Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Анализ технологий уборки льна-долгунца 10
1.2 Анализ погодных условий Вологодской области в период уборки льна 12
1.3 Льняная треста как объект сушки 16
1.4 Характеристика процесса сушки льняной тресты 20
1.5 Обзор технических средств для сушки сельскохозяйственных
культур, спрессованных в рулоны 27
1.6 Энергоемкость процесса сушки льнотресты в рулонах 41
1.7 Выводы и задачи исследований 44
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса сушки рулонов льнотресты 45
2.1 Тепло- и влагообмен в процессе сушки 45
2.2 Интенсификация процесса сушки рулонов льнотресты 50
2.3 Определение усилия внедрения распределителя теплоносителя в рулон льнотресты 56
2.4 Разработка теоретической модели процесса сушки рулонов льнотресты 59
2.5 Разработка пункта сушки рулонов льнотресты 69
2.6 Выводы по главе 75
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 76
3.1 Программа экспериментальных исследований 76
3.2 Методика подготовки исходного материала 76
3.3 Устройство лабораторной установки 77
3.4 Методика определения влажности льнотресты в рулоне 82
3.5 Методика определения плотности льнотресты в рулоне 83
3.6 Методика измерения влажности окружающего воздуха и теплоносителя 83
3.7 Методика измерения температуры окружающего воздуха и теплоносителя 84
3.8 Методика измерения скорости теплоносителя 85
3.9 Методика определения расхода электроэнергии 85
3.10 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 85
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 87
4.1 Результаты экспериментальных исследований по определению параметров распределителя теплоносителя 87
4.2 Результаты многофакторного эксперимента 88
4.3 Изменение влажности льнотресты в рулоне в процессе сушки 91
4.4 Зависимость времени сушки рулонов льнотресты от основных факторов 94
4.5 Зависимость удельного расхода электроэнергии от основных факторов 95
4.6 Изменение параметров теплоносителя в процессе сушки льнотресты на выходе из рулона 96 4.7 Оптимизация результатов многофакторного эксперимента 98
4.8 Исследование рулона льнотресты как объекта сушки 101
4.9 Исследование распределения теплоносителя 103
4.10 Определение сроков хранения влажных рулонов льнотресты 107
4.11 Результаты производственных испытаний 111
4.12 Выводы по главе 112
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность сушки льнотресты, спрессованной в рулоны общие
Выводы 120
Список сокращений и условных обозначений 122
Список литературы
- Льняная треста как объект сушки
- Определение усилия внедрения распределителя теплоносителя в рулон льнотресты
- Методика определения влажности льнотресты в рулоне
- Зависимость удельного расхода электроэнергии от основных факторов
Льняная треста как объект сушки
Выбор технологий для заготовки льнопродукции (льносоломки и тресты), эффективность их использования и обеспечение высокого качества заготавливаемого продукта, во многом определяются агроклиматическими условиями в период заготовки. Погодные условия оказывают определяющее влияние на кинетику сушки льнопродукции, величину биологических потерь в поле и при подготовке к хранению.
Погодные условия в период уборки льна-долгунца в зоне возделывания весьма различны. Начало уборки приходится на середину - конец августа, когда условия вылежки и естественной сушки льносырья достаточно благоприятны. Окончание уборки приходится на конец сентября начало октября. В это время условия естественной сушки неблагоприятны: увеличивается количество дождливых дней, снижается температура воздуха, растет его относительная влажность [42,106,108-110,122].
Анализ метеорологических данных (табл. 1.1) [8, 99, 100, 122, 126, 139, 140, 173], показывает, что за месячный период наиболее вероятных сроков подъема тресты (август, сентябрь), число дней без осадков колеблется от 6 до 7, что в среднем составляет 22% календарного времени. В дни с осадками нижний слой стеблей в ленте всегда имеет влажность выше пригодной для хранения. Таким об 13 разом, в сентябре 78% времени, когда вести непосредственно подъем льнотресты из ленты невозможно, ввиду превышения влажности выше требуемой для нормального хранения [122].
