Автоматизація активної вентиляції зерна для реалізації енергозберігаючих режимів досушування

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

НІЖИНСЬКИЙ АГРОТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Факультет електрифікації і автоматизації сільського господарства

6.100101 - “Енергетика та електротехнічні системи в АПК”

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

ДП.6.100101.071.010.ПЗ

Автоматизація активної вентиляції зерна для реалізації енергозберігаючих режимів досушування

студент

Кравченко Павло Юрійович



АНОТАЦІЯ

сушіння вентилювання зерно електроакумуляційний

Випускний дипломний проект складається з 65 сторінок пояснювальної записки та 4 листів графічного матеріалу.

В даній роботі було проведено автоматизацію активної вентиляції зерна для реалізації енергозберігаючих режимів досушування. Проведено детальний огляд літературних джерел з автоматизації активної вентиляції зерна і обрано найефективніший з переглянутих варіантів автоматизації.

Під час аналізу способів підвищення енергоефективності технологічних процесів сушіння зерна отримано нові технологічні і технічні рішення, які забезпечують можливість якісної і економічно вигідної обробки і зберігання зерна.

Також в цій роботі застосовано електроакумуляційний нагрів повітря для досушування зерна активним вентилюванням, яке доцільно використовувати тільки при певному співвідношенні температури і вологості зерна.

На основі показників економічної ефективності було зроблено висновок про доцільність використання системи.



АННОТАЦИЯ

Выпускной дипломный проект состоит из 65 страниц объяснительной записки и 4 писем графического материала.

В данной работе была проведена автоматизация активной вентиляции зерна для реализации энергохранящих режимов досушивания. Проведен подробный осмотр литературных источников из автоматизации активной вентиляции зерна и избран самый эффективный из пересмотренных вариантов автоматизации.

Во время анализа способов повышения энергоэффективности технологических процессов сушения зерна получены новые технологические и технические решения, которые обеспечивают возможность качественной и экономически выгодной обработки и хранения зерна.

Также в этой работе применено електроакумуляционый нагрев воздуха для досушивания зерна активным вентилированием, которое целесообразно использовать только при определенном соотношении температуры и влажности зерна.

На основе показателей экономической эффективности был сделан вывод о целесообразности использования системы.



ANNOTATION

A final diploma project consists of 65 pages of explanatory message and 4 letters of graphic material.

In this work automation of active ventilation of grain was conducted for realization of the energy keepings modes of dry. The overhaul of literary sources is conducted from automation of active ventilation of grain and the most effective is select from the revised variants of automation.

During the analysis of methods of increase of energy effective of technological processes of drying of grain new technological and technical decisions which provide possibility of high-quality and economic advantageous treatment and storage of grain are got.

Also in this work it is applied electro-accumulation warmed air for досушування of grain active aeration which it is expedient to use only for certain correlation of temperature and humidity of grain.

On the basis of indexes of economic efficiency a conclusion was done about expedience of the use of the system.



ЗМІСТ

Вступ

1. Споживання енергії установками для сушіння і активного вентилювання зерна

1.1. Способи і технологічне обладнання для сушіння зерна

1.2 Способи підвищення енергетичної ефективності процесу сушіння зерна

1.3 Аналіз способів підвищення енергоефективності технологічних процесів сушіння зерна

2. Дослідження способів і методів підвищення енергоефективності досушування зерна

2.1 Застосування електроакумуляційного нагріву повітря для досушування зерна активним вентилюванням

3. Розробка системи автоматичного керування процесом сушки зерна

3.1 Автоматизована система забезпечення енергозберігаючих режимів для роботи електротепловентиляційних установок

4. Охорона праці при досушуванні зерна

Додаток А

Додаток Б

Висновок

Література



ВСТУП

Рівень використання енергії у зерновому виробництві має виключно важливе значення, оскільки від цього залежить об'єм, якість і вартість продукції. Останнім часом внаслідок диспропорції між вартістю енергії та готової продукції знизилась ефективність вирощування ряду сільськогосподарських культур.

Значення енергоресурсів особливо посилюється при вирощуванні групи пізньостиглих культур, або ж при настанні несприятливих умов, коли підвищується збиральна вологість зерна і необхідне його сушіння. Справа у тому, що серед технологічних процесів сушіння вологого зерна потребує найбільших енерговитрат, до того ж в першу чергу традиційно дорогих видів рідкого і газоподібного палива, електроенергії. Ціна енергоматеріалів у вартості такого сушіння становить 80-90%.

Особливо великі енерговитрати концентруються на стадіях первинної обробки вологого зерна, які включають тимчасове оперативне зберігання, очищення, сушіння. З усього валового збору зернових культур підлягає очищенню 80-90%, сушінню 30-40%, зберіганню 20-25% врожаю.

Активне вентилювання вперше набуло широкого використання в елеваторно-складському господарстві. Причиною була заготівля великих об'ємів зерна, яке можна обробляти без термічного сушіння. Зерно з певною вологою можна поступово підсушувати, охолоджувати, консервувати, аерувати в залежності від його стану і призначення. Цей технологічний прийом забезпечує, по-перше, суттєве зниження енергії в порівнянні з термічним сушінням. По-друге, підвищується якість насіння чи зерна за рахунок "м'якого" завершення біохімічних процесів, пов'язаних з дозріванням і стабілізацією білково-ферментного комплексу. По-третє, прийом не потребує складного обладнання чи великих капітальних вкладень. Тому на базі активного вентилювання були розроблені технології, які широко аграрно розвинутих країн (США, Канада, Австралія).

Зважаючи на названі істотні переваги, прийом активного вентилювання може бути значно поширений для первинної обробки вологого зерна в господарствах. Збиральна вологість при цьому може складати до 20-25% в залежності від культури.

Нові технологічні прийоми, такі як сушіння на альтернативних енергоносіях і зберігання в регульованому газовому середовищі, відносяться до тих, що мають за головну мету скоротити використання невідтворюваних енергоресурсів. Прийоми мають загальнопоширене значення, оскільки можуть застосовуватись на різних ланках аграрного виробництва. Великі можливості для зменшення традиційних видів енергії є використаня енергії сонця.



