Study of stationary regimes of drum grain dryer and opportunities to increase their intensity

Abstract

Using the methods of modeling and experimental studies, stationary regimes of drum grain dryer are investigated. Recommendations for their intensification and control system improvement are given.

Full Text

Зерно, обработанное в барабанных сушилках, часто теряет технологические свойства, поэтому возникают затруднения с выбором оптимальных режимов его обработки [1-5]. Это объясняется тем, что рабочая камера сушилки - сложный и недостаточно изученный объект управления, а ее система контроля над протеканием процесса недостаточно надежна. В связи с этим возникла необходимость дополнительного изучения рабочего процесса сушилки с целью совершенствования ее технологических режимов и системы контроля. В работе приведены результаты исследования сушилки СЗСБ-4 в нормальных условиях работы, а также результаты моделирования ее рациональных режимов. Решалась задача определения взаимных связей между входными и выходными переменными процесса сушки (рис. 1), состояние которого определяется температурой теплоносителя Jт(t), температурой Jз(t) и влажностью W(t) зерна. Начальные значения температуры Jз0(t) и влажности W0(t) зерна определяют условия сушки, а температура теплоносителя Jт0(t) и экспозиция G(t) - режим обработки. При исследовании экспозицию сушки G(t) и температуру теплоносителя Jт0(t) на входе в рабочую камеру стабилизировали автоматически. Значение экспозиции G(t) задавали изменением подачи зернового вороха. Температуру и влажность зерна фиксировали на входе и выходе, а также в различных точках по длине рабочей камеры. Температуру теплоносителя фиксировали на ее выходе. Измерение температуры и влажности зерна в камере осуществляли методом отбора проб. Для этого в стенке камеры выполнили отверстия, снабженные задвижками с электромагнитным приводом. Устройство позволило периодически отбирать пробы без остановки вращения рабочей камеры. Каждая проба автоматически ссыпалась в термос, где измерялись ее температура и влажность. Обрабатывали рожь «Вятка» семенного, продовольственного и фуражного назначения. Подачу вороха G(t) в опытах поддерживали в интервале 1,4-4,4 т/ч, температуру теплоносителя Jт0(t) - в интервале 100-250 оС. Продолжительность опытов в разные дни составляла 4-6 ч. Это позволило на входе и выходе камеры получать 60-100 измерений при интервале фиксации процессов 3 мин, а внутри камеры - 24-36 измерений при интервале фиксации 10 мин. Всего получены 24 стационарные реализации. Результаты обработаны статистическими методами. Статистические характеристики переменных состояния процесса сушки (табл. 1) подтверждают, что входные переменные Jз0(t) и W0(t) в течение времени изменяются стохастически в широких пределах, что возбуждает колебания выходных переменных Jз(t) и W(t) в интервале, превышающем агротехнический допуск [5-8]. Таблица 1 Статистические характеристики переменных на входе и выходе сушилки № опыта На входе На выходе G, т/ч Jт0, оС W0, % σW0, (%)2 Jз0, оС σJз0, оС2 W, % σW, (%)2 Jз, оС σJЗ, оС2 Jт, оС σJт, оС2 1 2,4 150 26,6 0,55 22,5 0,6 19,5 0,49 40 0,56 56 0,64 2 4,4 150 25,4 0,51 22 0,35 21,5 0,46 38 0,81 49 1,02 3 4,4 200 25,4 1,84 22 0,38 20,3 1,62 45 1,29 57 1,53 4 4,4 100 25,4 2,11 22 0,76 23 2,05 32,5 2,16 41 2,09 5 3,4 150 27,9 1,64 11,5 1,11 23,5 1,32 31,5 1,56 50 169 6 3,4 