CC BY
1
Khandozhko Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Petrakov Oleg Viktorovich, candidate of technical sciences, head of the department, [email protected], Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Shcherbakov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of the department, [email protected], Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Lakalina Nina Yuryevna, docent, [email protected], Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University
УДК 631.563.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-316-317
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
А.С. Ключников
Рассмотрен процесс сушки зерна конвективным способом по предложенной автором технологии. Экспериментально обоснован оптимальный режим удаления влаги с точки зрения энергоэффективности. Показано снижение удельных затрат энергии на удаление одного килограмма влаги до 3830 кДж. Смоделировано влияние режима конвективной сушки на удельные затраты энергии на процесс удаление влаги. Предложен способ практического применения полученных в эксперименте данных.
Ключевые слова: Эффективная сушка, сушка зерна, режим сушки, удаление влаги, конвективная сушка.
Удаление влаги из зерна наиболее энергоёмкая операция в процессе послеуборочной обработки урожая. Затраты на сушку достигают половины себестоимости готового продукта. Поэтому для сельхозтоваропроизводителей стратегически важно повысить энергоэффективность сушки.
Поиски путей снижения энергозатрат ведут в разных направлениях. Например, комбинируют инфракрасный и конвективный способ сушки [1, 2]. Рассматривают способы сушки методом осциллирующего инфракрасного облучения [3]. Ведут поиск способов применения альтернативных источников энергии [4, 5]. Исследуют возможность применения микроволнового подвода тепла к высушиваемому материалу. При этом показано, что происходит увеличение скорости сушки, но значительно колеблются показатели качества готового продукта [6].
В следствии простоты конструкций сушильных аппаратов, в сельском хозяйстве наиболее распространен конвективный способ сушки. Поэтому интерес вызывает работа в направлении повышения эффективности именно конвективного способа сушки.
Указанный способ сушки довольно хорошо изучен. Наиболее важны следующие заключения. Для гарантированного сохранения и улучшения показателей качества сельскохозяйственного продукта, сушку урожая следует проводить в один приём. В сушилке следует поддерживать такой температурный режим, который способствует полноценному послеуборочному дозреванию зерновок [7, 8; 9].
Цель исследования: определить влияние управляемых факторов на показатели удельных затрат энергии в процессе сушки новым способом конвективной сушки.
С целью повышения энергоэффективности процесса удаления влаги нами был обоснован, разработан, испытан и запатентован «Способ эффективной, низкотемпературной конвективной сушки» (патент РФ №2654768) [10]. Этот способ сушки включает три этапа. На первом этапе происходит пошаговое наращивание температура сушильного агента от значения температуры окружающего воздуха до оптимальной, допустимой температуры нагрева для конкретного материала сушки. На втором этапе сушки предусмотрено поддержание достигнутой на первом этапе температуры сушильного агента, с реверсированием направления его движения. Третий этап характеризуется снижением температуры сушильного агента до температуры окружающего воздуха, с таким же шагом, как и на первом этапе. Предложенный способ сушки с осторожным удалением влаги, когда на всех этапах температура нагретых зёрен и температура сушильного агента отличаются не более чем на 1 °С, соответствует естественному процессу дозревания семенного урожая. Поэтому обоснованно предполагать, что показатели качества высушенного зерна будут находятся на высоком уровне [11].
Исследование проведено на лабораторной установке (рис. 1). На ней принят следующий порядок работы. Сушильную камеру 1 установили на весы для определения её массы и фиксировали это значение в журнале. После снятия верхней воздухораспределительной решётки 2, сушильную камеру 1 заполняли ворохом овса с высотой слоя в 400 мм. У отобранных проб овса определяли значения относительной влажности. Затем устанавливали на место и фиксировали воздухораспределительную решётку 2. Значение массы материала в сушильной камере 1 записывали в журнал. По результатам поискового опыта по ходу сушки был принят интервал в 20 минут между взвешиваниями. В процессе сушки, по показателям массы овса в сушильной камере рассчитывали её влажность.
