Regression mathematical model of two-stage combined electrical technology of high-temperature convective drying and ozone-air grain processing

Abstract

Large production of cereal crops in Russia in 2014-2018 (100-130 million tons) imply the need to dry 10-30 % of the crop collected annually in the country to ensure its quantitative and qualitative preser-vation. The main way to reduce the excess moisture of grain in the Russian Federation is high-temperature convective drying, but it refers to very energy-intensive technological operations and, therefore, is very expensive. In the context of the constant increase in energy prices in the Russian economy, the country's agricultural producers face the primary task of increasing the profitability of the grain industry, within which it is necessary to reduce material costs at all stages of production, including through the creation of new high-intensity energy-saving technologies and technical means for drying grain raw materials. The authors have developed a two-stage technology of high-temperature convective and ozone-air grain drying that meets these requirements. In the article, based on the analysis of the parametric scheme of the convective-ozone-air moisture removal method, compiled taking into account the conditions and possibilities of conducting experimental studies of the process at the industrial drying unit «ELEKTA-1» of small productivity, the optimization parameters of this process are defined, which are: reduction of the drying time and the total reduction in energy consumption, in addition, the main factors varied in the ex-periments are highlighted: the initial moisture content of the grain, the amount of ozone supply to 1 m3 of grain and time spent on moisture removal. Second-order regression mathematical models for the convec-tive-ozone-air drying of barley grain with different initial humidity (30, 25 and 20 %) have been developed and their statistical significance has been evaluated. An analysis of the experimental data of the combined drying options studied at 6 % moisture removal for one cycle of processing the grain material revealed the following parameters of the efficiency of the methods of convective ozone-air moisture removal: when drying grain with an initial humidity of 30 %, the process duration decreased by 28 % and the total energy consumption decreased amounted to 33-43 %; when drying grain with a moisture content of 25 %, the duration of the process is reduced by 19 %, energy consumption by 24-35 %; and when drying grain with a moisture content of 20 %, the duration of the process is reduced by 30-35 %, energy consumption by 35-40 %.

