XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Повышение эффективности сушки зерна
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы: В сельском хозяйстве процесс сушки зерна является одной из наиболее важных операций. От правильно организованного процесса сушки во многом зависит качество готовой продукции, а также технико-экономические показатели производства в целом.
Сушка зерна - процедура приведения семян и зерна в состояние, пригодное для дальнейшего хранения. Влажное зерно засыпать в хранилище нельзя, иначе в нем создаются благоприятные условия для развития грибковых болезней, амбарных вредителей, может произойти самосогревание. Сохранность зерна в течение длительного времени возможна лишь при условии, когда из него удалена вся свободная вода, а влажность не превышает критически допустимых отметок.
В солнечную погоду семена досушивают на открытых токах: на ночь зерно собирают в бурт и накрывают брезентом. Более надежно и быстро можно просушить семена в специальных зерносушилках активного вентилирования подогретым воздухом. Все способы сушки основаны на десорбции - выведению воды и водяных паров из зерновой массы [6].
Постановка проблемы: При проведении процесса сушки важно подобрать оборудование, обеспечивающее необходимое качество готового продукта. Следует отметить, что, хотя само оборудование сравнительно просто и дешево, все сушильные агрегаты расходуют значительное количество энергии, а значит, необходимо оптимизировать процесс сушки за счет активного обдува теплоносителем частиц, движущихся в тонком слое. Это поможет оптимизировать процесс сушки и сократить количество расходуемой энергии [5].
Цель работы: Повысить эффективность сушки зерна за счет применения многоступенчатого колонного сушильного аппарата, в котором сушка осуществляется при активном обдуве теплоносителем частиц, движущихся в тонком слое.
Задачи работы:
Разработать принципиальную схему экспериментальной установки;
На основе схемы разработать и смонтировать опытный многоступенчатый колонный сушильный аппарат (МКСА);
Исследовать влияние технологических параметров аппарата на среднее время пребывания материала в нем;
Исследовать производительность аппарата, при которой не образуется плотный слой материала на конусной распределительной решетке;
Рассчитать коэффициент пропускной способности конусной распределительной решетки для оптимальной загрузки аппарата.
Мы в своей работе опирались в основном на следующие источники:
Аэров, М.Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес; под ред М.Э. Аэрова. - Москва: Химия, 1986. – 510 с.
Муштаев, В. И. Конструирование и расчет аппаратов со взвешенным слоем: учебное пособие для вузов по специальности «Машины и аппараты хим. пр-в и предприятий строит. материалов» / В. И. Муштаев, А. С. Тимонин, В. Я. Лебедев. - Москва: Химия, 1991. - 342 с.
Ториков, В. Е. Агропроизводство, хранение, переработка и стандартизация зерна / В. Е. Ториков, О. В. Мельникова, А. А. Осипов - Спб.: Лань, 2020 г. – 160 с.
Сушка семян и зерновых культур// ЗЕРНОСУШКА: сайт. – 2022. – URL: https://zernosushka.ru/sushka-semyan/.
Вопросы сушки зерна во взвешенном слое достаточно изучен, но вопросы сушки в тонком движущемся слое в аппарате нового типа (Многоступенчатом колонном сушильном аппарате) изучаются впервые. Автор принимал участие в разработке конструкции нового аппарата и проведении экспериментов.
Глава 1. Типы сушильных аппаратов для дисперсных материалов и их сравнительная оценка
1.1 Аппараты для сушки дисперсных материалов в неподвижном и плотном перемещаемом слое
Существует обширный класс сушильных аппаратов, в которых высушиваемый материал находится в зоне сушки в виде неподвижного, малоподвижного или медленно перемещаемого слоя: камерные, ленточные, шахтные, туннельные, их разновидности и модификации (рисунки 1.1, 1.2, 1.3) [7, 8].
Рисунок 1.1 - Шкаф сушильный Таглер СЭШ-3М-02
Рисунок 1.2 – Конструкция ленточной сушилки
Камерные сушилки (рисунок 1.1) отличаются невысокой интенсивностью, повышенной металлоемкостью, низкой эксплуатационной надежностью и сложностью ремонта, поэтому они почти везде вытеснены более эффективными сушилками со взвешенным слоем высушиваемого материала [9].
Ленточные сушилки представляют собой туннель, внутри которого на сетчатой ленте перемещается высушиваемое зерно. Они громоздки и сложны в обслуживании главным образом из-за перекосов и растяжения лент; их удельная производительность (на 1 м2 поверхности ленты) невелика, а удельные расходы тепла (на 1 кг испаренной влаги) довольно высоки (1.2).
На рисунке 1.3 изображена конструкция шахтной зерносушилки ДСП-12.
Рисунок 1.3 - Шахтная зерносушилка ДСП-12
Основной недостаток шахтных сушилок - малая интенсивность процесса сушки, высокий расход топлива и электроэнергии, большие размеры [10].
