Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. Современное состояние теории, техники и
* 17
^ технологии хранения зерна
1.1. Общая характеристика зерновых и продуктов его 17
переработки
Требования к хранению зерновых культур 18
Обзор способов хранения и конструкций зернохнанилищ 29
Контроль температуры зерна при его хранении 49
Применение теплонасосных установок (ТНСУ) в системах
кондиционирования воздуха шахтных зерносушилок 51
1.6. Анализ литературного обзора и задачи исследования 57
ГЛАВА 2. Исследование процесса сушки зерна в зернохранилище 60
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения
экспериментов
2.2. Математическая модель тепло- и массопереноса в
ф процессе сушки зерна 62
2.3. Математическая модель процесса сушки в подвижном слое
дисперсного материала при перекрестном движении слоя зерна и
воздуха 68
ГЛАВА 3. Исследование процесса конденсации влаги из влажного
воздуха в испарителе теплонасосной установки при его
подготовке к процессу сушки и активному
вентилированию зерна 76
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения
экспериментов 76
3.2. Обоснование выбора и пределов изменения
входных факторов 79
3.3. Оптимизация процесса осушения и охлаждения
влажного воздуха в испарителе теплонасосной установки.... 87
4t ГЛАВА 4. Математическое моделирование процесса самосогревания
зернового сырья при хранении в силосе 103
4.1. Математическая модель передачи информации в
дисперсной системе с распределенными параметрами 103
Температурные характеристики очагов самосогревания 115
Температурное поле от источника теплоты в слое зерна 117
Способ тепловой пеленгации источников теплоты в силосах . 119 ф 4.5. Температурные помехи в силосах 121
ГЛАВА 5. Разработка конструкции зернохранилища и способа
стабилизации термовлажностных характеристик зерна при
его сушке и хранении 131
Разработка конструкции зернохранилища 131
Методика инженерного расчета зернохранилища 136
5.2.1. Определение числа силосов и габаритных размеров
силосного корпуса 136
Расчет пропускной способности самотечного зернопровода... 137
Расчет потребного основного технологического и транспортирующего оборудования для зернохранилища 138
Сушка зерна 140
5.2.5. Очистка зерна 141
Ш 5.2.6. Определение состояния воздуха и возможности
вентилирования зерна 141
5.3. Разработка способа стабилизации термовлажностных
характеристик зерна при его сушке и хранении 145
5.4. Обоснование экономической целесообразности технологии стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и
хранении 156
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 171
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 173
ПРИЛОЖЕНИЕ 183
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а - коэффициент температуропроводности, м2/с; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); Д cf - диаметр, м; F- площадь, м2; сила, Н; /- частота пульсаций, Гц; G - масса продукта, кг; производительность кг/с; g = 9,81 м/с - ускорение свободного падения; Н, h - высота, м; /, / - энтальпия, кДж/кг; L - длина, м;
/ - геометрическая характеристика, м; т - масса, кг; Рк, р- давление, Па; ЛР - перепад давления, Па;
Q - производительность, кг/ч; массовая доля теплоты, кДж/ч; q -удельная нагрузка на газораспределительную решетку, кг/м2; qm - интенсивность влагоотдачи, кг/(м2-с);
qc - удельная скорость тепловыделений при фазовом превращении влаги; Л, г - радиус, м;
^v - отношения объема частицы продукта к ее поверхности, м; г - удельная теплота парообразования, кДж/кг; Т, t - температура, К; С;
W- влажность, %; масса (расход) испаряемой влаги, кг, (кг/с); А - разность, приращение;
U, и-влагосодержание, кг/кг; количество испаряемой влаги, кг/ч; V- объем, м ; объемный расход, м /с; у-скорость, м/с;
і, j - индексы факторов;
ЛРр - сопротивление газораспределительной решетки, Н/м ;
а- коэффициент теплообмена, Вт/(м2-К);
8- толщина слоя, м;
w г}- коэффициент полезного действия;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); //- коэффициент динамической вязкости, Па-с; v- коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р- плотность, кг/м3; г- время, с.
