Имитационное моделирование процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения

Выводы

1. Сушка зерна - сложный нестационарный нелинейный динамический процесс с распределенными по длине, высоте и ширине сушильной камеры параметрами.

2. Зерно, как объект сушки, представляет собой коллоидное капиллярно-пористое тело сложной структуры.

3. Для учета требований сбалансированности и особенностей процесса сушки зерна необходимо руководствоваться 33 основными принципами, приведенными выше, которые позволяют интенсифицировать взаимодействие сушильного агента с зерновым материалом, в том числе и за счет совершенствования систем воздухораспределения, внутриконструкционных и системообразующих элементов и повышения степени их взаимного соответствия и согласования.

4. В сушилках с равномерным распределением теплоносителя и интенсивным перемешиванием зерна в зонах сушки можно повысить средние значения температуры и скорости движения теплоносителя, что, в конечном счете, обеспечивает интенсификацию процесса сушки зерна.

Литература

1. Зерносушение и зерносушилки I В.И. Жидко, В.А. Резчиков, В.С. Уколов. - M.: Колос, 1982. - 239 с.

2. Цугленок, Н.В. Теоретические основы интенсификации процесса сушки зерна I Н.В. Цугленок,

С.К. Манасян II Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. I Краснояр. гос. аг-рар. ун-т. - Красноярск, 2005. - C. 134-135.

3. Манасян, С.К. К построению обобщённой математической модели процесса сушки зерна I С.К. Манасян II Селекция, биология и агротехника сорго: сб. науч. тр.! ВНИПТИMЭСХ, ВНИИ сорго. - Зерноград:

nMr ВНИП^ЭСХ, 1984. - С.114-122.

4. Mатематическое моделирование процесса сушки зерна в плотном подвижном слое I С.К. Манасян, Л.В. Колесов, Г.А. Кореньков [и др.] II Mатематическое моделирование уборочно-транспортных процессов: сб. науч. тр. I ВНИП^ЭСХ. - Зерноград: nMr ВНИП^ЭСХ, 1986. - С.166-172.

5. Лыков, А.В. Теория сушки I А.В. Лыков. - M.: Энергия, 1968.

---------♦'-----------

УДК 631.563.2 С.К. Манасян

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА В ЗЕРНОСУШИЛКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В статье приведены основные положения и результаты имитационного моделирования процессов сушки зерна в шахтных, барабанных, камерных и бункерных сушилках многозонного типа.

Одной из важнейших задач, обеспечивающих устойчивое развитие страны и ее продовольственную безопасность, является увеличение производства зерна, сокращение потерь на всех стадиях его производства. Эта задача должна решаться не только путем увеличения валового сбора, но и улучшения качества послеуборочной обработки, так как качество зерна - второй урожай. Более половины собранного урожая остается в сельском хозяйстве, поэтому особое значение имеет сушка, которая является наиболее узким местом в послеуборочной обработке зерна для Восточной Сибири и других зон повышенного увлажнения. Она позволяет не только сохранить огромный объем продукции, но при правильной организации и выборе режимов повысить качество просушиваемого зернового материала.

Однако в настоящее время при наличии большого (но далеко не достаточного) количества зерносушилок (значительная часть которых устарела как физически, так и морально) на сельскохозяйственных предприятиях различных типов они не всегда эксплуатируются в оптимальных режимах, вследствие чего расход топлива оказывается выше, а производительность сушилок ниже паспортных. Не удовлетворяются также и другие целевые функционалы процесса сушки - качественные характеристики зерна на выходе су-

шилок не всегда удовлетворяют агротехническим требованиям для шахтной, барабанной и других типов зерносушилок. В большом диапазоне изменяются значения частных критериев эффективности процесса сушки зерна по затратам теплоты на испарение условной влаги и удельному расходу условного топлива на плановую тонну не только для зерносушилок различных типов, но и внутри одного типа.

В результате анализа функционирования различных по конструкционным особенностям сушильных устройств, предназначенных для сушки зерна, выявлено, что необходимо в первую очередь конструкционно предусмотреть и в практических условиях режимно обеспечить сбалансированность основных составляющих технологического процесса, связанных с взаимодействием зерна с тепловой и охлаждающей энергией. Перспективными направлениями, позволяющими обеспечить соблюдение вышеуказанных принципов, являются:

- использование позонного способа сушки, предусматривающего дифференцированные режимы, распределенное управление процессом и блочно-модульную конструкцию зерносушилок с разными типами внутриконструкционных элементов отдельных блоков и раздельной напорно-распределительной системой отдельных модулей;

- применение системообразующих элементов сушильных установок (внутренних и внешних).