1. Споживання енергії установками для сушіння і активного вентилювання зерна

1.1 Способи і обладнання для сушіння зерна

Значимість і різноманітність технологій сушіння зерна призвела до розповсюдження сушильних установок для всіх видів зернових культур.

Світова практика зерносушіння базується в основному на технології конвективного сушіння,оскільки інші методи енергопідводу в такому крупнотонажному виробництві, як сушіння поки ще не конкурентноздатні. Сушарки з кондуктивним підведенням теплоти мають невелику область застосування, в основному, при обробці насіннєвого зерна.Спроби використання вакуумних, радіаційних, мікрохвильових сушарок із-за технічної складності, і високої вартості установок застосування в сільському господарстві не отримали. Найбільшого розповсюдження в зернопереробній галузі АПК отримало обезвожування конвективним висушуванням при атмосферному тиску. Конвективне сушіння розділяють на дві основні групи: низькотемпературне, високотемпературне. При конвективному способі сушіння шар зерна може бути: щільним нерухомим, щільним рухомим, падаючим, псевдозжиженим, у зваженому стані.

В щільному нерухомому шарі величина контактної поверхні зернівок і їх поверхні, що омивається агентом сушіння постійні. При сушінні зерна в щільному нерухомому шарі температура сушильного агента обмежена і, як правило визначається допустимою температурою нагрівання зерна. Сушильне обладнання, в якому сушіння відбувається в щільному нерухомому шарі: сушарки камерні СКП-6, конвеєрні, тунельні, шахтні ВІС-2 або ВІС-42, установки активного вентилювання. Установки сушіння зерна, сушильним агентом в яких є атмосферне або підігріте повітря

Активне вентилювання є одним з найважливіших способів зберігання і покращення якості зерна, важливим засобом зменшення витрат на обробку і зберігання зерна. Практично вся американська технологія післязбиральної обробки зерна побудована на основі вентильованих зерносховищ.

Широкого розповсюдження у вітчизняних господарствах отримали вентильовані бункери з радіальним або вертикальним повітряним потоком. За часів СРСР господарства закупали бункери БВ-25, БВ-40, С-50А, К850ФОЗ, УП-120А, УП-500, ЦЕМКПД-500, СНА-250 та інш.

Також,використовують в господарствах, обладнання для напільного низькотемпературного сушіння:стаціонарні установки з горизонтальним полом - СВУ-1, СВУ-1М, СВУ-2, СВУ-63 та ін., наклоним полом установка “Каркас”, напольні-переносні установки ГІПЗП-48, ГІПЗП-55, ТВУ-2, ПВУ-1.

Сьогодні на ринку України представлені металічні вентилюємі зерносховища типу СМВУ виробництва ТПК „ЛОРД” (м. Миколаїв); зерносховища з активною вентиляцією марки CЗ, Харківського об'єднання виробництв “ Зернобуд”; зерносховища для досушування ДЗ-100, ДЗ-200 виробництва ОАО “НИИфермаш”; зерносховища виробництва польських фірм BIN, ARAJ, а також американської компанії MS YORK.

Високотемпературне сушіння в основному реалізується у рухомому щільному шарі зерна. Сушіння в псевдорозрідженому шарі (здійснюються в сушарках А1-КВР, падаючому - в сушарках РДх25-70, К1-УЗБ-50, “Цілинна-50”, А1-УЗМ, А1-УСМ, зваженому шарі - в сушарках ІТМО Білоруського виробництва) широкого розповсюдження в АПК не отримали, за оцінками експертів, із-за низьких техніко-економічних показників.

сушильну камеру і створення необхідного підпору в нижній частині. В рухомому щільному шарі використовують режими з високою температурою агента сушіння (70-160⁰С). Товщина шару складає 0,1-0,5 м. Великі питомі витрати агента сушіння до 5000м³/(т•год) в поєднанні з невеликою товщиною шару забезпечує рівномірне висушування всього шару.

Сушильні камери з рухомим щільним шаром отримали найбільше розповсюдження в АПК. До них відносяться шахтні і колонкові зерносушарки, неперервної дії.

На підприємствах галузі хлібопродуктів (елеватори) в основному експлуатують шахтні зерносушарки. Понад 80% з них морально і фізично застарілі прямоточні агрегати ДСП-32 і лише 10% удосконалена модель - прямоточно-рециркуляційні А1-ДСП-50.Стаціонарні сушарки неперервної дії є основним технічним засобом сушіння у великих господарствах, на елеваторах, оскільки: дають можливість налагодити поточне виробництво; забезпечують високу швидкість сушіння; виключають можливість простоїв сушарки із-за періодичного завантаження - вивантаження зерна.

В сільському господарстві для високотемпературного сушіння зерна використовують також універсальні зерносушарки: барабанні СЗПБ-2.5, СЗСБ-8, СЗСБ-8А. Універсальні сушарки використовуються в основному як допоміжний засіб сушіння зерна.

Для сушіння зерна в умовах фермерських господарств, за кордоном широко використовують енергоекономні пересувні зерносушарки. В Україні із пересувних сушарок використовують: К4-УСА і К4-УС2-А. Пересувні сучасні зерносушарки на ринку, представлені закордонними фірмами “МЕPU”, “ТОФОРА”, вітчизняне промислове виробництво цього типу сушарок практично відсутнє.

У високотемпературних сушарках температура зерна на останніх стадіях сушіння наближається до граничної температури нагрівання, що для вмонтований охолоджувач, охолодження в якому відбувається атмосферним повітрям.

Важливим напрямком удосконалення технології сушіння є раціональне поєднання високотемпературного і атмосферного сушіння, відмічене в роботах, зокрема двостадійне сушіння. При двостадійному сушінні основне видалення вологи відбувається у високотемпературних сушарках, а досушування - активним вентилюванням атмосферним повітрям в процесі зберігання. Тобто технологія двостадійного сушіння виключає операцію охолодження зерна в сушарці на вмонтованих або виносних охолоджувачах, які мають низьку технологічну і експлуатаційну ефективність, а здійснюється за місцем зберігання. Високий енергетичний, техніко-економічний, технологічний ефект, як показано в роботах, досягається за рахунок використання теплоти, акумульованої зерном в сушарці, і сушильного потенціалу атмосферного повітря, яким вентилюється зерно за місцем зберігання.