Несмотря на то, что сушильные аппараты для сушки зерна в неподвижном слое широко применяются, они постепенно вытесняются более производительными и высокоинтенсивными сушильными аппаратами с перемешиваемым или взвешенным слоем высушиваемого материала.
1.2 Аппараты с перемешиваемым слоем материала
Сушка в аппаратах с перемешиваемым слоем материала характеризуется теми же особенностями и параметрами, что и сушка в плотном подвижном слое. Единственное отличие - перемещение зерна механическим путем. Самыми распространенными сушилками этого типа являются барабанные сушильные агрегаты (рисунок 1.4), которые широко применяются для сушки зерновых материалов.
Рисунок 1.4 – Барабанная сушилка СМГ-А-60
Данный тип зерносушилки относится к категории сушилок конвективного типа, так как работает по принципу переноса тепла к зерну и удаления из него влаги нагретым воздухом, через всю внешнюю поверхность сушилки, что приводит к минимальному КПД, большой неравномерности и сильному повреждению зерна [3, 7].
1.3 Аппараты со взвешенным слоем материала
В последнее время в сельском хозяйстве при сушке зерна широко используется техника взвешенного слоя в качестве одного из действенных средств интенсификации производства. По внешнему виду взвешенный слой похож на кипящую жидкость, поскольку в нём происходит образование газовых пузырьков, которые и поднимают зёрна вверх, производя тем самым их сушку. Промышленной практикой доказано, что техника сушки в кипящем слое обеспечивает, при правильной организации, наибольшую экономию топлива, металла и занимаемой производственной площади; металлоемкость сокращена в десять раз [1].
На рисунке 1.5 даны принципиальные схемы наиболее распространенных сушилок с кипящим слоем. Многоступенчатые сушилки обеспечивают более равномерное высушивание материала. Однако одним из недостатков сушилок данного типа является неравномерность распределения материала на решетке, особенно при обработке полидисперсных материалов (т.е. материалов, в состав которых входят частицы различного размера). Если используется несколько решеток с отдельным подводом теплоносителя к каждой решетке, то расход газа увеличивается пропорционально количеству газораспределительных решеток [2, 4].
Еще одним недостатком сушилок кипящего слоя является то, что данные аппараты имеют большое гидравлическое сопротивление движению газа, особенно в ступенчато-противоточных сушилках, когда влажный материал подается в верхнюю секцию аппарата и выводится снизу, а горячий газ подводится внизу и выводится из верхней секции аппарата [1]. В связи с вышесказанным, главной задачей моей работы было разработать конструкцию аппарата, который бы помог исправить указанные недостатки.
Изучив различные источники, мы сделали вывод, что улучшить процесс сушки можно путем равномерного распределения материала по решетке, увеличения угла наклона решетки для сокращения разницы по времени пребывания частиц различного диаметра, а также уменьшения высоты слоя для сокращения энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления.
Глава 2. Разработка и исследование многоступенчатого колонного сушильного аппарата для сушки зерна
2.1Описание экспериментальной установки
Для проведения экспериментальных исследований нами был разработан и смонтирован опытный многоступенчатый колонный сушильный аппарат (МКСА) (Приложение 1). В Приложениях 2 и 3 представлены фотографии экспериментальной установки с открытой и закрытой дверцами.
Сушильный аппарат представлял собой вертикальный цилиндрический корпус 1 диаметром Dап=0.5 м и высотой Hап=1 м, внутри которого с возможностью вертикального перемещения закреплены четыре распределительные конические решетки 2. В центре аппарата установлена ось 3, изготовленная из металлического прута диаметром 0.014 м, на котором были закреплены с возможностью вертикального перемещения конусные распределители 4. В верхней части сушилки установлен бункер 5 для сырого материала с течкой 6, которая была снабжена металлическим кольцом 7 для регулирования количества подаваемого в аппарат материала путем изменения зазора между течкой 6 и верхним конусным распределителем. В нижней части аппарата располагался бункер 8 для сбора высушенного продукта, имеющий разгрузочный патрубок 9 с заслонкой 10. Сушильный агент подается в сушилку в нижней ее части центробежным вентилятором 11 по воздуховоду 12. Для нагрева агента сушки на всасывающей стороне вентилятора устанавливается газовая горелка 13. Расход теплоносителя контролируется с помощью диафрагмы 14 и U – образного водяного манометра 15. Отвод отработанного сушильного агента осуществлялся из верхней части аппарата по воздуховоду 16. Расход агента сушки регулировался посредством шибера 17 (приложение 1).
При проведении исследований распределения материала использовались как неперфорированные, так и перфорированные конусные распределители с отбортовкой и без отбортовки. Но, максимальное взаимодействие частицы зерна с теплоносителем обеспечивает перфорированный конусный распределитель с отбортовкой (рисунки 2.1, 2.2).