250 26,5 1,92 13 0,96 17,2 1,53 46 2,06 90 2,59 7 3,4 200 26,1 0,71 14,5 0,69 17,3 0,45 44 1,03 86 2,16 8 1,4 100 26 0,52 14 0,86 21 0,41 37 1,13 52 1,64 9 1,4 200 25,9 1,56 15 1,03 14 1,09 63 1,82 81 1,45 10 1,4 250 25,9 1,32 15,5 0,92 13 0,63 65 0,96 98 1,29 11 1,4 150 23,2 0,52 15 1,23 17 0,43 49 0,56 67 0,63 12 1,4 150 20,8 0,55 27,8 1,21 15,8 0,42 52 0,45 84 0,85 13 3,4 150 21,2 0,98 28 1,32 16,4 0,69 46 1,34 62 1,54 14 4,4 150 21,2 0,51 28 0,95 18,1 0,39 42,5 0,84 54 1,11 15 2,4 150 21,2 0,54 28,5 0,89 16,3 0,36 52 0,78 62 0,88 16 2,4 250 20,8 0,56 30 1,29 11 0,37 68 1,15 92 1,45 17 2,4 100 22,3 1,96 10,5 0,69 19,8 1,38 31,5 2,05 45 2,65 18 2,4 200 22 2,09 12 0,97 16 1,32 44,5 1,84 64 1,56 19 2,4 250 21 1,41 13 1,06 14,8 0,86 52 1,28 82 1,92 20 3,4 150 18,2 1,24 9 1,06 16,2 1,02 35 1,56 52 1,78 21 3,4 100 19 1,29 8,5 1,32 17,2 1,13 29,5 1,39 38 1,68 22 1,4 100 21 0,96 8,5 1,56 16,7 0,81 34 1,22 52 1,65 23 4,4 200 20,1 0,62 15,5 0,69 16,2 0,53 41,5 0,92 63 1,42 24 4,4 100 20,2 0,59 4,5 1,65 19,3 0,53 28 0,63 37 0,96 Влажность зерна на входе изменялась в диапазоне 18,2-26,6% при σW0 = 0,51…2,11 (%)2, температура - в пределах 4,5-30 оС при σJз0 = 0,35…1,65 оС2. При изменении температуры теплоносителя Jт(t) в диапазоне 100-250 оС в камере сушки удавалось снизить влажность зерна на 0,9-12,9%, при этом его нагрев оставался ниже предельно допустимого. Среднеквадратические отклонения колебаний влажности зерна к выходу из сушильной камеры понижаются, что свидетельствует о ее способности сглаживать их амплитуду, а температуры зерна и теплоносителя, наоборот, повышаются. Установлено, что с повышением температуры теплоносителя Jт0 и снижением подачи зерна G в камеру ее способность сглаживать колебания влажности зерна улучшается. Отношение дисперсии колебаний влажности зерна на выходе камеры к дисперсии колебаний влажности на ее входе укладывается в диапазон 0,37-0,94. С увеличением температуры теплоносителя Jт0 повышаются влагосъем зерна ΔW = W0 - W и температура его нагрева Jз, что свидетельствует об интенсификации сушки. Увеличение подачи G ведет к уменьшению влагосъема и температуры зерна. В табл. 2 представлены изменения средних значений влажности и температуры зерна по длине рабочей камеры для некоторых режимов (см. табл. 1). Таблица 2 Изменения средних значений влажности и температуры зерна по длине рабочей камеры № опыта Подача G, т/ч Переменная Расстояние точки контроля от начала камеры, м На входе 0,87 1,3 1,88 2,46 2,96 3,69 4,41 5,21 6 На выходе 1 2,4 W, % 26,6 25,4 24,8 24,2 23,8 23,5 23,2 22,8 22,3 21,4 19,5 Jз, оС 22,5 33,4 38 42,5 45,2 46,5 46,7 45,6 43,5 41,2 40 Jт, оС 150 - - - - - - - - - 56 2 4,4 W, % 25,4 24,9 24,6 24,3 23,9 23,7 23,3 22,9 22,5 22 21,5 Jз, оС 22 32,9 36,5 39,8 41,7 42,4 42,2 41,1 39,7 38,7 38 Jт, оС 150 - - - - - - - - - 49 3 4,4 W, % 25,4 24,5 24,1 23,5 22,9 22,4 21,8 21,2 20,7 20,4 20,3 Jз, оС 22 35,6 40,4 44,7 47,2 48,7 47,8 46,6 45,1 44,5 45 Jт, оС 200 - - - - - - - - - 57 4 4,4 W, % 25,4 25,2 25,1 24,9 24,7 24,4 14 23,6 23,2 23 23 Jз, оС 22 27,7 29,9 32 33,3 33,9 34,1 33,7 33,1 32,6 32,5 Jт, оС 100 - - - - - - - - - 41 20 3,4 W, % 18,2 17,8 17,5 17,2 16,9 16,7 16,5 16,3 16,1 16,1 16,2 Jз, оС 9 22,2 27,9 33,6 37,3 39,2 40,3 39,8 38,2 36,4 35 Jт, оС 150 - - - - - - - - - 52 На рис. 2 дан пример протекания этих зависимостей, из которого видно, что по мере перемещения