Имитационное моделирование процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационное моделирование процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Манасян Сергей Керопович

Красноярск 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, академик РАТН Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Иванов Николай Михайлович

- доктор технических наук, профессор Матюшев Василий Викторович

- доктор технических наук, профессор Каверзин Сергей Викторович

Ведущая организация - ГНУ КНИИСХ СО Россельхозакадемии

Защита состоится 30 октября 2008 г. в 9 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО « Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, ауд. 3-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «17» июля 2008 г.

Автореферат размещен 17 июля на сайте www.kgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета Бастрон А.В.

сушилка зерно математический

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач, обеспечивающих устойчивое развитие страны и ее продовольственную безопасность, является увеличение производства зерна, сокращение потерь на всех стадиях его производства. Задача увеличения производства зерна 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 с.-х. 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 сушилок не всегда удовлетворяют агротехническим требованиям для шахтной, барабанной и других типов зерносушилок. 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 и векторное управление процессом по ;

- системообразующих элементов (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) 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.

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 позволяющих осуществлять распределенное дифференцированное многомерное и многосвязное управление процессами сушки.

Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001-2005 гг., координационным планом НИР СО Россельхозакадемии на 2006-2010 гг. и планами НИР КрасГАУ 1986...2005 гг. (и на 2006...2008 гг. «Повышение эффективности процесса сушки зерна за счет совершенствования средств его механизации, электрификации и автоматизации» - руководитель Н.В. Цугленок, ответственный исполнитель С.К. Манасян. «Разработка позонных зерносушилок блочно-модульной структуры» - руководитель С.К. Манасян, ответственный исполнитель Н.В. Демский).

Цель исследований. Разработка имитационных моделей процессов сушки зерна для снижения энергозатрат в зерносушилках с.-х. назначения.

Объект исследований. Процессы сушки зерна в шахтных, барабанных, бункерных, конвейерных и пневмогазовых сушилках и условия функционирования зерносушилок сельскохозяйственного назначения.

Предмет исследования. Закономерности формирования и взаимосвязь технологических, технико-экономических, агробиотехнологических, природно-климатических показателей, параметров и режимов, и производственных условий при использовании различных схем функционирования комплексов послеуборочной обработки зерна.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа, многоуровневого имитационного моделирования, идентификации, алгоритмизации и оптимизации, положения теории тепломассопереноса и теории сушки коллоидных капиллярнопористых тел, теории вероятностей и математической статистики, основы теоретической механики, статистической динамики с.-х. машин и агрегатов, аэродинамики, теплотехники.

При проведении экспериментальных исследований за основу были взяты методики проведения опытов и испытаний зерносушилок, государственные и отраслевые стандарты, требования и нормы метрологии, контроль качества технологических процессов планирования, теория подобия и моделирования, теория испытаний.

Научная новизна. Разработана общая многоуровневая имитационная модель процесса сушки зерна в слое с различным состоянием зернового материала (плотный неподвижный, плотный малоподвижный, плотный подвижный, рыхлый, псевдоожиженный). Разработаны методы построения обобщенных моделей для разных типов зерносушилок и их настройки для осуществления технологических процессов с заданными условиями однозначности. Разработана методика корректного упрощения динамических тепломассообменных систем высокотемпературной сушки. Разработана методика многостадийной идентификации имитационных моделей различного уровня и предложены алгоритмы численной реализации моделей по уровням их построения и стадиям их идентификации. Разработаны «вход-выходные» модели процесса сушки для различных конструкций зерносушилок и алгоритмы вычисления коэффициентов амплитудно-фазовых частотных характеристических уравнений и передаточных функций непосредственно через модельные параметры зерносушилки. Разработаны модели векторной оптимизации при решении задачи параметрического синтеза сушильной камеры зерносушилок. Проведены исследования по имитации и управлению процессом сушки зерна в режиме реального времени. Разработанные методы построения эффективных режимов сушки зерна различного исходного состояния в существующих и модернизированных зерносушилках и сушильных линиях с предварительным подогревом зерна, ступенчатой и позонной сушки с отлежкой, рециркуляцией сушильного агента (в соответствии с решением поставленной на основе математической модели задачи оптимального управления процессом сушки зерна) и конструкции зерносушилок.

Практическая значимость работы. Разработаны номограммы для выбора основных режимных параметров сушки зерна семенного, продовольственного и фуражного назначения и методика оценки технологической эффективности функционирования существующих и разрабатываемых зерносушилок по критерию оценки состояния зернового слоя в сушильной зоне. Разработанные рекомендации утверждены в качестве основного документа для выбора параметров и режимов зерносушилок для с.-х. организаций отделом механизации и материально-технического обеспечения Агентства сельского хозяйства администрации Красноярского края. Разработанные конструкции шахтных, барабанных, камерных и бункерных сушилок и эффективные режимы сушки зерна приняты к внедрению СКБ «Брянсксельмаш».