Заполненную сушильную камеру 1 устанавливали в патрубок 3. Включали в работу вентилятор 4 и трубчатые электронагреватели (ТЭН). По термометру 9 контролировали температуру сушильного агента. Управление мощностью ТЭН осуществляли семистором. В течение эксперимента проводили требуемые замеры и их фиксацию в журнале. Учитывали следующие показатели: изменение массы сушильной камеры с материалом (электронные весы Веста ВМ-12001), показания термометров 6 и 9, по счётчику Меркурий-230 ART 03 затраты электрической энергии на нагрев сушильного агента, а также атмосферное давление (барометр анероид БАММ-1), температуру и влажность окружающего воздуха (прибор Testo 435 с зондом с обогреваемой нитью Flow).
Рис. 1. Лабораторная установка: 1 - сушильная камера; 2 - воздухораспределительная решётка, 3 - патрубок, 4 - вентилятор; 5 - рама; 6 - ртутные термометры; 7 - экран; 8,10 - уплотнительные резиновые кольца;
9 - ртутный термометр
Согласно принятой программе исследований проводили реверсирование направления движения сушильного агента. Для этого переворачивали сушильную камеру 1 вместе с материалом на 180° относительно неподвижного патрубка 3 так, чтобы нижняя воздухораспределительная решётка 2 оказалась сверху. Сушку заканчивали при достижении овсом расчётной средней влажности 14%.
Предложенный способ конвективной сушки определяют: значение максимальной допустимой температуры нагрева материала, темпы изменения температуры сушильного агента на первом и третьем этапах сушки и количество реверсирований сушильного агента. В качестве управляемых факторов приняли: темп изменения (наращивания или снижения) температуры сушильного агента на I и III этапах те, °С/мин и количество реверсирований направления движения сушильного агента Кр, раз. Откликом - удельные затраты энергии ду, кДж/кг удалённой влаги
(кДж/кг уд. вл..).
Исследование проведено на зерне овса сорта Яков. Данная культура выбрана в качестве подопытной, так как она широко распространена в сельскохозяйственном производстве и является плёнчатой культурой, что затрудняет процесс дегидратации зерновок.
Допустимую температуру нагрева приняли исходя из условия исключения нарушения биохимических процессов и морфологических патологий [12]. Для плёнчатой культуры овса влажностью 24%, допустимая температура нагрева составляет 47°С.
При выборе уровней варьирования темпа изменения температуры сушильного агента на I и III этапах и количества реверсирований руководствовались результатами поискового опыта.
Первый уровень темпа изменения температуры сушильного агента, приняли те=0,5°С/мин, нулевой те=1,0 °С/мин, минус первый уровень фактора имитировал классический вариант конвективной сушки - подачу сушильного агента сразу с максимальной температурой в 47,0 °С. В условиях, имевших место на момент проведения экспериментов, минус первый уровень фактора соответствовал те=30,0 °С/мин, так как температура окружающего воздуха составляла 17°С, а технические возможности нагревателя лабораторной установки позволяли достичь заданной температуры не быстрее, чем за одну минуту.
Количество реверсирований сушильного агента также варьировали на трёх уровнях: первый уровень соответствовал Кр=3, раз, нулевой - Кр=1, раз и минус первый - Кр=0, раз.
Для математического описания процесса сушки использовали уравнение регрессии вида [13]:
У = Ьо + ЬХ1 + Ь2 Х2 + Ьп XIХ2 где У - время сушки; Ьо - свободный член; Ь1 и Ь2 - линейные коэффициенты; Ьп - эффекты взаимодействия факторов; Х1 и Х2 - факторы.
Подопытный материал имел следующие характеристики (М±т): масса вво=7,89±0Д0 кг; влажность Юво=22,3%±0Д0; температура ем.н.,= 16±0,06°С; высота слоя йво=400 мм. Внешние контролируемые факторы (М±т): температура наружного воздуха ен.в=17,0±0,5°С; атмосферное давление Р=100,0±0,2 кПа; влажность наружного воздуха фн.в=68±0,52 %. Дисперсия по влажности исходного материала составила 0,05.
При трёхкратном реверсировании сушильного агента его проводили на 40, 80 и 120 минутах цикла сушки, при однократном на 80 минуте.
Все запланированные опыты проводили в трёхкратной повторности. Эффекты взаимодействия двух факторов были незначительными. Значения коэффициентов регрессии укладывались в доверительный интервал.
