Підвищення ефективності технологічного процесу сушіння та розробка конструкції сушарки високовологого насіння баштанних культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

ЛУГАНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

спеціалізована вчена рада К 29.841.01

УДК 631.365.001.6:

635.61:65.011 (043)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності технологічного процесу сушіння та розробка конструкції сушарки високовологого насіння баштанних культур

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Добрицький Олександр Олександрович

Луганськ 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті Міністерства аграрної політики та продовольства України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Чекановкін Олексій Олексійович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри опору матеріалів і теоретичної механіки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Котов Борис Іванович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, професор кафедри автоматики та робототехнічних систем ім. акад. І.І. Мартиненка;

кандидат технічних наук Фесенко Андрій Вікторович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри сільськогосподарських машин.

Захист відбудеться на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 у Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 1М-214.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луганського національного аграрного університету за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент В.Є. Кириченко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Баштанні культури займають одне з провідних місць серед культур, які використовують в їжу багато народів світу. Найпоширенішими культурами, що належать до баштанних, є кавуни, гарбузи, дині, загальна площа посівів яких в Україні в середньому становить 81,9 тис. га.

Плоди баштанних культур є дієтичним продуктом харчування для людей будь-якого віку і вживаються як в свіжому, так і в переробленому вигляді. Баштанні культури є цінним джерелом вітамінів і мікроелементів, найбільш важливий з яких - каротин. Крім того, баштанні є цінним соковитим кормом для всіх видів сільськогосподарських тварин.

Виробництво насіннєвого матеріалу баштанних культур потребує значних енергетичних, трудових, земельних та матеріальних ресурсів. Підвищення ефективності технологічних процесів виробництва та обробки насіннєвого матеріалу баштанних культур можливо здійснити лише за умови розробки нової більш досконалої техніки.

Найважливішим та найбільш енергоємним процесом при обробці насіннєвого матеріалу баштанних є сушіння. Від цього процесу значно залежить якість насіння та його потенційна врожайність. Розробка сучасного обладнання для сушіння насіння баштанних культур неможлива без наукових досліджень. Тому підвищення ефективності технологічного процесу сушіння та розробка конструкції сушарки високовологого насіння баштанних культур (ВНБК) є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота «Підвищення ефективності технологічного процесу сушіння та розробка конструкції сушарки високовологого насіння баштанних культур» виконувалась у відповідності з планом науково-дослідницької роботи Луганського національного аграрного університету «Вдосконалення і оптимізація технологічного процесу виділення та сушіння насіння баштанних культур» (№ державної реєстрації 0108U002639) на кафедрі опору матеріалів і теоретичної механіки в період з 2005 по 2011 роки.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності технологічного процесу сушіння ВНБК шляхом розробки конструкції і визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів сушарки з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

Для досягнення поставленої мети в роботі було визначено такі завдання:

на підставі аналізу існуючих способів сушіння, пристроїв сушарок та результатів існуючих наукових досліджень визначити шляхи підвищення ефективності технологічного процесу сушіння ВНБК;

розробити та обґрунтувати конструктивно-технологічну схему (КТС) сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, яка забезпечить мінімальну матеріаломісткість сушарки, низьку енергоємність процесу сушіння і регламентовану агротехнічними умовами якість насіння;

теоретично обґрунтувати технологічний процес та основні конструктивно-технологічні параметри сушарки ВНБК;

розробити програму і методику експериментальних досліджень, експериментально підтвердити результати теоретичних досліджень, отримати раціональні конструктивно-технологічні параметри сушарки та визначити їх вплив на ефективність технологічного процесу сушіння ВНБК;

на підставі теоретично-експериментальних досліджень розробити конструкцію сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, провести її техніко-економічний аналіз та розробити рекомендації щодо ефективного використання сушарки у виробництві.