Full Text

Введение Россия является крупным мировым производителем зерна, сборы которого в стране в 2014-2017 гг. устойчиво превышают 100 млн т, а в 2018 г. суммарный урожай зерновых культур перешагнул отметку в 130 млн т [1-4]. После уборки из этого количества выращенного зерна в сушке ежегодно нуждается от 15 до 30 %, что существенно зависит от погодно-климатических условий в текущем сельскохозяйственном году. Необходимость снижения повышенной влажности зерновых материалов до кондиционных значений (13-14 %) связана с тем, что даже при краткосрочном хранении (от 1-5 до 7-14 дней) во влажном состоянии возникают существенные количественные потери зерна и происходит еще более значительное ухудшение его показателей качества (семенных, технологических, кормовых), а учитывая количественную долю в урожае зернового сырья, нуждающегося в сушке, его порча может нанести весьма чувствительный урон экономике страны и финансовой стабильности многих сельхозяйственных товаропроизводителей. Наиболее распространенными в производстве технологиями снижения влажности зерна являются различные варианты процессов высокотемпературной конвективной сушки, большинство из которых очень энергоемкие и по многим известным данным в 1,2-2,8 раза превышают установленное нормативное значение удельных энергозатрат на испарение влаги в данном виде процессов (5000 кДж/кг исп. вл. [5]), приведенных к стандартным условиям. Причем величина энергоемкости практически не зависит от конструктивного разнообразия и принципов работы реализующих ее (конвективную технологию) зерносушилок. В условиях быстрого роста цен за последние годы на все виды энергоносителей на внутреннем рынке РФ перед производителями зерна все острее встает задача снижения энергетических затрат на процессы сушки и повышения их производительности за счет интенсификации влагосъема при одновременном сохранении показателей качества зернового сырья. Практика научных исследований показывает, что наилучший комплексный результат в обеспечении энергосбережения и ускорения процессов сушки зерна обеспечивают комбинированные технологии его обработки на основе сочетания двух и более видов воздействий (конвективно-сверхвысокочастотная сушка, рециркуляционная сушка конвективно-сорбционная, технология «драйэрации» (комбинация высокотемпературной конвективной сушки и малообъемного активного вентилирования) и некоторые др.). Однако таких энергоэффективных способов снижения влажности зерна, доведенных до производственного использования, очень мало и они имеют ограничения для своего применения: из-за низкой эксплуатационной надежности и высокой стоимости некоторых элементов оборудования (СВЧ-генераторов), из-за возможности реализации процесса только в сушильных установка высокой производительности (20 т/ч и более), из-за необходимости больших материальных затрат на строительство капитальных сооружений, обеспечивающих выполнение отдельных этапов сушки (бункеров активного вентилирования, металлических силосов, напольных складов и т.д.), а также по ряду других причин. Учитывая недостатки перечисленных комбинированных способов снижения влажности зерна и продолжая решать актуальную хозяйственную задачу по снижению энергоемкости и обеспечению интенсификации процесса высокотемпературной конвективной сушки зерна, при условии использования его на прямоточных сушилках малой, средней и большой производительности, авторы разработали оригинальный двухэтапный комбинированный способ конвективно-озоновоздушной сушки зерновых материалов [6, 7], особая структурная компоновка которого позволяет обеспечить повышение технологической эффективности процесса, требуемой в производстве [7-10]. Предлагаемый способ сушки зерна состоит из двух последовательных этапов с непрерывной подачей зернового материала на обоих сверху вниз в плотном слое, на первом - с перемешиванием зерна в слое и продувом его высокотемпературным теплоносителем, на втором этапе - с перемешиванием нагретого частично подсушенного материала в слое и продувом его неподогретым озонированным воздухом с последующим подогревом этого воздуха (отработанного) до температуры, обеспечивающей термическое разложение остаточного озона и использованием полученного теплоносителя на первом этапе сушки [6, 9, 10]. Элементы электротехнологии высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна уже экспериментально исследовались на лабораторной установке, но только при ряде допущений: в стационарном неперемешиваемом слое материала, без применения термоутилизации озона в отработанной озоновоздушной смеси (ОВС) и без рекуперации тепла с этапа сушки неподогретым озонированным воздухом [11, 12]. Некоторые режимные параметры процесса были найдены уже на этом этапе исследований, но в целом все преимущества (энергоэкономия, интенсификация влагосъема, повышение качества зерна и др.) предложенной технологии конвективно-озоновоздушной сушки могут быть выявлены только при экспериментальном изучении процесса на базе малой производственной зерносушилки «ЭЛЕКТА-1», специально разработанной для его реализации [13, 14]. Хотя, согласно нашим собственным исследованиям, предложенный комбинированный способ выполним на всех типах конвективных шахтных зерносушилок поточного действия, но только после небольшой доработки их конструкции [15]. Материалы и методы исследований Проведем экспериментальные исследования комбинированного способа высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна ячменя на установке «ЭЛЕКТА-1». Исследования выполним для частного случая реализации данного способа, когда на первом этапе происходит только конвективный нагрев материала высокотемпературным теплоносителем без количественно значимого удаления влаги при этом, а на втором этапе горячее зерно сушится продуванием через него неподогретого озонированного воздуха. Зерносушилка «ЭЛЕКТА-1» (схема которой представлена на рис. 1), на которой проводились опыты, состоит из загрузочного бункера 1 первой сушильной секции, вертикальной камеры высокотемпературной конвективной сушки 2 (первой сушильной секции), в которой расположены равномерно по высоте пять пар ворошителей 3 с горизонтальными