Только при полной сбалансированности взаимодействия зерна с агентами сушки от момента их поступления во внутреннюю часть сушильных устройств до выхода готовой продукции на склад можно в результате получить необходимую по качеству кондиционность зерна. В качестве агентов выступают теплоносители, влагопоглотители, нагретые поверхности и другие носители тепловой и охлаждающей энергии, а также инверторы для обеспечения механической диффузии, перемешивания, отлежки и отволаживания зерна; вибраторы для разрыхления и псевдоожижения зернового слоя; нагнетающие камеры-скаты; задерживающие элементы; козырьки-отбойники, разветвленные и совмещенные элементы воздухораспределительной, слоеформирующей, перемешивающей, вибрационной систем и другие внутренние системообразующие элементы, позволяющие в совокупности устранить противоречия между эффективными (т.е. наиболее интенсивными и при этом сохраняющими требуемые качественные показатели) и практически реализованными (в существующих конструкциях зерносушилок) параметрами и режимами процесса сушки.

При этом требуется строго соблюдать необходимую скорость и режим продвижения зерна (которые находятся в прямой зависимости от различных внутренних конструкционных особенностей сушильных устройств), а также температурный и динамический режимы кондуктивно-конвективной энергии (которые зависят от конструктивных особенностей воздухораспределительной системы и других источников создания и использования сушащего потенциала), воздействующей на сушимый зерновой материал. Эти две группы важнейших факторов - параметры внутриконструкционных элементов и режимы воздухораспределительной системы - могут быть не только приведены в соответствие друг с другом, но и совмещены с использованием принципов многофункциональности и синергизма. В своей системной совокупности они определяют основные показатели физико-механической (тип слоя, толщина слоя, перемешиваемость зерна в слое), теплофизической (теплопроводность и температуропроводность слоя) и тепломассообменной (скорость сушки, потенциал тепломассопереноса) оценки эффективности процесса сушки зерна.

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

Целью работы, проводимой в соответствии с координационным планом СО РАСХН (тема 09.02.07), является разработка имитационных моделей процессов сушки зерна для снижения энергозатрат в зерносушилках сельскохозяйственного назначения.

В настоящее время используются различные технологические схемы послеуборочной обработки зерна. Наиболее эффективная поточная технология в условиях зон повышенного увлажнения не всегда реализуема из-за низкой интенсивности процесса сушки в зерносушилках сельскохозяйственного назначения, не позволяющей за однократный пропуск зерна достижение кондиционной влажности. Это приводит к наруше-

нию поточности процесса и к замене его на циклический, в результате значительно снижаются показатели экономической, технической и технологической эффективности. Для обеспечения поточности процесса сушки зерна необходимо предусмотреть ряд технологических мероприятий, обеспечивающих устойчивое функционирование зерносушильного оборудования с учетом скачкообразного и динамического характера изменения начальных параметров зернового материала. Поэтому для обеспечения гибкости техникотехнологических показателей необходимо разработать модели, имитирующие процесс сушки зерна и позволяющие в должной мере оперативно реагировать на изменение условий функционирования путем варьирования значений режимных и конструктивных параметров [1].

Рассмотрены основные методы и направления совершенствования процесса сушки зерна в сушилках сельскохозяйственного назначения с целью повышения производительности сушилок, оптимизации конструктивных параметров и создания систем автоматического управления процессами с учетом поточной технологии. Решение этих вопросов невозможно без детального изучения особенностей процессов, происходящих в сушильной камере; характеристик зернового материала, поступающего в сушилку; условий их функционирования и идентификации сушильных камер как объектов управления [2].

В результате проведенного теоретического анализа [3-4] выявлена необходимость системного моделирования, создания комплексной системы управления и контроля распределенными, динамически изменяющимися параметрами процесса сушки зерна на основе системы имитационных моделей.

На основе разработанной методологии моделирования построена трехуровневая имитационная модель процесса сушки зерна, позволяющая ставить и решать задачи контроля и мониторинга, оценивания и управления принятия решений и оптимизации.

С целью возможности повышения эффективности зерносушилок нами предложена методология построения многоуровневой общей аналитико-имитационной математической модели процесса сушки зерна и на ее основе с использованием многоступенчатой процедуры идентификации разработана методика построения математической модели сушильной камеры зерносушилки конкретного типа.

На процесс сушки зерна в сушильных установках сельскохозяйственного назначения в режиме их нормального функционирования влияют многочисленные факторы. Некоторые из них являются общими для всех сушильных установок. Степень влияния одного и того же фактора на процесс сушки в зерносушилках разных типов различна. Функционирование зерносушилки сельскохозяйственного назначения можно рассматривать как реакцию на входные внешние возмущения и управляющие воздействия, то есть сушильную камеру можно представить в виде динамической системы с оператором А (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема сушильной камеры зерносушилки сельскохозяйственного назначения

В результате идентификации имитационной модели процесса сушки зерна получили нелинейную систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих результирующую динамику процесса сушки:

'її

> і

і -

дв ТГ дв — + V— дt дх

г  К

в

I +

т

К,с(1 + Ку,  Кв  1)(Т-в).