Реализация результатов исследований. Полученные результаты теоретических разработок позонного способа сушки зерна в серийных и перспективных зерносушилках и дифференцированные ускоренные режимы сушки зерна в шахтных и барабанных сушилках внедрены на зерноочистительно - сушильных комплексах в ряде хозяйств Восточной Сибири и Нечерноземной зоны - СПК «Солонцы» Емельяновского района, КФХ «Шейнмаер» и СХПК Лапшихинский» Ачинского района Красноярского края, Кировской лугоболотной опытной станции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса и племхозяйстве «Луговой» Оричевского района Кировской области, совхозе «Россия» Маловишерского района Новгородской области и др. Результаты НИР по разработке зерносушилок блочно-модульной конструкции приняты к внедрению агентством сельского хозяйства администрации Красноярского края. Технические решения по оптимизации технологических и технико-экономических параметров и режимов работы различных конструкций зерносушилок, реализующих позонный способ сушки внедрены в ЗАО «Светлолобовское» Новоселовского района Красноярского края. Методики системного моделирования и оценивания параметров технологической и технико-экономической эффективности зерносушилок используются в учебном процессе Красноярского ГАУ и изложены в учебных пособиях с грифами Министерства сельского хозяйства РФ и СибРУМЦ.

На защиту выносятся:

методология моделирования технологического процесса сушки на зерно- очистительно-сушильных комплексах, функционирующих в условиях зоны повышенного увлажнения;

многоуровневая система имитационных моделей процесса сушки зерна;

многостадийная система идентификации моделей процесса сушки зерна;

теория и методика оптимизации параметров процесса сушки зерна в позонных зерносушилках шахтного, барабанного, камерного и бункерного типа с использованием дифференцированных режимов;

системное оценивание интенсивности процесса сушки зерна, результаты оценки использования позонного способа сушки в зерносушилках сельскохозяйственного назначения;

модели, методы, алгоритмы и программы оптимизации эффективных режимов многозонных зерносушилок шахтного, барабанного, камерного типов как многомерных систем с распределенными параметрами;

практические рекомендации по переводу зерносушилок с.-х. назначения на позонный способ сушки и конструкции сушилок позонной сушки зерна.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами испытаний разработанных технологий, режимов и процессов сушки зерна, проведенной верификацией модели, проверкой адекватности отдельных подмоделей, проверкой их вычислительной, математической и физической корректности.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на международных, всероссийский и региональных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах в Красноярском ГАУ (КСХИ, 1986-1990, 1993-2008 гг.); ЦНИИ автоматики и гидравлики (1980, 1982 гг. и Тбилисского филиала, 1979, 1981 гг.); Тульском ГТУ (ТПИ, 1982-1984 гг.); Санкт-Петербургском ГАУ (ЛСХИ, 1983-1986, 1990-1993 гг.); Вятской ГСХА (Кировский СХИ,1985,1993г.); КНИИСХ (г.Красноярск, 1986г.); Челябинском ГАУ (2004г.); НИИСХ Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого (НПО «Луч», г. Киров) (1992 г.); ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1984-1987 гг.); НИПТИМЭСХ НЗ РФ (г. С-Пб-Пушкин, 1982-1985, 1991-1993 гг.); Белорусском ИМСХ (г. Минск, 1984 г); СКБ «Брянсксельмаш» (1984-1986 гг.); ВНИИ Электропривод (1986 г.); ОАО «ВИСХОМ» (НПО «ВИСХОМ», 1987-1990, 2003-2004 гг.); ВИМ (2005 г.); Красноярском ГУ (1997-1998 гг.); ВВЦ РФ (ВДНХ СССР, 1986 г.); CIES (Comparative and International Education Society, Питсбург, США, 1991 г.); КНЦ СО РАН (г. Красноярск, 1995-1997 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства и 2 патента на изобретение, 1 монография, 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, а также 19 научных отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 350 страницах, содержит 61 рисунок, 12 таблиц и 10 приложений.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, показана необходимость создания теоретических моделей функционирования сушильных установок различных типов, и совершенствования их параметров, определена цель исследований, отмечена практическая значимость и показана научная новизна работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проводится анализ технологий и технических средств механизации послеуборочной обработки зерна и выявлены основные тенденции их развития для условий зон повышенного увлажнения.

Научные исследования и разработки по совершенствованию процессов сушки зерна осуществляются специалистами ведущих научно-исследовательских учреждений нашей страны: ВИМ, ВИСХОМ, ВИЭСХ, ВНИПТИМЭСХ, НИПТИМЭСХ НЗ, НИИСХ С-В, МГАУ, С-ПбГАУ, НГАУ, СибИМЭ, АлтГТУ, АГАУ, КрасГАУ, КБ и СКБ заводов Брянсксельмаш, Воронежзерномаш, и др., а также зарубежными фирмами по разработке и производству зерносушильных установок Setting (Хорватия), Campbell, Aeroglide (США), Law (Франция) и др.

Изучению вопроса совершенствования процесса сушки зерна на основе математического моделирования посвятили свои работы отечественные и зарубежные исследователи: В.П. Горячкин, В.Г. Антипин, А.Б.Лурье, В.И. Анискин, А.В. Авдеев, Н.М. Андрианов, В.И. Атаназевич, А.С. Гинзбург, А.Г. Громов, Г.А. Гуляев, В.П. Елизаров, В.И. Жидко, Л.В. Колесов, Э.И. Липкович, Г.С. Окунь, Н.В. Остапчук, В.А. Резчиков, Г.А. Ровный, Н.В. Цугленок, А.Г. Чижиков, Ф.Н. Эрк, Е.А.Смит, В. Мальтри, Р.А. Шарп, Л. Отен, Л. Пабис, Р. Супрунович и др.