осями вращения, выпускного отверстия 11 первой сушильной секции с расположенным на выходе из него шнековым устройством транспортирования зерна (на рис. 1, б не показано), которое подает материал в транспортер 14, перегружающий зерновой материал с первой секции во вторую, загрузочного бункера 4 второй сушильной секции, вертикальной камеры озоновоздушной обработки зерна 5 (вторая сушильная секция) с ворошителями 3 с таким же расположением и такой же конструкции, как и в камере 2, выпускного отверстия 12 с расположенным на выходе из него устройством транспортирования зерна (на рис. 1, б не показано), которое перемещает материал к выгрузному отверстию установки 15 [13, 14]. В рассматриваемой сушильной установке кроме основного загрузочного устройства 13 с бункером зерна [15], подающего материал в первую сушильную секцию, предусмотрено также устройство 17, предназначенное для отдельной загрузки зерна во вторую сушильную секцию, а также перегрузочный транспортер 16 для возврата зернового материала в первую сушильную камеру на повторный цикл обработки [14]. Система подготовки и транспортирования теплоносителя, работающая в составе установки, содержит вентилятор 8 озонатора, предназначенный для подачи атмосферного воздуха на электроразрядную обработку и одновременно на охлаждение электродов и диэлектрических барьеров разрядника, озонатор объемного барьерного разряда 7 с регулируемой производительностью, воздуховод-конфузор 18, соединяющий выходное отверстие озонатора со второй сушильной секцией 5 установки, дающий возможность поперечной подачи озонированного воздуха в вертикально перемещающийся слой зерна через перфорированную стенку секции, воздуховод-диффузор 19, соединяющий выход второй сушильной секции 5 установки с входом вентиляторов 10, по которому отработанный озонсодержащий воздух подается на подогрев и разложение остаточного озона в теплоэлектронагреватели 9. Затем располагается воздуховод-конфузор 20, соединяющий выход блока ТЭНов с входом первой сушильной секции 2. По нему нагретый теплоноситель подается через перфорированную стенку в вертикально перемещающийся слой зерна, на выходе из которого он попадает в воздуховод-диффузор 21, соединяющий выход первой сушильной секции 2 установки с вытяжным вентилятором 6, выполняющим удаление отработанного теплоносителя из установки. Именно вентилятор 6 обеспечивает последовательную прокачку агента сушки через оба слоя зерна, проходящего обработку в рабочих камерах 2 и 5 комбинированной зерносушилки [13, 14]. В методике эксперимента, разработанной для исследования конвективно-озоновоздушной сушки зерна на лабораторной установке [11], в качестве варьируемых (управляемых) величин использовались шесть технологических факторов: толщина слоя материала (вз, мм); скорость воздуха (, м/с); начальная влажность зерна (Wнз, %); продолжительность конвективной сушки (, мин); продолжительность озоновоздушной сушки (, мин), концентрация озона в ОВС (, кг/м3). Их влияние определялось на параметры оптимизации процесса обезвоживания зернового материала (снижение влажности зерна и удельные энергозатраты на испарение влаги Эуд.). В малой производственной установке «ЭЛЕКТА-1» не предусмотрено столь гибкое и разнообразное регулирование технологических параметров исследуемого способа высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна как в лабораторной, поэтому, чтобы выбрать для данной сушилки варьируемые в опытах факторы, составим и проанализируем параметрическую схему изучаемого варианта комбинированного процесса (рис. 2), которая будет отражать направления движения материальных потоков (зерна, нагретого воздуха, ОВС) в установке и основные параметры двухэтапной сушки, протекающей в ней. Конвективный нагрев (1-й этап сушки) Входными параметрами этапа конвективного нагрева являются: начальная влажность Wнз, температура tнз и качество зерна кнз; температура tн.в, относительная влажность , влагосодержание и давление теплоносителя после ТЭН; продолжительность конвективного нагрева τконв.; толщина зернового слоя вз; скорость и расход агента сушки; расход зерна Qз, порозность зернового материала ε и суммарная поверхность тепломассообмена зерновых частиц в слое Fнз; остаточное количество озона в теплоносителе после ТЭН . К выходным параметрам относятся: конечная влажность , температура и качество зерна ; конечная температура , относительная влажность , влагосодержание и давление отработавшего агента сушки; конечная скорость и расход отработавшего агента сушки. К внутренним параметрам слоя зерна и агента сушки относятся их качественные характеристики, физические, механические, химические, теплофизические и термодинамические свойства: коэффициенты теплообмена α, массообмена kвн. диффузии влаги αм, относительный коэффициент термодиффузии влаги δt, теплоемкость С, удельная теплота парообразования r, плотность ρ, равновесная влажность зерна Wрз и другие. Все внутренние параметры процесса, как и входные параметры, определяют результаты сушки, т.е. выходные параметры. Озоновоздушная сушка (2-й этап сушки) Входными параметрами этапа озоновоздушной обработки (сушки) являются: начальная влажность температура и качество зерна ; начальная температура , относительная влажность , влагосодержание и давление агента сушки; начальная концентрация озона Ооз.н. в агенте сушки, продолжительность озоновоздушной сушки τОВС, площадь поперечного сечения сушильной камеры Ак, толщина зернового слоя вз, начальная скорость и расход озоновоздушной смеси, расход зерна Qз, порозность зернового материала при механическом ворошении ε и суммарная поверхность тепло- и массообмена зерновых частиц в слое Fп.з.. К выходным параметрам относятся: конечная влажность , температура и качество зерна ; конечная температура , относительная влажность , влагосодержание и давление отработавшей озоновоздушной смеси; конечная концентрация озона Ооз.