Самые дождливые месяцы - июль, август и сентябрь, когда ежемесячно выпадает более 70 мм осадков. Статистические данные погодных условий Вологодской области показывают, что благоприятные погодные условия (средняя влажность льносырья не превышает 25-30%) выпадают в среднем за пять лет на один год. Для трех лет характерны типичные условия зоны (средняя влажность льносырья достигает 30-40%) и для одного года наблюдаются тяжёлые погодные условия, при которых влажность льносырья превышает 40-50% [122].
Готовую тресту необходимо быстро поднять в течение нескольких дней. Задержка с подъемом в дождливую погоду приводит к перележке тресты. Каждые пять дней сверхнормативного пребывания готовой тресты в лентах на льнище «уносит» 0,2-0,3 номера. За месяц высококачественная треста превращается в непригодное сырье, а при раннем выпадении снега урожай может уйти под снег, что приведет к его гибели (рис. 1.1) [20, 122]. 1, О
Анализируя климатические условия Вологодской области необходимо отметить, что неблагоприятные условия для уборки: высокая относительная влажность воздуха 81-86%, низкая его температура от 9,3 до 3,4 С (сентябрь, октябрь) увеличивают продолжительность вылежки соломы, а высокая вероятность выпадений осадков не позволяет проводить естественную сушку льносырья [122].
Применение различных вспомогательных приемов по снижению влажности льнопродукции, таких как десикация посевов, плющение стеблей, растил лент на аэрационных каналах, оборачивание, ворошение и вспушивание лент, установка порций тресты в конусы или шатры, укладка в копны [65, 122, 144, 152] не всегда позволяет создать условия для формирования рулонов кондиционной влажности и дополнительно увеличивают затраты труда.
Основными факторами сохранения качества льнотресты является влажность и продолжительность хранения. Влажная треста, по исследованиям Строганова Ф.Ф. совершенно непригодна к хранению, так как быстро загнивает. При увеличении влажности уменьшаются упругие свойства, ускоряются релаксационные процессы, увеличиваются деформации сжатия, изменяются физико-механические свойства материала [96, 157]. Увеличение влажности от периферийных слоев рулона к центру и интенсивное уменьшение прочности во внутренних слоях создает благоприятные условия для активного развития плесневых грибов и пектиноразлагающих бактерий. Волокно в стеблях тресты при этом подвержено гниению, поэтому при формировании материала с увеличением плотности паковок и их складирования опасность потери качества материала увеличивается. Замечена также и тенденция к снижению прочности и качества тресты с повышением влажности исходного материала. Так, при влажности 25% ее качество снижалась незначительно (0,05-0,07 номера), а при 28% - на 0,34 номера [7, 96, 157].
Согласно ГОСТ Р 53143-2008. «Треста льняная. Требования при заготовках» влажность материала в рулоне не должна превышать 23% [37].
Опытами Егорова М.Е., Сычева A.M., Шарова И.Я., Ковалева В.Б., установлено, что оптимальной для подъема и формирования лент в рулоны является влажность, не превышающая 20% [60, 157].
В работе Мухина В.В. и Колчина И.Т. [98] указано, что в процессе хранения льнотресты происходит изменение влажности, это хорошо видно из анализа математической модели, описывающей процесс изменения влажности льнотресты в рулонах при хранении без доступа наливной влаги:
Технология консервирования не очень востребована из-за введения в технологический процесс уборки дополнительных операций, больших затрат на сушку после консервации и снижения качества продукта при неравномерной обработке консервантом [122].
Искусственное досушивание рулонов тресты, применяемое как элемент технологии уборочных работ, является рациональным способом сохранения урожая при неблагоприятных погодных условиях, когда иным способом сохранить качество льнотресты и урожай в целом невозможно [131, 132].