Такая конструкция распределителя выбрана потому, что необходимо, чтобы зерна как можно дальше летели до края решетки, и при этом дополнительно обдувались теплоносителем.
Рисунок 2.1 – Схема перфорированного конусного распределителя с отбортовкой
Рисунок 2.2 – Фотография конусного распределителя
Распределительная коническая решетка имеет (рисунок 2.3) перфорированную часть длиной L1 для сушки и неперфорированную часть длиной L2 для сбора материала с разгрузочным отверстием диаметром dв.
Здесь αр - угол наклона решетки, град; Dап - диаметр аппарата, м; dв - диметр выпускного отверстия распределительной решетки, м; L1 - длина перфорированного участка, м; L2 - длина неперфорированной зоны сбора материала, м; Lр - длина распределительной решетки, м; Lобр – длина образующей распределительной решетки. Фото конусного распределителя в экспериментальной установке представлено в приложении 4.
На перфорированном участке на частицу действуют сила трения Fтр, сила тяжести Fт, сила давления теплоносителя на частицу (сила напора) Fн и сила лобового сопротивления газа движению частицы Fс (рисунок 2.4) [2].
Т
аким образом, частица здесь движется под действием результирующей силы F[18, 19]: F = mчg sin αр - (mчg cos αр - Fн) - Fс, (2.1)
где mч – масса частицы, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; αр – угол наклона решетки, град; - коэффициент трения [4].
Рассмотрим силы, действующие на зерно при движении по конусному распределителю (рисунок 2.5). На рисунке кон - угол конусности распределителя, град; к - угол наклона образующей распределительного конусного распределителя; hз - высота кольцевого зазора между течкой и конусным распределителем, м; dтр - диаметр трубчатой течки, м; dк – диаметр части конусного распределителя без отбортовки; Dот – диаметр конусного распределителя с отбортовкой.
Н
а движущуюся частицу в перфорированной зоне конусного распределителя действуют (рисунок 2.6) сила тяжести частицы Fт, сила трения частицы о поверхность конуса Fтр, сила напора газа Fн, сила внутреннего трения частиц друг о друга при многослойном движении Fвн и сила лобового сопротивления Fс [1].
Таким образом, уравнение результирующей силы имеет вид [18, 19]:
F=Fт sin(к) - (Fт cos(к) – Fн) – μвн(Fт cos(к) – Fн) - Fс (2.2)
где vчг – скорость частицы в горизонтальном направлении, м/с;аг – ускорение частицы в горизонтальной плоскости, м/с2 [2, 4].
Знание сил, действующих на частицу зерна при ее движении в аппарате нужно для того, чтобы в дальнейшем можно было рассчитать время пребывания материала в аппарате.
2.2 Исследования по определению оптимальной пропускной способности аппарата
Сушильный аппарат работает следующим образом. Влажный материал из бункера 5 по течке 6 подается на конусный распределитель 4 первой ступени и распределяется в верхней части перфорированной зоны I конической распределительной решетки 2 первой ступени, где частицы под действием силы тяжести катятся по ее поверхности (Приложение 1). В это время происходит интенсивный обдув материала сушильным агентом, поступающим в аппарат по воздуховоду 12. Затем частицы попадают в неперфорированную часть решетки для сбора материала и через разгрузочное отверстие подаются на конусный распределитель 4 следующей ступени. Далее цикл повторяется до выгрузки материала через патрубок 9.
В действующем аппарате время пребывания можно определить по известной формуле [19]:
(2.3)
где Gап – вес материала, единовременно находящегося в аппарате, кг;
G – производительность аппарата, кг/с.
Количество материала Gап, находящегося в нашем аппарате одновременно, определялось экспериментально следующим образом (Приложения 1-3). В процессе работы сушилки открывался ссыпающий патрубок 9 и выгружался весь готовый продукт, находящийся в разгрузочном бункере 8. После этого одновременно прекращалась подача материала в сушилку и закрывался патрубок 9. Когда весь материал, находящийся в аппарате высыпался в бункер 8, отключалась подача сушильного агента и аппарат останавливался. Затем материал выгружался из бункера 8 и взвешивался.
В результате визуальных наблюдений в процессе экспериментальных исследований выявлено, что с увеличением количества подаваемого в аппарат материала в нижней части решетки может образовываться плотный слой материала. Для предотвращения образования плотного слоя материала на конусной распределительной решетке, необходимо ограничивать количество подаваемого в аппарат материала.
Для оценки допустимой производительности многоступенчатого колонного сушильного аппарата с учетом площади поверхности перфорированной зоны распределительной решетки (поверхности теплообмена F, м2) были проведены исследования по выявлению максимального количества материала, подаваемого в аппарат в единицу времени, при котором не образуется плотный слой в зоне выпускного отверстия. Для этого изменялась площадь перфорированной зоны решетки с помощью специальных накладок различного диаметра при одинаковой скорости теплоносителя. Результаты данных исследований приведены на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Результаты исследований зависимости пропускной способности распределительной решетки от площади перфорированной зоны
Для количественной оценки допустимой производительности многоступенчатого колонного сушильного аппарата по результатам проведенных экспериментов можно определить коэффициент пропускной способности распределительной решетки kп (кг/(см2)) как отношение количества подаваемого в аппарат материала G к площади решетки Fр, при котором не происходит образования плотного слоя материала:
(2.4)
Таблица 2.1 – Результаты исследований зависимости пропускной способности распределительной решетки от площади перфорированной зоны
|
№ |
Fр, м2 |
G, кг/с |
kп, кг/(с м2) |
|
1 |
0.19 |
0.040 |
0.211 |
|
2 |
0.266 |
0.055 |
0.207 |
|
3 |
0.311 |
0.065 |
0.209 |
|
4 |
0.348 |
0.072 |
0.207 |
|
5 |
0.707 |
0.150 |
0.212 |
Как видно из таблицы, среднее значение коэффициента пропускной способности конусной распределительной решетки во всех случаях примерно одинаковое и равно kп = 0.21 кг/(см2).
Таким образом, с помощью полученного коэффициента kпможно рассчитать необходимую площадь конической распределительной решетки в зависимости от производительности сушилки:
(2.5)
Заключение
По результатам проделанной нами в ходе выполнения научного проекта работы можно сделать следующие выводы:
Разработана схема экспериментальной установки;
На основе схемы разработан и смонтирован опытный многоступенчатый колонный сушильный аппарат (МКСА);
Исследовано влияние технологических параметров аппарата на среднее время пребывания материала в нем;
Исследована производительность аппарата, при которой не образуется плотный слой материала на конусной распределительной решетке;
По результатам проведенных экспериментов получен коэффициент пропускной способности конусной распределительной решетки для оптимальной загрузки аппарата, при которой не образуется плотный слой материала на распределительной решетке.
Область применения результатов выполнения проекта: сельское хозяйство.
В дальнейшем планируется исследовать особенности тепловых процессов и количества удаляемой из зерна влаги при различных режимах работы многоступенчатого колонного сушильного аппарата с учетом его оптимальной пропускной способности, определить экономическую эффективность.
Использованная литература
Аэров, М.Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес; под ред М.Э. Аэрова. - Москва: Химия, 1986. – 510 с.
Муштаев, В. И. Конструирование и расчет аппаратов со взвешенным слоем: учебное пособие для вузов по специальности «Машины и аппараты хим. пр-в и предприятий строит. материалов» / В. И. Муштаев, А. С. Тимонин, В. Я. Лебедев. - Москва: Химия, 1991. - 342 с.
Муштаев, В.И. Сушка дисперсных материалов / В. И. Муштаев, В. М. Ульянов. - Москва: Химия, 1988. – 351 с.
Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник для вузов: в 2 книгах. Кн. 1/ В.Г.Айнштейн, М.К.Захаров, Г.А.Носов и др.; под ред. проф. В.Г.Айнштейна. - Москва: Химия, 1999. - 888 с.
Резчиков, В.А. Технология зерносушения: учебник / В.А. Резчиков, О.Н. Нагеев, С.В. Савченко; под ред. В.А. Резчикова. – Алматы: Изд. Алматинского технологического университета, 2000 г. – 214 с.
Сушка семян и зерновых культур// ЗЕРНОСУШКА: сайт. – 2022. – URL: https://zernosushka.ru/sushka-semyan/ (дата обращения 15.01.2023).
Сушка зерна и семян в зерносушилках // Студенческая библиотека онлайн (inf{aт}studbooks.net): сайт. – 2013. – URL:https://studbooks.net/1196370/agropromyshlennost/sushka_zerna_semyan (дата обращения 15.01.2023).
Ториков, В. Е. Агропроизводство, хранение, переработка и стандартизация зерна / В. Е. Ториков, О. В. Мельникова, А. А. Осипов - Спб.: Лань, 2020 г. – 160 с.
Хомяков, А.П. Взаимодействие частиц продукта и сушильного агента в объеме сушильной камеры //Химическая технология. – 2005. - № 9. – С. 29-33.
Юдаев, Н.В. Элеваторы, склады, зерносушилки: учебное пособие / Н.В. Юдаев. - Спб.: «ГИОРД», 2008 г. – 128 с.
П
риложение 1
Схема экспериментальной установки
Приложение 2
Фото экспериментальной установки с открытой дверцей
Приложение 3
Фото экспериментальной установки с закрытой дверцей
Приложение 4
Конусный распределитель с распределительной решеткой