к в агенте сушки, конечная скорость и расход озоновоздушной смеси. К внутренним параметрам слоя зерна, озоновоздушного агента сушки и его компонентов относятся: коэффициенты теплообмена α массообмена , диффузии влаги αт; относительный коэффициент термодиффузии влаги δt, теплоемкость C (зерна, ОВС), удельная теплота парообразования воды r, плотность ρ (зерновки, зернового слоя, ОВС); коэффициенты распада озона в нагретом зерне красп., объемной массопередачи озона Кvоз, молярного переноса влаги и др. Внутренние параметры относятся к исходным данным процесса и находятся из литературных источников (справочников), а в отдельных случаях определяются экспериментально. Анализ данных параметрической схемы процесса конвективно-озоновоздушной сушки (рис. 2), составленной для установки «ЭЛЕКТА-1», показал, что фигурирующие в ней технологические факторы (входные, выходные, внутренние) практически идентичны тем, которые рассматривались и использовались при лабораторных экспериментальных исследованиях [11, 12]. А поскольку исследуемые в опытах процессы сушки на лабораторной и производственной установках, в принципе, одинаковы, то варьируемые в эксперименте параметры процесса, полученные в лабораторных опытах, можно перенести с лабораторной сушилки на «ЭЛЕКТА-1» при некоторой их корректировке под ее технические возможности. В связи с тем, что в проведенных исследованиях на первом этапе комбинированного способа удаления влаги выполнялся только нагрев зерна (без сушки), то экспериментальное изучение процесса на установке «ЭЛЕКТА-1» проведем, управляя только параметрами этапа озоновоздушной обработки (2-й этап комбинированного способа) [17], при этом время конвективного нагрева τконв. зерна будет постоянным и напрямую в эксперименте рассматриваться не будет. Температура нагрева теплоносителя, подаваемого в слой зернового материала в процессе опытов, на 1-м этапе конвективно-озоновоздушного способа сушки составляет = 82-85 °С, а величина нагрева влажного зерна на этапе конвективной обработки немного колеблется и составляет = = 45-52 °С, что не превышает допустимой температуры нагрева зерна, способной ухудшить его качество. Поскольку прочность связей влаги с сухим веществом зерна, величина влагосъема в процессе сушки, его интенсивность и удельные энергозатраты существенно зависят, в том числе, и от начальной влажности зернового материала, то исследование и моделирование конвективно-озоновоздушной сушки проводилось отдельно для трех значений начальной влажности зерна 20, 25 и 30 %. При этом для опытов использовалось искусственно увлажненное до заданных значений зерно ячменя, прошедшее отлежку в течение двух суток в герметичных условиях при положительных пониженных температурах окружающего воздуха (7-11 °С) с целью обеспечения равномерного распределения влаги по объему отдельных зерновых частиц зерновой массы, подготавливаемой для экспериментов [12, 17]. Выходными контролируемыми параметрами процесса конвективно-озоновоздушной сушки в эксперименте являлись: конечная влажность 1 м3 зерна (Wi, j, %), уменьшение продолжительности удаления влаги (∆τЭi, j, %) и снижение величины энергозатрат на процесс (Эi, j, %). Варьируемыми в опыте технологическими факторами на этапе озоновоздушной сушки приняты: подача озона на 1 м3 высушиваемого зерна (Qсоз, мг/с) и время сушки (τ, мин). Величина подачи озона вычисляется по формуле: . (1) Из выражения (1) видно, что Qсоз является комплексным параметром, включающим в себя три варьируемых фактора с этапа лабораторных исследований [11, 12] Qсоз = f(Oоз, υОВС, вз) , а также площадь поперечного сечения сушильной камеры (Ак, м2) и толщину зернового слоя (вз, м) в опытах, проводимых на сушилке «ЭЛЕКТА-1», исходя из ее конструктивных особенностей, являются постоянными величинами одинаковыми для этапа конвективного нагрева и этапа озоно-воздушной сушки. Уровни варьирования подачи озона на 1 м3 высушиваемого зерна в экспериментах приняты для начальной влажности зернового материала W1н.з. = 30 % - Qсоз = 4, 12 и 20 мг/с; для W2н.з. = 25 % -Qсоз = 2, 7 и 12 мг/с; и для W3н.з. = 20 % - Qсоз = 6, 18 и 30 мг/с. Время сушки изменяется = от 0 до 260 мин с интервалом в = 10 мин (всего n = 27 точек замера), притом, что в каждый момент фиксирования времени сушки отбиралась проба зерна ячменя для оценки ее относительной влажности. Влажность опытных проб зерна определялась весовым методом в четырех повторностях по ГОСТ 13586.5-93 на базе агрохимической лаборатории СКНИИМЭСХ. Способ сушки зерна, исследуемый «в контроле», также как и в основных опытах, состоял из двух этапов: на 1-ом этапе происходил конвективный нагрев материала без существенного для практики удаления влаги, а на 2-м выполнялась сушка зерна атмосферным неподогретым воздухом не содержащим озон. На обоих этапах снижения влажности «в контроле» расход воздуха через слой высушиваемого материала составлял = = = 870-900 м3/ч. Изменение времени сушки на 2-м этапе процесса (при обработке атмосферным воздухом) происходило в том же диапазоне и с таким же интервалом варьирования, как и на этапах сушки ОВС в опытах, и с оценкой величины относительной влажности высушиваемого зерна в фиксируемые моменты времени. Анализ и обсуждение результатов исследований Обработку экспериментальных данных для трех разных вариантов комбинированной конвективно-озоновоздушной сушки зерна проводили с использованием специализированной компьютерной программы Statistica. В результате статистической обработки опытных данных [18-19], полученных при исследовании комбинированного способа сушки зерна с начальной влажностью W1н.з. = 30 % (1-й вариант процесса), была построена поверхность отклика (рис. 3), которая имеет единственный явно выраженный минимум и представляет собой зависимость влажности 1 м3 высушиваемого зерна (W = , %) от подачи озона (Qсоз, мг/с) и времени сушки (τ, мин). Данная поверхность математически описывается уравнением регрессии второго порядка (2), которое представляет собой аналитическую модель процесса комбинированной электрофизической сушки зерна : (2) Проверка адекватности уравнения (2) была выполнена на основе вычисления критерия Фишера (F30 %) по методике В.