунок 2.11 - Зависимость линейной скорости частицы и от времени t при угловой скорости вращения спирали = 10 с: сплошная линия - однозаходная спираль; точечная линия - двухзаходная спираль; пунктирная линия - четырехзаходная спираль.

Зависимость изменения радиуса перемещения частицы г от времени t для различных видов спиралей представлены на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Изменение радиуса перемещения частицы г от времени t при частоте вращения спирали п = 40 мин ^: сплошная линия - однозаходная спираль; точечная линия - двухзаходная спираль; пунктирная линия - четырехзаходная спираль.

Анализ рисунков позволил выявить особенности перемещения матери-

альной частицы спиральным диском при различных угловых скоростях вращения спирали Ю0. Так, например, угловое ф и линейное 5 и перемещения частицы спустя 3 с после начала вращения спирали стабилизируются. Характер изменения угловой скорости частицы си ее линейной скорости и стабилизируется уже через 1 с после начала работы.

Изложенные ранее условия позволяют гарантировать стабильное функционирование устройств, оснащённых рабочим органом в виде вращающегося диска с установленной на нем плоской пружиной в виде спирали Архимеда. Предложенная совокупность теоретических принципов и инженерных решений обеспечит щадящий режим сушки семян при сохранении высоких качественные характеристик конечного продукта.

2.3 Обоснование тепло-, массообменных характеристик процесса контактной сушки семян мелкосеменных культур

в разрабатываемой сушилке 2.3.1 Обоснование теплового режима в сушильной камере разрабатываемого средства механизации

Расчет теплового режима, создаваемого греющей пластиной (диском) в сушильной камере, разрабатываемой нами установки для сушки семян мелкосеменных культур, можно осуществить при значительных упрощениях, принимая во внимание, что максимальная температура нагрева греющей пластины может быть описана полиномом второго порядка.

Исходя из этого примем также допущение, что пластина получает теплоту от нагревательных элементов, расположенном непосредственно на её поверхности. Теплообмен с окружающей средой при этом осуществляется согласно закону Ньютона.

Пусть в момент £ = 0 в точке х = у = 0, г = Н/2 находится источник теплоты единичной мощности.

Тогда температура греющей пластины определится уравнением:

(2.4)

и граничными условиями:

дТ

г=±Н/2

= Т1 г=±п/

При известной начальной температуре нагрева пластины, применив преобразование Лапласа и двойное преобразование Фурье по х и у, получим:

т я г сУ

1 дТ

дг

г=±1/ 2

хт1=±Ч2'

(2.5)

(2.6)

где р - параметр преобразования Лапласа; тире и тильдой обозначены соответственно преобразования Лапласа и Фурье. Положим, что

1/ I-

Т(х, у, и, О = Т„(х, У, 0 (у + 1) 2 ^ [Ру (%)\ (2.7)

Подставляя (2.7) в (2.5) и скалярно умножая итог на (ц + 1) 2 ^ [Р^ (~)],

получаем:

X

р + — (%2 + ч2) су

и Г Н/2 1\ /2 2

Т X ( 1\ /2 2 Г /2г

т«=ту{>'+1) ) РЛт.

^ -К/2

+1(ц+2)1/23

2 д2 Т

(2.8)

Интегрируя (2.8) по частям, учитывая условия (2.5) и воспользовавшись теоремой сложения для полиномов Лежандра, находим [12, 27]: д2т

К/2 К/2р

П-Р.

= (у+1)1/2 [1+(-1)У+М] (5+М (29)

где = тт(у2 + у,ц2 + ц).

Подставляя (2.9) в (2.8), получаем систему (т+1) алгебраических уравне-

ний относительно неизвестных Ту:

р+ — (£2 +Л2)

Т =

1 V

N

2 1/ и1/2 2Х ( 1\1/2 ~Н~СУ \ + 2) -Ыг\Ц + 2)

х

1^2-

X (V + 1) 2гу [1 + (- (| + 1 м) , д = 0,1,2.....ш.

(2.10)

Система уравнений (2.10) распадается на две независимые относительно

Т системы с чётными и нечётными индексами:

Л , о т '

р + — ({2 + п2) су

Т2м =

N

2 1/ 1\ 7 2 4 Л / 1"

гч1^ 4Л /

+ 2) Х

1/ ^

X Е™ о (2^ + 3) 2 Г2У + 1) /2У+1,2М+1, Ч = 0,1,2.....Ш2, (2.11)

где Ш2 = Е (^р)

При этом система (2.10) может быть представлена в более компактном

виде:

{ С1 + [р+^2+п2)]Е}г* = £1,

(2.12)

где - квадратная матрица с элементами

^+Г2(!+1ММ1/2;

2/ и К V 2,

Т - Ш1 - мерный вектор с компонентами Т2у; /1 — ш1 - мерный вектор с компо-

нентами

Аналогично система (2.10) имеет вид

{ ^2 + [р + ^({2 + п2)]е}т =

(2.13)

где С2 - квадратная матрица с элементами

1/2

з\

1/2

Т - т2 - мерный вектор с компонентами Т2у; /2 — ш2- мерный вектор с компонентами

Решение уравнений (2.12) и (2.13) можно представить в виде:

2

**

г2у = д*2у (у)/А (у); г2у+1 = л*2;+1 (у)/А (у),

где у —

р + ^ ({2 + ^2)]; А* = Яе^ - уЕ); Д**— Яе^ - уЕ);

^2у(у) и А2*/+1(у) - определители, у которых соответственно 2 у-й и (2у + 1)-й столбцы заменены столбцами правых частей. Матрицы и С2 являются осцил-ляционными матрицами, они имеют равные положительные характеристические

числа у1 > у2 > ••• > у; >. В силу этого обстоятельства функции Т2у и Г2у+1 можно разложить таким образом:

О О ^ — 1

2У — ¿д=0 2У' , 7 2У+1 — ¿д=0'

Поскольку

у-у2У + 1

-^Г г^Г^ /-(х2+у2)(р+Яу);

СУХ2+у2

^о/у (х2 + У2)(р + Яу) — ,

где - функция Макдональда, имеем:

СУХ2+у2

П(х,у,0 — . (2.14)

Подставляя (12) в (4), получаем

СУХ2+У2 ш Ш 1 /

1суе А « ^^ / 1\ /2

г(х,у,2д) ——х

у=0 д=0

Х \/л

р 2£" р л.

