Обгрунтування параметрів технологічного процесу сушіння качанів кукурудзи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний аграрний університет

УДК 631.365.22

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів технологічного процесу сушіння качанів кукурудзи

Панасюк Світлана Григорівна

Вінниця - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Дідух Володимир Федорович, Луцький державний технічний університет, директор інституту неперервного навчання.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гевко Богдан Матвійович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри "Технологія машинобудування", Заслужений винахідник України.

кандидат технічних наук, доцент, Спірін Анатолій Володимирович, Вінницький державний аграрний університет, завідувач кафедри охорони праці та безпеки життєдіяльності

Захист відбудеться "17" червня 2008 р. о 13.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К.05.854.02 у Вінницькому державному аграрному університеті за адресою: 21008 Вінницька обл, м. Вінниця, вул. Сонячна,3, корпус 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Вінницького державного аграрного університету за адресою: 21008 Вінницька обл, м. Вінниця, вул. Сонячна,3, корпус 2.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Цуркан О.В.

Анотації

Панасюк С.Г. Обгрунтування параметрів технологічного процесу сушіння качанів кукурудзи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Вінницький державний університет, Вінниця, 2008.

Дисертацію присвячено дослідженню процесу сушіння качанів кукурудзи з використанням пристрою для підготовки качанів до сушіння шляхом їх поділу на частини.

У дисертаційній роботі проведено аналіз існуючих способів та засобів сушіння качанів і зерна кукурудзи, визначено недоліки та шляхи їх усунення. Проаналізовано процес конвективного сушіння шару частин качанів кукурудзи, обгрунтовано та виведено формулу для визначення швидкості сушіння качана кукурудзи як системи двох складових з різними початковими параметрами, досліджено переміщення вологи при сушінні, визначено інтенсивність її видалення та встановлено потенціал переміщення вологи для качанів кукурудзи. Розроблено та досліджено модель пристрою для підготовки качанів до сушіння шляхом їх поділу на частини довжиною, співрозмірною з їх діаметрами. Проведено кінематичний аналіз пристрою для підготовки качанів кукурудзи до сушіння, запропоновано графічний метод вирішення задачі вибору його раціональних параметрів.

Викладено програму і методику експериментальних досліджень, наведено конструкції та принцип роботи лабораторних установок.

Експериментально обгрунтовано вплив довжини частин качанів кукурудзи на тривалість процесу сушіння, визначено коефіцієнти тертя частин качанів кукурудзи і їх залежність від вологості. Отримано рівняння регресії, що дозволить оцінювати вплив окремих факторів на тривалість сушіння качанів кукурудзи.

Розрахунок економічного ефекту від використання удосконаленого процесу сушіння із проведенням операції підготовки матеріалу до нього підтверджує доцільність його впровадження у виробництво.

Ключові слова: процес сушіння, конвективний спосіб, сушильний агент, тривалість сушіння, енергетичні витрати, качан кукурудзи, пристрій для поділу. сушіння качан кукурудза

Панасюк С.Г. Обоснование параметров технологического процесса сушки початков кукурузы. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельськохозяйственного производства. - Винницкий государственный аграрний университет, Винница, 2008.

Диссертация посвящена исследованию процесса сушки початков кукурузы с использованием устройства для подготовки початков к сушке путем разделения на части.

В диссертационной роботе проведен анализ существующих способов и средств сушки початков и зерна кукурузы, определены недостатки и пути их устранения. Проанализирован процесс конвективной сушки слоя частей початков кукурузы, обоснована и выведена формула для определения скорости сушки початка кукурузы как системы двух составных з разными начальными параметрами. Обоснован процес выдаления влаги из початка кукурузы из учетом перемещения зоны сушки в отдельном зерне, определена интенсивность её удаления. Исследовано перемещение влаги при сушке и установлен потенциал перемещения влаги для початков кукурузы. Разработана и исследована модель устройства для подготовки початков к сушке путём их разделения на части длинной, соизмеримой с их диаметрами. Установлено условие затягивания початка кукурузы делительным барабаном. Произведен кинематический анализ устройства для подготовки початков кукурузы к сушке, предложен числовой метод решения задачи выбора его рациональных параметров.

Изложена программа и методика экспериментальных исследований, приведены конструкции и принцип действия лабораторных установок.

Экспериментально обосновано влияние длины частей початков кукурузы на продолжительность процесса сушки в неподвижном слое. Исследовано распределение температуры нагревания поверхностного слоя и центра початка кукурузы и его части. Определены коэффициенты трения частей початков кукурузы и их зависимость от влажности. Определена оптимальная влажность початков кукурузы при их подготовки к сушке с помощью предложенного устройства. Получено уравнение регрессии, которое позволит оценивать влияние отдельных факторов на продолжительность сушки початков кукурузы.

Расчет экономического эффекта от использования усовершенсвованного процесса сушки из проведением опперации подготовки материала подтверждает целесообразность его производственного использования.

Ключевые слова: процесс сушки, конвективный способ, сушильный агент, продолжительность сушки, энергетические расходы, початок кукурузы, механизм разделения.

Panasyuk S.G. Improvement of technological process of cobs drying. It is Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.05.11 - machines and facilities of mechanization of agricultural production. - Winnitca State University, Winnitca, 2008.

Dissertation is devoted to the investigation of the cobs drying process with the use of the device for the preparation of cobs for drying by the means of dividing them into particles.

The analysis of existent methods and facilities of drying of cobs and corn is done in dissertation work, defined fails and ways of their removal. The process of the convectional drying of layer of cobs particles is analyzed, grounded and a formula is carried out for determination of cobs drying speed as system of two constituents with different initial parameters, examined moving of moisture at drying, defined the intensity of its removing and the potential of moisture moving is set for cobs. The model of device is developed and investigated for cobs drying preparation by their dividing into particles length, which is equal to their diameters. The kinematics analysis of device is done for preparation of cobs to drying, the graphic method of task choice decision of its rational parameters is offered.

The program and method of experimental researches is grounded, constructions and principle of work of laboratory installations are given.

The influence of cobs particles length on duration of drying process is experimentally grounded, determined coefficients of cobs particles friction and their dependence on humidity. The equation of regression which will allow to estimate influence of separate factors on duration of cobs drying is received.

The calculation of economic effect from the use of improved process of drying with carrying out the operation of material preparation confirms the expedience of its introduction to production.

Keywords: the process of cobs drying, the convectional drying, drying agent, duration of drying, power charges, cobs, device.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Світова енергетична криза вимагає пошуку шляхів зниження енерговитрат при вирощуванні сільськогосподарської продукції, в тому числі кукурудзи. Сушіння кукурудзи є найбільш енергомістким процесом при проведенні післязбирального обробітку.

Для сушіння кукурудзи в качанах використовують камерні сушарки коридорного і секційного типів. Вони не відповідають вимогам часу, оскільки потребують великих затрат на будівництво, енергомісткі в експлуатації, мають великі габарити, а також низьку механізацію завантаження і вивантаження матеріалу.

Качани кукурудзи, як об'єкт сушіння, є неоднорідним матеріалом, складові якого мають різні технологічні властивості, що впливають на енергетичні витрати в процесі їх післязбирального обробітку. Оскільки волога за перерізом зернини розподіляється нерівномірно, то при інтенсивному випаровуванні у різних її ділянках виникають внутрішні напруження, які призводять до порушення цілісності зерна та його оболонки. Таке явище вимагає зниження температури нагріву, що в свою чергу знижує інтенсивність сушіння качанів кукурудзи в камерних сушарках.

Тому обгрунтування параметрів технологічного процесу сушіння качанів кукурудзи, що дозволять зменшити енерговитрати, є актуальним і має важливе значення для сільського господарства України.

Зв'язок із науковими програмами. Дослідження, які є основою дисертаційної роботи, виконані в Луцькому державному технічному університеті в 1993-2007 р.р., відповідно до державної науково-технічної програми ДНТП з "Пріоритетних напрямків науки і техніки", релізованих в рамках постанови Кабінету Міністрів України № 1341 від 1 грудня 1997 р. "Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноздатною технікою". Основні положення дисертаційної роботи є складовими частинами досліджень за темою: "Дослідження процесів і засобів післязбирального обробітку рослинних матеріалів" (№ держреєстрації 0104U 000535).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є забезпечення зниження витрат на проведення технологічного процесу cушіння качанів кукурудзи в нерухомому шарі на основі ресурсозберігаючих технологій.

Для досягнення поставленої мети визначено такі завдання дослідження:

- провести конструктивно-технологічний аналіз схем сушарок качанів та зерна кукурудзи, на основі якого обгрунтувати необхідність поділу качанів на частини довжиною, співрозмірною з їх діаметром;

- вивести аналітичні залежності для визначення швидкості сушіння качанів кукурудзи як системи двох складових з різними початковими параметрами та інтенсивності видалення вологи з неоднорідного шару, товщиною в одну зернину;

- спроектувати та виготовити пристрій для підготовки качанів кукурудзи до сушіння;

- встановити на основі числового експерименту кінематичні та конструктивні параметри пристрою для поділу качанів на частини;

- дослідити вплив величини частин качанів кукурудзи на тривалість сушіння у нерухомому товстому шарі та їх основні фізико-механічні властивості;

- на основі методу математичного планування багатофакторного експерименту отримати математичну модель процесу сушіння качанів кукурудзи з урахуванням параметрів сушильного агента, розмірів частин качанів і їх початкової вологості та вивести регресійні залежності;

- запропонувати компонувальну схему протитечійної сушарки та обґрунтувати економічну ефективність удосконаленого технологічного процесу.

Об'єкт досліджень. Технологічний процес сушіння качанів кукурудзи, операція підготовки їх до завантаження у сушильну камеру.

Предмет дослідження. Залежність тривалості процесу сушіння качанів кукурудзи від ступеня їх поділу та параметрів сушильного агенту, пристрій для підготовки качанів кукурудзи до сушіння.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проведені із застосуванням методів механіко-математичного моделювання, теорії сушіння, класичної механіки, числового розв'язку задач з використанням ЕОМ. Аналіз математичних моделей здійснювався на основі прикладних та розроблених програм на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводились згідно з галузевими та розробленими методиками на стандартизованому та спеціально спроектованому і виготовленому обладнанні й приладах. При проведенні експериментальних досліджень застосовувався математичний метод планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень процесу сушіння качанів кукурудзи:

- вперше розроблено математичні моделі переміщення вологи в качанах кукурудзи і окремій зернині та подачі качанів в зону поділу при їх підготовці у технологічному процесі сушіння і встановлено потенціал вологоперенесення у качанах кукурудзи;

- вперше обгрунтовано та виведено аналітичні залежності для визначення швидкості сушіння качанів кукурудзи як системи двох складових з різними початковими параметрами та інтенсивності видалення вологи з неоднорідного шару товщиною в одну зернину;

- на основі числового експерименту встановлено кінематичні та конструктивні параметри пристрою для поділу качанів на частини;

- вперше досліджено вплив величини частин качанів кукурудзи на тривалість сушіння та їх основні фізико-механічні властивості;

- на основі методу математичного планування багатофакторного експерименту отримано математичну модель процесу сушіння качанів кукурудзи з урахуванням параметрів сушильного агента, розмірів частин качанів кукурудзи та їх початкової вологості.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено пристрій підготовки качанів кукурудзи до сушіння шляхом поділу на частини довжиною, співрозмірною з їх діаметром, перед завантаженням в сушильну камеру та визначені його раціональні параметри. За результатами багатофакторного експерименту виведено регресійну залежність, яка дає можливість оцінити вплив параметрів сушильного агента та властивостей досліджуваного матеріалу на тривалість процесу сушіння, а також вплив конструктивних і кінематичних параметрів пристрою на збереження якісних показників зерна кукурудзи в качанах при їх поділі. Запропоновано компонувальну схему протитечійної сушарки качанів кукурудзи.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи отримані автором особисто [1-3]. У наукових працях, опублікованих у співавторстві [4, 5, 6, 17-19], експериментально встановлено вплив величини частин качана кукурудзи на тривалість процесу сушіння та теоретично обгрунтовано шляхи інтенсифікації процесу сушіння качанів кукурудзи. У праці [7] запропоновано модель переміщення качана кукурудзи циліндричною поверхнею пристрою. Здобувачем запропоновано математичну модель та досліджено технологічні параметри процесу сушіння качанів кукурудзи [8-11]. У технічних рішеннях, захищених патентами України на винахід, частка кожного співавтора однакова [12-16].

Апробація роботи. Основні положення виконаних досліджень, що містяться в дисертації, доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (1995-2006 р.р.), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (ЛДТУ, м. Луцьк, 2001 р.), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (МДАУ, м. Миколаїв, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Стан і переспективи розвитку технологій і обладнання переробних і харчових виробництв " (ВДАУ, м. Вінниця, 2006 р.), І Міжнародній науково-практичній конференції "Інноваційні технології в АПК" (ЛДТУ, м. Луцьк, 2007 р.), розширеному засіданні наукового семінару кафедри експлуатації машино-тракторного парку та ремонту машин Вінницького державного аграрного університету (м. Вінниця, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 друкованих праць, з яких 11 статей у науково-фахових виданнях, 3 - у матеріалах і тезах конференцій, 5 - деклараційних патентах України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із загальної характеристики роботи, п'яти розділів, загальних висновків, списку використанних джерел зі 164 назв та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 178 сторінок, з них 146 сторінок основного тексту, 57 рисунків та 15 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання, які розв'язуються в роботі, об'єкт, предмет, методи досліджень, висвітлено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі "Сучасний стан питання та завдання дослідження" наведено огляд літератури та патентної інформації за темою дослідження, характеристику качанів кукурудзи як об'єкта сушіння, аналіз способів та засобів, а також методів удосконалення технологічного процесу сушіння.

Основні положення процесів сушіння рослинних матеріалів опубліковані в працях Ликова О.В., Птіцина С.Д., Рамзіна Л.К., Гінзбурга А.С., Уколова В.С., Окуня Г.С., Крішера О., Атаназевича В.І., Станкевича Г.М., В.І.Жидко, М.Г. Голіка, В.І.Аніскіна, А.В. Голубковича, Б.І.Котова, Зеленка В.І., Дідуха В.Ф., Чижикова А.Г., Спіріна А.В., Хатченсона Д. та інших.

Встановлено, що інтенсивність процесу сушіння залежить від багатьох факторів, зокрема температури сушильного агента, початкової вологості качанів кукурудзи, будови зернини, теплофізичних властивостей складових качанів (зерна та стрижня), які необхідно враховувати при виборі методу для інтенсифікації процесу.

Аналіз способів і засобів сушіння показав, що для сушіння качанів кукурудзи насіневого та продовольчо-фуражного призначення найширше використовуються секційні та коридорні камерні сушарки, які є громіздкими за будовою, енергомісткими та низькомеханізованими.

Підготовкою сільськогосподарських матеріалів до сушіння займались Котов Б.І., Гарькавий А.Д., Гевко Б.М., Зеленко В.І., Боярчук Ю.І., Кірницький С.Р., Борта А.В., Кірчук Р.В. та інші. Операція підготовки рослинних матеріалів забезпечує видалення домішок із загального об'єму матеріалу, створює умови максимального використання сушильного агента за об'ємом камери сушарки.

На основі аналізу літературних джерел вибрано тему дисертації, визначено її мету та завдання.

У другому розділі "Теоретичні передумови процесу сушіння качанів кукурудзи та пристрою для його реалізації" на основі аналізу теоретичних досліджень запропонована математична модель процесу сушіння качанів кукурудзи.

Для встановлення технологічних параметрів процесу видалення вологи з качанів кукурудзи розглянута модель.

Прийнята умова, що вектор напрямку потоку сушильного агента Vса нормальний до поверхні кожного елементарного шару висотою, що рівна одній зернині, сушильний агент переміщається вздовж осі Y.

Моделювання конвективного сушіння качанів кукурудзи, як неоднорідної двохкомпонентної суміші, дало можливість отримати систему рівнянь для визначення вологовмісту для шарів n1, n2, величиною в одну зернину:

(1)

де Uк - кінцеве значення вологовмісту в даному шарі, кг/кг;

Uр - значення вологовмісту, яке є рівним вологовмісту матеріалу у першій критичній точці, кг/кг;

Кс - коефіцієнт сушіння;

, - час сушіння, відповідно, шарів n1, n2, год.

На основі розв'зку системи (1) отримано вираз для визначення швидкості сушіння двохкомпонентних тіл та коефіцієнта сушіння:

(2)

, (3)

де -

кофіцієнт, який враховує початкові значення вологовмісту окремих складників качана (зерна та стрижня).

і - відповідно, початковий вологовміст стрижня та зерна качана кукурудзи;

л - коефіцієнт, який враховує відношення мас зернової та незернової частин качана кукурудзи.

(4)

де і - середні значення мас зерна та стрижня.

Для визначення інтенсивності видалення вологи з качанів кукурудзи було зроблено наступні допущення: напрям руху сушильного агента паралельний до осі розміщення качана, вологовміст стрижня є рівноважним, волога із зерна видаляється через стрижень.

У цьому випадку при визначенні інтенсивності видалення вологи із шару dу врахувалось переміщення зони сушіння в окремій зернині за нескінченно малий проміжок часу dф і в результаті було отримане рівняння:

(5)

де n - кількість зернівок, які знаходяться у шарі по діаметру качана dк, шт;

sз - міделеве січення зернини, м 2;

Uп, Uр - початкове та рівноважне значення вологовмісту зерна.

сс - густина сухої речовини зерна кукурудзи, кг/м 3.

Таким чином, величина характеризуватиме інтенсивність випаровування вологи із шару зерна величиною dy, а - швидкість переміщення зони сушіння в окремій зернині.

Інтенсивність випаровування вологи зростає в результаті збільшення площі контакту фаз шляхом поділу качанів кукурудзи на частини:

(6)

де- коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м 2·К);

r - питома теплота пароутворення води, Дж/кг;

tп, tв - відповідно, температура поверхневих і внутрішніх шарів матеріалу, оС;

Jп - інтенсивність видалення вологи з поверхневих шарів, кг/м 2·год;

c - питома теплоємність води, Дж/(кг·К);

Rv - відношення площі поверхні до об'єму тіла, м 2/м 3;

с0 - густина, кг/м 3;

Кіm - масообмінний критерій Кірпічова;

Lu -критерій інерційності Ликова;

Ко - критерій Косовича;

е - коефіцієнт фазового перетворення;

- зміна температури.

У результаті низькотемпературного сушіння створюються ізотермічні умови процесу. Якщо припустити, що масоємність зерна і качанів кукурудзи рівна і незмінна, то переміщення вологи у місцях з'єднання зерен із стрижнем буде здійснюватись за наступними схемами. При незначних значеннях вологовмісту і додатньому потенціалі вологоперенесення кількість вологи, яка буде переміщатись від зерна до стрижня, рівна:

, (7)

де Мс - маса абсолютна сухої речовини.

Завершення процесу сушіння характеризується станом термодинамічної рівноваги, коли ; ; .

Якщо процес переміщення вологи у качані кукурудзи відбувається за схемою, то його можна описати рівняннями:

, (8)

, (9)

або . (10)

де - відповідно, потенціал вологоперенесення стрижня, зерна, качана кукурудзи і сушильного агента.

Для визначення сумарного середнього значення потенціалу перенесення вологи у частинах качанів кукурудзи при переміщенні вологи за схемою при отримано вираз:

, (11)

де д - різниця між максимальним радіусом стрижня Rс та радіусом стрижня в місці кріплення зернини, м;

- вологовміст зерна в точці його з'єднання з качаном, кг/кг;

- вологовміст в т. А при настанні термодинамічної рівноваги, кг/кг;

- вологовміст в т. В стрижня качана, кг/кг;

- вологовміст стрижня в т. С, кг/кг;

- вологовміст стрижня в т. С при настанні термодинамічної рівноваги, кг/кг;

хс - відстань від центра качана до місця кріплення зернини, м.

На основі проведених теоретичних досліджень запропоновано модель процесу подачі качанів кукурудзи в зону поділу і отримано рівняння у вигляді:

, (12)

де - кут повороту качана відносно власної осі обертання;

- кут повороту подаючого барабана навколо т. О;

r - радіус качана кукурудзи, м;

R - радіус подаючого барабана, м.

Розв'язок рівняння (12) дозволяє провести кінематичний аналіз механізму та отримати його раціональні параметри. Аналіз результатів проведеного числового експерименту показав, що раціональними параметрами механізму є:

- кутова швидкість обертання подаючого барабана =1,2 с-1;

- діаметр подаючого барабана пристрою для підготовки качанів =0,26 м;

- діаметр циліндричної лунки захвату =0,06 м.

У третьому розділі "Програма і методика проведення досліджень" складено програму досліджень, наведено методики їх проведення, описано конструкції та принцип дії лабораторних установок для сушіння качанів кукурудзи й їх підготовки в технологічному процесі сушіння приладів і апаратури для визначення розподілу температури та технологічних параметрів при сушінні качанів кукурудзи.

Програмою дослідження було передбачено визначити основні фізико-механічні властивості частин качанів кукурудзи, кінетичні закономірності нагрівання та сушіння цілих качанів кукурудзи та їх частин довжиною, співрозмірною з їх діаметром, оцінити вплив параметрів сушильного агента (температури і швидкості) та матеріалу (початкової вологості, довжини частин) в таких діапазонах зміни їх значень: 350С ?t?550С; 0,5м/с?V?1,5м/с; 25%?W?35%; 6 см?l?24 см.

У всіх випадках проведення експериментальних досліджень повторність дослідів становила 3...6 разів. Отримані результати опрацьовували з використанням методів математичної статистики.

У четвертому розділі "Результати екcпериментальних досліджень" наведено результати та аналіз визначених закономірностей сушіння качанів кукурудзи згідно з розробленою програмою.

Отримано основні показники процесу сушіння качана кукурудзи як одиничного об'єкта, проведено аналіз результатів дослідження розподілу температури в качанах кукурудзи при сушінні. За результатами дослідження сушіння качана кукурудзи як одиничного об'єкта побудовані криві залежності вологості від часу

Результати дослідження показали, що тривалість процесу сушіння качанів кукурудзи, поділених на 4 частини, буде меншою на 3-4 години порівняно із тривалістю сушіння цілих качанів. Це пояснюється тим, що з поділом качанів кукурудзи на частини зростає площа поверхні теплообміну і як наслідок - інтенсивність випаровування вологи.

У результаті дослідження розподілу температури в качані чи його частинці були отримані експериментальні дані, за якими побудовані графіки зміни температури шарів у місці кріплення зерна до стрижня та центральних шарів. Дослідженнями встановлено, що на стадії прогрівання матеріалу температури в місці кріплення зернини до стрижня цілого качана та його частини довжиною, співрозмірною з його діаметром, будуть різними і в другому випадку - вищою на 1..3 оС. Відповідно, в таких об'єктів у зоні кріплення зернини до стрижня (крива 1) і середині стрижня (крива 2) різниця температур може сягати 4...5 оС. Через деякий проміжок часу (для цілого качана ф=2,5 год., для частини ф=2 год.) температури вирівнюються і не змінюються протягом часу постійної швидкості сушіння.

Проведено порівняння сушіння товстого шару цілих качанів кукурудзи та їх частин, за результатами побудовано графіки зміни вологості за висотою шару до 1,0 м. Найбільший інтерес у зміні вологості матеріалу викликає зона контакту його із сушильним агентом. Досягнення матеріалом кондиційного значення вологості Wк=13...14 % свідчить про необхідність видалення нижнього шару, що можливо реалізувати у протитечійній сушарці. Зміна вологості при раціональних параметрах сушильного агенту від Wп=28...32 % до Wк=13...14% відбудеться після 7 годин сушіння частин качанів кукурудзи довжиною, співрозмірною з їх діаметром. В той же час за аналогічних умов на сушіння цілих качанів необхідно затратити не менше 10 годин.

У дисертаційній роботі визначено основні фізико-механічні властивості частин качанів кукурудзи. Важливим параметром для проведення операцій завантаження-вивантаження є значення коефіцієнтів тертя ковзання частин з різними поверхнями залежно від їх вологості (табл. 1).

За даними табл. 1 встановлено, що коефіцієнт тертя ковзання частин качанів кукурудзи із збільшенням вологості зростає.

Максимальне використання потенціалу сушильного агента у сушарках нерухомого шару можливе за умови рівномірного розміщення матеріалу в об'ємі сушильної камери, яке залежить від значення пористості шару. Визначено пористість шару частин качанів кукурудзи довжиною, співрозмірною з їх діаметром вологістю 25…35 %, яка дорівнювала П=0,39…0,44 %

Таблиця 1 Коефіцієнти тертя ковзання частин качанів кукурудзи

Матеріал	Значення коефіцієнта тертя при вологості
	14	18	22	26	30	34	38
Cталь	0,30	0,33	0,36	0,37	0,38	0,41	0,41
Пластмаса	0,31	0,36	0,37	0,38	0,40	0,41	0,42
Дерево	0,30	0,37	0,40	0,40	0,42	0,43	0,44
Прогумована стрічка	0,32	0,38	0,42	0,41	0,42	0,43	0,44

Визначено оптимальну початкову вологість качанів кукурудзи, за якої можливо проводити їх поділ на частини з отриманням допустимих значень вмісту пошкодженого та обрушеного зерна пристроєм для підготовки качанів до сушіння. Аналіз отриманих результатів, представлених у вигляді графіків дозволив встановити, що оптимальним є значення вологості 26…35 %, за якої вміст обрушеного та пошкодженого зерна не буде перевищувати 3%.

При проведенні багатофакторного експерименту було досліджено тривалість процесу сушіння качанів кукурудзи при варіюванні таких факторів:

W - вологість качанів кукурудзи змінювалась в діапазоні 25-35%;

L - довжина частин ? від 6 до 24 см;

Т - температура сушильного агента змінювалась в діапазоні від 35 до 550С;

V - швидкість подачі ? від 0,5 до 1,5 м/с.

Обробка за допомогою розробленої у середовищі MathCAD програми результатів чотирифакторного експерименту, згідно з трирівневим планом другого порядку Бокса-Бенкіна, дозволила отримати рівняння регресії тривалості сушіння качанів кукурудзи:

(13)

Перевірка за критерієм Фішера залежностей, які були отримані, дозволяє ствержувати, що гіпотеза про адекватність моделей при 5-% рівні значущості приймається.

Порівняльний аналіз поверхонь відгуку, побудованих на основі моделі (11), свідчить про те, що всі фактори мають суттєвий вплив на тривалість процесу сушіння, про що свідчать відповідні коефіцієнти.

У п'ятому розділі "Проектування установки для сушіння качанів кукурудзи та техніко-економічне обгрунтування" проведено аналіз ефективності використання протитечійних сушарок для сушіння сипких матеріалів у сільськогосподарському виробництві, запропоновано компонувальну схему сушарки для сушіння качанів кукурудзи із застосуванням пристрою для підготовки качанів до сушіння шляхом їх поділу на частини. На підставі проведених лабораторно-польових випробувань і отриманих даних сушіння частин качанів кукурудзи довжиною, співрозмірною з їх діаметром, проведено розрахунок економічної ефективності удосконаленого процесу сушіння із застосуванням контейнерної сушарки. Визначено, що очікуваний річний економічний ефект становитиме 2781 грн.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне обгрунтування і нове вирішення науково-прикладної задачі, що виявляється у зменшенні тривалості сушіння качанів кукурудзи на підставі розкриття сукупного впливу параметрів сушильного агента та розмірів їх частин.

1. Вперше обгрунтовано та виведено аналітичні залежності для визначення швидкості сушіння качанів кукурудзи як системи двох складових з різними початковими параметрами та інтенсивності видалення вологи з неоднорідного шару товщиною в одну зернину. Аналіз інтенсивності випаровування вологи при конвективному способі сушіння показав, що вона знаходиться у прямолінійній залежності від площі поверхні теплообміну Rv. Таким чином, знизити витрати на сушіння качанів кукурудзи можна збільшенням площі, через яку відбувається видалення вологи, шляхом поділу його на частини довжиною, співрозмірною з діаметром.

2. Вперше розроблено математичні моделі переміщення вологи в качанах кукурудзи і окремій зернині та подачі качанів в зону поділу при їх підготовці у технологічному процесі сушіння. Для раціонального використання потенціалу сушильного агента необхідно забезпечити умови одночасного видалення вологи із частин качана висотою Н шляхом збільшення площі контакту фаз: матеріал - сушильний агент. Крім цього, такий поділ качанів дозволяє забезпечити рівномірність розміщення частин у об'ємі сушильної камери.

3. Вперше досліджено вплив величини частин качанів кукурудзи на тривалість сушіння. На основі аналізу результатів експериментальних досліджень встановлено, що в зоні контакту матеріалу з сушильним агентом тривалість сушіння частин качанів кукурудзи від початкової вологості 28...32 % до кондиційної ? 14 % дорівнює 7 годин, в той час, як тривалість сушіння цілих качанів - 10 годин

4. На основі проведеного числового експерименту встановлено кінематичні та конструктивні параметри пристрою для підготовки качанів кукурудзи до сушіння. Раціональні значення кутової швидкості подаючого барабана =1,2 с-1, його діаметра =0,26 м та діаметра захвату з циліндричноподібною лункою =0,06 м забезпечують мінімальне пошкодження, що не перевищує 1,5 % та обрушення зерна ?1,5 % при поділі качанів кукурудзи вологістю 26...35 %.

5. У результаті проведених досліджень згідно з розробленою методикою встановлено, що на стадії прогрівання матеріалу різниці температур в місцях кріплення зернини до стрижня цілого качана кукурудзи та його частини довжиною, співрозмірною з його діаметром, та їх серединах є різними і можуть сягати 4...5 оС. Через деякий проміжок часу (для цілого качана ф=2,5 год., для частини ф=2 год.) температури у вказаних точках вирівнюються і не змінюються протягом часу постійної швидкості сушіння.

6. Експериментальними дослідженнями встановлено, що коефіцієнт тертя ковзання частин качанів кукурудзи із збільшенням вологості зростає та коливається в межах 0,41...0,44 при вологості W=38 % та 0,30...0,32 при вологості W=14 %. Початкова вологість качанів кукурудзи та їх частин особливо не впливає на значення пористості шару частин качанів кукурудзи і її значення перебуває в межах П = 0,39...0,44.

7. Отримана регресійна залежність тривалості сушіння качанів кукурудзи від параметрів сушильного агента, їх початкової вологості та розмірів частин виявила, що визначальний вплив на тривалість сушіння мають всі фактори, про що свідчать коефіцієнти у рівнянні. Тривалість сушіння качанів кукурудзи становить ф=14....24 годин за зміни початкової вологості W=25...35% і розмірів частин l=6...24 см. Причому менша тривалість сушіння спостерігається при менших значеннях вологості та розмірів частин.

8. Запропоновано компонувальну схему протитечійної сушарки сипких матеріалів та проведено розрахунок прогнозованого річного економічного ефекту від застосування удосконаленого технологічного процесу сушіння із впровадженим пристроєм для підготовки качанів кукурудзи до сушіння, який становить 2781 грн. Технічну новизну розробок захищено 5 деклараційними патентами України на винаходи.

Основні публікації за темою роботи

Мисковець С.Г. Дослідження сушки зерна кукурудзи // Збір. наук. статей. - Луцьк. - 1995. - С. 202-205.

Панасюк С.Г. Ефективність сушки зерна кукурудзи в качанах // Збір. наук. статей. - Луцьк. - 1997. - С. 96-100.

Панасюк С.Г. Дослідження розподілу температури і вологовмісту в качані кукурудзи // Збір. наук. статей. - Луцьк. - 2001. - С. 109-113.

Панасюк С.Г., Дідух В.Ф., Голячук С.Є. Енергозберігаюча технологія сушіння кукурудзи в качанах // Вісник аграрної науки Причорномор'я. Вип. 4. - Миколаїв. - 2002. - Т.1. - С.165-168.

Дідух В.Ф., Панасюк С.Г. Дослідження процесу теплової обробки качанів кукурудзи // Збір. наукових статей. - Вип 11. Луцьк. - 2003. - С. 22-28.

Кірницький С.Р., Котов Б.І., Панасюк С.Г. Аналіз ефективності сушіння в рухомому шарі качанів кукурудзи // Збір. наукових статей. Вип 11. - Луцьк. - 2003. - С. 68-73.

Svetlana Panasuk, Ruslan Kirchuk, Volodymyr Didyh, Wojciech Przystupa. Математическое моделирование перемещения початка по цилиндрической поверхности // Motrol: Motoryzacia i energetyka rolnitwa. T.6. - Lublin. - 2004. - С.203-209.

Дідух В.Ф., Панасюк С.Г. Дослідження технологічних параметрів процесу сушіння качанів кукурудзи. - Вібрації в техніці та технологіях. №4. - 2005 р.

Дідух В.Ф., Панасюк С.Г. Підвищення ефективності процесу зневоднення качанів кукурудзи // Збір. наук. праць ВДАУ. Вип.1 - Вінниця, -2006. - С.

Панасюк С.Г., Дідух В.Ф., Кірчук Р.В. Математична модель процесу сушіння зерна кукурудзи в качанах // Збірник наукових статей. Вип 15. - Луцьк. - 2007. - С.222-226.

Панасюк С.Г., Кірчук Р.В. Вплив параметрів сушильного агента та качанів кукурудзи на тривалість сушіння // Збірник наукових статей. Вип 16. - Луцьк. - 2007. - С.97-102.

Пат. 21853 А України, МКИ F26B3/04. Спосіб теплової обробки необмолочених зернових продуктів / Мисковець С.Г., Дідух В.Ф., Подоляк В.М. - №95010395; Заявл. 30.01.95; Опубл. 30.04.98. Бюл. №2. - 2 с.

Пат. 59303 А України, МКИ А 01F25/18. Пристрій для подачі качанів кукурудзи / Кужель Е.В., Фесенко О.О., Панасюк С.Г., Дідух В.Ф., Голячук С.Є.. - Заявл. 26.12.2002; опубл.15.08.2003. Бюл.№8. - 2 с.

Пат. 2108 України, МКИ А 01F25/18. Пристрій для подачі качанів / Панасюк С.Г., Дідух В.Ф., Голячук С.Є., Кужель Е.В. - Заявл. 29.12.2002; опубл.15.10.2003. Бюл.№10. - 2 с.

Пат. 9642 А України, МКИ F24B115/04. Пересувна сушарка / Дідух В.Ф., Мисковець С.Г., Хайліс Г.А., Гембік О.В., Потапчук А.Т. - №94022157; Заявл. 10.02.94; Опубл. 30.09.96. Бюл. №7. - 4 с.

Пат. 9673 А України, МКИ F26B15/04. Сушарка сипких матеріалів / Мисковець С.Г., Дідух В.Ф., Абрамов В.Є., Подоляк В.М., Бондар С.С., Кужель Р.П. - №94022724; Заявл. 10.02.94; Опубл. 30.09.96. Бюл. №7. - 5 с.

Дідух В.Ф., Мисковець С.Г. Визначення шляхів зниження вологи в зернах кукурудзи // Тези доповідей ІХї НТК професорсько-викладацького складу. - Луцьк. - 1994. - С. 32.

Дідух В.Ф., Панасюк С.Г. Аналіз кривих сушки зерна кукурудзи // Тези доповідей Хї НТК професорсько-викладацького складу. - Луцьк. - 1995. - C. 34.

Мисковець С.Г., Дідух В.Ф. Механізація сушки кукурудзи // Тези доповідей VІІІ НТК професорсько-викладацького складу ЛІІ. - Луцьк. -1993. - С.149.

Размещено на Allbest.ru

...