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

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

Supplementary files