ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ, ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОЦЕССОВ СУШКИ, ХРАНЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ЗЕРНА (СЕМЯН)
LABORATORY PLANT FOR RESEARCH, DEMONSTRATION OF GRAIN (SEEDS) DRYING, STORAGE AND CONDITIONING PROCESSES

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в качестве экспериментального оборудования в научных лабораториях агропромышленного комплекса и пищевых предприятий, а также в качестве учебного оборудования в учебных заведениях.
Известны устройства, например установки типа «вентилируемые закрома» с вертикальной подачей воздуха, в которой воздух подается через перфорированное дно или через систему воздухорапределительных коробов (В.А.Сакун. Сушка и активное вентилирование зерна и зелененных кормов. - М.: Колос, 1974, с.110). Другим известным устройством является бункер активного вентилирования, представляющий собой металлический цилиндр, внутри которого размещена воздухораспределительная труба с отверстиями. Воздух, предварительно подогретый, подается вентилятором в трубу и из нее в массу зерна, засыпанного в цилиндр (Большая советская энциклопедия, издание третье, т.4. М: Советская энциклопедия, 1971, с.599). Известна практическая реализация этого устройства, например, вентилируемый бункер БВ-25, представляющий собой вертикальный цилиндр 2 диаметром 3080 мм с конусообразным дном. Стенки бункера выполнены из штампованной перфорированной стали. Внутри цилиндра по центру вмонтирован цилиндрический воздухораспределитель. В верхней части воздухораспределителя находится конусный распределитель зерна для равномерной загрузки зерном (Мельник Б.Е. Активное вентилирование зерна: Справочник / Б.Е. Мельник. - М.: Агропромиздат, 1986. - 159 с.).
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению относится лабораторная автоматизированная установка сушки зерна, разработанная по заказу Минсельхоза РФ в НИИ сельскохозяйственных приборов в 2003 г. (Отчет (заключительный) о работе, выполненной НИИ «Агроприбор» по теме «Проведение исследований и разработка автоматизированной системы контроля и управления технологией сушки и хранения зерна, обеспечивающей экономию энергозатрат не менее чем на 35%» (контракт №2387 от 20.12.01), Гос регистрации №02200307085).
Установка состоит из биореактора с зерном, датчиков температуры и влажности, размещаемых в нижнем, среднем слое зерновой массы и на ее выходе, тензометрических весов, электрокалорифера с несколькими нагревательными элементами и электровентилятором, блоком реле, датчиками температуры и влажности окружающего воздуха, персонального компьютера. Процесс сушки осуществляется атмосферным воздухом, подогреваемым калорифером при необходимости.
Основными недостатками указанного устройства являются:
- зависимость процесса сушки от параметров наружного воздуха и их влияние на энергосбережение;
- отсутствие возможности проведения исследований влияния активации используемого воздуха (ионизация) на эффективность процессов сушки, кондиционирования и хранения зерна и семян;
- невозможность использования термогравиметрии.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение материальных затрат за счет использования энергосберегающего управления процессами сушки, хранения и кондиционирования зерна (семян) путем активного вентилирования с использованием термогравиметрии вне зависимости от параметров наружного воздуха.
Поставленная задача достигается тем, что лабораторная автоматизированная установка, включающая вентилируемую емкость, датчики температуры и влажности, вентилятор с нагревательными элементами, оснащена силоизмерительными тензорезисторными преобразователями, преобразователями расхода воздуха, первичными преобразователями напряжения сети и потребления тока, которые подключены ко входу информационно-управляющей системы, и системой подготовки воздуха, представляющей собой четыреходовую смесительную камеру, соединенную посредством трехходовых воздушных клапанов с холодными и горячим концами вихревой трубки, третий вход смесительной камеры через заслонку с ручным приводом соединен с атмосферой, а на выходе камеры установлен напорный вентилятор, при этом смесительная камера оснащена генератором влажности и генератором отрицательных ионов, которые вместе с напорным вентилятором и приводом трехходовых воздушных клапанов подключены к выходу компьютерной системы автоматического управления, вход которой соединен с первичными преобразователями.
Предложенная лабораторная автоматизированная установка обладает существенными отличиями, так как других известных технических решений с подобными признаками заявитель не обнаружил.