Значительный вклад в развитие индустриальной технологии процесса сушки зерна внесли исследования В.А. Кубышева, В.И. Анискина, А.В.Авдеева, Н.М. Иванова, В.А. Сысуева, А.П. Тарасенко, Е.Ф. Гришина, М.А. Жукова, И.В. Захарченко, Е.М. Зимина, Н.П. Сычугова, Г.Е. Чепурина, А.Г. Чижикова, Н.В. Цугленка и других ученых.

Повышению устойчивости функционирования и энергосбережению в системах с.-х. машин на основе оптимизации температуры рабочих сред в различных природно-климатических и производственных условиях посвящены работы В.И. Анискина, А.В. Бастрон, В.И. Беляева, А.И. Буркова, Р.Н. Волика, В.Д. Галкина, В.Г. Еникеева, Н.М. Иванова, С.В. Каверзина, Э.И. Липковича, А.Б. Лурье, В.В. Матюшева, Н.И. Селиванова, И.Я. Федоренко, Н.В. Цугленка и других ученых.

Методологические основы процессов зерносушения базируются на теории сушки капиллярнопористых коллоидных тел, без учета параметров зернового слоя. Это сдерживает поиск новых способов, методов, параметров и режимов. Поэтому для увеличения эффективности процессов сушки свежеубранного зерна требуется дальнейшее изучение закономерностей взаимосвязанного тепловлагопереноса в сушильных камерах зерносушилок различного типа. Этим вопросам посвящены работы А.В. Лыкова, С.Д.Птицына, Л.В. Колесова, Н.М. Андрианова, Н.И. Малина, Ю.А. Михайлова, А.Ф. Эрка и других исследователей.

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 с.-х. назначения, не позволяющие за однократный пропуск зерна достижение кондиционной влажности. Это приводит к нарушению 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 технико-технологических 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.

Рассмотрены основные методы и направления совершенствования процесса сушки зерна в сушилках с.-х. 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.

На основе поставленной цели и проведенного анализа состояния вопроса определены следующие задачи исследования:

Выявить структуру и характер взаимосвязей и взаимозависимостей конструктивных и режимных параметров зерносушилок.

Разработать математические модели процесса сушки зерна в зерносушилках с.-х. назначения, и методику их настройки для конкретной сушилки и вида зерна.

Провести экспериментальные исследования для определения теплофизических характеристик зерна и зернового материала, коэффициента теплообмена между теплоносителем и зерновым материалом в зависимости от влажности и температуры зерна; использовать полученные значения в качестве начального приближения модельных коэффициентов имитационной модели.

Провести проверку адекватности имитационных моделей зерносушилок шахтного и барабанного типа путем сравнения результатов численного эксперимента на ЭВМ с опытными данными; провести проверку математической, физической и вычислительной корректности математической модели, исследовать ее свойства.

Выявить качественный характер эффективных режимов сушки, получить методику определения эффективных значений режимных параметров, обосновать технологические приемы, способствующие повышению интенсивности сушки с сохранением необходимых качественных показателей сушимого зернового материала.

Построить на основе полученной модели «вход-выходные» соотношения, определить степень линейной связи между параметрами
процесса сушки зерна в различных зонах шахтной и барабанной
сушилок, получить оценки технологической и технико-экономической эффективности дифференцированных режимов позонного способа сушки зерна.

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

Во втором разделе рассматриваются вопросы имитационного моделирования процесса сушки зерна, 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 с.-х. 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 с.-х. 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 (рисунок 1).

Рисунок 1 Функциональная схема сушильной камеры зерносушилки с.-х. назначения

Процесс построения математической модели процесса сушки включает в себя четыре этапа (рисунок 2), на каждом из которых имеется возможность получения математической модели соответствующего уровня.

1 этап - концептуализация. Получение модели элементарного слоя (упрощенной модели в виде системы из четырех алгебраических балансовых уравнений с использованием энерго - и массобалансового метода, положений теории сушки и метода термодинамической аналогии между хорошо изученными тепловыми процессами и представляющими определенную теплофизическую проблему, - и как следствие, - сложное математическое описание, - влажностными процессами). Модель первого уровня представляет собой систему алгебраических уравнений приближенно описывающих статику процесса сушки. Она не пригодна для постановки и решения оптимизационных задач, но служит неотъемлемой базовой основой к построению моделей высшего уровня.

Анализ изменения коэффициентов в моделях типовых слоев показывает, что даже при одинаковом виде уравнений, они имеют разный порядок значений (таблица 1). Можно проследить и тенденцию этого изменения: с возрастанием порядкового номера группы (типа) слоя имеет место следующий характер изменения значений модельных коэффициентов. Коэффициент - увеличивает порядок своих значений, - увеличивает, но с меньшей интенсивностью, - уменьшает порядок своих значений, - тоже уменьшает, но с меньшей интенсивностью, - при переходе от групп слоев, характеризующихся малыми значениями геометрической доли активной (соприкасающейся с сушильным агентом) поверхности и малыми значениями степени ее обновляемости к типам слоев с более высокими значениями данных параметров.