Определение усилия внедрения распределителя теплоносителя в рулон льнотресты
Нормальное напряжение в зоне цилиндрической части распределителя определим из выражения [62]: где С и а - коэффициенты, зависящие от свойств материала, для льнотресты С = 600 кПа, а = 0,006 м3/кг [62]; е - основание натурального логарифма; р - плотность рулона до внедрения распределителя, кг/м ; Рш - средняя плотность рулона на высоте Н2 (рис. 2.4) после внедрения распределителя, кг/м . Нормальное напряжение в зоне конической части распределителя определим из выражения:
Тарлецкий А.Г. [149, 150] и Вайнруб А.И. [24] в своих работах указывают, что для сушки льняной тресты в рулонах целесообразно формировать рулоны из лент комбайнового растила при средней влажности сырья в лентах не более 60%. В работе Дубковой И.А. [42] отмечено, что при сушке подогретым воздухом начальная влажность тресты в рулоне не должна превышать 50%. Сафиуллин Р.В. в своей статье [132] делает акцент на то, что исходная влажность тресты подвергаемой искусственной сушке в рулоне должна быть не более 30%.
Из практики работы льноводов ЗАО «Шексна» Шекснинского района Вологодской области и проведенных полевых экспериментов можно сделать вывод, что максимально возможная влажность льнотресты при прессовании не должна превышать 40%. Излишне влажная треста при рулонировании может слипаться, при этом в рулоне образуются области, через которые теплоноситель не сможет пройти, что негативно скажется на последующей искусственной сушке. Также при формировании рулонов льнотресты повышенной влажности наблюдались отдельные случаи забивания пресс-подборщиков. Сушат тресту в рулонах до влажности, при которой обеспечивается её надежная сохранность. Такое значение влажности называют кондиционным, для тресты оно равно 19% (нормированная влажность льнотресты) [33, 34, 37].
При оптимизации процесса сушки всегда стремятся к сокращению времени и затрат на сушку при обеспечении оптимальных показателей параметров качества продукции.
Для оценки процесса сушки льнотресты в рулоне необходимо реализовать многофакторный эксперимент [9, 10, 53, 89, 136], направленный на определение влияния основных факторов на ход процесса, характеризуемый величиной удельной производительности установки (времени сушки рулона льнотресты) и удельного расхода энергии на испарение влаги.
Составим информационную (концептуальную) модель объекта исследования для установления наиболее приемлемых величин факторов, управляющих процессом сушки льнотресты в рулоне (рис. 2.5).
Для того чтобы понять суть исследуемого процесса, не прибегая к эксперименту с реальным объектом, используем имитационное моделирование - метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности [165]. Технологический процесс сушки рулонов льнотресты по своей сути (поступление теплоносителя, его нагрев, вынос теплоносителем влаги) относится к системам массового обслуживания. Поэтому рационально представить его в символике Q-схем. Известно, что процессы, представляемые Q-схемами, удобно моделировать с применением общецелевой системы имитационного моделирования GPSS[18, 68, 127].
General Purpose Simulation System (GPSS) - общецелевая система моделирования сложных систем. Данная программа работает по принципу движения и обслуживания транзактов. В качестве транзакта для сушки рулонов льнотресты принимали 1 м воздуха.
В приложении 1 представлены блок-схема и исходный текст программы, позволяющей сымитировать процесс сушки рулонов льнотресты. На рисунке 2.6 представлена схема движения воздуха (транзакта), она поясняет принцип работы разработанной программы.
Рисунок 2.6 - Схема движения воздуха (транзакта): 1 - вентилятор; 2 - электрокалорифер; 3 - рулон льнотресты
На данную программу получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014660010 «Имитационная модель досушивания рулонов льнотресты» (приложение 2).
С целью определения влияния выбранных факторов на параметры оптимизации использовали матрицу трехуровневого плана 2-го порядка Бокса-Бенкена для трех факторов. Перед реализацией плана матрицы производили рандомизацию опытов с использованием таблиц случайных чисел (приложение 3). В таблице 1 приложения 4 представлена матрица плана и результаты эксперимента.
Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Statgraphics Centurion XV.
Для получения математической зависимости влияния выбранных факторов на процесс сушки рулонов льнотресты в результате множественного регрессионного анализа были получены уравнения регрессии в кодированных значениях переменных факторов: Ny« = f(v,p);t = 55. Анализируя уравнения регрессии и диаграммы Парето (приложение 7), можно сказать, что на время сушки рулонов льнотресты влияют не только сами факторы, но и их квадраты, и парное взаимодействие. Можно сделать вывод, что наибольшее влияние на время сушки оказывает плотность прессования льнотресты в рулоне. При ее увеличении уменьшается выход процесса (то есть увеличивается время сушки). Повышение температуры и скорости теплоносителя увеличивает выход процесса. Из этого следует, что для уменьшения времени сушки необходимо увеличивать скорость и температуру теплоносителя, а плотность прессования необходимо снижать.
Наибольшее влияние на энергетические затраты оказывают плотность прессования и температура теплоносителя. При их увеличении существенно увеличивается расход электроэнергии. Скорость теплоносителя весьма незначительно влияет на расход электроэнергии. Для получения минимальных энергетических затрат необходимо уменьшать все три фактора.
На основании полученных регрессионных уравнений появляется возможность установить оптимальные параметры сушки льнотресты в рулоне.
Для нахождения оптимальных параметров использовали нелинейное программирование, позволяющее в зависимости от поставленной задачи находить оптимальные значения факторов.
Задача решается следующим образом: записываем переменную А, при этом значение затрат электроэнергии (Куд) меняется в сторону размера этой переменной, то есть становится меньше или равно ей. Так как входные параметры (t, v, р) являются значимыми для целевых функций времени сушки (т) и затрат электроэнергии (Куд), то при изменении значения целевой функции затрат электроэнергии (Куд) меняется и значение целевой функции времени сушки (т). В нашем случае целевая функция затрат электроэнергии (Куд) стремится к минимуму, а целевая функция времени сушки (т) стремится к максимуму, значит задача определения оптимальных значений факторов (t, v, р) решается для обеих целевых функций. Это означает, что факторы (t, v, р) являются одинаковыми значениями для целевых функций времени сушки (т) и затрат электроэнергии (Куд).
Методика определения влажности льнотресты в рулоне
Известно, что повышенные температура и влажность материала в рулоне, ограниченный доступ воздуха создают благоприятные условия для активного роста плесневых грибов и пектиноразлагающих бактерий, в связи, с чем волокно в стеблях подвергается гниению [96]. В процессе хранения рулонов, вследствие физиологических процессов, происходящих в тресте, происходит повышение температуры хранимого материала, возникает так называемый процесс самосогревания. При наличии капельножидкой влаги в материале происходит поверхностное увлажнение, что особенно усиливает жизнедеятельность микроорганизмов. Указанная закономерность подтверждает следующее правило: чем больше свободной влаги содержится в материале, тем больше условий для термогенеза и тем интенсивнее идет процесс самосогревания.
Возможность самосогревания влажной тресты в рулоне зависит также и от её температуры. Так, при температуре +10 С начальные стадии самосогревания развиваются очень медленно, а ниже +5С оно обычно не возникает [110].
С целью выявления допустимых сроков хранения влажных рулонов льнотресты, нами были проведены исследования по хранению прессованной тресты в производственных условиях. На хранение были заложены рулоны льнотресты, искусственно увлажненные со средней влажности 30-40% (абс.) до 50% (абс.) - с учетом возможного увеличения начальной влажности тресты при транспортировке на пункт сушки при неблагоприятных погодных условиях (дождь, роса). Размеры рулонов: высота Нр = 1,1 м, диаметр dp = 1,2 м. Сорт льна-долгунца - Мери-лин. Повторность опытов была трехкратная. Продолжительность исследования 120 часов. Исследования проходили при следующих параметрах наружного воздуха: средняя температура tB = 20 С, средняя относительная влажность фв = 60%.