М. Гусарова [20, 21] и сравнения полученного значения с критическим (табличным) значением F-критерия (Fкрит.) при условии обязательного соблюдения неравенства F30 % > Fкрит.. Расчетное значение критерия Фишера составило F30 % = 3289,43, а критическое значение F-критерия для принятого уровня значимости 0,05 и чисел степеней свободы (где - число варьируемых факторов в опыте, m = 2), v2 = n - 2 = 25 (где n - число вариантов в опыте, n = 27) равно Fкрит. (1; 25) = 4,2417 [21]. Поскольку неравенство F30 % > Fкрит. соблюдено, то уравнение регрессии (2) статистически значимо. Обработка в программе Statistica данных эксперимента по исследованию электротехнологии конвективно-озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W2н.з. = 25 % (2-й вариант процесса) позволила построить поверхность отклика, которая показана на рис. 4 и имеет такой же единственный четко выраженным минимумом, как и у функции в предыдущем опыте. Полученная 3D-зависимость процесса снижения влажности зерна математически описывается уравнением регрессии второго порядка: (3) Адекватность разработанной аналитической модели процесса сушки (3) оценивали путем вычисления критерия Фишера по В.М. Гусарову [20, 21] для ряда экспериментальных данных, полученных в опыте, и сравнения его с критическим (табличным) значением F-критерия. Расчетная величина критерия Фишера составила F25 % = 9734,81, критическое значение F-критерия для принятого уровня значимости 0,05 и чисел степеней свободы v1 = 1, v2 = 25 - Fкрит. (1; 25) = 4,2417 [21]. Поскольку неравенство F25 % > Fкрит. соблюдено, то уравнение регрессии (3) является статистически значимым. В результате компьютерной статистической обработки опытных данных, которые собраны в ходе исследования способа конвективно-озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W3.н.з. = 20 % (3-й вариант процесса), получено уравнение регрессии второго порядка: (4) Данное уравнение представляет собой аналитическую модель процесса снижения влажности зерна . Поскольку поверхность отклика, математически описываемая уравнением (4) [17], не имеет экстремальных точек и представляет собой последовательно снижающуюся функцию влажности зерна (W = , %) в зависимости от варьируемых в опыте факторов процесса, достаточно типичной формы для классических способов сушки зерновых культур (конвективного, кондуктивного, активного вентилирования и др.). Ее графическая интерпретация в статье не приводится. Для проверки адекватности разработанного уравнения регрессии (4) вычисляли по методике В.М. Гусарова [20, 21] расчетное значение критерия Фишера, которое для экспериментальных данных исследованного процесса комбинированной сушки зерна 20%-й влажности составляет F20 % = 4903,25, при этом критическое (табличное) значение F-критерия для уровня значимости 0,05 и чисел степеней свободы v1 = 1, v2 = 25 принималось равным Fкрит. (1; 25) = 4,2417 [21]. Сравнение найденного расчетного и критического критериев Фишера показало, что соблюдено требуемое неравенство между ними: F20 % > Fкрит., которое подтверждает статистическую значимость уравнения (4). Для отыскания значения минимальной влажности высушиваемого зерна при различных режимах комбинированной конвективно-озоновоздушной сушки полученные функции (зависимости) двух переменных для разных начальных влажностей обрабатываемого зерна (2), (3), (4) были исследованы на экстремум [18]. В общем виде уравнения регрессии (2), (3) и (4) могут быть записаны в виде уравнения: . (5) Для уравнения (5) находились первые частные производные по каждой переменной: , (6) . (7) Для поиска корней системы уравнений найденные частные производные (6) и (7) приравнивались к нулю (8) Технологический параметр подачи озона на 1 м3 высушиваемого зерна выражался из первого уравнения системы (8): , (9) а продолжительность конвективно-озоновоздушной сушки зерна выводилась из второго уравнения системы (8): (10) В результате проведения вычислений по формулам (9) и (10) получали стационарную точку экстремума с координатами для конкретных экспериментальных данных исследуемых вариантов процесса сушки и построенных по ним уравнениям регрессии (2), (3) и (4). В первую очередь рассчитывались координаты минимальной точки влажности зернового материала для поверхности отклика, построенной по данным исследования процесса конвективно-озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W1.н.з. = 30 %. Для этого коэффициенты a1 = -0,13922 и a3 = 0,00423 из уравнения (2) подставляли в формулу (9), а коэффициенты a2 = -0,12442 и a4 = 0,00032 - в формулу (10). В результате вычислений получили: = = 16,46 мг/с, = 251,1 мин. При подстановке значений и в формулу (2) находили минимальное значение влажности зерна = 14,93 %. Аналогичным образом проводился расчет координат минимальной точки влажности зерна для поверхности отклика, построенной по данным исследования процесса двухэтапной высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W2.н.з. = 25 %. Только для этого в формулу (9) подставляли коэффициенты a1 = -0,22697 и a3 = 0,01176 из уравнения (3), а в формулу (10) - коэффициенты a2 = -0,12442 и a4 = 0,00032 и в результате вычислений получили: = = 9,65 мг/с, = 194,4 мин. При подстановке значений и в формулу (3) и выполнения по ней вычислений находили минимальное значение влажности зерна, которое составило = 12,44 %. Анализ найденных по регрессионным математическим моделям (2) и (3) оптимальных режимов комбинированной электрофизической сушки зерна с начальными влажностями 30 и 25 %, показал, что полученное время снижения содержания избыточной влаги в материале в исследованных процессах составило: = = 251,1 мин. и = 194,4 мин, соответственно, и что оно (время) избыточно велико для поточных способов сушки, при которых обрабатываемое нагретым и озонированным воздухом зерно должно в непрерывном режиме перемещаться через рабочую камеру сушильной установки и за это время достигать кондиционной влажности (= 14 % [22, 23]). Причина большой продолжительности влагосъема отчасти связана с особенностями проведения экспериментальных исследований процессов конвективно-озоновоздушной сушки, которые состояли в том, что только короткий промежуток времени на этапе обработки неподогретым озонированным воздухом (2-й этап) высушиваемый материал в установке «ЭЛЕКТА-1» перемещался в плотном вертикальном слое, характерном для поточных способов сушки, а большую часть