100с Rс

Численная реализация модели (1)-(2) доказывает способность модели производить имитацию самых различных типов динамического поведения, имеющих место в практике зерносушения и связанных, с одной стороны, с типом, видом и конструкцией сушилки и видом, сортом и назначением сушимого зернового материала - с другой. Указанные две группы обстоятельств совместно проявляются на наборе функциональных

а) б)

Рис. 2. Результаты численного эксперимента на основе имитационной

модели при различных наборах (КС, К V, Кв) коэффициентов:

а) 1 - К са = 0,25, Куа = 0,9, Кр = 0,024, 2 - К Са = 0,10, Каа = 0,7, Кр = 0,030; 3 - Кса = 0,20, Ка = 0,8, Кв = 0,036;

б) 1 - Кса = 0,30, Ка = 1,1, Кв = 0,040, 2 - Кса = 0,08, К¥а = 1,7;

Кв = 0,035; 3 - КС = 0,09, Ку„ = 1,6, Кв = 0,031

В результате реализации предложенной схемы имитационного моделирования процесса сушки зерна и решения задач по выбору оптимальных конструктивных параметров для зерносушилок шахтного, бункерного, камерного и барабанного типов нами разработаны следующие модели сушилок многозонного типа (рис. 3-9).

Рис. 3. Позонная шахтная зерносушилка с зонами Рис.4. Бункерная зонная зерносушилка

отлежки

Рис. 5. Шахтная секционно-ярусная Рис. 6. Шахтная ярусная сушилка

сушилка

Рис. 7. Конвективно-кондуктивная Рис. 8. Камерная сушилка

многоярусная сушилка

1

Рис. 9. Барабанная сушилка

Представленные модели зерносушилок сельскохозяйственного назначения наглядно демонстрируют основные направления развития зерносушильной техники, ориентированные на использование позонного способа сушки и варианты реконструкции существующих конструкций на зерносушилки многозонного типа.

На рис. 3-9 приняты следующие обозначения:

1 - зоны сушки; 2 - зоны отлежки с устройством для перемешивания зерна; 3 - шахта сушилки; 4 - загрузочный бункер; 5 - выпускной аппарат; 6 - подводящий диффузор; 7 - поворотный скат; 8 - вибратор магнитно-импульсного действия; 9 - выпускная заслонка; 10 - подающий транспортер; 11 - электродвигатель; 12 - сушильный барабан; 13 - козырек-отбойник; 14 - механизм регулирования воздухораспределения.

На каждую из представленных конструкций сушильных установок поданы заявки на изобретение (Заявка № 2007.113299 на изобретение. Зерносушилка / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Н.В. Демский. Приоритет от 12.04.2007 г.; заявка № 2008.101301 на изобретение. Бункер активного вентилирования зерна / Н.В. Цугленок, О.В. Пиляева, Н.В. Демский, С.К. Манасян. Приоритет от 22.01.2008 г.; заявка № 2008.110205 на изобретение. Бункер активного вентилирования зерна / Н.В. Цугленок, О.В. Пиляева, Н.В. Демский, С.К. Манасян. Приоритет от 25.02.2008 г.; заявка № 2007.122220. Зерносушилка / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян,

Н.В. Демский, В.М. Усольцев. Приоритет от 13.06.2007 г. и др.), причем на первые две заявки принято положительное решение о выдаче патента.

Для предлагаемой барабанной зерносушилки (рис. 10) при повышении начальной влажности зерна на 1% (верхний ряд графиков) оказывается возможным увеличение влагосъема на 1,2% (левая колонка графиков) при повышении температуры зерна на 10С (средняя колонка графиков) и незначительном повышении температуры агента сушки на 1,50С (правая колонка графиков). При повышении начальной температуры на 10С (второй ряд графиков) влагосъем возрастает на 1,06% по сравнению с номинальным значением, температура отработавшего агента сушки повышается на 1,75%. И, наконец, при повышении входной температуры агента сушки на 10С (нижний ряд графиков) температура его на выходе превосходит номинальную всего на 0,20С (третья колонка), температура зерна на выходе повышается на 0,60С по сравнению с номинальным значением (средняя колонка), а влагосъем на выходе превышает номинальное значение на 1,03%.

Рис. 10. «Вход-выходные» соотношения в барабанной зерносушилке в виде переходных процессов

по различным каналам связи

Для предлагаемой шахтной зерносушилки анализ режимных параметров оптимального процесса сушки в первой зоне показывает, что одновременное изменение их - увеличение Ь, V, Д0 - способствует быстрому нагреву зерна в виде жидкости (ее содержание в зерне зависит от начальной влажности), а также к некоторому (зависящему от УН - Уопт) увеличению степени перемешивания зерна.