е-уу. (2.15)

Таким образом, если на поверхности греющей пластины сушилки в области В размещены источники теплоты с плотностью теплового потока ^(х,у, £), то температуру нагрева пластины Гобщ, создаваемую таким источником, можно определить интегралом:

Jо Мб

Отметим, что используемый метод предусматривает сведение решения

уравнения теплопроводности к решению алгебраических уравнений (2.15) порядка Е(т^), что не составляет особых трудностей для вычисления при небольших значениях т.

2.3.2 Обоснование энергетического коэффициента полезного действия разрабатываемого средства механизации процесса сушки семян мелкосеменных культур

Степень совершенства разрабатываемого средства механизации для осуществления теплового воздействия на обрабатываемый продукт, в частности, и зерносушильной техники, оценивают по её энергетическому коэффициенту полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованной энергии (теплоты) к суммарно затраченной:

„ Чпол

Лэн =

Чзатр

Для любой зерносушильной установки полезно использованной теплотой нужно считать только то количество теплоты, которое затрачено на испарение влаги из зерна. Эта теплота, кДж/(кг с. г.), отнесенная к 1 кг сухого газа (воздуха), записывается в виде:

ч (2.16) чпол 1000 5 V /

где г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ее принимают по средней температуре обрабатываемого зерна:

0 = ^^. (2.17)

Если семенной материал высушивается до малой влажности, учитывается также величина Аг - расход энергии на преодоление связи влаги с зерном (правая часть уравнения 2.15).

Что касается затраченной теплоты, то для зерносушилок, она представляет собой теплоту, воспринимаемую 1 кг газа в калорифере:

Чзатр = ср( t1 — Ч). (218)

Если расчет вести на 1 кг испаренной из зерна влаги, то можно считать

г г+Аг 1т

Лэн-—-, или Чэн--—, (2.19)

Чкал Чкал

где Цкал - расход теплоты в калорифере, Дж, отнесенный к 1 кг испаренной из зерна влаги.

В настоящее время в России получают широкое распространение вторичные энергоресурсы. Для зерносушильных установок это можно легко осуществить, если в качестве сушильного агента использовать отходящие газы каких-либо тепловых агрегатов. При этом затраченной теплотой нужно также считать ср( ^ — где ^ - температура газа, поступающего в зерносушильную камеру, и ^ - температура окружающей среды.

Тогда при всех условиях КПД собственно зерносушилки (сушильной камеры) представится в виде:

'Пэн = с0)о.ооо. (2.20)

Если же зерносушильная установка имеет топку и требуется учесть потери в ней, то для этого используем выражение для определения КПД топки:

Пэн = (2.21)

где Вуд - удельный расход топлива на 1 кг сухого газа;

ВУД = I,

где В и Ь - часовой расход топлива и сухого сушильного агента соответственно.

Если значение произведения Ср(Ь1 — из (2.21) подставить в (2.20), то получим:

п = г(й2-й1) (2 22) 1эн ЩВу^1000> К • 7

Тогда КПД всей установки

г(й2-й1)

или

Если подставить

Пэн.у ПэнПт вулQH•1000, (2.23)

■ = г(й2-й1) (2 24) Пэн.У ВQP•1000. ( )

Ь = , (2.25)

Лэну = ^р- (2.26)

то получим:

rU

Wiр

Таким образом, в ходе проведенного исследования нами обоснована необходимость разработки нового подхода к оценке энергетической эффективности процессов термической обработки и сушки семян мелкосеменных культур. Предложенный энергетический коэффициент полезного действия позволяет комплексно оценить эффективность функционирования системы машин и оборудования с учётом особенностей структуры посевного материала, климатических условий региона и качества конечного продукта.

2.3.3 Термодинамический анализ сушильного процесса в разрабатываемом средстве механизации

За последние годы с целью интенсификации процесса сушки зерна стали применять сушильные агенты с высокой температурой; в связи с этим потребовалось уточнить методики расчета зерносушильных установок, так как при высокой температуре сушильного агента допущение об изобарности процесса может привести к ошибкам. В самом деле, если в атмосферных сушилках считать В = рп + рв = const, то при увеличении рп в процессе сушки рв должно уменьшиться, т. е. парциальное давление рабочего тела, поданного в сушильную камеру, должно уменьшиться [78].

Детальный термодинамический анализ сушильного процесса осуществлён Д.М. Левиным. Он обобщил результаты проведенного исследования и предложил уточненный метод расчета зерносушильного процесса.

При составлении теплового баланса сушильной камеры необходимо сделать допущение, что теплота, вносимая воздухом в сушильную камеру, выражается его энтальпией I. В действительности воздух вносит только свою внутреннюю энергию U, а работа расширения при нагревании воздуха от То до Ti равная rVl

I pdV, по существу, потеряна в калорифере. В сушильной камере эта потеря

только частично компенсируется работой атмосферного давления, которое сжимает воздух при снижении его температуры от Ti до T2. Последующее сжатие

воздуха, которое сопровождается дальнейшим снижением температуры от Т2 до То, происходит в атмосфере, т. е. за пределами зерносушильной камеры.