зерна по камере его влажность W уменьшается, а температура Jз сначала интенсивно увеличивается, приблизительно к середине камеры стабилизируется, а затем понижается. Объясняется это тем, что зерно и теплоноситель движутся по камере в одном направлении. В начале камеры температура теплоносителя высока, а зерна - мала, поэтому наблюдается интенсивный нагрев зерна и понижение температуры теплоносителя при незначительном понижении влажности зерна. По мере нагрева зерна интенсифицируется процесс испарения влаги, что ведет к постепенному замедлению роста температуры зерна. Этому же способствует монотонное понижение температуры теплоносителя по мере продвижения по камере. В зоне, расположенной от начала камеры на расстоянии приблизительно 0,45-0,75 ее длины, процесс увеличения температуры зерна завершается, но наблюдается интенсивное уменьшение влажности. Дальнейшее понижение температуры теплоносителя ведет к уменьшению количества теплоты, подводимой к зерну, поэтому его температура, а следовательно, и скорость испарения влаги постепенно уменьшаются. С изменением подачи G зерна в камеру (см. табл. 2) зона максимального нагрева незначительно смещается по ее длине. При меньших подачах зона максимального нагрева располагается ближе к началу камеры, при больших - дальше. Превышение температуры зерна в зоне максимального нагрева над температурой на выходе камеры достигает 1,2-7,2 оС. Это превышение тем больше, чем выше начальная влажность зерна W0, температура теплоносителя Jт0 и меньше подача G. Приняв гипотезу о нормальном законе распределения случайной функции изменения влажности зерна на выходе камеры сушки, определили вероятность ее пребывания в заданном агротехническими требованиями [8] симметричном допуске ΔW = ±1,5%, которая при среднеквадратических отклонениях, укладывающихся в диапазон σW = 0,36…2,05 (%)2, составляет РΔ = 0,54…0,99. Это подтверждает низкое качество выполнения рабочего процесса в сушилках. Таким образом, полученная информация характеризует сушилку как стохастическую распределенную многосвязную динамическую систему с нелинейными связями между переменными состояния ее рабочего процесса, функционирование которой имеет низкие показатели качества [9]. Возможности совершенствования рабочего процесса сушилки и ее системы контроля оценили методами математического моделирования с использованием уравнений [5, 10, 11]: ; ; . Начальные условия: W (0, x)=W0 (х) ; ; . Граничные условия: W (t, 0)=W0(t) ; ; ; W(t, ∞)=Wр, при W(0, 0)=W0(t), . Здесь W - влагосодержание зерна; Jз и Jт - температуры зерна и теплоносителя; t, x - координаты времени и пространства; Vз и Vт - скорости перемещения зерна и теплоносителя по камере сушки; r - скрытая теплота парообразования; сз и ρз - удельная теплоемкость и плотность зерна; ст и ρт - удельная теплоемкость и плотность теплоносителя; R и m - эквивалентный радиус и коэффициент формы зерновки; e - скважность зернового слоя; L - длина камеры сушки; kβ, , - модельные коэффициенты. Набор значений модельных коэффициентов уравнений определен по экспериментальным данным методом решения обратной задачи тепло- и массопереноса [12]. Для любого режима (см. табл. 1, 2) относительная погрешность аппроксимации экспериментальных данных результатами их моделирования не превышает: для влажности зерна 0,08, для температуры зерна 0,12, для температуры теплоносителя 0,14. Моделирование