Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров охладителя зерна бункерного типа

УДК 664.723.047

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ ЗЕРНА БУНКЕРНОГО ТИПА

Игорь Борисович Зимин, к. техн. наук, доцент Игорь Николаевич Иванов, магистрант

ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки

Одним из важных требований в технологии сушки зерна является снижение его температуры после сушки до значений, не превышающих температуру атмосферного воздуха более чем на 10 оС. Для соблюдения указанного требования необходимы высокоэффективные охладительные устройства, способные обеспечить снижение температуры зерна с наименьшими энергозатратами и без нарушения поточности технологической линии зерно-очистительно-сушильного комплекса.

Результаты испытаний показывают, что практически ни на одном из типов применяемых зерносушилок не удается достигнуть требуемого инструкцией предела охлаждения зерна.

Среди всего многообразия охладителей зерновой массы предпочтение следует отдавать тем конструкциям, которые способны работать в выносном варианте.

В настоящее время возникает необходимость в разработке эффективной методики расчета процесса охлаждения зерна после сушки, основанной на широком научном поиске и изыскании возможностей учета всех необходимых факторов, способных влиять на зерновой материал в процессе охлаждения.

Главной задачей при расчете процесса охлаждения является вывод уравнения температурной кривой. Для решения указанной задачи может быть использовано дифференциальное уравнение теплообмена. Данное уравнение может быть составлено без учета испарения влаги в процессе охлаждения.

Теоретические предпосылки показали, что основным показателем, определяющим интенсивность охлаждения зерна, является удельная подача охлаждающего воздуха. Для увеличения данного показателя нами предлагается установка в кольцевом пространстве охладителя бункерного типа воздухораспределительных коробов. Наиболее рациональной схемой в этом отношении является поярусное размещение коробов в шахматном порядке. Это позволит в значительной степени увеличить количество воздуха, подаваемого в зерновую массу, тем самым сократить время охлаждения зерна, а следовательно, и энергозатраты на привод вентилятора охладителя зерна бункерного типа.

Ключевые слова: охлаждение зерна, на, бункерный охладитель, расход воздуха.

Действующей инструкцией по сушке зерна предусмотрено снижение его температуры после сушки до

охладительные устройства, температура зер-

значений, не превышающих температуру атмосферного воздуха более чем на 10 оС [3]. Такое жесткое тре-

33

бование обусловлено необходимостью сохранения качественных показателей семян при их закладке на длительное хранение. Для соблюдения указанного требования необходимы высокоэффективные охладительные устройства, способные обеспечить снижение температуры зерна с наименьшими энергозатратами и без нарушения поточности технологической линии зерноочи-стительно-сушильного комплекса (ЗОСК).

Результаты испытаний сушилок показывают, что температура зерна после охлаждения нередко превышает температуру наружного воздуха на 15-30 °С, т.е. практически ни на одном из типов применяемых зерносушилок не удается достигнуть требуемого инструкцией предела охлаждения зерна [4].

Среди всего многообразия охладителей зерновой массы предпочтение следует отдавать тем конструкциям, которые способны работать в выносном варианте, отдельно от зерносушильного агрегата [2]. В этом случае появляется возможность:

- увеличить пропускную способность сушильного оборудования на 25-30% (например, в шахтных зерносушилках);

- реализовать отлежку зерновой массы перед охлаждением;

- обеспечить сушку и охлаждение зерна без нарушения поточности технологической линии зерноочи-стительно-сушильного комплекса (ЗОСК).

В полной мере реализовать указанные преимущества способны установки бункерного типа как наиболее универсальные и широко применяемые в сельскохозяйственном производстве [7].

Вследствие очевидных преимуществ выносных вариантов охладителей зерна бункерного типа возникает необходимость в разработке эффективной методики расчета процесса охлаждения зерна после сушки, основанной на широком научном поиске и изыскании возможностей учета всех необходимых факторов, способных влиять на зерновой материал в процессе охлаждения.