Указанные изменения состояния воздуха можно наглядно показать в р-У -диаграмме (рисунок 2.13).

Р

О

утА к*

2

Рисунок 2.13 - Изменение состояния воздуха в процессе сушки

в P-V - диаграмме

Пусть точка 0 изображает начальное состояние наружного воздуха. Расширение воздуха при нагревании его в калорифере изобразится линией 0-1, параллельной оси V, так как оно происходит при р = const.

В сушильной камере происходит охлаждение воздуха, сопровождающееся его сжатием, причем процесс протекает при уменьшении парциального давления этого воздуха (линия 1-2). Изменение состояния воздуха в атмосфере изображается линией 2-0, характеризующей сжатие воздуха, сопровождающееся его охлаждением и повышением давления до начального.

Известно, что площадь под линией, изображающей процесс изменения состояния газа в координатах р-V, эквивалентна совершаемой работе. Поэтому площадь 0-1-б-а представляет собой работу расширения воздуха в калорифере; площадь 1 -2-в-б - работу сжатия воздуха в сушильной камере, и, наконец, площадь 2-0-а-в - работу сжатия в атмосфере. Тогда площадь 0-1-2 представляет собой работу сушильного цикла (понятие, впервые введенное Д.М. Левиным).

Нетрудно видеть, что работа, затраченная в калорифере на расширение

воздуха и изображенная площадью 0-1-б-а, больше работы, которую вернуло атмосферное давление этому воздуху, изображенной площадью 1-2-0-а-б, на величину работы цикла Ь. Эта работа составляет одну из термодинамических потерь, возникающих в процессе осуществления зерносушильного цикла.

Кроме этой потери, имеется и другая термодинамическая потеря, обусловленная также тем, что процесс в сушильной камере не является изобарным. Эта вторая потеря наглядно представлена на Т-Б-диаграмме (рисунок 2.14).

осе б S

Рисунок 2.14 - Изменение состояния воздуха в процессе сушки

в Т-S - диаграмме

Пусть на Т-S-диаграмме точка 0 изображает начальное состояние воздуха перед поступлением его в калорифер. Эта точка лежит на изобаре рг ~ В.

Процесс нагревания воздуха в калорифере от То до Ti изобразится отрезком 0-1 на изобаре рг = const. В зерносушильной камере давление сушильного агента снижается; поэтому точка 2, изображающая состояние воздуха при выходе его из зерносушильной камеры температурой Т2, будет лежать на изобаре р2 = const, расположенной правее изобары р± = const.

Изменение состояния воздуха в сушильной камере изобразится линией 12, лежащей между изобарой рг = const и изохорой Vi = const. Эта линия может

рассматриваться как политропа, которая описывается уравнением pVn = const.

Нетрудно показать, что для процесса изменения состояния газа в зерносу-шильной камере показатель политропы п < 0. Из уравнения политропы следует, что показатель политропы

п = -^2. (2.27)

1п1Г1

т-т v2 Vi Т2

Пользуясь уравнением состояния, можно заменить — = — ■ —.

Р2

Тогда

П ^-ТГТТГг (2.28)

Р2 Т±

Так как для процесса удаления влаги из зерна в сушильной камере р2 < Р\, то числитель выражения (2.28) будет положительным. Наряду с этим обычно в сушильной камере Т2 < Т±, причем изменение Т более резкое, чем изменение р; поэтому знаменатель выражения (2.28) оказывается отрицательным и показатель политропы п < 0.

Величину п можно выразить как отношение:

п = С—^, (2.29)

С~Су

где Ср и cv - теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно; с - теплоемкость, соответствующая процессу в зерносушильной камере.

Так как п = < 0, то, следовательно, теплоемкость с, соответствующая

С —Су

данному процессу, больше cv, но меньше Ср: cp>c> cv.

Изменение состояния газа в атмосфере при выходе его из камеры представлено политропой 2-0, лежащей между изотермой Т2 = const и изобаройр2 = const. Следовательно, у этой политропы показатель п находится в пределах от 0 до 1.

Так как дифференциал теплоты dQ = TdS, то в Т-S - диаграмме соответствующие площади представляют в масштабе теплоту, воспринятую или отданную воздухом. Площадь 0-1-б-а эквивалентна теплоте, сообщенной воздуху в ка-

лорифере. Площадь 1-2-е-б представляет в масштабе теплоту, выделенную воздухом в сушильной камере. Площадь 2-0-а-е эквивалентна теплоте, потерянной с воздухом, уходящим из сушильной камеры, а площадь 0-1-2 представляет теплоту, эквивалентную работе цикла.

Если процесс считать изобарным, то теплота, выделенная в сушильной камере, была бы эквивалентна площади 1-2'-с-б; эта же площадь больше площади 1-2-е-б, эквивалентной действительно выделенной теплоте, на величину площади, заштрихованной на диаграмме. Следовательно, допущение об изобарно-сти процесса, происходящего в сушильной камере, приводит к завышению количества выделенной теплоты по сравнению с количеством действительно выделяющейся теплоты. Так как фактически выделяется меньше теплоты, то испаряется соответственно меньше влаги и фактическая производительность зерносушилки меньше, чем полученная по расчету с учетом изобарности процесса.

Таким образом, в соответствии с энтропийной диаграммой термодинамические потери дтерм, обусловленные политропичностью процесса, происходящего в сушильной камере, представлены заштрихованной площадью 1-2'-с-е-2. Эта теплота израсходована на работу цикла и на увеличение потерь теплоты с уходящим газом в связи с политропичностью процесса [32].