стационарных режимов сушки реализовано в среде математического пакета Maple [5]. Зависимости кинетики нагрева и сушки зерна в сушилке приведены на рис. 3. Представленные данные подтверждают, что для всех режимов сушки температура зерна Jз достигает максимального значения в средней части сушильной камеры, а к выходу из нее понижается на 5-15 оС. При семенных и продовольственных режимах максимальные значения температуры близки к предельно допустимым Jзд, что важно учитывать в практике эксплуатации сушилок и при разработке рекомендаций по совершенствованию системы контроля. Даже при семенных режимах (см. рис. 3, б) скорость влагоудаления dW/dt в средней части сушильной камеры достигает предельно допустимых значений (dW/dt)д, что может стать одной из причин ухудшения качественных показателей семенного зерна. При продовольственных режимах (см. рис. 3, а) вследствие применения более высоких температур теплоносителя Jт0 скорость влагоудаления увеличивается до 15-25 %/ч и значительно превышает допустимую (10 %/ч). Столь интенсивная сушка может приводить к появлению чрезмерных внутренних напряжений в зерновках и растрескиванию их оболочек. Выполненный анализ вскрывает ряд недостатков эксплуатации барабанных сушилок. Во-первых, система контроля рабочего процесса сушилок несовершенна. Контроль температуры зерна необходимо осуществлять в зоне его максимального нагрева в рабочей камере, т.е. в ее средней части, а не на выходе. Во-вторых, для эксплуатации сушилок рекомендованы неоправданно интенсивные режимы, при которых нагрев зерна и скорость влагоудаления достигают предельно допустимых значений. Для продовольственных режимов скорость влагоудаления значительно превышает допустимую. Отмеченные особенности в сочетании с отсутствием надежной системы контроля над протеканием процесса нередко ведут к понижению качественных показателей обрабатываемого зерна. По этим причинам барабанные сушилки на практике получают много нареканий и в хозяйствах используются ограниченно для сушки семенного зерна [1-2]. Вместе с тем имеются резервы совершенствования процесса сушки. На рис. 4 приведены зависимости кинетики нагрева и сушки зерна в сушилке, иллюстрирующие возможность интенсификации процесса за счет предварительного нагрева зерна. Приведенные данные подтверждают, что с увеличением начальной температуры зерна Jз0 возрастает его нагрев Jз во всей сушильной камере, а следовательно, и интенсивность процессов тепло- и массопереноса. Это подтверждается увеличением скорости сушки зерна dW/dt во всех зонах рабочей камеры, за счет чего удается увеличить производительность сушилки. Расчеты показывают, что за счет предварительного нагрева зерна кратность увеличения производительности сушилки может составить 1,3-1,5. При моделировании режимов с предварительным нагревом зерна выявлено, что температура Jз0, до которой его можно нагревать, ограничена. Так, из данных рис. 4 видно, что при повышении начальной температуры зерна существенно возрастают скорость сушки dW/dt и нагрев зерна Jз в начальной зоне рабочей камеры. Поэтому дальнейшее увеличение начальной температуры зерна ограничено достижением их предельно допустимых значений (dW/dt)д и Jзд в рабочей камере. Возможности реализовать распределенное управление тепловыми режимами в барабанной сушилке отсутствуют, однако его можно реализовать в сушильной линии из нескольких барабанных сушилок.