Таблица 1 Параметры, характеризующие слои зернового материала

Порядковый номер группы сло		Схема	Число уравнений	Число степеней свободы	Тип слоя	Применение в сушилках	Код	Порядок значений коэффициентов модели и критериев подобия	Характерные значения
1	0 -3		2	2	плотный неподвижный	бункера активного вентилирования	1	(-4 - 3,5)	(-3,5 -3)	(-3,5 -3)	0	80-90	7,0	0
	4 -7		4	3		бункерные	1	-3	-3	-3	0	85-95	7,2	10-20
2	10- 12		4	3	плотный подвижный	конвейерные	2	-2	-2	-2,5	0	90-100	7,3	30-40
	13 -16		2	3		шахтные камерные	2	-1	0	-2	0	100	7,5	40-80
3	20 -22		3	3	разрыхленный	барабанные	2-3	-0,5	-2	-1,6	1	300	9,1	100-200
	25 -27		4	3	рыхлый (гравитационно-падающий)	комбини-рованные (I зона)	3	-0,5	-1	-1	1,5	500	14,6	150-250
4	30 -32		4	3	фонтанирующий	комбиниро-ванные	3	-0,4	-3	0-0,5	2	700	23	200-300
	33- -37		2	3	кипящий	пневмогазовые	3-4	(-1)	-3	1	3,5	2000	28	200-350
	38- -40		2	2	взвешенный	пневмогазовые	4	(-1)	-3	1,5	3	2200	30	350-400

Применительно к шахтной зерносушилке данный подход к построению многоуровневой системы математических моделей может быть представлен в виде схемы, представленной на рисунке 3.

При переходе от первого ко второму этапу определяется оператор () соответствующего типового слоя с учетом особенностей взаимодействия зернового материала и сушильного агента. Порядок погрешности этого перехода определяется двумя составляющими: погрешностью аппроксимации (системой алгебраических балансовых уравнений) модели элементарного слоя и идеализациями (допущениями) в схеме относительного движения (продувки) зернового материала теплоносителем (например, допущение о постоянстве вектора скорости движения зерна - к оператору () переноса в уравнениях плотного подвижного слоя).



Рисунок 2 Схема построения математической модели процесса сушки зерна

Модель первого уровня представляет собой систему уравнений баланса теплота и влаги:

, (1)

, (2)

, (3)

. (4)

2 этап - формализация, классификация и структурная идентификация. Составление моделей типовых слоев (плотных: неподвижного, малоподвижного и движущегося с механическим перемешиванием; рыхлых: разрыхленного интенсивным механическим перемешиванием и рыхлого сочетающего фазы плотного состояния с гравитационно падающим и кипящим; псевдоожиженных: фонтанирующего, виброкипящего, взвешенного) и на их основе построение общей модели процесса сушки зерна в слое.



Рисунок 3 Представление сушильной камеры шахтной зерносушилки как последовательное соединение слоев

Модель второго уровня представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений описывающих кинетику процесса сушки зерна (для плотного подвижного слоя - дифференциальные уравнения субстанционального переноса):

(5)

(6)

Отметим, что между коэффициентами уравнений соседних уровней системы существует «наследственная» связь (на каждой ступени процедуры идентификации осуществляющей преобразование модели на более высокий иерархический уровень в качестве начальных значений идентифицируемых модельных коэффициентов берутся результаты идентификации, полученные на предыдущем уровне).

Переход от второго этапа составления математической модели к третьему (то есть от уравнений слоев к уравнению сушильной камеры, которая может содержать некоторое число различных или однородных типовых слоев с определенными порядковыми номерами и значениями параметров для каждой зоны сушки) осуществляется с помощью методов математической композиции уравнений слоев зон, составляющих сушильную камеру. Погрешность этого перехода можно оценить, например, для модели шахтной сушилки, получаемой методами интегрирования (более точно взятием функционала скользящего осреднения) - уравнений плотных подвижных слоев, она имеет порядок .

3 этап - декомпозиция, суперпозиция, собственно моделирование. Построение обобщенных имитационных моделей для сушильных камер заданного типа (шахтного, барабанного, камерного, бункерного, комбинированного) с учетом особенностей системообразующих внутриконструкционных элементов сушильных зон зерносушилки с определенной совокупностью или системой какого-то фиксированного числа известных типовых слоев. Например, сушильную камеру барабанного типа можно представить в виде одного разрыхленного слоя, динамически переходящего из рыхлого (полет под действием сушильного агента) во множество тонких плотных слоев (отлежка на полочках при вращении барабана).