Таким образом, в действительности, вследствие снижения давления сушильного агента в камере работа, сообщаемая ему атмосферным давлением при сжатии, оказывается меньше, чем при изобарном сжатии. Это значит, что при политропическом процессе в меньшей мере компенсируется работа расширения газа при его нагревании в калорифере. Выделенная при этом теплота Q = А и Ь, поэтому при политропическом процессе она будет меньше, чем при изобарном, хотя внутренняя энергия А и, определяемая только разностью температур, изменяется на одну и ту же величину для обоих процессов.

Если в уравнение теплового баланса изобарной теоретической сушилки ввести термодинамические потери дтерм, то получим уравнение баланса с учетом политропичности процесса:

Чкал Чи + Чух.в + Чтерм. (2.30)

Аналогично для действительной зерносушилки будем иметь:

Чкал + Чдоп Чи + Чух.в + Е Чпот , (2.31)

где

Е Чпот Чм + Чтр + Чо.с + Чтерм. (2.32)

Д.М. Левин получил следующее выражение для расчета Чтерм: Чтерм = 0,000015(71 + Т2)((2 — (1) ккал/кг с. в. = = 0,002299(7 + Т2)((2 — (1) кДж/(кг с.в.). Если эту потерю, как и остальные потери теплоты в зерносушильной установке, отнести к 1 кг испаренной влаги, то получим простую формулу для определения термодинамических потерь:

Чтерм = 0,00005515(7 + Т2)((2 — (1)1 = 0,05515(7 + Т2) ккал/(кг влаги), или

Чтерм = 0,23(7 + Т2), кДж/(кг влаги). (2.33)

Тогда при расчете действительной зерносушилки должна быть введена общая поправка:

Ао0щ= Чдо0 + ЧПстг. (2.34)

В остальном построение процесса в I-d - диаграмме и весь расчет зерносу-шильной установки осуществляют по описанному выше методу. Понятно, что в

связи с увеличением Е ЧтюЩ за счет Чтерм увеличивается и Ао0щ по сравнению с А.

Поэтому длина отрезка еЕ' = ебудет больше длины отрезка еЕ = ef А и

линия действительного процесса ВС пройдет ниже линии изобарного процесса. При этом влагосодержание d2 будет меньше, что вызовет увеличение расхода воздуха и соответствующее увеличение расхода теплоты.

Таким образом, в обоснование необходимо внести необходимые коррективы, учитывающие термодинамические потери в процессе сушки зерна и выявляющие действительную потребность в теплоте, соответствующую заданной производительности зерносушильной установки.

Если термодинамический анализ применить к рассмотрению вариантов

зерносушильного процесса (с рециркуляцией, с добавочным подогревом воздуха в сушильной камере и др.), то обнаруживается, что эти мероприятия дают не только технологический эффект в отношении регулирования режима процесса, но и повышают тепловую эффективность работы зерносушильной установки. Основной причиной этого является то, что вместо одного цикла без рециркуляции совершается (п + 1) циклов с рециркуляцией, а потеря теплоты с уходящими газами (при той же температуре ¿2) увеличивается незначительно.

2.4 Выводы

1. Использование контактного электротеплообменника обеспечивает достаточную равномерность распределения энергии и температуры во всей зоне теплообменника, позволяя выбирать наиболее подходящий режим тепловой обработки зерна согласно технологическим требованиям.

2. Разработанные теоретические модели отображают ключевые особенности процесса контактной сушки тонких слоев зерна, реализуемого в предлагаемой сушильной установке. Эти данные пригодны для расчёта температурных полей внутри обрабатываемого слоя, а также для оценки иных характеристик процессов теплопередачи.

3. Оптимальная толщина слоя зерна должна лишь немного превосходить максимальный диаметр зерна, поскольку это значительно повышает эффективность передачи теплоты от греющей поверхности к зерну.

4. Установленные соотношения характеризуют взаимозависимость эксплуатационных режимов тепловой обработки и конструкционно-технологических особенностей новой установки.

5. Предложенные теоретические выкладки помогают определять наилучшие конструкционные параметры и рабочие режимы установки, исходя из заданных критериев качества конечного продукта тепловой обработки.

3 ПЛАНИРОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА СУШКИ СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР 3.1 Программа лабораторных исследований установки для сушки семян мелкосеменных культур Для обоснования оптимальных значений конструктивно-режимных и теп-лофизических параметров разработанного устройства для сушки семян мелкосеменных культур и, основное, для подтверждения предпосылок, полученных по итогам теоретических исследований и выводов в экспериментальной части диссертации, нами был принят приведённый ниже алгоритм (рисунок 3.1):

Разработка и изготовление экспериментальной установки для сушки семян; выявление эффективности ее работы

ожидаемый результат: физическая модель

экспериментальное обоснование конструктивно-режимных параметров

ожидаемый результат: оптимальные значения действующих факторов и параметров установки

сравнение полученных данных с результатами теоретического обоснования

ожидаемый результат: расхождение не более 5 %

Рисунок 3.1 - Этапы экспериментальных исследований Итогом проведённых основных этапов экспериментальных исследований должны стать: действующая экспериментальная физическая модель установки для сушки семян мелкосеменных культур с выявленными и опытно обоснованными режимами работы и параметрами конструктивных элементов зерносушилки; выявленные зависимости влияния основных действующих факторов процесса сушки на критерий оптимизации; механизм влияния режимных парамет-

ров разработанного устройства на скорость удаления влаги из семян; определение пропускной способности разработанного устройства для сушки семян мелкосеменных культур; результаты качества теплового воздействия на обрабатываемые семена мелкосеменных культур.