При осуществлении лабораторной автоматизированной установки, выявленные отличительные признаки в совокупности с известными признаками обеспечивают получение положительного эффекта, заключающегося в следующем:
- возможности выполнения с использованием изобретения научных и лабораторных исследований и учебной демонстрации эффективности автоматизированного энергосберегающего управления процессами сушки, хранения и кондиционирования зерна (семян) методом активного вентилирования;
- использовании информационно-измерительной системы для расчета параметров сушки на основании метода термогравиметрии с целью экономии энергоресурсов и контроля энергозатрат (количество воздуха, затраченного на сушку; затрат электроэнергии на работу вентилятора и калорифера) с целью анализа режимов сушки;
- включении в схему установки системы подготовки воздуха с целью имитации изменения и масштабирования динамики параметров наружного воздуха с дополнительной его ионизацией;
- включении в систему подготовки воздуха вихревой трубки и использовании холодного и горячего выходных потоков воздуха вихревой трубки с целью регулирования температуры воздуха, направляемого в зерновую массу.
Предложенное устройство поясняется чертежами.
На Фиг.1 изображена схема лабораторной автоматизированной установки, на Фиг.2 изображена технологическая схема системы подготовки воздуха Лабораторная автоматизированная установка состоит из:
- вентилируемой емкости 1, в которую засыпается зерно;
- корпуса вентиляционно-калориферной камеры 2, в которой размещаются вентилятор 3 и нагреватели 4;
- системы подготовки воздуха 5;
- первичных преобразователей: температуры 6, 8, 11; влажности 7, 9, 12;
массы зерна 10, расхода воздуха 13, первичных преобразователей напряжения сети и потребления тока 14, 15, включенных в электрическую цепь вентилятора 3 и нагревателей 4, подключенных к компьютерной информационно-управляющей системе 16, предназначенной для сбора информации о температурно-влажностных режимах воздушной среды, изменяющейся массы зерна, затратах электроэнергии на сушку и управления нагревателями и вентилятором в процессе сушки и термогравиметрического расчета продолжительности процесса сушки.
Система подготовки воздуха 5 состоит из:
- воздушного фильтра-осушителя 17 для очистки поступающего воздуха;
- компрессора 18 для создания получения сжатого воздуха;
- манометра 19 для осуществления визуального контроля давления сжатого воздуха;
- ресивера 20 для накопления и хранения сжатого воздуха;
- реле давления 21 для автоматического управления компрессором;
- вихревой трубки 22 для разделения сжатого воздуха на две составляющие: горячую и холодную;
- трехходовых воздушных клапанов 23, 24 для изменения количества горячей и холодной составляющих воздуха; вход каждого клапана соединен с выходом трубки, первый выход - с входом смесительной камеры, а второй выход - с атмосферой;
- привода воздушных клапанов 25 для управления положением трехходовых смесительных клапанов 23, 24;
- смесительной камеры 26, предназначенной для получения воздуха заданной температуры путем смешивания горячей или холодной составляющих воздуха с наружным воздухом, поступающим через воздушную заслонку 27, предназначенной для ручного регулирования количества наружного воздуха, вход которой сообщается с атмосферой, а выход соединен со входом смесительной камеры 26;
- генераторов влажности 28 и отрицательных ионов 29, предназначенных для подачи в смесительную камеру 26 заданного количества воды и отрицательных ионов;
- первичных преобразователей температуры воздуха 30, относительной влажности воздуха 31, концентрации отрицательных ионов 32;
- напорного вентилятора 33 для обеспечения подачи подготовленного воздуха в вентиляционно-калориферную камеру сушилки;
- компьютерной системы автоматического управления 34, на входе которой подключены первичные преобразователи температуры 30, влажности 31 и концентрации отрицательных ионов 32, а выход системы управления подключен к приводу воздушных клапанов 25, генераторам влажности 28 и отрицательных ионов 29 и напорному вентилятору 33.
Работает устройство следующим образом.
Работа устройства начинается с включения и вывода на заданный режим системы подготовки воздуха 5 (Фиг.2). Для этого воздушная заслонка с ручным приводом 27 устанавливается в положение, обеспечивающее получение объема воздуха для сушки зерна, которое определяется технологическими нормами сушки. Затем включается компрессор 18, который заполняет ресивер 20 сжатым воздухом. Очистка поступающего воздуха от пыли и поддержание заданного давления осуществляется воздушным фильтром 17 и реле давления 19. В системе автоматического управления 34 задаются параметры воздушной среды, направляемой на сушку зерна: температура, влажность, концентрация отрицательных ионов.