Модель третьего уровня в обобщенном виде представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих динамику процесса сушки:

Модель для шахтной зерносушилки представляется в виде:

(11)

Модель для барабанной зерносушилки представляется в виде:

(12)

Переход от третьего этапа к четвертому требует наличия некоторого объема экспериментальных данных о процессе в установившемся состоянии в каком-либо режиме (близком к нормальному), или данных о переходных процессах, либо статистических данных о состоянии и виде зернового материала для описания процесса сушки. Он осуществляется с использованием методов идентификации (методом решения обратной задачи тепломассообмена, методом наименьших квадратов, экспериментальным способом). Эти методы можно использовать последовательно в обратном порядке их перечисления, т.е. определить начальные приближения значений коэффициентов модели методом цилиндрического зонда нестационарного теплового потока на лабораторной установке, (найти теплофизические параметры: коэффициенты теплоемкости , теплопроводности и температуропроводности как функции и, используя связь их через критерии подобия и получить зависимости теплообменных параметров: коэффициентов тепломассообменных параметров: коэффициентов тепло- и влагообмена для каждого типового слоя, которым соответствуют разные критериальные уравнения); или с помощью экспериментальных данных о процессе в сушильной камере определить их методом наименьших квадратов; производить их уточнение за конечное число итераций (зависящее от близости к эталонным значениям начального приближения) методом решения обратной задачи тепломассопереноса. В отличие от предыдущих переходов, когда значения коэффициентов оценивались лишь порядком, и переход сопровождался погрешностью, в этом происходит присвоение им конкретных числовых значений.

4 этап - функциональная и параметрическая идентификация. Идентификация функции, определяющей характер влагообмена, и коэффициентов, характеризующих теплообмен и влагообмен для конкретной ситуации - вида и состояния зернового материала и конструктивных особенностей конкретной сушилки определенного типа, т.е. настройка модели сушильной камеры данного типа.

Модель четвертого уровня представляет собой нелинейную систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих результирующую динамику процесса сушки:

, (13)

(14)

Таким образом, дана обобщенная модель построения и методика настройки математической модели процесса сушки зерна в зерносушилке сельскохозяйственного назначения.

Дальнейшее преобразование преобразования полученной в окончательном виде математической модели (13-14) процесса сушки зерна (данного вида, назначения, состояния) в сушильной камере в виде, наиболее удобном для анализа системы А - матрицы передаточных функций, которая выявит наиболее главные связи по каналам "вход-выход" и из множества возможных постановок оптимизационных задач позволит выделить наиболее важную. Получение оптимального управления температурой сушильного агента на входе в сушильную камеру, доставляющим наименьшее значение функционалу производительность сушилки при соответствующих ограничениях на основные (фазовые) переменные состояния процесса. Методы реализации имитационных моделей в различных зерносушилках, выбор соответствующих режимных параметров, обоснование технологических приемов, позволяющих достичь качественного характера оптимального режима в существующих конструкциях зерносушилок. Проверка значений выходной вектор-функции качества с точки зрения целевых функционалов.

Полученные имитационные модели и методы их настройки для зерносушилок определенного типа и конструкционных особенностей при сушке зерновой культуры данного сорта и исходного качества могут быть использованы (после идентификации модельных коэффициентов с использованием фактических или опытных данных) для определения эффективных режимов сушки.

В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований и рассмотрены основные показатели процесса сушки зерна, оцениваемые и контролируемые при проведении лабораторных исследований, приведена схема лабораторной установки для сушки зернового материала.

Цель экспериментального исследования процесса сушки зерна заключалась в настройке математической модели процесса сушки зерна, проверке адекватности модели и полученных результатов, а также в сравнении данных опытного и численного эксперимента.

Для экспериментального определения основных параметров зерна: влажности, температуры в процессе сушки при условиях нормального функционирования зерносушилки руководствовались действующими инструкциями, методиками и рекомендациями, утвержденными Министерством сельского хозяйства РФ.

Основные этапы проведенных экспериментальных исследований:

- лабораторные исследования теплофизических характеристик зерна и зерновых слоев различного типа,

- пассивные эксперименты стационарных режимов сушки в условиях нормального функционирования,

- мониторинг процесса сушки зерна в сушилках шахтного и барабанного типов,

- управление наблюдениями протекания процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке,

- активные эксперименты стационарных режимов с планированием схемы опытов,

- пассивные эксперименты динамических режимов сушки зерна.

Для определения характера выхода сушилки на режим установившегося состояния процесса и переходного процесса при изменении температуры сушильного агента на 5°С провели три группы опытов (в каждой из которых пробы отбирались в указанных точках, изменяли только интервал времени отбора), результаты которых представлены в таблицах 2 и 3.

В первой группе опытов, в силу того, что здесь снимаются параметры состояния нестационарного процесса (причем характер этой нестационарности зависит от условий функционирования зерносушилки, организации поточной послеуборочной обработки зерна на пункте - опыты проводились в различных хозяйствах зон повышенного увлажнения) интервал квантования составлял 5 мин. Эти опыты начинали сразу после загрузки сушильной камеры зерновым материалом и включения выпускного аппарата и продолжали до момента полного обновления материала в сушильной камере (20-60 мин.). На рисунке 4 приведен один из примеров реализации данной серии опытов для шахтной зерносушилки и его численное моделирование на основе имитационной модели (11).

Во второй группе опытов (которую начинали после выхода сушилки на установившийся режим) изучали динамику процесса сушки в стационарном режиме, Дt =10 мин. Некоторые результаты этих опытов приведены на рисунке 5.

В третьей группе опытов, - после того как сушилка вышла на установившейся режим работы, определяли динамические характеристики процесса сушки: передаточные функции, частотные характеристики, переходные процессы, - методом типовых возмущений на входе системы (пробы отбирали через Дt =5 мин.)