Розглянемо технологічну схему проведення активного вентилювання зерна бункером БВ-25. Робота здійснюється слідуючим чином. Норія 1 (рис.1.1.) завантажує зерно у бункер 2, який має циліндричну форму і виконаний із штампованих перфорованих секцій. Зерно засипається між внутрішнім і зовнішнім циліндрами, де здійснюється вертикальне і горизонтальне (радіальне) повітророзподілення. В центрі бункера встановлена перфорована повітророзподільча труба 3, в середині якої переміщується поршень - заслінка 4. Розвантажується бункер самопливом через люк 5. Вентилятор 6 проганяє повітря через електрокалорифер 7 і подає його в масу зерна. Повітря пронизує шар зерна від внутрішнього циліндра до зовнішнього і відбирає надлишкову вологість. Електрокалорифер 7 вмикається в роботу при вологості зовнішнього повітря більше 65% і підігріває повітря лише на 5…6 о С.

Схема живлення і захисту електроспоживачів бункера активного вентилювання зерна зображена на рисунку 1.11.

Живиться система активного вентилювання зерна бункера БВ - 25 від стандартного джерела живлення змінного струму частотою 50 Гц на напругу 0,4 кВ по чотирьохпровідній системі. В якості ввідного апарата використовується роз'єднувач QS типу Р16-3СВ2000У3, який призначений для створення видимого розриву в електричному колі при обслуговуванні установки.Для захисту електродвигунів від коротких замикань ми використовується автоматичні вимикачі QF1…QF3 типу ВА51Г25 із комбінованими розчіплювачами. Для захисту нагрівної системи ЕК від коротких замикань автоматичний вимикач QF4 типу ВА51-31 із електромагнітними розчіплювачами. Для захисту кола керування від коротких замикань автоматичний вимикач SF типу ВА51 - 10. Для дистанційного керування електроспоживачами установки та захисту від надмірного зниження напруги джерела живлення використовуються електромагнітні пускачі КМ1…КМ5 типу ПМЛ.

Рисунок 1.1. Технологічна схема бункера активного вентилювання

Зерна на базі бункера БВ - 25.

1 - Завантажувальна норія; 2 - Зовнішній перфорований циліндр; 3 - Внутрішній перфорований циліндр; 4 - Поршень - заслінка; 5 - Вивантажувальний люк; 6 - центробіжний вентилятор; 7 - Нагрівна система; 8 - Трос лебідки приводу поршня; 9 - приводна станція лебідки; 10 - Задатчик положення поршня;

Принципова електрична схема керування бункером БВ -25 представлена на рисунку 1.12. Дана схема керування передбачає роботу установки по двох взаємозв'язаних підсистемах.

Причому система завантаження зерна в бункер та руху поршня - заслінки є задаючою і без її впливів неможлива робота другої підсистеми керування мікрокліматом в масі зерна бункера.

Так як бункер активного вентилювання зерна може виконувати дві функції переробки зерна то перемикачем SA2 ми вибираємо їх почерговість. Положення SA2 "С" - сушіння вологого зерна до необхідних кондицій та "К" - консервація зерна, тобто зберігання зерна після його пересушування. Перемикачем SA1 ми вибираємо режим роботи схеми керування ( "Р" ручне керування установкою оператором із постійним візуальним контролем та "А" - автоматичне керування без участі оператора ).В ручному режимі керування, оператор натискує кнопки SB1…SB2 та контролює роботу завантежувальної норії та поршня-заслінки за допомогою SB7…SB8. Після заповнення бункера зерном він зупиняє електропривід M1 завантажувальної норії натиснувши SB1 і обезживши КМ1. А за допомогою кнопки SB7 піднімає до верху поршень - заслінку на рівень зерна у бункері. Процес підготовки бункера до початку сушки зерна завершено.

.

Рисунок 1.11. Принципова електрична схема живлення і захисту електроспоживачів бункера БВ - 25

Для початку сушки зерна оператор натискує кнопку SB4 і заживлює через кнопку КМ2 електродвигун М2 приводу центробіжного вентилятора. Вентилятор продуває повітря через зерно, а оператор слідкує за показами вологомірів В1 та В2. Якщо вологість повітря, яке проходить через зерно не зменшується (в бункер подається вологе повітря) оператор натискає кнопку SB6 і заживлює через кнопку КМ5 електронагрівну систему ЕК. В масу зерна вже буде подаватися лиш вологе зерну повітря за рахунок його нагріву, а оператор слідкує за показами вологомірів В1 та В2. При необхідності він відключає нагрівну систему ЕК натиснувши SB5. Після закінчення сушки зерна оператор або звільняє бункер від висушеного зерна через вивантажувальний нижній люк або переводять за допомогою SA2 бункер в режим консервації. При цьому режимі роботи оператор слідкує за температурою зерна по показах датчика - регулятора SK, і за допомогою вентилятора на нагрівної системи підтримує цю температуру в нормі.

В автоматичному режимі роботи установки ( перемикач SA1 в "А" -автоматичне) всі функції оператора беруть на себе відповідні технічні засоби автоматики. Коли бункер не завантажений зерном на сушку чи консервацію датчик SL1 верхнього рівня зерна в бункері замкнутий і пускач КМ1 заживлює електродвигун М1 приводу завантажувальної норії та контактом КМ1.4 пускач КМ3 приводу поршня - заслінки М2, а контактом КМ1.3 унеможливлює роботу схеми керування вентиляційної установки. Йде процес завантаження зерном бункера до встановленого верхнього рівня SL1 і при його досягнені датчик - реле SL1 розмикає свій контакт і обезживлює КМ1, який в свою чергу зупиняє лебідку приводу поршня -заслінки та запускає в роботу систему підтримання мікроклімату в масі зерна (замикається КМ1.3).