Сжатый воздух из ресивера 20 поступает в вихревую трубку 22, в которой осуществляется его деление на горячую и холодную составляющую и достижения значения давления соответствующего атмосферному. Соотношение горячей и холодной составляющих устанавливается вручную с помощью регулировочного винта, расположенного на трубке, на основании технической характеристики вихревой трубки и экспериментов.
Холодная и горячая составляющие воздуха через трехходовые воздушные клапаны 23 и 24 поступают в смесительную камеру 26, в которой смешиваются с наружным воздухом, поступающим через воздушную заслонку 27, снабженную ручным приводом. В смесительной камере 26 осуществляется смешивание двух составляющих воздушной среды: наружного воздуха с холодной составляющей или наружного воздуха с горячей составляющей. Измерение параметров осуществляется с помощью первичных преобразователей температуры 30, влажности 31 и концентрации отрицательных ионов 32, которые подключены на вход системы автоматического управления 34. Включение напорного вентилятора 33 осуществляется системой автоматического управления 34 при ее включении.
Регулирование заданных значений температуры, влажности и концентрации отрицательных ионов осуществляется системой автоматического управления 34 путем изменения положения привода воздушного клапана 25, воздействующего на положение заслонок трехходовых воздушных клапанов 23, 24, и включением или отключением генераторов влажности 28 и концентрации отрицательных ионов, 29. Система автоматического управления 34 оповещает сигналом о соответствии параметров воздушной среды заданным условиям.
Излишки холодной и горячей составляющих воздуха, поступающего в смесительную камеру 26 из вихревой трубки 22, поступают через отверстие, сообщающееся с атмосферой трехходовых воздушных клапанов 23 и 24.
Напорный вентилятор 33 обеспечивает тягу наружного воздуха через заслонку 27, смешивание двух составляющих воздушной смеси и напор воздуха в сушилку через воздухопровод.
При получении сигнала системы автоматического управления 34 о готовности воздуха заданным параметрам в вентилируемую емкость 1 зерносушилки (Фиг.1) засыпается зерно, включается информационно-управляющая система 15, задается масса зерна, при которой необходимо закончить сушку. Расчет массы осуществляется по формуле:
,
где М - масса зерна, высушенного до заданной относительной влажности;
W - заданная относительная влажность зерна, %;
вл
М - масса влажного зерна.
Затем информационно-управляющая система 15 осуществляет процесс управления сушкой путем измерения массы зерна с помощью первичного преобразователя 10 и сравнения его с заданным значением, записанным в информационно-управляющей системе 15. При достижении массы зерна заданного значения вентилятор 3 и калорифер 4 отключаются и процесс сушки завершается.
В процессе сушки информационно-управляющая система 15 регистрирует затраты электроэнергии, потребляемой вентилятором 3 и нагревателем 4, а также значение следующих параметров:
- температуру и влажность воздушной среды, направляемой на сушку;
- температуру и влажность зерновой массы;
- температуру и влажность на выходе сушилки
- затраты воздуха на процесс сушки.
С помощью первичных преобразователей температуры 6, 8, 11 и влажности 7, 9, 12 регистрируются соответствующие значения в различных точках вентилируемой емкости и на ее входе. С помощью первичных преобразователей тока и напряжения 14, 15 вычисляются затраты электрической мощности. Полученные результаты сопоставляются с данными расхода воздуха, регистрируемыми с помощью первичного преобразователя расхода воздуха 13. По сравнению с прототипом предложенное устройство позволит:
- осуществлять процесс сушки и активного вентилирования зерна с использованием метода термогравиметрии в автоматических условиях и независимо от внешних условий путем физического моделирования параметров наружного воздуха;
- отслеживать динамику процесса сушки и регистрацию энергозатрат;
- минимизировать расход энергии на вентилирование и нагрев зерна за счет снижения подачи воздуха в заключительной стадии процесса.
Важным результатом применения изобретения будут являться материалы экспериментальных исследований, необходимые для проектирования производственных систем сушки зерна активным вентилированием, а также их использование в качестве учебного пособия в сельскохозяйственных и технологических ВУ3-ах и средних учебных заведениях, курсах повышения квалификации специалистов сельского хозяйства.