Следовательно, одновременное изменение этих параметров не приводит к нежелательным явлением, которые имели бы место при таком изменении каждого из них в отдельности (т.е. к перегреву, увлажнению, недосушиванию или пересушиванию).

Некоторые реализации процессов в виде трехмерных поверхностей отклика на действующие факторы (начальная температура зерна и сушильного агента, начальная влажность зерна, частота колебаний рабочего органа выпускного аппарата) приведены на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость температуры нагрева зерна в первой зоне: а) от температуры теплоносителя и частоты колебаний рабочего органа выпускного аппарата; б) от начальной влажности и частоты колебаний рабочего органа выпускного аппарата; в) от начальной температуры зерна и температуры теплоносителя:

в1 = 15,2965 + 0,62726 Ж 2 + 1,75263 ю 2 - 0,68124 Жю + 0,70867 Ж - 2,94644 ю

Рис. 12. Зависимость температуры нагрева зерна во второй зоне: а) от температуры теплоносителя и частоты колебаний рабочего органа выпускного аппарата; б) от начальной влажности и частоты колебаний рабочего органа выпускного аппарата; в) от начальной температуры зерна и температуры теплоносителя:

в2 = 31,0195 + 0,67765 W + 1,66376 о + 0,38783 W 2 - 0,93756 а 2

Поверхности, реализующие процесс сушки в первой зоне, говорят, что температура нагрева зерна (рис. 11) в первой зоне прямо пропорциональна начальной температуре зерна, зависимость близка к линейной. Это можно объяснить тем, что в этой зоне большая часть теплоты расходуется на нагрев зерна при небольшом влагосъеме. При этом процесс влагосъема в пределах исследуемой области значений протекает по зависимости, близкой к линейной.

Поверхности, реализующие процесс сушки (нагрев) (рис. 12) во второй зоне, имеют явно выраженную оптимума (минимума), которая проецируется на плоскость (Щ0,в0) фактически по линии W0 = 0 и в0 = 0.

Данная линия представляет собой область оптимальности, в которой нагрев зерна минимальный и, следовательно, практически вся теплота идет на испарение влаги. При отклонении параметров от области оптимальности нагрев зерна резко возрастает. Закономерность изменения влагосъема в этой зоне имеет также оптимальный (наиболее интенсивный) характер, аналогичный предыдущей зоне. Это стало возможным благодаря дифференцированию режимных параметров и оптимизации температуры нагрева зерна по зонам сушильной камеры.

Поверхности, реализующие процесс сушки в третьей зоне, характеризуются тем, что кривизна поверхности нагрева связана, главным образом, с параметром начальной влажности. Зависимость влагосъема

аналогична зонам 1-2 и носит линейный характер. Это подтверждает правильность принятых теоретических предположений об оптимальности предлагаемого позонного способа сушки.

Выводы

1. Разработана общая многоуровневая имитационная модель процесса сушки зерна в слое с различным состоянием зернового материала.

2. Разработаны методы построения обобщенных моделей позонной сушки для разных типов зерносушилок и их настройки для осуществления технологических процессов с заданными условиями однозначности.

3. Проведены исследования по имитации и управлению процессом сушки зерна в режиме реального времени.

4. Предложены модели и конструкции новых зерносушилок и варианты реконструкции существующих зерносушилок шахтного, бункерного, камерного и барабанного типов, позволяющих практически реализовать разработанные методы и режимы позонной сушки зерна.

Литература

1. Манасян, С.К. Моделирование уборочно-транспортного комплекса и послеуборочной обработки зерна как взаимосвязанных звеньев в сложной агропромышленной системе / В.А. Золотухин, С.К. Манасян, А.В. Мержеевский // Вестн. с.-х. науки. - 1989. - № 1. - С. 19-23.

2. Манасян, С.К. Моделирование и интенсификация процесса сушки зерна / С.К. Манасян // Механизация уборки, послеуборочной обработки и хранения: мат-лы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. «Земледельческая механика в растениеводстве» (г. Москва, 17-18 декабря 2003 г.). - М., 2003. - Т.148. - С.216-225.

3. Манасян, С.К. Синтез сушильной камеры шахтной зерносушилки как объекта управления / С.К. Манасян // Вестн. КрасГАУ. - 2004. - №4. - С. 151-156.

4. Цугленок, Н.В. Аналитическое описание кривых сушки зерна в плотном слое / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Г.И. Цугленок // Вестн. КрасГАУ. - 2004. - № 4. - С. 156-159.

---------♦'-----------