времени опыта зерно находилось в стационарном слое, из-за чего и была получена значительная величина , . Основным путем сокращения в рассматриваемом случае продолжительности процесса комбинированной сушки в целом и этапа озоно-воздушной обработки в частности является выполнение не только на этапе высокотемпературной конвективной сушки (1-й этап процесса) нагрева зерна, но и существенного снижения его влажности (не менее чем 50 % от необходимой величины влагосъема). Следует отметить, что повышения энергозатрат на комбинированную сушку за счет увеличения в ней времени этапа тепловой конвективной обработки не произойдет, так как при высоких (более 22 %) начальных влажностях зерна (в нашем случае это 25 и 30 %) в нем содержится большое количество слабосвязанной поверхностной влаги, которая с высокой интенсивностью, пропорциональной величине подводимой тепловой энергии, и с низкими удельными энергозатратами удаляется в процессе конвективной сушки [23, 24] и одновременно позволяет достигнуть максимализации влагосъема на озоновоздушном этапе при сокращении энергопотребления на комбинированную электротехнологию снижения влажности в целом в соответствии с разработанным физическим механизмом протекания тепло-массообменных процессов в зерне при конвективно-озоновоздушной сушке [7, 8] и за счет рациональной технологической компоновки процесса [9, 10]. Для выявления рационального соотношения продолжительностей 1-го (конвективного) и 2-го (озоновоздушного) этапов и доли удаляемой избыточной влаги на каждом из них в составе комбинированного способа сушки необходимо в дальнейшем проведение специальных экспериментальных исследований. Расчет координат минимальной точки влажности зернового сырья для уравнения регрессии (4), аналитически описывающего характер изменения функции и закономерности протекания процесса конвективно-озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W3.н.з. = 20 %, при подстановке коэффициентов a1 = -0,04674 и a3 = -0,00224 из выражения (4) в формулу (9), а коэффициентов a2 = -0,07337 и a4 = 0,00021 в формулу (10), показал по результатам вычислений, что величина подачи озона в 1 м3 зерна () получается отрицательной, а минимум регрессионной модели (4) при этом уходит в область мнимых значений. Таким образом, в условиях отсутствия минимума функции у модели (4) для проведения по ней расчетов по определению снижения продолжительности комбинированной сушки и сокращения энергозатрат на процесс в качестве минимальной конечной влажности зерна после обезвоживания принимаем рациональное ее значение, которым является кондиционная влажность, равная = = 14 %, при которой ячмень может безопасно храниться длительное время без потерь качества [22, 23]. Для расчета величины снижения времени конвективно-озоновоздушной сушки зерна с начальной влажностью W3.н.з. = 20 % по отношению к контролю на основе уравнения регрессии (4) построили показанный на рис. 5 график зависимости Qсоз = f(τ) для всего диапазона варьируемых в опыте факторов, обеспечивающих получение действительных значений выходного параметра Qсоз. Рис. 5. График зависимости Qсоз = f(τ) для расчета снижения времени сушки 1 м3 зерна от начальной влажности W3.н.з. = 20 % до конечной Wк.з. = 14 % (изолиния) Стандартными условиями по влагосъему для тепловых способов сушки является снижение относительной влажности зерна за один цикл процесса на ∆Wст.з. = 6 % от начальной влажности W3.н.з. = 20 % до конечной Wк.з. = 14 % [5, 23]. Рациональными значениями подачи озона на 1 м3 зерна от озонатора барьерного разряда в установке «ЭЛЕКТА-1» в рассматриваемом варианте процесса, согласно графика, представленного на рис. 5, являются = 14-16 мг/с, при которых время сушки в контроле снижается с = = 86,6 мин до рациональных значений продолжительности комбинированного процесса в опыте = 56,2-60,8 мин, то есть затраты времени на влагосъем уменьшаются на = = 30-35 %. Учитывая, что вместе с уменьшением затрат времени на проведение конвективно-озоновоздушной сушки зерна ячменя с начальной влажностью W3.н.з. = 20 % происходит снижение продолжительности работы энергоемких элементов сушильной установки «ЭЛЕКТА-1» (рис. 1, а, б), таких как привод вытяжного вентилятора (основной), ТЭНы, приводы вентиляторов работающих вместе с ТЭНами, приводы ворошителей, устройств транспортирования зерна из-под сушильных секций, загрузочного, возвратного и перегрузочного шнеков, при этом величина уменьшения энергозатрат на удаление влаги составляет = 30-35 % [17, 24]. Кроме того, происходит сокращение энергоемкости сушки за счет рекуперации тепла со 2-го этапа комбинированного процесса (= = 5-10 % [17]), на котором через нагретое зерно продувается неподогретый озонированный воздух. При этом выполняется предварительный нагрев теплоносителя (отработанной озоновоздушной смеси) для 1-го этапа сушки, который только после этого догревается до высокотемпературного состояния на ТЭНах и за счет термического разложения (идущего с выделением тепла) остаточного озона, не использованного на этапе обработки зерна ОВС [6, 10, 17]. Суммарное снижение энергозатрат на комбинированный процесс сушки зерна составляет = 35-40 %. Для расчета величин уменьшения продолжительности высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна ячменя с начальными влажностями W1н.з. = 30 % и W2н.з. = 25 % по отношению к контролю построим с использованием уравнений регрессии (2) и (3), соответственно, два контурных графика поверхностей отклика , и выделим на каждом из них укрупненные графические элементы, показанные на рис. 6 и 7, на которых наиболее четко визуально отражается величина снижения затрат времени в рассматриваемом процессе комбинированной сушки при оптимальных для производственных условий режимах обработки зернового материала. По результатам исследования на экстремум функции (2) было найдено, что оптимальным значением подачи озона на 1 м3 зерна в процессе комбинированной сушки является = 16,46 мг/с. При этом, как показывают расчеты по уравнению (2), изменение величины подачи озона в диапазоне = 14-19 мг/с вызывает колебание показателя эффективности (в нашем случае времени удаления влаги) процесса конвективно-озоновоздушной обработки (рис. 6) не более чем на 0,1-0,3 %, что для практики несущественно, поэтому считаем, что сушка зерна в обозначенном интервале подач озона протекает на рациональных режимах. Затраты времени на комбинированное электрофизическое удаление влаги из зерна при 6%-м влагосъеме за один цикл процесса от начальной влажности W1н.