Об'єкт дослідження - технологічний процес сушіння ВНБК сушаркою безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

Предмет дослідження - встановлення закономірностей технологічного процесу сушіння ВНБК сушаркою безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на методах системного аналізу, теорії сушіння, теорії тепломасообміну, математичного моделювання технологічних процесів та основних положень вищої математики, теоретичної механіки і фізики. Експериментальні дослідження проводилися згідно з відомими та оригінальними методиками в лабораторних умовах на розробленій автором експериментальній установці з використанням методів планування експерименту та статистичної обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну становить:

- вперше розроблена розрахункова модель функціонування сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується;

- створено математичну модель процесу сушіння насіння гарбуза в протитечії, яка вперше зв'язує перерозподіл вологи в насінні під дією поступового прогріву внутрішніх шарів насіння до максимально допустимої температури нагріву білкової частки зародка;

- встановлено нові закономірності впливу конструктивно-технологічних параметрів сушарки ВНБК з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, на ефективність технологічного процесу сушіння насіння гарбуза;

вперше обґрунтовано конструктивно-технологічні параметри запропонованої сушарки ВНБК з урахуванням енергетичних та якісних показників технологічного процесу сушіння насіння гарбуза.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкції та обґрунтуванні раціональних конструктивно-технологічних параметрів сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, яка забезпечує сушіння насіння баштанних культур з мінімальною матеріаломісткістю, низькою енергоємністю та достатньою продуктивністю.

На основі результатів проведених теоретичних та експериментальних досліджень спроектовано та виготовлено сушарку ВНБК безперервної дії, яка пройшла випробування у навчально-науковому виробничому аграрному комплексі ННВАК «Колос» Луганського НАУ, а також розроблено рекомендації щодо використання нової сушарки у виробництві, які передано керівництву ТОВ НВП «АгроЛугань» Лутугінського району Луганської області. Відповідне методичне забезпечення та сушарка ВНБК використовуються в навчальному процесі на кафедрі сільськогосподарських машин Луганського НАУ.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертаційної роботи виконано здобувачем особисто, зокрема: розроблено класифікацію існуючих способів, пристроїв сушарок і сушильного устаткування для ВНБК; розроблено КТС та розрахункову модель функціонування сушарки безперервної дії ВНБК з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується; проведено системний аналіз основних шляхів підвищення ефективності технологічного процесу сушіння ВНБК; створена математична модель, що визначає швидкість випаровування вологи при сушінні насіння гарбуза, яка зв'язує перерозподіл вологи в насінні з допустимою температурою нагріву білкової частки зародка; встановлено нові закономірності впливу конструктивно-технологічних параметрів сушарки на ефективність технологічного процесу сушіння насіння гарбуза; експериментально підтверджено результати теоретичних досліджень та визначено основні раціональні конструктивно-технологічні параметри нової сушарки; проведено техніко-економічний аналіз та розрахунок економічної ефективності запропонованої сушарки ВНБК.

Апробація результатів дисертації. Результати наукових досліджень доповідалися на щорічних наукових конференціях Луганського національного аграрного університету (2005-2011 рр.); ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених «Перспективна техніка та технології - 2007» (м. Миколаїв, МДАУ, 2007 р.); VIII Міжнародній науково-методичній конференції «Технічне забезпечення інноваційних технологій АПК» (м. Харків, ХНТУСГ, 2010 р.); IX Міжнародній науково-практичній конференції «Технічний прогрес в АПК» (м. Харків, ХНТУСГ, 2011 р.); XIX Міжнародній науково-технічній конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (с.м.т. Глеваха, ННЦ «ІМЕСГ», 2011 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні біотехнічні системи і ресурсовикористання в тваринництві» (м. Мелітополь, ТДАТУ, 2011 р.).

Повністю дисертаційну роботу було заслухано у Таврійському ДАТУ на міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні біотехнічні системи і ресурсовикористання в тваринництві» (м. Мелітополь, 2011) та на розширеному засіданні вченої ради факультету механізації сільського господарства Луганського НАУ, де прийняли участь представники кафедр ремонту машин і ТКМ, механізації виробничих процесів в тваринництві, сільськогосподарських машини, експлуатації МТП і ОП, а також кафедри опору матеріалів і теоретичної механіки будівельного факультету (м. Луганськ, 2011).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано дев'ять статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, загальним обсягом 2,1 авторського аркуша та отримано два патенти України на корисну модель №30813 та №44999. Чотири статті є одноосібними. В інших опублікованих статтях частка здобувача складає 70 %, а в патентах України №30813 - 50 %, №44999 - 100%. Матеріали дисертаційної роботи повною мірою відображено в опублікованих працях.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 153 назв, з них 3 на іноземній мові, та додатків. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 188 сторінках, робота містить 78 рисунків, 14 таблиць та 21 додаток.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об'єкт, предмет і завдання досліджень, які вирішуються в роботі. Подано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також інформацію щодо апробації, структури та обсягу дисертаційної роботи.