Целью проводимых экспериментальных работ стало выявление и оптимизация конструктивно-режимных и теплофизических характеристик устройства для сушки семян мелкосеменных культур. Применение полученных результатов экспериментальных исследований позволит на практике получить качественный продукт с минимальными энергозатратами.

Блок-схема программы экспериментальных работ по исследованию предлагаемого средства механизации процесса сушки семян мелкосеменных культур представлена на рисунке 3.2.

• Использование результатов теоретических исследований и анализ полученных ранее результатов по исследованию аналогичных средств механизации

• Определение статистически достоверных оптимальных значений действующих факторов и критерия оптимизации

Определение граничных условий, ранжирование действующих факторов по значимости

Использование существующих методик, ГОСТов, а также разработанных частных методик

Рисунок 3.2 - Функциональная схема методической базы проведения

основного эксперимента Для обеспечения эффективной технико-экономической модели функционирования разработанной нами контактной сушилки [74] на оптимизированных режимах требуется обеспечить максимально возможную пропускную способность. Ее необходимо реализовать с учетом технологических особенностей мел-

ких семян, для сушки которых в основном и предназначено разработанное средство механизации. Кроме того, важно минимизировать энергетические затраты на процесс испарения влаги из обрабатываемого материала при соблюдении всех технологических параметров процесса сушки.

3.2 Выбор и обоснование исследуемых факторов

Вопрос о выборе и обосновании числа вводимых в исследование факторов решается с нескольких точек зрения, и прежде всего, с точки зрения цели исследования. Какие параметры объекта изучения мы хотим исследовать, на какие вопросы получить ответы или какие гипотезы, выдвинутые вначале исследования, хотим подтвердить или опровергнуть - от этого зависит выбор критерия оптимизации и исследуемых факторов.

После выбора интересующих нас параметров выдвигается гипотеза о предполагаемом влиянии на них тех или иных факторов. Обычно число таких факторов очень велико, из них необходимо выделить наиболее существенные. Большинство систем подчиняется принципу Парето, который гласит, что с точки зрения характеристик системы существенны лишь некоторые факторы из всех, что в большинстве систем 20 % факторов определяют 80 % свойств системы, а остальные 80 % определяют лишь 20 % свойств [49].

Большое значение имеет также природа исследуемых факторов (количественные, качественные или совместно те и другие); с ней связаны как вид модели исследуемого явления, так и способ анализа экспериментальных данных. Количественным факторам отвечает регрессионный анализ, качественным - дисперсионный, смешанным - ковариационный.

Каждый фактор может участвовать в эксперименте одним из трех способов:

1) оставаться на неизменном уровне, т.е. играть роль граничных условий;

2) изменяться случайным образом и тем самым вносить ошибку в эксперимент;

3) может быть измеряемым и управляемым.

Наконец, факторы должны удовлетворять условиям их совместимости, т.е. исследуемая система должна допускать совместное воздействие на нее исследуемых факторов во всем диапазоне их изменения, который определяется, с одной стороны, целями исследования, с другой - техническими, экономическими или другими ограничениями исследуемой системы.

Вопрос о выборе числа уровней связан с видом будущей модели. Если модель служит целям нахождения оптимальных условий работы изделия или системы, то факторы достаточно иметь на двух крайних уровнях - максимальном и минимальном. Если модель предназначена для выяснения механизма явлений, т. е. определения влияния факторов в диапазоне их изменения, то двух крайних уровней недостаточно, необходимы промежуточные значения. Однако следует помнить, что каждый дополнительный уровень увеличивает количество экспериментов.

Каждый представитель качественного фактора по существу является уровнем, и их упорядочение является произвольным. Если исследуются количественные факторы, то для определения линейных эффектов достаточно иметь два уровня, для квадратичных эффектов - три и т.д. Общее правило таково: число уровней равно минимальному числу необходимых для определения функции точек. При нахождении интервала между соседними уровнями необходимо, чтобы интервал был не менее удвоенной ошибки применяемого для оценки данного фактора средства контроля. В противном случае уровни фактора будут неразличимы. Для количественных факторов это положение имеет огромное значение, для качественных - практически никакого.

Анализ данных существенно упрощается, если сделать уровни равноотстоящими друг от друга. Такое расположение является ортогональным, что упрощает определение коэффициентов полиномиальных моделей.

Однако в ряде случаев план исследования и, следовательно, модель, т.е. число исследуемых факторов и их уровней, определяются ограниченностью их во времени, ограниченностью располагаемых ресурсов и т. п. Здесь требуются определенные компромиссы.

При выявлении решения экстремальной задачи - обосновании оптимального совместного влияния факторов на процесс сушки, учитывали существующие представления о физическом смысле процесса теплового воздействия на обрабатываемый материал. При этом провели предварительный отсев несущественных действующих факторов, а также выявили взаимосвязанные факторы процесса. Обе указанные категории факторов при решении оптимизационной задачи в учёт не брали. Факторы, которые можно контролировать, составляли основу при обработке результатов проведённых экспериментальных исследований.

На рисунке 3.3 действующие факторы сгруппированы по механизму воздействия на процесс сушки.

л с.

о

£ Я

е

Технологические

технологические и физико-механические свойства семян

Технико-экономические

энергоемкость, материалоемкость и т.д.