з. = 30 % до промежуточно-конечной влажности = = 24 %, согласно анализу рис. 6, в контроле составляют = 63 мин, а при конвективно-озоновоздушной сушке на рациональных режимах - = 45,5 мин, что соответствует снижению времени на исследованный процесс на = 28 %. Уменьшение энергозатрат на удаление влаги в установке «ЭЛЕКТА-1», за счет полученного снижения продолжительности работы в ней энергопотребителей и возникновения технологических эффектов интенсификации влгопереноса в зерне и энергоэкономии в процессе сушки, составляет = 28-33 % [17, 24], а с учетом энергосбережения от рекуперации тепла с этапа воздействия на влажный зерновой материал озоновоздушной смеси (ОВС), величина которого составляет = 5-10 % [17], суммарное снижение энергозатрат на высокотемпературную конвективную и озоновоздушную сушку ячменя 30%-й начальной влажности составляет = = 33-43%. Для определения величины сокращения продолжительности конвективно-озоновоздушной сушки зерна ячменя с начальной влажностью W2.н.з. = 25 %, по сравнению с контролем, за один стандартный цикл влагосъема, который составляет ∆ Wст.з. = 6 %, принимаем, по результатам исследования на экстремум уравнения регрессии (3) и проверочных расчетов по нему на предмет снижения эффективности удаления влаги, что рациональный диапазон значений подачи озона на 1 м3 зерна для рассматриваемого способа сушки равен = = 9-10 мг/с. Для указанных режимов реализации процесса, согласно анализу данных по рис. 7, получаем, что продолжительность снижения влажности зерна в контроле составляет = 69 мин, а время протекания комбинированной электрофизической сушки - = 56 мин, что соответствует сокращению продолжительности процесса конвективно-озоновоздушной обработки на = = 19 %. С учетом этого уменьшение энергозатрат на удаление влаги из зерна с W2.н.з. = 25 % в установке «ЭЛЕКТА-1», за счет сокращения времени работы энергоемкого оборудования зерносушилки и получения энергоэкономии от физико-технологических эффектов, возникающих в материале при комбинированном способе сушки, составляет = 19-25 % [17, 24]. С учетом величины энергосбережения от рекуперации тепла со 2-го этапа процесса конвективно-озоновоздушной обработки, равной = 5-10 % [17], получаем, что суммарное снижение энергозатрат на исследуемый вариант комбинированной электротехнологии сушки составляет = = 24-35 %. Заключение По результатам экспериментальных исследований на базе установки «ЭЛЕКТА-1» частного случая способа высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки зерна ячменя для трех значений начальной влажности - 20, 25 и 30 % построены две поверхности отклика и три уравнения регрессии второго порядка вида = f (Qсоз, τ), прошедшие проверку статистической значимости по F-критерию. Анализ регрессионных математических моделей конвективно-озоновоздушной сушки показал следующее: - при 6%-м удалении влаги из зерна с начальной влажностью W3.н.з. = 20 % при подаче озона в 1 м3 материала = 14-16 мг/с снижение продолжительности процесса обезвоживания по сравнению с контролем происходит на = 30-35 %, а уменьшение энергоемкости сушки с учетом рекуперации тепла со 2-го этапа озоно-воздушной обработки составляет = 35-40 %; - при 6%-м удалении влаги из зерна с начальной влажностью W2.н.з. = 25 % при подаче озона в 1 м3 материала = 9-10 мг/с снижение продолжительности процесса происходит на = 19 %, а уменьшение суммарных энергозатрат на сушку с учетом рекуперации тепла составляет = 24-35 %. - при 6%-м удалении влаги из зерна ячменя с начальной влажностью W1.н.з. = 30 % и при подаче озона в 1 м3 материала = = 14-19 мг/с снижение продолжительности процесса удаления влаги происходит на = = 28 %, а уменьшение суммарной энергоемкости сушки с учетом рекуперации тепла составляет = 33-43 %. Рассматриваемый способ конвективно-озоновоздушной сушки зерна ячменя подтвердил свою высокую эффективность как по критерию интенсификации удаления влаги, так и по критерию снижения энергозатрат на процесс. Однако, как показали проведенные опыты в сравнении с лабораторными, потенциал исследованного варианта комбинированного способа сушки в части уменьшения продолжительности процесса, при полупоточной технологии исполнения реализуется далеко не полностью из-за остающихся довольно большими затрат времени на снижение содержания влаги в зерне от его начальных значений до кондиционной влажности. В дальнейших исследованиях способа высокотемпературной конвективной и озоновоздушной сушки необходимо на 1-м этапе конвективной обработки не только нагревать материал, но и проводить его существенную подсушку, особенно для зерна с начальной влажностью 25 и 30 %. При этом для зернового материала с начальной влажностью 20 % кроме увеличения влагосъема на 1-м этапе процесса необходимы экспериментальные исследования конвективно-озоновоздушной сушки по использованию на 2-м этапе озоновоздушной обработки более высоких подач озона на 1 м3 зерна, главными образом, за счет увеличения концентрации озона в ОВС. а б Рис. 1. Внешний вид (а) и конструктивно-функциональная схема (б) установки «ЭЛЕКТА-1» для конвективно-озоновоздушной сушки зерна Рис. 2. Параметрическая схема комбинированного процесса конвективно-озоновоздушной сушки зерна для установки «ЭЛЕКТА-1» Рис. 3. Поверхность отклика, описывающая процесс конвективно-озоновоздушной сушки 1 м3 зерна с начальной влажностью W1н.з. = 30 % Рис. 4. Поверхность отклика, описывающая процесс конвективно-озоновоздушной сушки 1 м3 зерна с начальной влажностью W2н.з. = 25 % Рис. 6. Элемент контурного графика поверхности отклика для расчета снижения времени сушки 1 м3 зерна с начальной влажностью W1н.з. = 30 % Рис. 7. Элемент контурного графика поверхности отклика = f (Qсоз, τ) для расчета снижения времени сушки 1 м3 зерна с начальной влажностью W2н.з. = 25 %
×