Анализ экспериментальных данных показал, что количество реверсирований сушильного агента (Кр) оказывает незначительное влияние на удельные затраты энергии (рис. 2). Однако в диапазоне варьирования второго управляемого фактора при движении от большего значения к меньшему, наблюдали значительное снижение (на 36,1%) показателя удельных затрат энергии на удаление влаги. Из условия постановки эксперимента следует, что максимальное значение темпа изменения температуры сушильного агента на I и III этапах соответствует параметрам общепринятого способа конвективной сушки. Поэтому можно говорить повышении эффективности сушки при использовании предложенного способа.
Применение нового способа конвективной сушки обосновано. Его реализация потребует разработки нового сушильного аппарата. Результаты исследования могут быть положены в основу расчёта тепловой мощности устройства исходя из значения максимальной температуры сушильного агента и производительности будущего аппарата.
Рис. 2. Фактическое влияние факторов Хг и Х2 на удельные затраты энергии
Сушка эффективным, низкотемпературным конвективным способом с темпом изменения температуры сушильного агента на I и III этапах те=0,5°С/мин позволяет сократить удельные затраты энергии на удаление влаги до 3830 кДж или на 36,1% в сравнении с общепринятым способом конвективной сушки.
Список литературы
1. Завалий А.А., Лаго Л.А., Рыбалко А.С. Анализ термограмм импульсной инфракрасной сушки растительного сырья // Агроинженерия. 2020. № 3(97). С. 55-59.
2. Markowski M. Drying Characteristics of Barley Grain Dried in a Spouted-Bed and Combined IR-Convection Dryers / M. Markowski, W. Sobieski // Drying Technology: An International Journal. 2007. P. 1621 - 1632
3. Рудобашта С.П., Зуева Г.А., Зуев Н.А. Сушка-стимуляция семян методом осциллирующего инфракрасного облучения / Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК, Сборник статей научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАСХН, д.т.н., профессора И.Ф. Бородина (90 лет со дня рождения). 2019. С. 156-164.
4. Tsyvenkova N. Results of laboratory studies of grain drying in fluidized bed dryer / N. Tsyvenkova, I. Nezdvetskay // International Scientific Conference Engineering for Rural Development, Latvia University of Agriculture, Jelgava. 2018. P. 1644 - 1652.
5. Купреенко А.И., Комогорцев В.Ф., Исаев Х.М., Исаев С.Х. Тепловой баланс комбинированного теплообменника сушилки аэродинамического подогрева // Агроинженерия. 2020. № 6 (100). С. 66-73.
6. Hemisa M., Choudhary R. A coupled mathematical model for simultaneous microwave and convective drying of wheat seeds // Biosystems Engineering. 2012. №112. P. 202 - 209.
7. Katarzyna Chojnacka, Katarzyna Mikula, Grzegorz Izydorczyk, Dawid Skrzypczak, Anna Witek-Krowiak, Konstantinos Moustakas, Wojciech Ludwig, Marek Kulazynski Improvements in drying technologies - Efficient solutions for cleaner production with higher energy efficiency and reduced mission // Journal of Cleaner Production, Volume 320. 20 October 2021. DOI: 10.1016/jjclepro.2021.128706.
8. Смелик В.А., Дианов Л.В., Маслов М.М. И чтобы были вкусными корма // Золотая нива. 2004. № 4. С. 6
- 9.
9. Селиверстов М.В. К вопросу сушки зерновых материалов и используемого сушильного оборудования // Международный журнал гуманитарных и естественных наук, 2018. №11-2. С. 109-112 DOI: 10.24411/2500-10002018-10206
10. Ключников А.С. Передовые приёмы по механизации производства семян в условиях Ярославской области: монография. Ярославль: Канцлер, 2022. 90 с.
11. Захарченко И.В. Послеуборочная обработка семян в Нечерноземной зоне. М.: Россельхозиздат, 1983.
263 с.
12. Казаков Е.Д., Карпенко Г.П. Биохимия зерна и хлебопродуктов. СПб.: ГИОРД, 2005. 512 с,
13. Мельников С.В., Алешин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Ленинград.: «Колос», 1980. 165 с.