С целью прослеживания динамики процесса самосогревания в рулоны льнотресты были установлены три мобильных терморегистратора (термографа) РТВ-2 (рис. 4.14). Схема размещения термографов в рулоне представлена на рисунке 4.15.
На рисунке 4.16 представлены графики изменения температуры льнотресты в рулоне. Как видно из графиков самосогревание тресты повышенной влажности происходит весьма интенсивно - предельной температуры она достигает уже через 2-3 суток. К этому времени внутри рулона возникают плесень и специфический запах. Выше всего температура поднимается в центре рулона.
При исходной температуре +20 С самосогревание в период до 32 ч развивается интенсивно. Дальнейшее увеличение температуры льнотресты протекает медленнее, и после достижения температурного максимума начинается медленное естественное охлаждение из-за гибели всех живых компонентов под действием высоких температур. Однако естественное прекращение процесса самосогревания не имеет практического значения, так как треста к этому времени утрачивают свои качества (в первую очередь прочность), как источника волокнистого сырья.
В процессе исследования через каждые 5 часов наблюдали за появлением плесени. Первые признаки наличия плесени наблюдались через 15-20 часов во внутренних слоях рулона.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что хранить рулоны льнотресты повышенной влажности 50% (абс.) и выше без потери качества можно не более 15-20 часов после их рулонирования. Следовательно, работа предлагаемого пункта должна быть организована так, чтобы время от подъема тресты повышенной влажности до досушивания рулонов не превышало 15-20 часов.
Для проведения производственных испытаний по сушке прессованной в рулоны льнотресты была использована лабораторная установка (рис. 3.2). Производственные испытания были проведены в уборочный сезон 2014 года в ЗАО «Шексна» Шекснинского района Вологодской области, с применением следующих машинно-тракторных агрегатов:
Исходным материалом для заготовки льнотресты повышенной влажности, спрессованной в рулоны, использовался лен сорта Мерилин. Теребление осуществляли самоходными двухрядными теребилками льна U-22 в фазе ранней желтой спелости. После вылежки льнотресту прессовали в рулоны с равномерным распределением плотности при средней влажности 40%, затем загружали рулоны в транспортные средства и доставляли к сушильной установке.
Зависимость удельного расхода электроэнергии от основных факторов
Как видно из графиков рисунка 4.7, вначале процесса сушки температура теплоносителя минимальна, это связано с прогревом растений по всему объему. После прогрева начинается период интенсивного испарения влаги с поверхности растений, что вызывает перемещение влаги внутри растений.
Как видно из графиков рисунка 4.8, с уменьшением влажности льнотресты скорость движения теплоносителя в рулоне увеличивается. Это объясняется тем, что в процессе сушки при снижении влажности льнотресты в рулоне растения дают усадку. В свою очередь усадка материала связана с увеличением пористости рулона, следовательно, уменьшается сопротивление движению теплоносителя в теле рулона, что благоприятно сказывается на скорости сушки.
Скорость удаления влаги во многом зависит от того, насколько теплоноситель насыщен в данный момент влагой. Влагосо держание теплоносителя зависит от текущей влажности льнотресты в рулоне. Как видно из графиков рисунка 4.9, в начале процесса сушки теплоноситель насыщается влагой до максимального значения. Далее относительная влажность теплоносителя постепенно снижается и он не успевает полностью насыщаться влагой. Анализируя графики, представленные на рисунках 4.7-4.9, можно сделать вывод, что изменение температуры, скорости и относительной влажности теплоносителя на выходе из рулона по его высоте происходит неравномерно. Наибольшее влияние на энергетические затраты оказывают плотность прессования и температура теплоносителя. При их увеличении существенно увеличивается расход электроэнергии. Скорость теплоносителя весьма незначительно влияет на расход электроэнергии. Для получения минимальных энергетических затрат необходимо уменьшать все три фактора.