* Безразмерные числа, критерии
Рг - критерий Прандтля; Re - критерий Рейнольдса; Fo - критерий Фурье; Lu - критерий Лыкова; Biq - критерий Био теплообменный; Bi„ - критерий Био массообменный.
Индексы
; се- сухое вещество; пл - плотный слой; ех - условия входа; к - конечное со-
стояние; м - материал; н, О - начальное состояние; нас - насыпной; еых - условия выхода; опт - оптимальный; ел - слой; ср - средний; крит - критический; экс - экспериментальный; теор - теоретический; э - эквивалентный; max - максимальный; min - минимальный; т - текущий; расч - расчетное.
Введение к работе
Рынок хлебопродуктов занимает одно из важнейших мест в экономике народного хозяйства. Зерно является стратегически важным продуктом, поэтому от состояния его производственной и перерабатывающей базы во многом зависит продовольственная безопасность странны [15, 87, 91].
Функционирование зернового рынка предполагает наличие развитой производственной инфраструктуры, основными элементами которой являются материально-техническая база хранения, транспортировки и переработки зерна. Центральное место в структуре агропромышленного комплекса занимают хлебоприемные предприятия (элеваторы), которые, с одной стороны, объединяют зернопроизводящие хозяйства, а с другой - выходят на перерабатывающие предприятия (мукомольные, крупяные, комбикормовые, спиртовые и другие) [15,26].
Современные структуры интеграционных объединений предприятий хлебопродуктов можно создать именно на базе элеватора, располагающего средствами взвешивания, погрузки-разгрузки, транспортными коммуникациями, энергоснабжением, и имеющего необходимые условия для обработки зерна, приведения его в качественное состояние, соответствующее технологическим требованиям промышленных перерабатывающих цехов, и возможность раздельного размещения партий сырьевых ресурсов, предназначенных для производства различных видов продукции. При этом появляется возможность обеспечения сквозного контроля качества и количественного учета.
При любой форме собственности дорогостоящие основные фонды элеваторов более выгодно использовать не сезонно, а круглый год, обеспечивая не только очистку, сушку и хранение зернового сырья, но и другие функции, способствующие благодаря применению современных инновационных технологий недопущению снижения качественных показателей зерна и сокращению его потерь.
Материально-техническая база хранения зерна в Воронежской области представлена емкостями зернохранилищ у товаропроизводителей, емкостями элеваторов, хлебоприемных предприятий и реализационных баз бывшей системы хлебопродуктов, а также емкостями хранения при перерабатывающих предприятиях.
Сокращение объемов закупок зерна в условиях перехода к рыночной экономике объективно поставило элеваторное хозяйство области в сложное положение, резко ухудшив показатели их деятельности: коэффициент использования емкостей, коэффициент оборачиваемости действующих емкостей, объем хранения зерна, приходящегося на 1 т емкости. Значительный моральный и физический износ основных фондов хлебозаготовительных предприятий способствовал снижению качества выполняемых услуг, ухудшению продовольственных характеристик зерна в процессе длительного хранения, появлению сверхнормативных его. Как показывает анализ, в последние годы уровень использования складских мощностей элеваторов колебался в диапазоне от 6 % до 100 %, а в среднем емкости были загружены на 23...45 %.
При таком положении происходит рост издержек на хранение и подработку зерна, что в условиях коммерческой деятельности влечет за собой увеличение платы за аренду и другие услуги, делая их невыгодными для товаропроизводителей.
Сложившаяся ситуация с хранением зерна самым негативным образом отражается на его качестве, поскольку процесс хранения в обязательном порядке сопровождается процессом подработки зерна. Большинство сельскохозяйственных предприятий испытывают дефицит в зерноочистительной и зер-носушильной технике и не в состоянии довести зерно до базисной товарной кондиции, а имеющаяся у них техника малопроизводительна, физически изношена и морально устарела [44].
На основании выше изложенного можно отметить, что назрела острая необходимость модернизации и технического перевооружения основных фон-
дов предприятий, находящихся в технологической цепи «сельхозпроизводители - элеваторы - зерноперерабатывающие предприятия», а также разработки инновационных технологий проведения операций очистки, сушки и активного вентилирования в процессе хранения зерна.