Сравнение их с аналогичными характеристиками, полученными в результате обработки статистической информации о процессе сушки (щ,?,Дщ,Д?) в условиях нормального функционирования сушилки, а также с расчетными моделями дает приемлемые для практики результаты.

Перед началом каждого опыта определяли начальные условия - отбирали пробы в указанных выше точках, а после его завершения проверяли влажность зерна на выходе сушилки через Дt =5 мин.

Определяли также относительную влажность окружающего воздуха и отработанного сушильного агента (первую - перед началом и в конце опыта, вторую - через Дt =15 мин.).

Приготовление образцов различной температуры производили следующим образом. Образцы с различной влажностью нагревали в сушильном шкафу. При этом во избежание потери влажности, мешки запаивали. Образцы нагревали до 60°С с интервалом 5°С. Контроль их температуры производили ртутным термометром одновременно с замерами С, л, б. Для определения теплофизических характеристик зерна (а также слоя зернового материала) провели эксперименты на лабораторной установке.

Рисунок 4 Выход процесса сушки в шахтной зерносушилке на установившееся состояние и переходные процессы при в момент времени 1 - 3-й ряд коробов; 2 - 7-й ряд; 3 - 14-й ряд;



Рисунок 5 Стационарные режимы сушки зерна в шахтной (1) и барабанной (2) сушилках (а - влажность, б - температуры)

Таблица 2 Результаты экспериментальных исследований процесса сушки зерна в сушилке СЗШ - 16 при нормальных условиях функционирования

Вид зерна	Целевое назначение	Степень открытия выгрузного аппарата, град.	Температура сушильного агента на входе в подводящий диффузор	Влажность зерна на входе в сушилку	Температура на входе в сушилку
			Выходе из отводящего диффузора	Выходе из сушильной камеры	Выходе из сушильной камеры
1. Овес	Семенное	16,5	63,6/32,6	2,1/3,0	20,7/15,0	1,6/0,9	15,3/37,8	0,5/1,8
2. Ячмень	Семенное	15	71,0/34,7	2,6/2,0	19,8/14,5	2,4/1,6	20,3/39,6	2,1/2,3
3. Ячмень	Семенное	12	58,0/30,8	2,9/3,1	23,4/15,9	2,5/1,7	10,7/33,8	0,8/1,7
4. Пшеница	Семенное	25	92,1/50,4	9,2/3,5	23,8/16,9	2,4/2,0	20,5/54,8	2,2/7,1
5. Пшеница	Семенное	30	95,6/41,5	10,1/2,2	22,3/14,3	1,9/1,2	10,8/45,9	0,6/5,3
6. Ячмень	Семенное	14	53,0/33,4	5,9/3,2	18,7/13,8	1,9/1,1	16,1/42,3	1,4/2,5

Таблица 3 Результаты экспериментальных исследований процесса сушки зерна в шахтной сушилке

Вид зерна	Режим сушки	Скорость движения зерна	Температура сушильного агента	Влажность зерна	Температура зерна
			на входе	на выходе	на входе	на выходе	на входе	на выходе
1. Рожь «Енисейка»	Семенной	0,0003	60	36	20,5	14,4	12	38
2. то же	Семенной	0,00038	65	38	22,7	15,9	17	40
3. то же	Продовольственный	0,0007	90	46	25,3	18,5	15	46
4. то же	Фуражный	0,00073	100	59	28,4	20,8	16	60

Она содержит следующую аппаратуру: прибор ИТХ9П, измерительный блок (включающий стабилизированные источники мостовой измерительной схемы и подогревной обмотки зонда, измерительную схему и усилитель), вторичного регистрирующего прибора. В качестве теплового зонда в ИТХ9П используется полупроводниковый цилиндрический зонд. Погрешность прибора не превышает 5%.

Время теплового воздействия 4-5 мин., чувствительность прибора по температуре 1°С.

Измерительный блок объединяет стабилизированные источники мостовой измерительной системы и подогревной обмотки зонда. Кроме того, в состав прибора входят измерительная схема и усилитель. Опыты проводили по следующей методике. Зерновой материал увлажняли в специально приготовленных полиэтиленовых мешках в течение трех суток, перемешивание производили два раза в сутки.

По каждой культуре (пшеница, рожь, овес, ячмень) приготовили по одиннадцать образцов с влажностью от 10% до 35%. Некоторые результаты представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 Зависимость теплофизических показателей слоя зерновых культур (тип слоя 1) от влажности (а - температуропроводность, - теплопроводность; 1- ячмень, 2- рожь, 3 - овес)

Характер изменения температуропроводности слоя зерна в зависимости от влажности сложен. В области повышенных значений влажности (до 28%) c уменьшением W снижаются значения а, что можно объяснить тем, что скорость изменения температуры в воздухе выше, чем в воде и влага в слое с увеличением ее содержания насыщает поры и выступает на поверхности, что способствует уменьшению скорости температуры. В области повышенных значений влажности (от 28%) значение а практически постоянно, так как влага из материала выступила в таком количеств, при котором скорость изменения температуры уже не уменьшается, а возрастает только тепловой поток.