У першому розділі «Сучасний стан механізації технологічного процесу сушіння високовологого насіння баштанних культур. Мета і завдання досліджень» доведено необхідність вдосконалення процесу післязбиральної обробки насіння баштанних культур, наведено вимоги, які висуваються до процесу сушіння насіння баштанних культур, проведено системний аналіз способів сушіння насіння, доведено необхідність розробки сушарки безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, запропоновано класифікацію існуючих способів, пристроїв сушарок і сушильного устаткування для ВНБК, виконано аналіз існуючих конструкцій сушарок, на основі якого доведено, що найбільш перспективними для ВНБК є сушарки пересипного та комбінованого типу, проведено багатокритеріальний аналіз даних типів сушарок та виявлено прототип.

Теоретичні і практичні основи сушіння ВНБК базуються на наукових працях В.П. Горячкіна, О.В. Ликова, О.В. Голубковича, С.Д. Птіцина, А.С. Гінзбурга, Б.І. Котова, О.І. Шаповаленко, В.Д. Дідуха, І.М. Федорова, В.А. Дідура, О.О. Чекановкіна, А.В. Фесенко, Л.К. Рамзіна, В.І. Жидко, Г.К. Філоненко, В.С. Уколова, О. Крішера, Б.А. Карпова, І.Ф. Анісимова, Є.Я. Агафонова, В.І. Аніскіна, Н.Н. Ульриха, Н.Н. Слободянника, Л.О. Трисвядського, І.А. Морозова, Я. Бута, та ін.

З аналізу існуючих способів, пристроїв сушарок і сушильного устаткування для ВНБК та результатів існуючих наукових досліджень, було з'ясовано, що вплив конструкції камери сушіння, що забезпечує примусове перемішування насіннєвого матеріалу на продуктивність, витрати енергії, а також якість висушеного насіння вивчено недостатньо. Це знижує рівень технічної досконалості сушарок та ефективність технологічного процесу сушіння ВНБК. Крім того встановлено, що наявні режими роботи сушарок періодичної і безперервної дії не забезпечують потрібної якості сушіння і відповідних норм витрат енергії. Також існуючі конструкції сушарок ВНБК неприпустимо матеріаломісткі. На підставі результатів системного аналізу та наукової інформації за темою дисертаційної роботи визначено основні напрямки підвищення ефективності технологічного процесу сушіння ВНБК та сформульовані завдання подальших наукових досліджень.

У другому розділі «Теоретичне дослідження технологічного процесу сушіння насіння баштанних культур сушаркою з примусовим перемішуванням матеріалу» на основі аналізу існуючих способів, пристроїв сушарок та сушильного устаткування, основної теорії тепломасообміну і заходів підвищення ефективності процесу сушіння була сформульована робоча гіпотеза підвищити ефективність технологічного процесу сушіння ВНБК можливо шляхом використання секційної сушарки безперервної дії, яка забезпечує диференційоване підведення тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

На підставі проведеного аналізу та робочої гіпотези розроблено КТС сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, побудовано розрахункову модель її функціонування та вивчено фізичну суть технологічного процесу сушіння (рис. 1).

Рис. 1. КТС сушарки ВНБК: а) загальний вигляд сушарки; б) схема секції сушарки; в) вигляд зверху газорозподільного решета; г) схема руху насіння по секціях сушарки; д) розрахункова модель функціонування сушарки.

Запропонована сушарка ВНБК працює наступним чином: вологе насіння баштанних культур після промивання подається в завантажувальний бункер 2, прикріплений на циліндричній рамі 1, звідки живильником 3 потрапляє на нерухоме газорозподільне решето 14 першої секції сушарки. Далі насіння рівномірно розподіляється по газорозподільному решету і переміщується до завантажувально-розвантажувального вікна 13 за допомогою перегрібача 11, який також виконує роль перемішувача шару. Одночасно крізь шар проходить теплоносій.

Теплоносій підігрівається калорифером 5 і за допомогою вентилятору 4 проходить крізь усі секції сушарки знизу вгору. Таким чином, відбувається надходження теплоносія в секції попередньо просушеного насіння, яке витримує вищу температуру нагріву, а потім, після зниження температури теплоносія на 2-4°С, він потрапляє в секції з насінням високої вологості. Перегрібач 11 має гнучкі робочі елементи (зуби) 12, кількість яких збільшується від центру обертання до периферії, що забезпечує рівномірність переміщення насіння на секції. Всі перегрібачі секцій закріплено на вертикальному приводному валу 8 і обертаються за допомогою приводу 9. Коли насіння, переміщуючись за допомогою перегрібача, підходить до завантажувально-розвантажувального вікна 13 відбувається поєднання вікон нерухомого 14 і рухомого 15 газорозподільного решета секції. Потім у розвантажувальне вікно 13, яке утворилося при поєднанні вікон, частка насіння виштовхується зубами перегрібача 12 і під дією сили тяжіння насіння проходить в нижню секцію сушарки. Таким чином, вологе насіння переміщується всередині сушарки з секції в секцію втрачаючи при цьому вологу.