скорость движения семян температура греющей поверхности

Рисунок 3.3 - Факторы процесса сушки семян Следует отметить, что внутригрупповые и межгрупповые параметры зависимы друг от друга. Например, параметры процесса тепловой контактной сушки оказывают влияние на общий механизм теплоподвода, т.е. влияют на теплотехнические и конструктивные параметры и др. Масштабный анализ протекающих при контактной сушке процессов даёт возможность раскрыть основные зависимости этих параметров от тех или иных факторов.

Для обоснования оптимальных режимов работы проектируемой сушилки при работе с мелкими семенами будем использовать факторы процесса, которые

можно контролировать и которыми можно управлять (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Факторы, влияющие на процесс сушки семян

Наименование фактора Обозначение Размерность Взаимосвязанные факторы

1. Температура греющей поверхности Х1 °С Х9

2. Скорость движения семян Х2 м/с Хз, Х4, Х5, Хб, Х7, Х8, Х11

3. Подача зерна в сушилку Хз кг/с Х4, Х5, Хб, Х7, Х8, Х11

4. Шаг спирали Х4 м -

5. Высота витков спирали Х5 м -

6. Площадь поперечного сечения загрузочного бункера Хб м2

7. Площадь поперечного сечения выгрузного окна Х7 м2

8. Диаметр спирали Х8 м -

9. Установленная мощность нагревательных элементов Х9 кВт Х2, Хз

10. Установленная мощность привода транспортирующего рабочего органа Х10 кВт Х2, Хз, Х5, Хб, Х7, Х8, Х11

11. Частота вращения спирали Х11 с-1 Х2, Хз

12. Число заходов спирали Х12 - Х2, Хз, Х4, Х11

Факторы, приведённые в таблице 3.1 являются входными параметрами в

кибернетической модели проектируемой сушилки для сушки семян мелкосеменных культур.

Выходными параметрами в случае решения сформированной математической модели станут: пропускная способность установки для сушки семян, потребляемая мощность и итоговое качество семян мелкосеменных культур, подвергаемых тепловой обработке [65].

Проранжируем выбранные факторы по степени важности. Следует отметить, что в разрабатываемой установке контактного типа для обеспечения качественного теплового воздействия на семена необходимо оптимизировать две системы:

1) систему распределения семян по греющей поверхности и одновременной их транспортировки единичным слоем;

2) систему теплоподвода, обеспечивающую равномерный и с минимальными тепловыми потерями подвод теплоты к движущимся семенам.

С учетом существующих теоретических и экспериментальных обоснований процессов теплового воздействия на семена при контактном теплоподводе

нами были выявлены факторы, оказывающие существенное действие на процесс: температура греющей поверхности XI и частота вращения транспортирующего рабочего органа Х11. Причём данные параметры относятся к категории и управляемых, и контролируемых. Оптимизируя целевую функцию процесса сушки семян в разработанной сушилке, необходимо учитывать пропускную способность установки, которая, в свою очередь, зависит от взаимосвязанных факторов: скорости движения семян XI или от частоты вращения транспортирующего рабочего органа Хм.

Кроме того, одной из поисковых задач проводимого нами экспериментального блока исследований стало выявление влияния количества заходов спирали транспортирующего рабочего органа на качественно-энергетические характеристики процесса сушки семян мелкосеменных культур.

При экспериментальном решении оптимизационной модели по обоснованию параметров работы созданной сушилки важно применять такую целевую функцию, которая объединит в себе такие параметры, как универсальность, измеряемость, и, главное, иметь возможность быть четко интерпретированной на основе существующих физических законов. При проведении основного эксперимента, в качестве оптимизационного критерия нами были определены суммарные удельные энергозатраты на процесс испарения 1 кг влаги из семян q, кДж/кг. Данный показатель объединил в себе и энергетические показатели процесса, и тепло-, массообменные, так как зависит от количества потребляемой энергии и влагосъёма.

3.3 Анализ показателей и методов проведения основного исследования

Системные методы исследования, являющиеся продуктом системных представлений, теорий, моделей, широко используются при проведении исследований процессов сушки зерна и семян мелкосеменных культур. При этом к настоящему времени уже получены определенные и довольно важные результаты. Во-первых, системы обладают свойством иерархичности. Это значит, что их можно разделить на более мелкие системы, которые, в свою очередь, делятся на подсистемы и т. д. Отличие систем и подсистем друг от друга заключается в

различии их структур.

Развитие представлений об уровнях в строении и организации систем является предпосылкой раскрытия характера показателей изделий, или искусственно созданных человеком систем, их взаимодействия, формирования и управления. Системный подход к исследованиям характеризуется совместным анализом строения системы и взаимодействия элементов, ее составляющих, т.е. анализом ее структуры. Во-вторых, системы и подсистемы ведут себя относительно автономно. В связи с этим важное значение приобретают исследования по вопросам взаимоотношений различных систем и взаимодействия высших систем с низшими. Использование аппарата математической статистики, теории вероятностей, теории информации и т.д. способствует выработке более общих, более абстрактных характеристик функционирования систем, которые являются кодовой записью их существования, так как выражают поведение, взаимодействие элементов и систем, структуру систем. Важную роль в методологии исследований занимают вопросы кодирования информации, перекодирования, взаимодействия кодов и т. д.

Наши знания и представления о системах неразрывно связаны с методами их исследования, так как постановка задачи исследования с необходимостью ведет к созданию методов ее решения, которые разрабатываются зачастую до появления теории вопроса.

Исторически в науке сложились и получили развитие методы: макроскопический (функциональный) и микроскопический (элементный). В основу макроскопического метода исследования положено познание свойств и поведения системы, т. е. познание таких свойств, которые характеризуют системы в их внешнем проявлении. Конечно, здесь учитывают тот факт, что системы образованы из отдельных элементов, однако законы взаимодействия и взаимосвязи между элементами остаются в основе своей неизвестными. При исследовании системы подвергают воздействиям на входе и регистрируют их ответные реакции на выходе. При микроскопическом, или элементном, методе свойства, характеризующие общность системы в целом, исследователи стремятся вывести из

свойств элементов, составляющих систему. При этом предполагается, что свойства системы в целом не оказывают обратного влияния на свойства элементов в системе.

Оба метода, как макроскопический, так и микроскопический, возникли и проникли в другие области исследований из классической механики, где свойства системы в целом определяются суммой свойств составляющих ее элементов. При исследованиях систем типа механических оба метода дают одинаково правильные результаты; применение же этих методов для систем диффузных, где нельзя четко разграничить действие факторов различной физической природы, сразу же выявляет их ограниченность.

В экспериментальных исследованиях в настоящее время преимущественно используют метод однофакторного эксперимента, при котором изменяется один исследуемый фактор и стабилизируются прочие. Выбор уровней стабилизированных факторов является произвольным и обусловливается опытом, интуицией, волей и даже настроением экспериментатора. Сам метод ответа на вопрос о выборе уровня стабилизированных факторов не дает.

Схематически план, например, проводимого двухфакторного эксперимента по оптимизации энергозатрат на процесс сушки зерна, в котором каждый фактор берется на пяти уровнях, представлен на рисунке з.4, где крестиками обозначены сочетания исследованных уровней факторов X и Ъ.

Рисунок з.4 - Схема двухфакторного эксперимента В тоже время однофакторный метод позволяет нам находить такие относительно простые функции, как

у = ахп + bzm; у = ахп + bm; у = ах + bcx.

При этом имеют место и более сложные случаи, такие как

у = ах sin Ьх/z; у = а + Ьхп + кхг;

bz

у = ахbz;

которые вряд ли могут быть установлены с помощью данного метода.

Варьируя один фактор и стабилизируя прочие на произвольно выбранных уровнях, предполагаем, что уровень стабилизированного фактора представляет весь его диапазон. При однофакторном методе можно получить локальный оптимум по каждому исследованному фактору. Глобальный же оптимум по всем переменным можно получить чисто случайно, так как ввиду большого количества сочетаний многие области факторного пространства переменных остаются неисследованными. Общее количество экспериментов по однофакторному методу

п = рК,

где р - число уровней факторов; к - число исследуемых факторов.

В результате исследований по однофакторному методу получается масса графиков, носящих преимущественно иллюстративный характер. Если рассматривать факторы как совокупность элементов системы, а каждый уровень - как элемент, то все вышеизложенное остается справедливым и при исследовании систем, т.е. при однофакторном методе исследовать систему, состоящую из р элементов, каждый из которых находится на к уровнях (вариантах), практически не представляется возможным.

Как при теоретических, так и при экспериментальных методах нами исследовались конкретные системы и полученные данные распространялись на всю совокупность, т.е. использовался метод индукции. Однако индуктивным методом не всегда удается вскрыть свойств, присущие совокупности систем. Каждая система, в том числе и искусственная, т.е. созданная исследователем, обладает

свойством массовости.

Совокупность систем обладает еще рядом свойств: случайностью, разнообразием, независимостью и устойчивостью частот показателей.

Получение какого-либо параметра системы есть событие случайное. Отдельное случайное событие (параметр системы) есть событие из множества возможных, т.е. совокупность систем обладает разнообразием. Какие-либо прямые связи и обусловленность показателей отдельных систем отсутствуют, т.е. совокупность обладает независимостью показателей. Каждое событие в случайном массовом явлении может воспроизводиться в массовом масштабе, причем с возрастанием числа событий относительная частота каждого из них обладает устойчивостью.

Перечисленные свойства совокупности систем не устанавливаются и не обнаруживаются индуктивным методом исследования, но они являются исходными положениями классического построения теории вероятностей, поэтому и теоретические, и экспериментальные результаты исследования могут быть правильно поняты и интерпретированы лишь с вероятностных позиций. Центральным в теории вероятностей является понятие «распределение», поэтому структурной характеристикой результатов исследований систем является распределение.

Необходимость исследования систем влечет за собой и разработку методов их исследования и анализа результатов. При этом далеко не безразлично с точки зрения результатов, с каких идейных позиций осуществляется подход к исследованиям, каковы те исходные предпосылки, на которых базируется проведение эксперимента. Эксперимент в науке играет центральную роль, на проведение его тратится основная масса сил, времени и средств. Однако, как установил Джон Бернал [116], научные исследования организуются и проводятся настолько хаотично, что коэффициент их полезного действия не превышает 2 %. Столь расточительное использование сил, времени и средств на постановку и проведение научных исследований, технику эксперимента и обработку результатов исследо-

ваний давно уже привлекает внимание ученых. В связи с ограниченностью людских, материальных, финансовых и других ресурсов, которые могут использоваться в научных исследованиях, проблема оптимизации исследований и экспериментов может быть сформулирована следующим образом: получение максимума информации об исследуемом объекте при затрате определенного, фиксированного количества ресурсов или использование минимума ресурсов для получения определенной информации.

Повышение эффективности исследований путем оптимального использования ресурсов приводит к определению их пропорциональности и комбинации. Но этот путь решения проблемы эффективности эксперимента не может и не должен быть главным и единственным, поскольку речь идет о таком специфичном предмете, как информация.

К проблеме эффективности можно подойти и несколько иначе: может ли сколь угодно долго информационно развиваться научная система, состоящая из некоторого конечного числа аксиом и правил обращения с ними? Если имеется конечное число аксиом и правил обращения с ними, то на такую систему распространяется действие теоремы К. Гёделя о неполноте, из которой следует, что такая система имеет предел своего развития, и получение существенно новой информации выше некоторого ее уровня становится невозможным.