В режимі сушка зерна (положення SA1-"С" - сушка) контакт КМ1.3 заживлює програмне реле часу КТ, яке своїм контактом КТ1 через замкнутий контакт датчика нижнього рівня SL2 заживлює магнітний пускач КМ2, який в свою чергу заживлює своїми силовими контактами електродвигун М2 приводу центробіжного вентилятора та контактом КМ2.4 підготовлює до роботи коло керування електронагрівною секцією ЕК. Вентилятор продуває зовнішнє повітря через зернову масу бункера. Контакт КТ буде замкнутий 120 секунд, цього часу достатньо щоб зовнішнє повітря пройшло зернову масу і вийшовши із бункера попало на датчик вологомір В2. Якщо вологість повітря вища ніж 65% то вологість В2 заживить реле напруги КМ2 і через його контакт КМ2 навіть по виходу 120 секунд часу вентилятор буде продувати повітря через зерно поки винесення вологості із зерна не стане меншим 65%. Одночасно із вище описаним процесом контролю вологи із зерна проходить контроль вологості повітря яке вноситься в зерно за допомогою датчика - вологоміра В1. Якщо зовнішнє повітря, яке подається в бункер вентилятором стане вологим більше 65% то В1 заживить реле КV1, яке своїм контактом КV1 подасть живлення на магнітний пускач КМ5. Пускач КМ5 своїми силовими контактами КМ5.1 заживлять електронагрівну систему ЕК електрокалорифера. Зовнішнє повітря проходячи через нагрівну систему почне підігріватися і знижувати відносну вологість нижче 64%. Електрокалорифер підігріває зовнішнє повітря на 5…6 0С, що відповідає знижунню вологості зерна на 25…30%. Таким чином проводиться сушка зерна до тих пір поки його вологість не стане нижчою заданої 13…15%. Після закінчення сушки, оператор, переводить бенкер в режим зберігання (консервації). При цьому режимі роботи керування системного мікроклімату проводиться по двох параметрах: температурі зірна, яке контролюється датчиком - регулятором SK та його вологість зовнішнього повітря вологоміром В1.

Рисунок 1.12. Принципова електрична схема керування бункером Активного вентилювання зерна БВ - 25

Рисунок 1.13. Принципова електрична схема системи автоматичного контролю і роботи БВ - 25.

Принципова схема регулятора відносної вологості агента сушіння в устаткуванні для активного вентилювання зерна показана на рисунку. 1.14.

Вимірювання вологості зовнішнього повітря здійснюється за допомогою напівпровідникового вологочутливого опору - гігристора Rг.. Гігристор зашунтований опором Rш і включений до мостової схеми електронного моста, плечами якого є резистори R1...R4, а також опір реохорда Rр. Контакти SQ1--SQ3 трипозиційного пристрою моста, що настроюються на задані значення відносної вологості повітря ц1...ц3, через проміжні реле К1--К3 управляють включенням магнітних пускачів 1ЕК1--1ЕК3 трьох секцій підігрівання повітря в бункерах.

Принцип дії регулятора такий. При підвищенні відносної вологості зовнішнього повітря до значення ц1, замикається контакт SQ1 і спрацьовує реле К1, яке своїми контактами підключає до мережі живлення контактом 1КМ1 котушку магнітного пускача 1ЕК1 першої секції нагрівників. При подальшому підвищенні відносної вологості зовнішньою повітря до ц2 замикаються контакти SQ2 (при ц3-- замикаються SQ3), відповідно спрацьовують контакти К2 та К3 і підключаються наступні секції нагрівників. При цьому, коли спрацьовують контакти К1 та К3 загоряються сигнальні лампочки HL1--НL3, які показують оператору кількість включених секцій. При зниженні вологості аналогічно відбувається відключення секцій підігрівання повітря.

У схемі передбачене блокування на включення секцій при невключених вентиляторах, що здійснюється блок-контактами 1КМ, відповідного магнітного пускача двигуна вентилятора. Перемикач SA1 призначений для перемикання управління секціями підігрівання з автоматичного на ручний і навпаки. Поточне значення відносної вологості повітря фіксується стрілкою електронного моста. Ця інформація дозволяє оператору своєчасно включати і відключати регулятор, оскільки він працює лише на пониження вологості.

Рисунок 1.14. Принципова схема автоматичного регулятора відносної вологості агента сушіння в бункері для активного вентилювання зерна.

1.2 Способи підвищення енергетичної ефективності процесу сушіння зерна

Першочерговою проблемою первинної обробки зерна є зменшення енерговитрат. На стадіях післязбирального обробітку енерговитрати складають до 70% від необхідності на повне виробництво. В структурі енерговитрат найбільшу частину займає термічне сушіння.

Напруженість паливно-енергетичного балансу господарств вимагає пошуків техніко-технологічних заходів зниження витрат традиційних видів палива. Класифікуючи способи зниження енергоспоживання на сушіння , які викладено в роботах, на основі аналізу взаємодії системи: матеріал - енергоносій - обладнання - технологія, можна відмітити, що за методами можна розділити на п'ять основних груп (рис.1.2).

До першої групи, “зміна початкового стану матеріалу, що подається на сушіння”, відносяться прийоми, які можуть носити агротехнічний, технологічний або суто технічний характер.

До агротехнічних прийомів відноситься зниження збиральної вологи зерна. Перспективним, для реалізації цього прийому, є застосування швидковисихаючих гібридів.

Зниження початкової вологи, а також спосіб зменшення енергоємності сушіння за рахунок попереднього очищення зернової маси для зменшення непродуктивних витрат теплоти, відзначене в роботах мають необмежену область використання, оскільки покращують якість сушіння і готового продукту .

Попередній прогрів зернової маси переслідує мету стабілізації температури зерна на межі гранично допустимої (для даної вологості) температури і одночасне випаровування вологи до 30-40% від загальної кількості , що видаляється з зерна у процесі сушіння. В результаті нагрівання інтенсифікується процес дифузії вологи із внутрішніх шарів до його поверхні під час сушіння, при цьому зменшуються витрати теплоти на випаровування вологи, що і виправдовує затрати на нагрівання. Крім цього попереднє нагрівання зерна в рециркуляційно-ізотермічних умовах забезпечує значне скорочення кількості циклів рециркуляції, що також зменшує енерговитрати. Теплообмін при попередньому прогріванні, може бути кондуктивним - в радіаторах; конвективним - в псевдозрідженому або падаючому шарі.

Попереднє нагрівання проводять в спеціальних стаціонарних пристроях, або безпосередньо в надсушильних бункерах за рахунок утилізації відпрацьованого теплоносія.

При сушінні попередньо нагрітого зерна витрати теплоти на сушіння зменшуються від 15 до 20% порівняно із сушінням без попереднього нагрівання.

До другої групи віднесені методи, основані на підвищенні ККД сушильного обладнання, які в свою чергу, можливо розділити на: способи удосконалення конструкцій сушильних апаратів; режимно-енергетичну оптимізацію процесу сушіння.

Питання режимно-енергетичної оптимізації сушіння викладено в роботах.

Існують два підходи до режимно-енергетичної оптимізації: у першому випадку експлуатують тепло-масообмінні властивості зернівки і зернової маси, як об'єктів сушіння, для розробки раціональних режимів; другі спрямовані на створення умов для максимального використання теплоти енергоносіїв, та покращення контролю над процесом.

Більш широке застосування отримала друга група методів зменшення енерговитрат на сушіння, зокрема, утилізація теплоти відпрацьованого теплоносія. В практиці зерносушіння використовують різні способи утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія, втрати якої можуть досягати 60% невиробничих затрат в зерносушарка. Тому утилізація теплоти відпрацьованого сушильного агенту дозволяє отримати найбільшу економію теплової енергії при сушінні зерна на всіх типах сушильних установок .

За даними в деяких закордонних фірмах випускаються зерносушарки, в яких відпрацьований теплоносій використовується для попереднього прогрівання зерна. За цією схемою можна утилізувати не більше 10% всієї кількості теплоти, що витрачається на сушіння, але при цьому не виключається вірогідність конденсації вологи в зерні, яку в подальшому необхідно знову випаровувати.

Найбільшого розповсюдження набув спосіб при якому відпрацьований теплоносій використовують повторно у сушильному циклі - рециркуляція . Існують дві можливості організації рециркуляції в установках, які використовують як сушильний агент повітря: перший - частина відпрацьованого повітря повертається в зону перед підігрівачем так, що вся кількість сушильного агента (свіже і відпрацьоване повітря) підігрівається на вході в сушарку , другий - частина відпрацьованого повітря подається в зону підігрівача, змішується з нагрітим повітрям і далі безпосередньо подається в сушарку . Як відмічено в роботах останній варіант потребує підвищених витрат повітря і має меншу економічність.

Найбільше розповсюджена перша схема, при реалізації якої можливо зменшити витрати палива до 30%.

Перспективними є способи зменшення енерговитрат шляхом підвищення контролю і можливості регулювання температури, вологості, подачі зерна і теплоносія, що досягається за рахунок автоматизації процесу . Це дає можливість зменшити проміжки часу непродуктивної роботи обладнання (пересушування і перегрівання зерна), а також використовувати обладнання з максимальною продуктивністю і якістю виходу кінцевого продукту.

Підвищення технологічної і економічної ефективності процесу сушіння можливо досягти також на основі закономірностей міграції вологи в усій оброблюваній масі і в кожній зернівці окремо. Зокрема в процесі відлежування зерна, за законами міграції вологи зовнішня поверхня підсушених зерен починає зволожуватись за рахунок більш високої вологості внутрішніх шарів.

Імпульсно-періодичну подачу агенту сушіння, використовують, як енергозберігаючий прийом при високотемпературному сушінні і при низькотемпературному.

В практиці зерносушіння застосовується відлежування однорідного за вологістю і температурою зерна, в умовах послідовного пропускання його крізь паралельно розташовані шахти однієї і тієї ж сушарки або через шахти двох паралельно розташованих зерносушарок; час відлежування обмежується місткістю надсушильних бункерів і не перевищує 10-15хв..

Відлежування багатокомпонентної за вологістю і температурою суміші зерна, яке дозволяє частково перерозподілити вологу між вологими і сухими компонентами зернової суміші і одночасно зрівняти їх температуру, використовується для сушіння за двостадійною технологією, тривалість відлежування може досягати 6-12 годин.

Диференціація режимів сушіння за температурою теплоносія та витратою, дозволяє інтенсифікувати процес сушіння і уникнути перегрівання зерна. Диференціацію проводять за висхідними, або низхідними режимами.

Значні можливості зниження енергоємності і забезпечення високої якості зерна містяться у виборі адекватної технологічної схеми проведення процесу сушіння. Витрати енергії при низькотемпературному сушінні атмосферним повітрям, при сприятливих погодних умовах, визначаються тільки витратами на вентилювання і складають в середньому 25-30 кВт-год/т. Сюди ж відноситься перспективний спосіб сушіння сировини в нерухомому шарі зі зворотною продувкою і видаленням висушеної частини шару.

При низькотемпературному сушінні, широкі можливості для економії традиційних теплоносіїв дає використання поновлюваних джерел енергії.

Аналізуючи дослідження із застосування сонячної енергії для сушіння можна зробити висновок про перспективність їх застосування в першу чергу в установках активного вентилювання, в яких сушіння відбувається при низьких температурах.

Одним з заходів зменшення затрат традиційних видів палива є використання палива з рослинних решток (солома: лушпиння, тощо). Перетворення такого палива в теплоносії здійснюється в водонагрівних котлах, які дозволяють отримати теплоносії (повітря,рідина) з температурою 60...90^оС. Доцільність використання низько температурних теплоносіїв для нагрівання сушильного агента в зерносушарках досліджувалась в ННЦ “ІМЕСГ”.

Зниження енерговитрат можливо досягти і за рахунок удосконалення технології сушіння шляхом комбінованого поетапного використання зерносушарок і вентильованих сховищ. За цією технологією зерно інтенсивно підсушують в сушарках до 16-18% вологості і далі досушують за місцем зберігання до кондиційної вологості атмосферним або підігрітим на декілька градусів повітрям.

Реалізація цієї технології може зменшити витрати енергії на сушіння на 30-40% в залежності від початкового стану матеріалу, що подається на сушіння. В роботі зазначено, що поєднання сушіння і вентилювання забезпечує кращі посівні якості насіння в порівнянні із сушінням в зерносушарці.

П'ята група способів зниження енергоємності процесів сушіння поєднує методи з удосконалення прийомів експлуатації сушильного обладнання, в тому числі, і за рахунок автоматизації. Автоматизація забезпечує управління процесом з використанням раціональних режимів проведення процесів, тобто безперервну зміну параметрів процесу у відповідності зі зміною стану матеріалу або зовнішнього середовища, в результаті цього кожний етап (умовний етап) сушіння проводять з максимальною інтенсивністю і мінімальними витратами енергії. При цьому “виключається” витрата енергії на перегрів або пересушування матеріалу і мінімізуються теплові втрати. Реалізується автоматизація на сучасному етапі з використанням ЕОМ, що в автоматичному режимі здійснює управління вентилятором і підігрівачем .

1.3 Аналіз способів підвищення енергоефективності технологічних процесів сушіння зерна

Враховуючи, що ринкове ведення господарства спрямоване на отримання найвищого прибутку від виробництва, доцільно забезпечити зернові господарства України такими технічними засобами і технологіями для післязбиральної обробки та зберігання зерна, які б відповідали принаймні таким вимогам: гарантували доведення якості зерна до ринкових вимог; суттєво зменшували капіталовкладення на обробку зерна; не вимагали складних організаційних заходів по використанню.

Нові технологічні і технічні рішення в умовах, що склалися в сільськогосподарському виробництві, повинні забезпечувати можливість якісної і економічно вигідної післязбиральної обробки і зберігання зерна за місцем його виробництва з реалізацією у вигідні для власника строки.

Як показано вище, найбільш розповсюджене, найбільш перспективне і найбільш енерго-капіталоємке є конвективне висушування зерна. Способи і методи зменшення вартості сушіння розділені на декілька груп.

До першої групи відносяться способи змінення початкового стану сировини. Зниження збиральної вологості зерна, збільшує ризик осипання зерна, оскільки в останні роки зернозбиральна компанія, і-за недостатньої забезпеченості збиральною технікою господарств, розтягнута в строках, і це призводить до значних втрат за рахунок осипання зерна. Закупівлю насіння швидковисихаючих гібридів, що дає можливість розтягнути в часі строки збирання зернових, можуть собі дозволити лише невелика частина господарств.

Для попереднього очищення вологого зерна в господарствах бракує зерноочисних комплексів.

Аналіз літературних джерел показує, що підвищені витрати на зерносушіння пов'язані з недосконалими технологіями і конструкціями зерносушарок. ККД шахтних зерносушарок складає 0,4-0,5, камерних 0,2-0,4.

Методи підвищення ККД високотемпературного сушильного обладнання спрямовані на збільшення корисного використання термодинамічного потенціалу сушильного агента, мають обмеження зумовлені термолабільністю зерна, а також можливістю конденсації вологи в зонах евакуації відпрацьованого сушильного агента.

Рециркуляція сушильного агента, як метод підвищення теплоенергетичного потенціалу високотемпературного процесу сушіння в технологічному відношення, має протиріччя. Рециркуляція призводить до підвищення вологовмісту сушильного агенту, що з одного боку, сприяє підвищенню теплової економічності сушіння, а з іншого - зменшує рушійні сили процесу масообміну і, отже, може викликати збільшення тривалості сушіння або габаритів установки, а також може призвести до перегрівання зерна, що негативно позначиться на якості матеріалу.

Реалізація рециркуляційного процесу капіталоємка і потребує строго дотримання технологічного регламенту. Для виключення можливості загорання зерна в шахтах, рециркулюючий теплоносій необхідно очищувати від домішок, що обумовлює додаткові витрати на фільтруючи пристрої.

Для реалізації прийому попереднього нагрівання зерна потрібні спеціальні стаціонарні пристрої або сушарки з надсушильними бункерами. Тому впровадження цього методу в умовах господарств має значні ускладнення.

До недоліків високотемпературного сушіння також відносяться: різке зниження пропускної здатності при підвищеній вологості зерна, оскільки, при традиційних способах сушіння, за один прохід через сушарку не вдається знизити вологість зерна більш ніж на 6-8% без ризику погіршення його якості; висока енергоємність - в найбільш досконалих конструкціях витрати палива складають 12-14 кг у.п. і електричної енергії 4-4.5 квт.ч на 1 пл.т. зерна. Якщо врахувати, що близько половини зібраного врожаю зерна потребує сушіння, то загальні затрати на ці цілі складатимуть 195 тис. т.у.п. і 60млн.кВт.год. електроенергії; обмеження початкової вологості зерна; підвищена пожежонебезпечність; обмеження темпів збирання, необхідність створення буферних запасів зерна, забруднення атмосфери продуктами згорання; забруднення зерна продуктами згорання; залежність режиму обробки від властивостей і призначення зерна.

В міру інтенсифікації процесу сушіння, яка характеризується високою температурою агента сушіння на виході, посилюється тенденція до зниження перетравності зерна. Все це не сприяє, при нинішніх економічних умовах, поширенню технологій високотемпературного сушіння в умовах господарств.

Реалізація рециркуляційного процесу капіталоємка і потребує строго дотримання технологічного регламенту. Для виключення можливості загорання зерна в шахтах, рециркулюючий теплоносій необхідно очищувати від домішок, що обумовлює додаткові витрати на фільтруючи пристрої.

Для реалізації прийому попереднього нагрівання зерна потрібні спеціальні стаціонарні пристрої або сушарки з надсушильними бункерами. Тому впровадження цього методу в умовах господарств має значні ускладнення.

До недоліків високотемпературного сушіння також відносяться: різке зниження пропускної здатності при підвищеній вологості зерна, оскільки, при традиційних способах сушіння, за один прохід через сушарку не вдається знизити вологість зерна більш ніж на 6-8% без ризику погіршення його якості; висока енергоємність - в найбільш досконалих конструкціях витрати палива складають 12-14 кг у.п. і електричної енергії 4-4.5 квт.ч на 1 пл.т. зерна. Якщо врахувати, що близько половини зібраного врожаю зерна потребує сушіння, то загальні затрати на ці цілі складатимуть 195 тис. т.у.п. і 60млн.кВт.год. електроенергії; обмеження початкової вологості зерна; підвищена пожежонебезпечність; обмеження темпів збирання, необхідність створення буферних запасів зерна, забруднення атмосфери продуктами згорання; забруднення зерна продуктами згорання; залежність режиму обробки від властивостей і призначення зерна.

В міру інтенсифікації процесу сушіння, яка характеризується високою температурою агента сушіння на виході, посилюється тенденція до зниження перетравності зерна.Все це не сприяє,при нинішніх економічних умовах, поширенню технологій високотемпературного сушіння в умовах господарств.

Досвід ведучих виробників зерна - Канади, США, Австралії, Великобританії показує, що радикальним напрямом зменшення енерговитрат є застосування низькотемпературного сушіння і досушування зерна. В Англії кожного року низькотемпературним способом висушується більше половини збираємого зерна, і кожний фермер має обладнання для безпечного зберігання зерна. В Канаді біля 80% врожаю обробляється з використанням низькотемпературних методів сушіння.

Низькотемпературне сушіння найбільш прийнятний спосіб і найбільш дешевий для консервації волого зерна. Переваги низькотемпературного сушіння - невеликі затрати теплоти (за рахунок використання теплоти атмосферного повітря), рівномірність висушеного матеріалу за вологою, простота технічних засобів для його реалізації. Серед переваг даного методу доведення зерна до кондиційної вологості є те, що він найбільш сприятливий спосіб сушіння насіннєвого і продовольчого зерна. В процесі низькотемпературного сушіння відбувається фізіологічне дозрівання зерна, що позитивно впливає на схожість насіннєвого і якість продовольчого зерна; можливість повної заміни рідкого палива електроенергією, практично необмежені можливості по прийому вологого зерна; низькі капітальні і будівельно-монтажні затрати; можливість повної автоматизації і періодичний контроль; простота обслуговування , поєднання операцій сушіння і зберігання; покращення насіннєвих якостей зерна весняним прогрівом в насипу перед посівом.

Використання сонячної енергії для підігрівання повітря при низькотемпературному сушінні стримується високою вартістю і громіздкістю сонячних колекторів.

Аналізуючи літературні джерела, щодо вибору технологічних параметрів та режимів проведення сушіння активним вентилюванням, зустрічаємо різні рекомендації. Зокрема рекомендації з вибору ступеню підігріву сушильного агента можна розділити на дві групи. До першої відносяться ті, що рекомендують підігрівати повітря на 2-7⁰С, тобто тільки для досягнення гігроскопічної рівноваги між сухим зерном і повітрям, що крізь нього продувається; до другої підігрів на 7-20⁰С.Діапазон вибору кількості витрат повітря, за різними літературними джерелами, при сушіння активним вентилюванням однієї планової тони зерна коливається від 30 до 525 м³/т год , аерації зерна від 7 до 30м³/т год .

При сушінні атмосферним або дещо підігрітим повітрям тривалість процесу вологовітдачі складає декілька діб, а у вологу погоду і при великій початковій вологості зерна до декількох тижнів, що підвищує небезпеку псування зерна.

За таких умов при розробці нової техніки доцільно орієнтуватись на реалізацію двостадійної технології: в період жнив, як найбільш напружений, здійснювати операції необхідні для забезпечення збереження урожаю, а в післязбиральний період - доведення його до потрібних кондицій.

Недоліком високотемпературного сушіння, є протилежні напрями градієнтів вологовмісту U і температури Т. Градієнт температури гальмує переміщення вологи зсередини матеріалу назовні. За двостадійною технологією, на стадії досушування, градієнти температур і масообміну мають однаковий напрям, що сприяє руху вологи в зернівці до її поверхні. Додатковим заходом енергозбереження при застосуванні двостадійної технології є можливість застосування імпульсно-періодичного активного вентилювання[ ], для охолодження зерна і одночасного досушування. Але для реалізації двостадійного енергозберігаючого сушіння в умовах господарств немає визначеного технологічного регламенту. Що пояснюється відсутністю системних досліджень впливу режимних параметрів проведення двостадійного процесу сушіння на енерговитрати.



2. ДОСЛІДЖЕННЯ СПОСОБІВ І МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ДОСУШУВАННЯ ЗЕРНА

2.1 Застосування електроакумуляційного нагріву повітря для досушування зерна активним вентилюванням

Вентилювання в установках досушування зерна доцільно тільки при певному співвідношенні температури і вологості зерна та параметрів атмосферного повітря.

Застосовувати електронагрівання атмосферного повітря при значній вологості повітря 68-75%, недоцільно, оскільки ефективність сушіння майже не підвищується, але при цьому збільшуються перевитрати енергії.

При вологості зерна в межах 25-22% вентилювання атмосферним повітрям можна проводити цілодобово, так як рівноважна вологість при ц=68-75% знаходиться в межах 16-19%.

Вентилювання в установках досушування зерна доцільно тільки при певному співвідношенні температури і вологості зерна та параметрів атмосферного повітря.

Застосовувати електронагрівання атмосферного повітря при значній вологості повітря 68-75%, недоцільно, оскільки ефективність сушіння майже не підвищується, але при цьому збільшуються перевитрати енергії.

При вологості зерна в межах 25-22% вентилювання атмосферним повітрям можна проводити цілодобово, так як рівноважна вологість при ц=68-75% знаходиться в межах 16-19%.

Крім того, енергетична ефективність цілодобового вентилювання оправдана, підвищеною температурою зерна після високотемпературної стадії сушіння , або за рахунок самозігрівання .

Після досягнення зерном вологості , ефективність вентилювання зерна при додатковому нагріванні повітря залежить від стану атмосферного повітря і його добового змінення.

Для виявлення найбільш доцільних (з точки зору зниження енерговитрат) добових періодів вентилювання зерна з одночасним нагріванням повітря проведені числові експерименти на основі спрощення математичної моделі (2.1), (2.2).

,	(2.1)

де W₀ - початкова вологість зерна, W_р - рівноважна вологість зерна, при відомих значеннях К та W_р.

, (2.2)

, де - ступінь нагріву повітря в калорифері

Розглянуто три варіанти: цілодобове вентилювання зерна нагрітим на 3^оС повітрям; нагрівання повітря у нічні години (години спаду енергетичного навантаження господарств); нагрівання повітря у денні години; вимикання вентиляційної установки в нічні години і нагрівання повітря у денні години доби (8-16 год). На рис.2.1 представлені варіанти добового нагрівання повітря.

Рис. 2.1Варіанти добового нагрівання повітря:

1- нічний нагрів на 3 ⁰С, 2- денний нагрів на 3 ⁰С, 3 - температура атмосферного повітря

Результати обчислювального експерименту процесу сушіння представлені графіками змінення вологості (абсолютної) зерна на протязі досушування до кондиційної вологості зерна. (Рис. 2.2).

Рис.2.2 Змінення вологості зерна за часом при варіантах вентилювання:

(L=400 м³/ год т) 1- підігрів повітря (t=3 ⁰C) в денні години доби, 2- підігрів повітря (t=3 ⁰C) в нічні години доби, 3- без підігріву, 4 - з цілодобовим підігрівом (t=3⁰C), 5 - з вимиканням вентиляторів у нічні години і підігрівом повітря при денному вентилюванні (t=3⁰C), 6- імпульсно-періодичне, денне вентилювання (t=3⁰C), Т_вент=2год, Т_відл=1год

З аналізу наведених графіків випливає: цілодобове нагрівання повітря на 3^оС зменшує експозицію кондиціювання майже на 30%, але при цьому збільшуються енерговитрати з 28.65 до 44.25 кВт-год/т. Нагрівання повітря у нічні години доби, зменшує експозицію досушування із 85 до 78 годин, але при цьому споживання енергії становить до 44 кВт-год/т; нагрівання повітря у денні години доби зменшує експозицію досушування зерна до 60 годин, а витрати енергії складають 34-35 кВт-год/т; при імпульсно-періодичному вентилюванні зерна в денні години доби з одночасним підігрівом повітря на 3^оС експозиція досушування складає 104 години (40 годин роботи вентиляторів), а витрати енергії становлять 29-30 кВт-год/т .

Таким чином, можна констатувати, що нагрівання повітря у нічні години доби недоцільне ні з технологічної ні з енергетичної точки зору, а вентилювання і нагрівання повітря у денні години дає можливість зменшити енерговитрати на тону зерна із 45 до 34 кВт-год/т, тобто на 24.4 %, при цьому експозиція кондиціювання не перевищує крайового часу зберігання зерна.

Але при вентилюванні зерна у значних об'ємах в умовах господарств, не завжди є можливість збільшення потужності устаткування для активного вентилюввання зерна. В роботі показано, що ефективність установок досушування сіна можна підвищити, використовуючи електротеплоакумуляційні установки, в яких потужність вентиляційних установок досушування сіна можна підвищити, використовуючи електротеплоакумуляційні установки, в яких потужність вентиляційних установок використовують для нагріву теплової місткості (речовини певної темлоємності) в “нічний період”, і використання отриманої теплоти для нагрівання повітря у денний період доби для підвищення температури сушильного агенту. Зовнішній вид і технологічна схема реалізуючи такий спосіб електронагріву з використанням електронагрівачів типу САЗС теплообмінників (вода-повітря) наведена на рис. 2.3.

Розглянемо роботу цієї установки при змінних параметрах атмосферного повітря. За аналогією, проаналізуємо ефективність використання нагріву сушильного агенту для сушіння зерна при охолоджені нагрітої рідини повітрям із змінним у часі параметрами.



а)

б)

Рис. 2.3 а)-Вид теплоакумулятора - двохємнісний, вміст однієї ємності 800кг,б) Технологічна схема установки (1-ємність з водою, 2-ТЕНи, 3- водяний насос, 4-рекуператор, 5-регулюючі крани, 6- лопаті вентилятора, 7-привод вентилятора, 8- напрям циркулювання води)

Потужність електронагрівача теплоакумулятора визначається із умови:

(2.3)

де - потужність нагрівача;

- коефіцієнт і поверхня теплопередачі акумулятора;

- початкова і кінцева температура теплоакумулюючої речовини (вода);

- маса теплоаккуммулятора;

- зовнішня температура.

Максимальний час роботи нагрівача _нагр не повинен перевищувати проміжку нічного часу доби _доп =8год, тобто _{доп нагр}.

При умові = із співвідношення (2.4) визначається максимальна температура нагріву води.

(2.4)

Змінення температури повітря при “розрядці” (охолодженні) аккуммулюючої ємності в теплообміннику визначимо розв'язком системи рівнянь:

(2.5)

за умови :

де - витрати повітря (масові) , що проходить через теплообмінник (повітря-вода);

Кр-коефіцієнт, що визначається з рівняння:

Кр=29,0(V_n1,2)^0,437V_B^0,668, (2.6)

де V_n,V_B- швидкість повітря і води в теплообміннику.

Розв'язок системи (2.5) з урахуванням (2.6) здійснено у математичному середовищі пакета Mathcad 2000 (Додаток _А).

Ступінь нагріву повітря, що пройшло теплообмінник і подається у вентиляційну установку при охолодженні води в теплоакумуляторі:

(2.7)

Характеристики зміни температур повітря і рідини теплоакумулятора показано на рис. 2.4.

Рис.2.4 Залежність зміни температури повітря після рекуператора від часу за умов (0)=96 ⁰С, L=400 м³/ год т (1- ємність рекуператора 750кг, 2- ємність рекуператора 900кг, 3- ємність рекуператора 1050 кг, 4-температура атмосферного повітря)

Рис.2.5 Залежність зміни температури повітря при нагріві у рекуператорі від часу за умов (0)=96 ⁰С, L=400 м³/ год т, G=750кг, (1- поверхня теплообміну рекуператора 40м², 2- поверхня теплообміну рекуператора 30м², 3- поверхня теплообміну рекуператора 20м², 4-температура атмосферного(зовнішнього) повітря)

Рис.2.6 Залежність зміни температури акумулюючої рідини від часу і різного об'єму бака акумулятора (1- G=750кг, 2-G=1050кг, 3-G=1350кг)

Рис. 2.7 Змінення температури повітря за часом при проходженні через рекуператор води з різною швидкістю циркулювання: а)зміна швидкості циркулювання води за часом , б) відповідне змінення температури повітря на вході в зерно (1-при швидкості 1 рис.а, 2-при швидкості 2 рис.а, 3-при швидкості 3 рис.а, 4- температура атмосферного (зовнішнього) повітря.