Характер изменения теплопроводности можно объяснить различными формами связи влаги с материалом. При влажности зерна до 30% влага заполнят мелкие поры, и после их насыщения переходит в межзерновое пространство; при этом и меньше, так как в поры материала вместо воды входит воздух, теплопроводность которого значительно меньше, чем жидкости.

У материала с высокой влажностью происходит резкое увеличение за счет поверхностной влаги, так как влага выступает на поверхность отдельных зерен и образует водяные тепловые «мостики» в местах контакта частиц материала.

Используя критериальные уравнения, связывающие теплофизические параметры зернового слоя с теплотехническими величинами, получили значения коэффициента теплообмена между зерновым материалом и сушильным агентом.

В программу экспериментальных исследований входило проведение численного эксперимента на ЭВМ с использованием программных комплексов Data Fit, MathLab, Maple, приложением Excel из пакета прикладных программ Microsoft Office.

Для реализации численного эксперимента была составлена программа с применением языка программирования «Фортран».

Анализ его результатов позволил доказать высокую степень адекватности имитационной модели, обладающей свойствами грубости (нечувствительности к малым изменениям входных возмущающих параметров) и гибкости (возможности описывать различный характер возможного изменения параметров состояния) и обосновать систему мониторинга процесса сушки зерна для управления в режиме реального времени.

Результаты натурных, лабораторных и численных экспериментов подтвердили возможность идентификации имитационных моделей для их использования при выборе эффективных режимов сушки.

В четвертом разделе приведены результаты алгоритмизации и использования имитационных моделей процесса сушки зерна.

Проведено численное моделирование стационарных режимов (рисунок 7) сушки зерна на основе нелинейных систем уравнений (7-8), приведенных к виду:

, (15)

. (16)

Рисунок 7 Результаты численного эксперимента на основе имитационной модели при различных наборах () коэффициентов:

Дается определение характера и степени взаимного влияния основных параметров процесса. Установлены корреляционные связи между параметрами процесса. Диапазон их изменения:

- шахтная зерносушилка

(17)

- барабанная зерносушилка

 (18)

Вероятность сохранения допусков, установленных агротехническими требованиями на выходные параметры , может быть определена по известной методике, предложенной профессором А.Б. Лурье. Для этого использовали стохастическую составляющую математической модели (задающую пределы изменения параметров модели в предположении, что их среднее значение описывается ее детерминированной составляющей). Учитывая, что выходной процесс по влажности зерна может быть описан нормальным законом распределения :

. (19)

Установлены предельные значения дисперсий начальной влажности зерна, обуславливающие удовлетворение агротехнических требований с вероятностью 0,9:

- для шахтной зерносушилки

(20)

- для барабанной зерносушилки

 (21)

Приводится построение вход - выходных моделей в виде передаточных функций, амплитудно - частотных фазовых характеристик и переходных процессов. Проводится сравнение теоретических и экспериментальных характеристик, дается аппроксимация передаточных функций для шахтной и барабанной зерносушилок.

В результате численного моделирования на основе линеаризованной математической модели была разработана методика построения «вход-выходных» описаний для данного класса систем. Результаты использования данного алгоритма для шахтных и барабанных зерносушилок приведены на рисунке 8а, б, в, г, д.

Рисунок 8 Амплитудно - фазовые частотные характеристики процесса сушки зерна в шахтной и барабанной зерносушилках по каналам связи: а) начальная - конечная влажность (шахтная зерносушилка); б) начальная влажность - конечная температура зерна;

в) скорость движения зерна - конечная влажность;

г) начальная температура- конечная влажность (барабанная зерносушилка)

Переходные процессы в шахтной и барабанной зерносушилках по различным каналам приведены на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9 Переходные процессы по температуре нагрева зерна в различных сечениях шахт ной зерносушилки при разных значениях степени перемешивания (подвижности) плотного слоя



Рисунок 10 «Вход-выходные» соотношения в барабанной зерносушилке в виде переходных процессов по различным каналам связи

Приводится постановка и решение задачи оптимального управления температурой сушильного агента на входе в сушильную камеру. Дается оценка решения и пути его практической реализации в зерносушилках шахтного и барабанного типов.

Дается обоснование технологических приемов, способствующих достижению качественного характера оптимального режима сушки зерна.

Для оптимизации процесса сушки в данной сушильной камере можно поставить множество оптимизационных задач. Однако есть и другой путь: используя общую математическую модель, гипотезу о связи слоев, о главной роли температуры сушильного агента, о том, то скорость зерна можно включить в целевой функционал, - поставить и решить одну задачу оптимального управления входной температурой сушильного агента при целевом функционале получения заданного влагосъема при наименьшей экспозиции сушки и ограничениях, соответствующих виду и назначению зерна.

Тогда полученное решение будет отражать качественный характер оптимального режима сушки зерна в шахтной и барабанной сушилках.

Поставим задачу оптимального управления на основе модели
(11) - (12)

Таблица

Целевая функция:	;	(22)
Система ограничений:	,	(23)
Уравнения связи:	;	(24)
	.	(25)

Для определения точек переключения при других операторах необходимо провести численное моделирование системы уравнений при . Тогда наименьшая по модулю точка t', в которой близко к и принимается в качестве точки переключения:

. (26)

Анализ результатов численного моделирования: значения небольшие по сравнению с (где - время перевода системы из состояния () в состояние (), и малые значения , оцениваемые как

, (27)

показывает, что этот участок входит в первый период - период постоянной скорости сушки.