Ключников Артём Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
OPTIMIZA TION OF THE PROCESS OF MOISTURE REMOVAL FROM PLANT RAW MA TERIALS
A.S. Klyuchnikov
The process of grain drying by convection using the technology proposed by the author is considered. The optimal mode of moisture removal from the point of view of energy efficiency has been experimentally substantiated. A reduction in specific energy consumption to remove one kilogram of moisture to 3830 kJ has been shown. The influence of the convective drying mode on the specific energy consumption for the moisture removal process was modeled. A method for the practical application of the data obtained in the experiment is proposed.
Key words: efficient drying, grain drying, drying mode, moisture removal, convective drying.
Kliuchnikov Artem Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
УДК 625.76.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-319-320 ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ПИТАТЕЛЕ МАЛОГАБАРИТНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ
М.Ф. Закиров, В.П. Баранчик
В статье представлены результаты экспериментального исследования на стенде «Грунтовый канал». Определены горизонтальная, вертикальная и продольная составляющие сопротивления резанию и перемещению снега шнековым питателем. Построены графики суммарного сопротивления на рабочем органе в зависимости от частоты вращения питателя и толщины срезаемого слоя снега. Результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации малогабаритных шнекороторных снегоочистителей.
Ключевые слова: сопротивление снега, шнековый питатель, малогабаритный снегоочиститель, стенд, экспериментальное исследование.
Для большинства субъектов Российской Федерации вопросы, связанные с зимним содержанием дорог и территорий, остаются актуальными практически половину календарного года. Своевременное и регулярное проведение работ по уборке снега и борьбе с зимней скользкостью обеспечивает бесперебойное и безопасное передвижение транспортных средств и пешеходов [1, 2]. Особое внимание следует уделять придомовым территориям, прилегающим к многоквартирным жилым домам, территориям общественных зданий и учреждений, остановкам общественного транспорта и т.п., где интенсивность движения достаточно велика, особенно в утренние и вечерние часы [3]. Городские дворовые территории, тротуары и проезды могут составлять до 80% от общей площади жилых районов, а очистка большинства придомовых территорий до сих пор в основном производится дворниками вручную, которые не всегда успевают выполнить весь объем работ вовремя.
Снег является непрерывно изменяющейся средой, механические свойства которого, изменяются в тысячи и более раз под воздействием атмосферных влияний, а также под действием колес транспортных средств, рабочих органов снегоочистителей и интенсивного пешеходного движения [4]. М. Меллор утверждал, что «в инженерной практике не существует другого материала, который обладал бы таким комплексом ставящих в тупик свойств, каким является снег» [5]. Уплотнение снега приводит к значительному увеличению энергоемкости процесса уборки снега и усложнению технологии снегоочистки [6, 7]. Плотность свежевыпавшего снега составляет 70^120 кг/м3, а плотность уплотненного снега может достигать 600^650 кг/м3. При одинаковой производительности снегоуборочных машин на расчистку уплотненного снега потребуется в 30 раз больше энергии, чем на уборку свежевыпавшего снега [8].
Зимнее содержание внутриквартальных проездов, прилегающих придомовых территорий и пешеходных тротуаров с использованием малогабаритных снегоочистителей отличается от зимнего содержания автомобильных дорог многими технологическими и организационными особенностями. Согласно правилам [9], механизированную уборку придомовых территорий допускается проводить при скоростях машин до 4 км/ч, а на тротуарах I класса, к которым относятся дворовые территории, допускается механизированная уборка на повышенных скоростях 7^8 км/ч, при обязательном условии обеспечения безопасности движения пешеходов. Места недоступные для снегоуборочной техники должны убираться вручную до начала работы машин. Работы по укладке снега в валы и кучи должны быть закончены на тротуарах I класса не позднее 6 часов с момента окончания снегопада, однако, фактическое время уборки снега после сильных снегопадов может составлять несколько суток.
В настоящее время малогабаритные шнекороторные снегоочистители все чаще применяются для очистки от свежевыпавшего и наметенного снега плотностью 100^400 кг/м3. Рабочий орган снегоочистителя данного типа состоит из шнекового питателя и лопастного ротора, смонтированных на одноосном самоходном шасси (рис. 1).
Рис. 1. Малогабаритный шнекороторный снегоочиститель
319