Для нахождения оптимальных параметров сушильной установки, так же как и во второй главе, использовали нелинейное программирование. Решение задачи оптимизации - поиск минимального времени на сушку рулона методом нелинейного программирования, записывается в следующем виде:
Так как входные факторы (t, v, р) являются значимыми для целевых функций времени сушки (т) и затрат электроэнергии (Куд), то при изменении значения целевой функции затрат электроэнергии (Куд) меняется и значение целевой функции времени сушки (т). В нашем случае целевая функция затрат электроэнергии (Куд) стремится к минимуму, а целевая функция времени сушки (т) стремится к максимуму, значит задача определения оптимальных значений факторов (t, v, р) решается для обеих целевых функций. Это означает, что факторы (t, v, р) являются одинаковыми значениями для целевых функций времени сушки (т) и затрат электроэнергии (Куд).
Из таблицы 4.1 видно, что при увеличении значения переменной А по ограничению затрат энергии существенно увеличивается оптимальная температура теплоносителя (t), плотность прессования (р) увеличивается меньше, а скорость теплоносителя (v) при всех ограничениях остается практически неизменной. При увеличении температуры теплоносителя процесс сушки идет более интенсивно, но с большим расходом энергии. Скорость теплоносителя также влияет на расход энергии на досушивание, но в сравнении с температурой это значение невелико, однако при увеличении скорости теплоносителя время сушки сокращается. С увеличением плотности прессования льнотресты в рулоне увеличиваются затраты энергии и сокращается время сушки рулона, что подлежит сомнению.
Для выявления причины данной зависимости был проведен графический анализ уравнения регрессии для времени сушки т (диаграмма Парето - приложение 18). Для чего с помощью программы Statgraphics Centurion XV из диаграммы удаляли эффекты, оказалось, что на уменьшение времени сушки т при увеличении плотности прессования влияет парное взаимодействие двух факторов: температуры t и плотности прессования р.
В таблице 4.2 представлены оптимальные параметры процесса сушки льнотресты в рулоне при подаче теплоносителя внутрь рулона. Таблица 4.2 - Оптимальные параметры процесса сушки льнотресты в рулоне
По данным таблиц 2.4 и 4.2 видим, что расхождения между оптимальными параметрами процесса сушки в теории и эксперименте незначительны.
Анализируя теоретические и экспериментальные данные по всей работе, пришли к выводу, что критерии оптимизации (т и Nyfl) в эксперименте имеют большие значения, чем в теории.
Это связано со спецификой распределения теплоносителя по высоте распределителя и с неэффективным использованием теплоносителя в виду особенностей рулона льнотресты как объекта сушки, что приводит к неравномерности сушки рулона по высоте.
Равномерность сушки рулона льнотресты трудно обеспечить ввиду того, что плотность прессования рулона в различных его частях разная, в результате теплоноситель устремляется по пути наименьшего сопротивления, то есть в зону наименьшей плотности. В этой зоне процесс сушки идет интенсивнее, чем в зоне большей плотности, и когда одна часть рулона достигла кондиционной влажности, вторая ещё находится в процессе сушки.
Известно, что стебель льна представляет собой по форме сильно вытянутый конус, однако принято считать его форму цилиндрической. Такое допущение вполне оправдано при рассмотрении отдельного стебля. Но если рассматривать слои льнотресты в рулоне, представляющие собой массив стеблей, как объект сушки, где важное значение имеет плотность прессования, то форма стебля начинает оказывать заметное влияние на протекание процесса сушки, и пренебрежение ею может отрицательно отразиться на равномерности сушки рулона в целом [17]. Также установлено, что длина стеблей влияет на неравномерность их по влажности, которая, как показали исследования, может достигать 2-5% [16], причем наибольшую влажность имеют комлевые и серединные части, а наименьшую - вершинные.