Процессы хранения и переработки зернового сырья в силосах элеваторов и складов предприятий зерноперерабатывающей отрасли определяют не только качество производимой готовой продукции, но и продовольственную безопасность страны.
Современная технология предусматривает интенсивное механическое воздействие на растительное сырье, неоднократное его перемещение по замкнутым технологическим коммуникациям, что приводит к образованию в больших количествах производственной пыли из органических веществ.
В связи с возможностью возникновения взрывов пылевоздушных смесей и как следствие - смертельного травматизма обслуживающего персонала данные производственные объекты представляют потенциальную опасность для работающих на них людей.
В нашей стране бурное развитие мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленностей пришлись на 50...60 года XX века. Появились современные заводы, были построены мощные элеваторы. Одновременно с этим стали происходить аварии, число которых по мере развития производственных мощностей предприятий выросло до 20 крупных аварий (взрывов) в год.
Все это является причиной особой озабоченности и обоснованием важности вопроса обеспечения взрывобезопасности производственных процессов предприятий зерноперерабатывающей отрасли.
На протяжении уже многих лет проблема обеспечения взрывобезопасности процессов хранения зерна и продуктов его переработки является актуальной.
Анализ приведенных причин позволяет сделать вывод, что в процессе транспортировки и переработки растительного сырья всегда присутствует пы-
левоздушная смесь органического происхождения. Данная смесь образуется при загрузке и разгрузке в свободных объемах и на внутренних стенках сило-сов и бункеров в виде осевшей и накапливающейся в значительных количествах мелкодисперсной сухой пыли. При внешних возмущениях такая пыль быстро переходит во взвешенное состояние, создавая взрывоопасную пылевоз-душную смесь, и любой тепловой источник может привести к ее взрыву.
Взрывы пылевоздушных смесей происходят, в основном, в ограниченных пространствах. Источником инициирования взрыва в оборудовании, в частности, может быть перегревшийся подшипник, вал, трущийся о станину, шкив, нагретый буксующей приводной лентой, загоревшаяся от трения ведущим шкивом лента и т. д. [72].
Образующаяся в технологическом оборудовании и способная воспламеняться и гореть пылевоздушная смесь, вследствие неполной герметизации оборудования, а иногда и по причине неэффективной работы аспирационных сетей, постепенно проникает в свободные объемы производственных помещений. Помимо различных частей оборудования, наиболее часто источником воспламенения является самосогревание слежавшегося растительного сырья, что наиболее опасно, т. к. взрыв в силосе приводит к наиболее тяжким последствиям.
Процесс самосогревания обусловлен разложением органического сырья на микробиологическом уровне с выделением тепла. Это приводит к значительному повышению температуры, последующему самовозгоранию и выгоранию сырья. В результате внутри массы продукта образуются пустоты, что приводит в последствии к обрушению сводов. В этот момент происходит встряхивание осевшей пыли и смешивание ее с накопившимися горючими газами и образованию пыл егаз о воздушной смеси взрывоопасной концентрации. Получившаяся смесь воспламеняется открывшимся горящим сырьем.
За период с 1971 по 2005 годы на отечественных предприятиях также произошли взрывы пыли. Так, на комбикормовых заводах произошло 45 %, на
элеваторах 33,4 %, и на мельницах 21,6 % взрывов от общего числа за указанный период.
Вместе с тем 25,9 % всех зафиксированных взрывов произошло в сило-сах. Очевидно, что в существующих процессах хранения растительного сырья до настоящего времени не решен один из важнейших вопросов - предотвращение самосогревания сырья, своевременное обнаружение и ликвидация очагов самосогревания, полностью отсутствует информация о состоянии температурных полей органических сыпучих дисперсных систем с распределенными параметрами [108-110].
Исследования во ВНИИ комбикормовой промышленности показали, что при наличии достоверной информации о температурном состоянии растительного сырья и продуктов его переработки (в частности зерна, жмыхов и шротов) в силосах возможно их безопасного хранение до нескольких месяцев.