Данное обстоятельство, а также различный характер кривых скорости сушки зерна и типичных капиллярнопористых тел говорит о том, что необходимо видоизменить определения периодов сушки и критических значений влажности.

Более точно указанный участок кривой (формула 27) период полностью совпадает с этим периодом, - если изменить определения периодов процесса сушки для зерновых культур и представить их в следующем виде:

,

, (28)

где - первое и второе критические значения влажности на «границе» между соответствующими периодами процесса сушки.

Такое изменение, является необходимым ввиду того, что согласно классическому определению процесс сушки зерна не делится на периоды, что противоречит основному положению теории сушки (а также находится в противоречии с характерной особенностью процесса сушки зерна, заключающейся в отчетливом проявлении различий в протекании как результирующего процесса, так и его составляющих в начальной, серединной и конечной фаза экспозиций сушки).

Первый период процесса сушки зерна согласно (28) содержит нулевой и первый периоды по классическому определению. Последний при сушке зерна проявляется редко, что указывается в литературе, а также доказывается результатами проведенных исследований: численный эксперимент показал, что использование закона Ньютона, то есть и закона Дальтона, которые теоретически описывают процесс сушки при постоянном периоде не отражают действительный ход протекания процесса сушки зерна, не сходятся с экспериментальными данными. В то время как при сушке большинства других материалов, этот период занимает около половины экспозиции сушки до равновесного по влажности состояния.

Учитывая, что в первом периоде сушки зерна процесс хорошо описывается функцией , нами получено аналитическое описание представляющее графики сушки зерна в стационарных режимах в виде логистических кривых.

B результате решения задачи предельного быстродействия получили, что точка переключения совпадает с первой критической точкой (расположенной на границе между первым и вторым периодами процесса сушки).

Таким образом, законы изменения и в первой зоне

, (29)

, (30)

и закон управления в первой зоне

. (31)

Близость полученных выражений для разных видов функций и , и сама возможность получения аналитического выражения для может служить доказательством корректности выбранного метода построения решения задачи (22) - (25).

Из (27) подставляя (29) и учитывая (30) и (27), получаем

, . (32)

Решая уравнение (11) при нормальном условии и (25); при получим

, . (33)

Сравнение (32) и (33) показывает, что они отличаются незначительно. Выражение (32) получено для условий, соответствующих сушке зерна в шахтных сушилках. Выражение (33) - более общее, его можно использовать и для других типов сушильной камеры.

В соответствии с полученными выражениями и проведем анализ первого периода сушки зерна и рассмотрим, каким он
должен быть при оптимальном протекании процесса. Первый период
процесса сушки зерна имеет характер нулевого (первоначального
периода) при сушке коллоидных капиллярнопористых тел. Это может быть объяснено структурой зерна - наличием оболочки, а у некоторых культур - и пленки, поэтому первоначальный прогрев материала, который в общем случае протекает достаточно быстро, для зерна занимает определенный промежуток времени. При оптимальном ведении процесса этот период необходимо выделить особо (то есть режимы процесса сушки зерна должны строиться таким образом, чтобы, с одной стороны он имел место и обеспечивал быстрый нагрев зерна до предельно допустимого значения, обеспечивая баланс внутреннего и внешнего влагопереноса и баланс тепло- и массообмена, а с другой стороны его продолжительность была наименьшей): .

Отметим, что при определенных режимах первый период не будет иметь места, а в других случаях оказывается слишком растянутым. Это приводит: к нарушению частных составляющих внутренних и внешних процессов, таких как перераспределение влаги внутри зерна в виде жидкости, испарение поверхностной влаги в виде пара, углубление зоны испарения внутрь зерновок, закал зерна, запаривание зерна, разрыв оболочек и (или) другие - в первом случае; и к низкой интенсивности результирующей внешней динамики процесса сушки - во втором.

Продолжительность первого периода должна быть согласована с активностью воды в зерне, она не должна превышать времени испарения всей механически связанной с зерном влаги. Учитывая, что теплообменные свойства зерна во много раз сильнее выражены, чем его влагообменные свойства (оно нагревается быстро, а влагу отдает медленно, - о чем свидетельствуют значения критериев Lu, Gu ), можно ожидать, что за время нагрева до допустимой температуры будет испаряться только поверхностная влага.

Второй период сушки зерна (рисунок 11, кривая д, т. KT) начинается, когда зерно уже достаточно нагрелось, а свободная влага (физико-механически связанная с зерном) вся испарилась. В этом периоде сушки удаляется влага физической связи, она находится во внутренних слоях зерна. Эта влага может испаряться в виде жидкости, пройдя по микро- и макрокапиллярам к оболочке ( в этом случае зерно не только сохраняет, но и улучшает свои качественные показатели; этому случаю должен содействовать оптимальный режим сушки), или если оболочка сухая, то влага удаляется из внутренних слоев зерна в виде пара, - происходит углубление зоны испарения, расширение толщины пограничного слоя (в этом случае качество зерна может ухудшиться).