Введение к работе
Актуальность темы. В связи с аномальными погодными условиями и в результате человеческого фактора увеличилось число лесных пожаров. По данным Росстата, за последние два десятилетия произошло 563 тыс. возгораний, в результате которых пострадало 27750 тыс. га лесных земель и сгорело 770 млн. м лесных пород. В 2012 г. в Российской Федерации утверждена государственная программа «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы». Задача программы - разработка комплекса мер по защите и восстановлению лесов.
Одним из этапов лесовосстановления является подготовка лесосеменного сырья, включающая в себя заготовку, переработку, сушку и хранение семян лесных культур.
Сушка - основной технологический процесс по приведению семян в устойчивое при их хранении состояние. Удаление избыточной влаги из лесосеменного сырья гарантирует надежную сохранность семян в течение длительного времени. В свою очередь, сушка является одним из самых энергоемких процессов, поэтому в условиях постоянного удорожания энергоресурсов проблема энергосбережения в установках, осуществляющих сушку, становится особенно актуальной.
В рыночных условиях следует уделять внимание и качеству конечного продукта. Однако при высоких издержках рассматриваемого процесса не удается избежать низкого качества высушиваемого материала, поскольку зачастую используются морально и физически устаревшие сушильные установки.
Одним из способов, позволяющих существенно снизить эксплуатационные затраты процесса сушки и получить высококачественный продукт, является технология сушки с использованием тепловых насосов. Принцип работы большинства тепловых насосов основан на последовательном осуществлении механической работы или химических реакций рабочим телом. Тепловые насосы таких видов содержат электромеханические устройства, подверженные изнашиванию, а также теплообменные аппараты, использующие хладагенты в качестве рабочего тела, что накладывает дополнительные условия при их эксплуатации.
В связи с этим необходимой и актуальной является разработка установки для сушки лесосеменного сырья с учетом вышеперечисленных факторов.
Объект исследования - процесс сушки лесосеменного сырья при температурах 35 - 55 С в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.
Предмет исследования - тепломассообмен в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта.
Цель работы - разработка конструкции установки конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрических модулей, обеспечивающей высокое качество семян для проведения лесовосстанови-тельных работ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели для исследования влияния термоэлектрического эффекта Пельтье на нагрев и охлаждение сушильного агента с последующим его использованием для сушки лесосеменного сырья.
-
Исследование влияния технологических параметров сушки на качество лесосеменного сырья.
3. Разработка технологического процесса сушки лесосеменного сырья
в установке конденсационного типа с применением термоэлектрического
эффекта.
4. Разработка конструкции установки.
5. Разработка практических рекомендаций по применению установки
конденсационного типа в промышленности и учебном процессе.
Методы и средства исследований. Поставленные задачи решались путем проведения численных экспериментов на основе разработанной математической модели и их подтверждением экспериментальными данными, полученными на макете разработанной установки. В работе использованы основные теоретические положения электротехнологических процессов, физики полупроводников и теоретических основ электротехники, а также методы компьютерного моделирования на базе программных сред COMSOL Multiphysics, MathCad. Измерения температурного режима проводились цифровым термометром MS-6500 (погрешность измерения ±2,25 %); массы образцов - электронными весами ВК - 600.1 (погрешность измерения ±0,1 г).
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена при термоэлектрическом нагреве и охлаждении сушильного агента и процесса сушки лесосеменного сырья.
-
Установлено, что применение термоэлектрических насосов в установке конденсационного типа позволяет осуществлять процесс сушки материалов при температуре сушильного агента в диапазоне 35-55С.
-
Исследовано влияние тепломассообмена в процессе сушки лесосеменного сырья на качество получаемого продукта и получены экспериментальные данные, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.
-
Разработаны технологический процесс сушки лесосеменного сырья и конструкция установки конденсационного типа с применением термоэлектрического эффекта для его осуществления.
Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:
1. Математическая модель взаимосвязанных процессов тепломассообмена
и термоэлектрического эффекта, протекающих в электротехнологической уста
новке конденсационного типа, описывающая процесс сушки лесосеменного
сырья.
2. Конструкция электротехнологической установки конденсационного
типа с применением термоэлектрического эффекта, позволяющая осуществлять
процесс сушки лесосеменного сырья при температурах сушильного агента 35 -
55 С.
3. Режим сушки семян сосны массой 100 кг и начальной влажностью 25 % при температуре сушильного агента 55 С, позволяющий достичь конечной влажности продукта 7% за 8 часов при силе тока в нагревательной и конденсационной камерах 25 и 20 А соответственно.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана электротехнологическая установка конденсационного типа для сушки лесосеменного сырья с применением термоэлектрического эффекта, эксплуатация которой в лесных хозяйствах позволит осуществлять работы по лесовосстановлению.
-
Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих электротехнологических установок для сушки материалов, требующих на выходе высокое качество готового продукта.
-
Полученные в работе закономерности и результаты исследований использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата и методов математического моделирования. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей физических процессов подтверждается результатами экспериментальных исследований на макете установки.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:
научно-испытательным центром «Энергоком» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов);
в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-11 «Исследование высокотемпературных фазовых переходов в СВЧ электромагнитном поле с целью получения новых диэлектрических материалов и создание нового класса высокотемпературных СВЧ электротехнологических установок» в разделе, связанном с конденсацией газообразных материалов, переход которых в данное состояние осуществляется путем высокотемпературного СВЧ-нагрева;
в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций по дисциплинам «Теория электронагрева» для студентов, обучающихся по специальности 140605.65 «Электротехнологические установки и системы».
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» (Иваново, 2011), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо-влажностная обработка материалов) СЭТТ- 2011» (Москва, 2011), Российской
научно-технической конференции «Энергосбережение в электро- и теплоэнергетических, металлургических установках» (Тверь, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент на полезную модель «Установка для конденсационной сушки материалов» № 112987 от 27.01.2012 г. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 140 страниц, в том числе 45 иллюстраций, 29 таблиц.