В настоящее время на предприятиях зерноперерабатывающей отрасли применяют специальные устройства, предназначенные для дистанционного контроля температуры растительного сырья при хранении в силосах. Эти устройства состоят, как правило, из термоподвесок (первичных измерительных преобразователей температуры), коммутационных блоков с комплектами соединительных кабелей, вторичных измерительных преобразователей температуры, блоков и средств обработки измерительной информации или обработки измеренной температуры на ЭВМ. Средства измерения, входящие в состав технических устройств, предназначенных для применения на опасных производственных объектах должны быть внесены в реестр средств измерения.
Получение достоверной информации о температурном режиме растительного сырья при хранении в силосах является сложной технической задачей. Это обусловлено характерной особенностью продуктов, имеющих низкое значение коэффициентов температуропроводности.
Для получения необходимой достоверной информации о температуре растительного сырья следует решить две основные технические задачи. Пер-
вая: обнаружить информационные сигналы от очагов самосогревания в условии постоянно действующих помех; вторая - определить ориентировочно местоположение очага самосогревания и его температуру. Силос с сырьем является дисперсной системой с распределенными параметрами. В производственных условиях возможно получить с помощью устройство измерения температуры сообщение о температуре в точке контроля. Информация о расположении очага самосогревания в силосе и его температуре получается в результате решения обратной задачи теплопроводности для дисперсной системы с распределенными параметрами.
Поэтому, для предупреждения пылевоздушных взрывов и гибели людей от самосогревания растительного сырья в силосах была поставлена цель - исследовать температурные поля в дисперсных системах с распределенными параметрами с целью определения состояния контроля и управления с использованием специальных измерительных устройств и систем обработки измерительной информации [1,63].
Актуальность темы. Российская Федерация является крупнейшим производителем зерна. Наметившаяся в последние годы положительная динамика по сбору урожая зерновых позволяет ежегодно увеличивать объемы поставок зерна отечественному производителю, а также наращивать его экспорт. Если в 2000 г. валовой сбор зерна составил 47,9 млн. тонн, то в 2005 г. - более 70 млн. тонн.
От количества и качества зерна зависит обеспеченность сырьем многих отраслей пищевой промышленности, в частности мукомольной, крупяной и комбикормовой. В этой связи элеваторное хозяйство должно в короткие сроки осуществлять прием и поточную послеуборочную обработку зерна и обеспечивать его полную сохранность. Важнейшее звено поточных комплексно-механизированных линий приемки и послеуборочной обработки зерна - это сушка, так как большая часть заготовляемого зерна поступает, как правило, с повышенной влажностью и его сохранность зависит от работы зерносушилок.
Значительный моральный и физический износ основных фондов хлебо-
приемных предприятий способствовал снижению качества выполняемых услуг, ухудшению продовольственных характеристик зерна в процессе длительного хранения. Как показывает анализ, в последние годы уровень использования складских мощностей элеваторов колебался от 6 % до 100 %, а в среднем емкости были загружены на 23.. .45 %.
Сложившаяся ситуация с хранением зерна самым негативным образом отражается на его качестве. Большинство сельскохозяйственных предприятий испытывают дефицит в зерноочистительной и зерносушильной технике и не в состоянии довести зерно до базисной товарной кондиции. Поэтому процессы сушки и хранения сырья в силосах элеваторов должны обеспечить стабилизацию термовлажностных характеристик зерна при минимальных затратах энергетических ресурсов, и, как следствие, сохранность зернопродуктов при длительном хранении.
Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки и хранения зерна, а также их аппаратурное оформление отражены в работах отечественных и зарубежных ученых А.Ю. Шаззо, В.И. Жидко, B.C. Уколова, В.А Резникова, Г.А. Егорова и др.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежской государственной технологической академии по теме «Интенсификация технологических процессов зерно-перерабатывающих предприятий» (№ гос. регистрации 01.200.1 16821).
Цель и задачи диссертационной работы: является разработка и научное обеспечение процесса сушки и хранения зерна в зернохранилищах силосного типа путем стабилизации его термовлажностных характеристик и сохранение качества зерна за счет предупреждения самосогревания и организации его своевременного активного вентилирования.