About the authors

V. I Pahomov

Federal State Budgetary Scientific Institution «Agrarian Center «Donskoy»

Email: buhantsov.k@gmail.com
DSc in Engineering

V. S Gazalov

Federal State Budgetary Scientific Institution «Agrarian Center «Donskoy»

Email: buhantsov.k@gmail.com
DSc in Engineering

K. N Buhancov

Federal State Budgetary Scientific Institution «Agrarian Center «Donskoy»

Email: buhantsov.k@gmail.com

References

  1. Петриченко В.В. Августовский прогноз урожая зерна 2017 г. - 132 млн т (сверхрекорд) // Хлебопродукты. 2017. № 9. С. 4-5.
  2. Петриченко В.В. Июньский прогноз урожая зерна 2016 г. - рекорд - 110,1 млн т // Хлебопродукты. 2016. № 7. С. 6-8.
  3. Петриченко В.В. Июльский прогноз урожая зерна в России в 2015 г. // Хлебопродукты. 2015. № 9. С. 4-7.
  4. Петриченко В.В. Урожая зерна в России в 2014 г. - более 100 млн т // Хлебопродукты. 2014. № 9. С. 4-6.
  5. Елизаров В.П., Антышев Н.М., Бейлис В.М. и др. Исходные требования на базовые машинные технологические операции в растениеводстве / М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. С. 140-143.
  6. Способ сушки зерновых материалов: пат. № 2422741 РФ, МПК F26 В3/14 / В.И. Пахомов, В.А. Максименко, К.Н. Буханцов; заявитель и патентообладатель: ВНИПТИМЭСХ. № 2010106531/06, заявл.: 24.02.2010, опубл.: 27.06.2011, Бюл. № 18. 13 с.
  7. Пахомов В.И., Буханцов К.Н., Максименко В.А. Двухэтапный комбинированный способ высокотемпературной сушки зерна. Ч. 1 // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 12. С. 56-60.
  8. Пахомов В.И., Буханцов К.Н., Максименко В.А. Двухэтапный комбинированный способ высокотемпературной сушки зерна. Ч. 2 // Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. № 1. С. 53-58.
  9. Пахомов В.И., Максименко В.А., Буханцов К.Н. Энергосберегающая технология высокотемпературной конвективной сушки и озоновоздушной обработки зерна. Ч. 1 // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 5. С. 19-25.
  10. Пахомов В.И., Максименко В.А., Буханцов К.Н. Энергосберегающая технология высокотемпературной конвективной сушки и озоновоздушной обработки зерна. Ч. 2 // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 6. С. 23-27.
  11. Буханцов К.Н. Методика проведения экспериментальных исследований конвективно-озоновоздушной сушки зерновых материалов // Механизация технологических процессов в животноводстве: технологии, машины, оборудование: сб. науч. тр. 4-й Междунар. науч.-техн. конференции «Ресурсосберегающие технологии и инновационные проекты в АПК» (г. Зерноград Ростовской обл., ВНИПТИМЭСХ, 14-15 апреля 2009 г.). Зерноград, 2009. С. 265-276.
  12. Проведение экспериментальных исследований фрагментов энергоэкономных электротехнологий и процессов обработки растительных сельскохозяйственных материалов с использованием электрофизических методов и разработка оптимизационной математической модели: отчет о НИР (промежуточ.): 09.02.02.01 / ВНИПТИМЭСХ; рук. В.Д. Каун. Зерноград, 2008. 46 с. № ГР 15070.7721019635.06.8.002.0.
  13. Максименко В.А., Буханцов К.Н. Многофункциональная установка малой производительности для реализации электротехнологий послеуборочной и предпосевной обработки зерна и семян // О проблемах обеспечения в современных условиях количественной и качественной сохранности материальных ценностей, поставляемых и закладываемых в государственный резерв: сборник докладов Междунар. науч.-практ. конференции (г. Москва, ФГБУ НИИ проблем хранения Росрезерва, 5-6 сентября 2011 г.). М.: ООО «Галлея-Принт», 2011. Ч. 2. С. 158-168.
  14. Пахомов В.И., Буханцов К.Н. Реализация технологий комбинированной сушки, обеззараживания и стимулирования посевных свойств зерна и семян на базе установки «ЭЛЕКТА-1» // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы Междунар. науч.-практ. конференции (г. Минск, РУП НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 19-20 октября 2011 г.). Минск, 2011. Т. 1. С. 196-207.
  15. Пахомов В.И., Максименко В.А., Буханцов К.Н. Рассмотрение возможности использования новой двухэтапной технологии высокотемпературной конвективной сушки и озоновоздушной обработки зерна на базе применяемых в производстве сушильных установок // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) - СЭТТ-2011: труды 4-й Междунар. науч.-практ. конференции (г. Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, 20-23 сентября 2011 г.). М., 2011. Т. 2. С. 54-66.
  16. Ванурин В.Н., Максименко В.А., Буханцов К.Н. Выбор привода отгрузочного шнека установки СВЧ-обеззараживания «СИГМА-1» // Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 4. С. 18-23.
  17. Проведение экспериментальных исследований по проверке эффективности перспективных энергосберегающих электротехнологий обработки растительных сельскохозяйственных материалов (биообъектов), уточнение параметрических зависимостей процесса сушки и разработка математической модели процесса сушки сельскохозяйственных культур: отчет о НИР (промежуточ.): 09.02.02.01 / ВНИПТИМЭСХ; рук. А.И. Пахомов. Зерноград, 2009. 59 с. № ГР 15070.7721019635.06.8.002.0. Инв. № 73-09.1.
  18. Газалов В.С., Пономарева Н.Е., Беленов В.Н. Использование статистических методов при решении прикладных задач в сельскохозяйственном производстве: монография. Зерноград: ПМГ СКНИИМЭСХ, 2011. 74 с.
  19. Грачева Н.Н., Руденко Н.Б., Кононенко А.Ф., Литвинов В.Н. Применение ЭВМ в агрономии.Зерноград: АЧИИ ФГБОУ ВО ДонГАУ, 2017. Ч. 2. Обработка и анализ экспериментальных данных. 152 с.
  20. Гусаров В.М., Проява С.М. Общая теория статистики. М.: ЮНИТИ, 2008. 206 с.
  21. Гусаров В.М., Кузнецова Е.И. Статистика. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. 479 с.
  22. Горелова Е.И. Основы хранения зерна. М.: Агропромиздат, 1986. 136 с.
  23. Жидко В.И., Резчиков В.А, Уколов В.С. Зерносушение и зерносушилки. М.: Колос, 1982. 239 с.
  24. Птицын С.Д. Зерносушилки. Технологические основы, тепловой расчет и конструкции. М.: Машиностроение, 1966. 212 с.

Statistics

Views

Abstract: 34

PDF (Russian): 12

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Pahomov V.I., Gazalov V.S., Buhancov K.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies