Чирухина, Нина Михайловна. Исследование и разработка энергосберегающих режимов электрокалориферной сушки зерна для крестьянско-фермерских хозяйств

Короткий опис

Чирухина, Нина Михайловна. Исследование и разработка энергосберегающих режимов электрокалориферной сушки зерна для крестьянско-фермерских хозяйств : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.02 / Чирухина Нина Михайловна; [Место защиты: Краснояр. гос. аграр. ун-т].- Красноярск, 2012.- 117 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/2666

. ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
На правах рукописи
л / л Л-1 Л L У? і т
ЧИРУХИНА Нина Михайловна
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ
РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРНОЙ СУШКИ ЗЕРНА
ДЛЯ КРЕСТЬЯНСКО-ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ
Специальность: 05.20.02 -Электротехнология и
электрооборудование в сельском хозяйстве
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель, Бастрон Татьяна Николаевна
К.Т.Н., доцент
Красноярск 2012 
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СУШКИ ЗЕРНА И ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ
1.1 Характеристики и особенности овса, современное состояние его
возделывания 12
1.2 Свойство зерновой массы как объекта сушки 14
1.3 Способы и технические средств сушки зерна 18
1.3.1 Установки высокотемпературной сушки 20
1.3.2 Установки низкотемпературной сушки 21
1.4 Мероприятия по снижению энергозатрат на сушку зерна 26
1.5 Обоснование выбора электрокалориферной сушки зерна 29
1.6 Цели и задачи исследования 32
ГЛАВА 2 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СУШКИ ОВСА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ
2.1 Тепло-влагообмен в процессе сушки 33
2.2 Направления интенсификации процесса сушки зерна 36
2.3 Кинетика процесса сушки зерна 37
2.4 Обоснование выбора режимных параметров электрокалориферной
сушки зерна овса 45
2.4.1 Выбор ограничений на управляемые переменные 45
2.4.2 Физическое моделирование процесса электрокалориферной сушки
овса 50
2.4.2.1 Определение производительности и давления вентилятора 51
2.4.2.2 Определение мощности нагревательных элементов 53
Выводы 56
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ СУШКИ ОВСА НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
3.1 Техническая реализация эксперимента 58
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 63
3.3 Выбор плана эксперимента 65
3.4 Проверка воспроизводимости эксперимента 67
3.5 Получение уравнений регрессии 69
3.6 Проверка адекватности математического описания 70
3.7 Обоснование энергосберегающих режимов сушки зерна 73
Выводы 77
ГЛАВА 4 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ
4.1 Электрокалориферная сушилка зернового вороха 79
4.2 Управление режимами электрокалориферной сушилки вороха 82
4.3 Производственные испытания сушки вороха овса 87
Выводы 88
ГЛАВА 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ СУШКИ ЗЕРНА
Выводы 94
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 98
ПРИЛОЖЕНИЯ 110
Огромную роль в обеспечении продовольственной безопасности страны играет зерновое хозяйство. Производство зерновых — базовая и определяющая отрасль сельского хозяйства и, в значительной степени — экономики и продовольственной безопасности страны. Высокий уровень производства зерновых создает необходимую сырьевую базу и предпосылки развития других производств, аккумулирует достижения других отраслей [33]. '
Природно-климатические условия большинства зернопроизводящих районов нашей страны, особенно Сибири, предопределяют первостепенную роль сушки в обеспечении сохранности урожая. Свыше 50% ежегодно выращиваемого в этих районах зерна подвергают сушке, а в некоторые годы 80% и более [36]. Одной из проблем в сельскохозяйственном производстве является обеспечение сохранности выращенного урожая. Свежеубранное зерно в большинстве случаев имеет повышенную влажность, которая достигает в отдельные годы 30 - 35%. Сохранить урожай зерна при неблагоприятных метеорологических условиях можно лишь при необходимом оснащении хозяйства зерносушилками. Увеличенные объемы зерна и его обработка требуют внедрения в хозяйствах эффективных, относительно дешевых технологий подготовки зерна к хранению.
В поточной технологии послеуборочной обработки зерна его сушка является наиболее сложной и энергоемкой операцией. В то же время это самый универсальный способ приведения зерна в кондиционное состояние. Сельское хозяйство потребляет около 38 % всего дизельного топлива и бензина, производимых в стране. Очевидно, что при таких затратах отечественному товаропроизводителю практически невозможно соревноваться с зарубежными конкурентами. Производство
сельхозпродукции у нас в 4...5 раз более энерго - и материалоемко, чем в США. Увеличение производства и заготовок неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии сушки. Внедрение современного зерносушильного оборудования базируется на научно обоснованном выборе рационального способа сушки зернй, обеспечивающего заданные технологические свойства в зависимости от его назначения. Сушка является наиболее сложной и энергоёмкой операцией. Общая доля энергозатрат в себестоимости сушки составляет 75-80 % [76, 77]. Получившие наибольшее распространение конвективные сушилки непрерывного действия энергоемки (5...7 МДж/кг удаляемой влаги, что в несколько раз превышает теплоту испарения и экологически небезопасны [14]. В настоящее время резко возрос интерес к способу сушки зерна активным вентилированием, как энергосберегающему. При использовании этого способа на удаление из зерна 1 кг влаги требуется в 2,5...3 раза меньше тепловой энергии, чем при высокотемпературной сушке на установках непрерывного действия [99].
В структуре производства зерна в России посевы овса занимают 3-є место после пшеницы и ячменя. Продукты переработки этой культуры имеют высокую питательную ценность, применяются для диетического и детского питания, лечения ряда болезней, поэтому увеличение производства и улучшение качества имеет большое значение.
Основные научно - технические и производственные проблемы послеуборочной обработки зерна в настоящее время и на ближайшую перспективу обусловлены новыми условиями, сложившимися за последнее десятилетие, крайне низким уровнем обеспеченности техникой, ее изношенностью. В последние 10 лет обновление техники для послеуборочной обработки зерна практически не ведется. Имеющаяся техническая база послеуборочной обработки зерна морально устарела и не соответствует современным условиям сельскохозяйственного производства, т.к. создавалась для других условий, при которых владельцем большей части урожая было государство. Для обеспечения срочной обработки зерна создавались поточные линии, зерноочистительные сушильные комплексы, период занятости которых определялся в основном периодом уборки. Принятие ФЗ № 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» определило необходимость разработки и реализации энергосберегающих технологий для сельскохозяйственных производителей. В настоящее время, когда производитель зерна стал владельцем урожая, должна быть обеспечена возможность обработки, хранения и реализации зерна за более длительный период, что позволит существенно снизить себестоимость послеуборочной обработки. Другая важная особенность современных условий - образование большого числа малых хозяйств (фермерских и коллективных) со сравнительно небольшим объемом производства зерна. В стране возделыванием зерновых культур занято более 20 тыс. крестьянско-фермерских хозяйств, а также 24,5 тыс. крупных кооперативных хозяйств, акционерных обществ и товариществ, стабильно производящих 93-99% общего объема зерна, зерно производят более 78% сельскохозяйственных предприятий. На долю крестьянско-фермерских хозяйств приходится 20,2 % всего производства зерна в стране [33].
В сфере материально-технического обеспечения одной из главных проблем является низкий уровень технической оснащенности, так как существующие поточные линии не могут быть использованы для небольших партий. Сушка атмосферным или нагретым воздухом является наиболее доступным и экологически безопасным. Исходя из условий
функционирования крестьянско-фермерских хозяйств и анализа
существующих методов и средств возникла необходимость в разработке мобильной установки для сушки небольших партий зернообразных продуктов активным вентилированием как экологически безопасного метода. Для реализации этих нужд целесообразно применение, например, напольной электрокалориферной сушилки вороха (ЭСВ).
. Преимуществами предлагаемой конструкции является его простота й обеспечение равномерности сушки, возможность использования в складах, не имеющих стационарных установок, под навесами и на открытых площадках, а также высушивать различные сельскохозяйственные культуры с любой начальной влажностью. Режимы сушки и энергетические затраты определяются в зависимости от назначения зерна и его кондиционной влажности 12... 16 % (на семена, хранение, переработку - для крупяной промышленности, на кормовые цели и комбикорма, на солод).
В качестве объекта исследования использовалась технология электрокалориферной сушки овса в ворохе, а предметом исследования - взаимодействия и закономерности влияния режимных параметров электрокалориферной сушки овса в ворохе.
При выполнении работы были использованы следующие основные методы исследования:
• имитационное моделирование по определению расхода энергии на сушку;
• активное планирование эксперимента для выявления уравнений регрессии влажности овса;
• статистические методы обработки и оценки результатов экспериментов (дисперсионный'и регрессионный анализы);
• поиск экстремума целевой функции численным методом.
В результате проведенных исследований были получены следующие основные положения, определяющие научную новизну работы.
• Разработана методика и экспериментальная установка (патент на полезную модель № 58007) для проведения физического моделирования процесса сушки овса активным вентилированием.
• Обоснован метод математического моделирования энергосберегающих режимов сушки зерна овса в ворохе.
- • Определены экспериментальные зависимости, взаимодействия
параметров и режимов работы электрокалориферной сушки овса в ворохе, эффективно влияющие на процесс сушки и качественные показатели зерна. •
• Разработан алгоритм управления процессом сушки овса активным вентилированием на ЭСВ.
Практическая значимость работы заключается в разработанной технологии и конструкции электрокалориферной сушилки вороха и режимах ее эксплуатации, алгоритме и схеме автоматического управления, реализующей эти режимы для использования в крестьянско-фермерских хозяйствах.
Реализация результатов работы.
Технические устройства были использованы при сушке овса в учхозе «Миндерлинское» Сухобузимского района и в хозяйстве индивидуального предпринимателя Чернова В.П. (Красноярский край, п. Шушенское).
Результаты экспериментов и методика исследований используются в учебном процессе кафедры системоэнергетики ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» при ведении дисциплины «Теплоэнергетические установки», при выполнении дипломного проектировании и при разработке магистерских диссертаций.
Работа выполнялась по теме «Разработка энергосберегающих методов, технологий и технических средств сушки зерна активным вентилированием» в соответствии с планом НИР Красноярского государственного аграрного университета и включена в межведомственный координационный план СО РАСХН на период 2006 - 2010 гг. по заданию 09.02. «Разработать новые наукоемкие электротехнологии и оборудование для эффективного энергетического обеспечения технологий производства сельскохозяйственной продукции и социально-бытовой сферы села».