В работе были поставлены следующие задачи исследования:
1. Разработать методику экспериментальных исследований процесса сушки и хранения зерна, изучить основные закономерности тепло- и массопе-реноса влаги в слое зерна; систематизировать полученные данные и сформули-
ровать на их основе теоретических предпосылки и рабочие гипотезы по использованию их в производстве.
2. Разработать математическую модель процесса сушки зерна в шахтной
зерносушилке.
3. Экспериментально-статистическими методами исследования вы
полнить многофакторный анализ процесса осушения отработанного сушиль
ного агента в испарителе теплового насоса. Сформулировать многокритери
альную задачу оптимизации процесса подготовки воздуха в испарителе теп
ловой насосной установки (ТНУ) с векторным критерием оптимизации.
Определить рациональные режимы процесса конденсации влаги из отработанного теплоносителя на охлаждающей поверхности испарителя.
Для оперативного предупреждения локальных очагов самосогревания рассмотреть задачу распределения температурных полей в слое зерна при его хранении в силосе методами математического моделирования дисперсных систем с распределенными параметрами.
6. Разработать конструкцию зернохранилища и программно-логи
ческий алгоритм стабилизации термовлажностных характеристик зерна при
сушке и хранении.
7. Провести производственные испытания и разработать рекомендации
для внедрения в промышленность предлагаемого способа стабилизации термо
влажностных характеристик зерна при сушке и хранении.
Научная новизна. С целью оперативного предупреждения самосогревания зерновой массы разработана технология стабилизации термовлажностных характеристик зерна кондиционированным воздухом при его сушке и хранении. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс конденсации влаги из влажного воздуха на охлаждающей поверхности испарителя теплона-сосной установки при его осушении. Определены рациональные технологические режимы системы кондиционирования воздуха, которые бы обеспечивали максимум коэффициента теплопередачи, максимум температуры воздуха по-
еле испарителя и минимум его влагосодержання.
Предложена математическая модель процесса самосогревания зернового сырья с источником теплоты на поверхности очага самосогревания, позволяющая проводить систематические расчеты параметров процесса распространения теплоты в силосе.
Полученная информация эффективно использована при выборе оптимальных режимов вентилирования и охлаждения зернового сырья в процессе его хранения в силосах.
Для повышения эффективности хранения зернового запаса предложена стратегия управления процессами сушки зерна в шахтных рециркуляционных сушилках и длительного хранении в зернохранилищах силосного типа.
Новизна технических решений защищена патентом РФ на полезную модель №51453.
Практическая ценность. Разработан способ стабилизации термовлаж-ностных характеристик при сушке зерна в шахтной зерносушилке и его хранении в силосе с использованием теплонасосной установки. Определены рациональные параметры процессов сушки зерна, осушения и охлаждения воздуха, активного вентилирования зерна при возможном его самосогревании в зернохранилище силосного типа. Разработан программно-логический алгоритм стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и хранении. Предложена оригинальная конструкция зернохранилища и разработан инженерный метод его расчета.
Разработаны и внедрены в промышленность «Инструкция по составлению технического паспорта взрывобезопасности опасного производственного объекта по хранению, переработке и использованию сырья в агропромышленном комплексе (РД 14-569-03)», «Правила промышленной безопасности для взрывопожароопасных производственных объектов хранения, переработки и использования растительного сырья (ПБ 14-586-03)», «Инструкция по составлению планов ликвидации аварий и защиты персонала на взрывопожароопас-
ных объектах хранения, переработки и использования растительного сырья (РД 14-617-03)».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладыва
лись и обсуждались: на научной конференции в Воронежской государствен-
Щ ной технологической академии (2006 г.); II Международной конференции-
выставки «Современное комбикормовое производство и перспективы его развития (Комбикорма-98)» (Москва, 1998); V международной конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2006 г.); XI Международной научной конференции «Совершенствование процессов и оборудования пищевых и химических производств» (Одесса, 2006), XVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»
(Тамбов, 2006 г.). W
Результаты работы демонстрировались на выставке «Центрагромаш» (Воронеж, 2003 г.), выставке «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2005 г.) и награждены дипломами.
Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты
теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки и хране
ния зерна пшеницы, проведенных непосредственно автором под научным ру-
,-. ководством д. т. н., профессора А.А. Шевцова.