Далі висушене насіння прямує у розвантажувальний пристрій 6, де завдяки нахилу газорозподільного решета 16 і псевдозрідженного шару насіннєвого матеріалу, утвореного дією повітряного потоку, насіння переміщується у розвантажувальний короб 17, а потім в тару 18.

Функція взаємозв'язку параметрів технологічного процесу сушіння ВНБК отримана з розрахункової моделі функціонування сушарки (рис. 1, д):

Ф(W(t), q, K_oc, V, T_ca, N_тг, H_c, S_o, n_зм, К_д, N_пв, щ_ов, h_c, T_c, W_к, K_c, S_c, Q, Э(t)) = 0. (1)

Функція взаємозв'язку параметрів включає: вологість насіння W; величину подачі насіння в сушильну камеру q; показник якості відмивання насіння K_oc; швидкість теплоносія V; температуру теплоносія T_ca; потужність витрачену теплогенератором N_тг; аеродинамічний опір насіннєвого шару та конструктивних елементів сушильної камери H_c; площу завантажувально-розвантажувального вікна S_o; кількість зубів перегрібача n_зм; кількість секцій К_д; потужність споживання приводу N_пв; кількість обертів перегрібачів щ_ов; загальну товщину шару насіння h_c; температуру насіння T_c; кондиційну вологість насіння W_к; якість насіння K_c; швидкість сушіння S_c; продуктивність Q; енергоємність процесу сушіння Э(t).

Виходячи з моделі функціонування ефективність виконання технологічного процесу сушіння ВНБК оцінюється за питомою енергоємністю процесу, швидкістю сушіння насіння та його кінцевою вологістю. Для обґрунтування параметрів сушарки ВНБК необхідно мати дані про змінення температури, вологовмісту сушильного агенту і насіннєвого матеріалу в процесі сушіння.

Виходячи з основних положень теорії тепломасообміну між насінням і сушильним агентом отримано математичні моделі (2 - 6), які описують динаміку зміни параметрів насіння і сушильного агенту на виході із сушарки з урахуванням перерозподілу вологи в насінні під дією поступового прогріву внутрішніх шарів насіння до максимально допустимої температури нагріву білкової частки зародка.

Динаміка зміни температури сушильного агенту:

,(2)

де маса повітря в об'ємі сушарки, кг;

питома теплоємність сушильного агенту, Дж/кг ^. °С;

і температура сушильного агенту на вході та на виході з сушарки, °С;

витрата сушильного агенту, кг/с;

коефіцієнт теплообміну між насінням та сушильним агентом, Вт/м^{2 .} °С;

площа поверхні насіння, що знаходиться в сушарці, м²;

середня температура сушильного агенту , °С;

середня температура насіння ,°С;

і початкова і кінцева температура насіння, °С;

коефіцієнт теплопередачі від сушильного агенту до зовнішнього середовища, Вт/ м² · °С;

сумарна площа стінок сушильної камери, м²;

температура повітря в приміщенні де встановлено сушарку, °С.

Динаміка зміни кінцевої температури насіння:

,(3)

де маса насіння в об'ємі сушарки, кг;

питома теплоємність насіння, Дж/кг ^. °С;

витрата насіння, кг/с;

коефіцієнт масообміну, кг/м² · Па ^. с;

сталі розмірні коефіцієнти з розмірністю: Па/°С, Па · кг/г, Па, відповідно;

середній вологовміст сушильного агенту , г/кг (сухої речовини);

і початковий та кінцевий вологовміст сушильного агенту, г/кг (сухої речовини);

прихована теплота пароутворення, Дж/кг;

коефіцієнт, що враховує зниження швидкості випаровування вологи при її перерозподілі під дією поступового прогріву внутрішніх шарів насіння до максимально допустимої температури нагріву білкової частки зародка.

,(4)

де максимально допустима температура сушильного агенту, °С;

температура кипіння води, °С;

коефіцієнт, що враховує відношення товщини поверхневого та внутрішнього шару ядра насінини (рис. 2).