Главной задачей при расчете процесса охлаждения является вывод уравнения температурной кривой, характеризующей изменение во времени текущей температуры зерна в зависимости от других параметров процесса. Уравнение температурной кривой является исходным для нахождения времени потребного для охлаждения зерна, а следовательно, и требуемой емкости охладительного устройства [1].

Для решения указанной задачи может быть использовано дифференциальное уравнение теплообмена:

О

---с3 • йи = а-{и- ^)• йт

¥

где а - коэффициент теплоотдачи от зерна к охлаждающему воздуху, ккал/м2оС;

р - температура зерна, оС;

ёи - изменение температуры зерна за время ёт, оС;

1 - температура охлаждающего воздуха, оС;

в

— - вес зерна, приходящийся на

Г

1 м2 поверхности теплообмена, кг/м2;

сз - теплоемкость зерна, ккал/ кгоС.

Решение уравнения (1) связано с необходимостью экспериментального определения коэффициента а, в процессе которого неизбежны значительные погрешности вследствие ошибок в определении температурного напора. Поэтому для вывода уравнения температурной кривой нами используется дифференциальное уравнение теплового баланса при охлаждении, которое для 1 кг материала имеет вид:

-Сз • аи= С в • ьа-

— I

где св - теплоемкость охлаждающего воздуха, ккал/ кгоС. Ь0 - удельная подача охлаждающего воздуха на 1 кг зерна в охладительном устройстве, кг/кгчас; 10 - начальная температура охлаждающего воздуха, °С; 170 - температура охлаждающего воздуха на выходе из охладительного устройства, °С.

Уравнение (2) составлено без учета испарения влаги в процессе охлаждения. Это вполне допустимо, так как снижение влажности зерна в охладительных устройствах обычно не превышает 0,5% и погрешности в расчете температуры зерна, обусловленные этим допущением, не выше 1 -2 °С.

Известно, что при тепловом взаимодействии газа со слоем сыпучего материала температуры материала и отработанного газа достаточно близки.

Принимая в соответствии с этим ^«и, имеем:

-сз • ао = св • ьа-

Решение уравнения (3) имеет

вид:

• Ьот = - 1п (и-10)+ С

Исходя из начальных условий т=0, и=и2, получим значение постоянной интегрирования:

С = 1п

где и2 - температура зерна до охлаждения (после сушки), °С.

Отсюда имеем: С. • ь т = 1п

и -1„

Преобразуя выражение (6), получим уравнение температурной кривой при охлаждении:

и

к+1

(и2 - 10 )• ^

-Св• Ь -т

В соответствии с этим время, потребное для охлаждения зерна (т, ч) в заданных пределах изменения температуры, может быть найдено по формуле:

т = •

с • Ь

в о

• 1п

и3 - :с

где и3 - температура зерна после охлаждения, °С.

Обозначим через G потребную емкость охладителя, через G2 - пропускную способность охладителя, а через Q - расход охлаждающего

с

в

с

з

с

з

с

з

воздуха. В этом случае, заменяя Т = О и К = р, получим формулы

для нахождения:

а) зерновой емкости охладите-

ля

О = с^ • 1п Р^о

с • К

рз - го

б) требуемого расхода охлаждающего воздуха

а=• 1п

рз- го

Максимальные значения р2 и р3 регламентируются агротехническими требованиями на проектирование зерносушилок. В нашем случае р2=40 оС и р3=15 оС. Принимая теплоемкость атмосферного воздуха св=0,24 ккал/кг°С, теплоемкость зерна при его влажности 14%: с3=0,46 ккал/кг°С, температуру атмосферного воздуха го=5 °С и подставляя указанные значения в (8), (9) и (10), получим упрощенные расчетные зависимости, которые могут быть использованы при проектировании охладительного устройства зерносушилки