При разработке методов исследования нами были предъявлены следующие требования.

1. Методы должны быть эффективными с точки зрения экономии живого и общественного труда исследователей и производственников.

2. Методы должны учитывать и вскрывать природу и механизм изучаемых процессов и явлений. Применяемые в настоящее время экспериментальные методы носят, в основном, индуктивный характер. При их применении не вскрываются или, по крайней мере, не оцениваются количественно свойства, присущие всей совокупности изучаемых систем.

3. Они должны не просто фиксировать показатели систем, но и управлять ими.

Целью проведения нами научных исследований является, в конечном счете, получение информации об исследуемых объектах или системах, в частности, обоснование параметров и режимов работы разработанного нами устройства для сушки семян мелкосеменных культур. В этом состоит отличие научных исследований от производства материальных объектов. Однако с точки зрения эффективности у всех производств центральной является проблема измерения затрат и результатов труда. Поэтому пути повышения эффективности научных исследований состоят как в уменьшении или минимизации затрат для получения определенных результатов, так и в максимизации результатов при фиксированных затратах.

Эффективность исследований определяется многими факторами и, в том числе, выбором направлений исследований и организацией их в пределах выбранных направлений.

Использование концепций выборки и генеральной совокупности приводит к экономии затрат и времени при обследовании объектов массового характера. По выборке конечного размера с определенной вероятностью составляется суждение о свойствах генеральной совокупности в целом. Классический подход к организации выборки является, по-видимому, единственным при организации выборки для самостоятельных элементов. Если исследовать системы, состоящие хотя бы из нескольких взаимозаменяемых элементов, то возможен иной, комбинаторный подход к организации выборки.

Этот подход базируется на том, что если в системе какой-либо один элемент заменяется одинаковым, то эта замена оказывает влияние на всю систему. При организации выборочного контроля систем, состоящих из N элементов каждая, значительно сокращается количество исследуемых объектов k при учете того, что замена каждого «-го элемента однородным образует в функциональном отношении другую систему.

Полное число сочетаний kN элементов по k составляет

Гк = км

Ькм (кы-Ю'Ж (31)

Например, при к = 9, N = 7 С = 4,68 • 106. Такое число сочетаний невозможно проверить, и поэтому на их перебор должны быть наложены специальные ограничения.

3.4 Элемент системы как объект исследования

При системном подходе в исследованиях свойства элементов с самого начала ставятся в зависимость от других элементов системы. Конечно, исследование элементов систем ведут и изолированно, но в таком познании значительная и даже решающая роль придается установлению связей внесистемных характеристик с системными.

Присутствие того или иного элемента в системе обусловливается ее структурой, которая и определяет состав входящих в систему элементов и их связи между собой. Связи элементов в системах таковы, что по отношению к системе каждый элемент является подчиненным, наличие его зависит от структуры системы и взаимодействия ее частей. Положение о взаимосвязанности и взаимообусловленности элементов в системах является одним из важнейших в системных исследованиях и анализе их результатов. Познание объектов в составе систем является более глубоким проникновением как в сущность самих объектов, так и систем. Опыт показывает, что характеристики элементов, определенные вне систем, не всегда однозначно соответствуют характеристикам системным, что, входя в систему и взаимодействуя с ней, элемент меняет свои свойства. Это изменение является отражением свойства неоднозначности элементов, т. е. при исследовании элемента в различных системах количественные его характеристики влияния на показатели системы будут меняться от системы к системе. В связи с неоднозначностью характеристик элементов принципиальное значение имеет деление характеристик по степени их общности согласно правилам теории информации. Работа систем, их существование записываются на языке систем, причем запись является кодированием существования системы. Кодовая запись относится и к элементу, закономерности функционирования которого следует искать на более высоких уровнях кодирования. Но, поскольку в отдельных слу-

чаях элементами систем являются также системы, вышеизложенное относительно элементов остается справедливым и в отношении систем. Свойства элементов, перечисленные выше, присущи в равной мере также и системам. Соответственно познание систем предполагает познание их свойств в целом, свойств элементов и способов их связи.

3.5 Кодирование факторов и методика составления план-матрицы проводимых экспериментов

Предположим, что нам надо исследовать влияние нескольких факторов на критерий оптимизации и оценить влияние каждого элемента и их совокупное влияние.

Изложенные выше предположения относительно влияния режимов работы на критерий оптимизации справедливы не только в рассмотренном конкретном случае. Имеется достаточно большое количество аналогичных случаев, когда влияние других элементов системы искажает в значительной степени влияние исследуемых элементов. Следовательно, необходимо выработать некоторый систематический способ смешивания различных элементов, чтобы, с одной стороны, сократить количество экспериментов и, с другой, упростить и упорядочить статистический анализ. Такая система разработана и основана на совокупности правил, похожих на правила обычной арифметики.

При использовании, например, 9 составляющих числа, в арифметике такими числами являются 0; 1; 2; ... ; 6; 7; 8. С помощью этих правил была получена схема сочетаний к факторов сушки нар исследуемых уровнях (рисунок 3.5).

0123 45678 01 2345678

1------------------— 5 I 2 = 1x2—6 |

2 | | 4=2x2

3 | | 6=3x2

4 | I 8=4x2

5...................•;.............1 = (5 + 5) - 9 1 = (5 х 2)- 9—6

6----------------0 = (3 ♦ 6) - 9 3 = (6 х 2)- 9

7 5 = (7 х 2)- 9

8 7 = (8 х 2)- 9