Список літератури

Выводы , '
1. САУ обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 34,6 %, соответственно экономию текущих затрат за счет энергетической составляющей на 2,5 руб/ т.
2. Сокращение срока сушки и повышения класса зерна овса обеспечивают более высокую цену реализации, расширение рынка и удовлетворение его потребностей в экологически чистом зерне, позволяют получить дополнительный доход 488 тыс. руб. при рассматриваемом объеме обрабатываемого зерна.
3. Срок окупаемости инвестиций на САУ не превышает одного года; чистый дисконтированный доход (ЧДД) за 5 лет системы автоматического управления составляет 7474,5 тыс. руб.
4. Приведенные критерии показывают экономическую эффективность внедрения энергосберегающей технологии
электрокалориферной сушки овса в ворохе.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ существующих технологий и технических средств сушки зерна показал, что для крестьянско-фермерских хозяйств одним из путей снижения себестоимости овса является использование энергосберегающей и экологически безопасной технологии, основанной на применении электрокалориферной сушилки вороха (ЭСВ).
2. На основе теоретической модели академика А.В. Лыкова обоснованы параметры экспериментальных исследований (влажности воздуха WB, %; скорости агента сушки v, м/с; мощности электрических подогревателей Р, кВт; экспозиции сушки т, ч). Энергосбережение для плотного зернового слоя на ЭСВ может быть достигнуто за счет интенсификации процесса в период постоянной скорости и периодических отключений установки в период падающей скорости.
3. Разработаны методика эксперимента и установка (патент на полезную модель № 58007), моделирующая технологический процесс сушки вороха. Получены уравнения регрессии, позволившие определить, энергосберегающие режимы:
Эобщ = 584 кВт-ч/т дляУв = 60% при v = 2,4...3,6 м/с, Р= 1,2 кВт, т= 16,0ч;
Эобщ = 829 кВт-ч/т дляУв = 80% при v = 2,4...3,6 м/с, Р = 0,4 кВт, т = 46,4ч.
4. Разработана конструкция электрокалориферной сушилки вороха для крестьянско-фермерских хозяйств: универсальная, мобильная, обеспечивающая получение экологически чистой продукции. На основе предложенных энергосберегающих режимов разработан алгоритм управления ЭСВ и автоматическая система управления, позволяющие снизить удельное потребления электроэнергии 1,7 кВт-ч / т.
Технико-экономическое сравнение вариантов нерегулируемой ЭСВ и системы автоматического управления показало экономию текущих затрат на 2,5 руб/т за счет снижения энергетических затрат на процесс сушки овса. Предложенные технические средства обеспечат хозяйству чистый дисконтированный доход 7474,5 тыс. руб.