а) время, потребное для охлаждения зерна 2,4

т =

К

б) зерновая емкость охладите-

ля

О = 2,4 •

К

в) требуемый расход охлаждающего воздуха

е=2,4 • О2

Из вышеприведенных зависимостей видно, что основным показателем, определяющим интенсивность охлаждения зерна, является удельная подача охлаждающего воздуха Ьо. Увеличение последней приводит к сокращению потребного времени охлаждения, а следовательно, к уменьшению зернового объема охладителя и его веса. При неизменной емкости охладителя ключевым фактором, способствующим увеличению удельной подачи охлаждающего воздуха Ьо, является расход охлаждающего воздуха - р.

Для повышения расхода воздуха, подаваемого в зерновую массу, учеными и практиками сельскохозяйственного производства предлагаются такие направления модернизации установок бункерного типа, как применение сборного двухсекционного (с разным диаметром) воздухораспределителя, использование дополнительного воздуховода вместе с основной центральной трубой, применение внутренней спиралевидной трубы, установка воздухораспределительных коробов без использования центральной воздухораспределительной трубы. Рассматриваемые технические решения имеют ограниченную область применения и связаны со сложностью изготовления и монтажа предлагаемых конструктивных элементов установок бункерного типа в случае их модернизации.

Для повышения расхода воздуха, подаваемого в зерновую массу при ее охлаждении, нами предлага-

с

в

ется ряд технических решений [5, 6], основной идеей которых является установка в кольцевом пространстве охладителя бункерного типа воздухораспределительных коробов. Наиболее рациональной схемой в этом отношении является поярусное размещение коробов в шахматном порядке.

В результате совершенствования конструктивной схемы охладителя зерна бункерного типа появляется возможность при неизменной

скорости воздуха в центральной воздухораспределительной трубе охладителя увеличить коэффициент живого сечения перфорированной поверхности воздухораспределительной трубы. Это позволит в значительной степени увеличить количество воздуха, подаваемого в зерновую массу, тем самым сокращая время охлаждения зерна, а следовательно, и энергозатраты на привод вентилятора охладителя зерна бункерного типа.

Библиографический список

1. Волхонов М.С. Повышение эффективности сушки и охлаждения зерна на базе установок активного вентилирования: монография / М.С. Волхонов, И.Б. Зимин. - Караваево: Костромская ГСХА, 2014. - 164 с.

2. Зимин И.Б. Анализ основных направлений интенсификации процесса охлаждения просушенной зерновой массы в охладительных устройствах плотного и гравитационно-движущегося слоя / И.Б. Зимин, Д.В. Орлов // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - №3. - C.21-27.

3. Малин Н.И. Энергосберегающая сушка зерна / Н.И. Малин. - М.: КолосС, 2004. -240 с.

4. Никулин Е.И. Способы повышения эффективности охлаждения зерна в шахтных зерносушилках / Е.И. Никулин // Теория и техника сушки зерна: сб. науч. тр. / ВНИИЗ. - М., 1970. - Вып. 70. - C.203-208.

5. Патент на полезную модель 68479 РФ. Вентилируемый бункер для зерна / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин, Н.А. Королёв; Костромская гос. с.-х. академия. -№2007122637/22; заявл. 15.06.2007; опубл. 27.11.2007.

6. Патент на изобретение 2601778 РФ. Бункерное устройство для сушки и активного вентилирования сыпучих материалов / Н.М. Андрианов, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин, Мэй Шуньчи, А.В. Баранов, А.В. Николаенок, Ли Джен; Костромская гос. с.-х. академия. -№2014148350/06; заявл. 01.12.2014; опубл. 27.11.2007.

7. Щепилов Н.Я. Проектирование поточных линий и зерноочистительно-сушильных комплексов / Н.Я. Щепилов. - Великие Луки: ИЦ ВГСХА, 1999. - 180 с.

E-mail: igzimin@yandex.ru

182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА

Тел.: +7 (81153) 7-16-22