Рис. 2. Фізична модель насінини гарбуза: 1 ядро; 2 повітряна порожнина; 3 оболонка.

Перегрів ядра насінини припустимий лише в поверхневому шарі . Внутрішній шар ядра повинен бути нагрітий до температури при якій його білкова частка не руйнується.

Динаміка зміни вологовмісту насіннєвого матеріалу:

,(5)

де маса абсолютно сухого насіння в об'ємі сушарки, кг;

витрати абсолютно сухого насіння, кг/с;

і вологовміст насіннєвого матеріалу на вході і на виході з сушарки, кг/кг (сухої речовини).

Динаміка зміни вологовмісту сушильного агенту:

,(6)

де коефіцієнт переведення, г/кг.

На підставі виразів (2-6) побудовано графічні залежності, які приведено на рис. 3 та 4.

Рис. 3. Динаміка зміни температури (И₂) і вологовмісту (U₂) насіння в процесі сушіння

Рис. 4. Динаміка зміни температури (t₂) і вологовмісту (d₂) сушильного агенту в процесі сушіння

Швидкість руху насіннєвого матеріалу під дією перегрібача по газорозподільному решету визначено на підставі рівняння силового балансу:

.(7)

У процесі руху насінини по секції сушильної камери на неї діють такі сили (рис. 5): сила Коріоліса Ф_с; відцентрова сила інерції Ф_е^ц; сила тертя по решету F₁; сила тертя об зуб перегрібача F₂; сила тяжіння G, нормальні реакції опори N₁, N₂.

Рис. 5. Схема сил, які діють на насінину під час переміщення при сушінні в секції сушарки: а) вид зверху; б) вид збоку.

Розв'язання даної задачі (7) дозволило визначити швидкість насіннєвого матеріалу в секції сушарки:

, м/с, (8)

де - коефіцієнт заповнення робочого простору зубами перегрібача;

частота обертання перегрібача, хв^-1;

радіус секції, м;

кутова швидкість обертання перегрібачів, с^-1;

коефіцієнт тертя насіння об решето;

коефіцієнт тертя насіння об зуб перегрібача;

прискорення вільного падіння, м/с²;

шлях руху насінини, м.

Коефіцієнт заповнення робочого простору зубами перегрібача:

,(9)

де ширина зуба перегрібача, м (рис. 6 а);

загальна довжина перегрібача, м;

кількість насіння в перетині шару, що розміщений на решеті секції (рис. 6 б).

Рис. 6. До визначення коефіцієнту заповнення робочого простору зубами перегрібача: 1 - перегрібач; 2 - зуб; 3 - насінина; 4 - газорозподільне решето.

Враховуючи початкову вологість насіння та на підставі рівнянь (3-5) було визначено раціональну кількість секцій сушарки . На підставі цього отримано шлях переміщення насіннєвого матеріалу в камері сушіння:

, м,(10)

де довжина кола секції сушарки, м;

кількість секцій сушарки, шт.

На підставі виразу (8) і (10) було визначено продуктивність запропонованої сушарки ВНБК:

,кг/год, (11)

де загальна товщина шару насіння, м;

площа робочої поверхні газорозподільного решета секції, м²;

об'ємна маса насіннєвого матеріалу, кг/м³.

За результатами розрахунків з виразу (11) було побудовано теоретичну залежність продуктивності запропонованої сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, від режимів її роботи (рис. 7).

Рис. 7. Теоретична залежність продуктивності сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, від режимів її роботи.

На підставі рівняння (11) теоретична енергоємність процесу сушіння становить:

, кВт·год/кг,(12)

де продуктивність сушарки по сухому насінню, кг/год;

і початкова та кінцева вологість насіння, %;

температура відпрацьованого сушильного агента, °С;

теплоємність сухого насіння кДж/кг·град;

витрати сушильного агента, кг/год;

ентальпія відпрацьованого сушильного агента при початковому вологовмісті, кДж/кг;

ентальпія зовнішнього повітря, кДж/кг;

сумарна площа стінок сушильної камери, через які відбувається втрата тепла у навколишнє середовище, м²;

коефіцієнт теплопередачі крізь стінки сушарки;

опір переміщення валу перегрібачів, Н;

швидкість переміщення перегрібачів, м/с;

к.к.д. клинопасової передачі та редуктора, %;

продуктивність вентилятора, м³/с;

повний тиск, який розвивається вентилятором, н/м²;

к.к.д. вентилятора, %;

коефіцієнт, що враховує витрати енергії в передачі (включаючи тертя в підшипниках).

За результатами розрахунків виразу (12) було побудовано теоретичну залежність енергоємності процесу сушіння від температури теплоносія (рис. 8).

Рис. 8. Теоретична залежність енергоємності процесу сушіння від температури теплоносія.

Проведені дослідження дозволили теоретично обґрунтувати основні конструктивно-технологічні параметри сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, та встановити, що для забезпечення ефективного виконання технологічного процесу сушіння потрібно сім секцій сушарки та секцію для забезпечення вивантаження насіннєвого матеріалу з камери сушіння, при цьому діаметр кожної секції повинен становити 0,58-0,65 м, подача насіння в камеру сушіння 18-24 кг/год, частота обертання перегрібачів 3,50-6,75 хв^-1, площа завантажувально-розвантажувального вікна 0,018-0,020 м².

Теоретичні передумови потребують експериментального підтвердження, для цього розроблено програму та методику експериментальних досліджень та виготовлено експериментальну установку.

У третьому розділі «Програма та методика експериментальних досліджень сушарки високовологого насіння баштанних культур» викладено програму експериментальних досліджень, описано прилади та експериментальну установку, наведено методи проведення та обробки результатів експериментальних досліджень.

Програмою досліджень передбачалося визначення: основних механіко-технологічних характеристик насіння гарбуза, показників ефективності процесу сушіння ВНБК, кінетичних закономірностей та енергоємності процесу сушіння залежно від конструктивно-технологічних параметрів сушарки, а також передбачалася оцінка впливу параметрів сушильного агента (температури і швидкості) та початкової вологості матеріалу і впливу диференційованого режиму роботи сушарки на нагрів насіння по секціях.

Експериментальні дослідження проведено на експериментальній установці, конструкція якої забезпечує регулювання частоти обертання перегрібачів в сушильній камері, подачу насіння в сушильну камеру, температури теплоносія за допомогою контролеру температури системи «SPLIT» та фіксацію експериментальних даних за допомогою стандартного і спеціально виготовленого обладнання.

Окрім стандартного вимірювального обладнання використовувалась спеціально виготовлена лабораторна установка, що визначає кут нахилу вивантажувального пристрою сушарки.

Створена установка імітує реальний процес вивантаження насіннєвого матеріалу завдяки дії потоку повітря з газорозподільного решета, встановленого під кутом до обрію.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень» наведено результати проведених лабораторних експериментальних досліджень щодо визначення механіко-технологічних характеристик насіння баштанних культур, продуктивності сушарки, впливу її температурних режимів роботи на якісні показники насіння гарбуза, енергетичних показників процесу сушіння, кінетики процесу сушіння, гідравлічного опору насіннєвого шару і газорозподільних решіт та впливу диференційованого режиму роботи на нагрів насіння по секціях сушарки.

Лабораторні експериментальні дослідження проводилися шляхом планування одно- та багатофакторного експерименту.

За результатами проведених однофакторних експериментів отримано залежності: сходу насіннєвого матеріалу з похилого газорозподільного решета від його кута нахилу до горизонту; продуктивності сушарки при фіксованих значеннях подачі та частоти обертання перегрібачів; енергоємності процесу сушіння від температури теплоносія; швидкості сушіння насіння гарбуза; втрати динамічного напору теплоносія від кількості секцій сушарки та впливу диференційованого режиму роботи сушарки на нагрів насіння по секціях (рис. 9).

Рис. 9. Залежність швидкості сушіння насіння гарбуза

Рис. 10. Залежність втрати динамічного напору теплоносія від кількості секцій сушарки: Р загальні втрати напору, Па; Р_пот втрата напору по секціях сушарки у відсотках

За результатами попередніх однофакторних експериментів було встановлено:

- для ефективного виконання технологічного процесу сушіння насіння гарбуза сорту «Волжская серая» з початкової вологості 33% до кондиційної 10% вологості необхідно сім секцій сушарки та секцію для забезпечення вивантаження насіннєвого матеріалу з камери сушіння;

раціональний кут нахилу газорозподільного решета вивантажувального пристрою сушарки дорівнює 14 град;

- подача насіння в камеру сушіння дорівнює 24 кг/год;

- при даній кількості секцій сушарки встановлено раціональну частоту обертання перегрібачів: при подачі насіння в сушильну камеру 24 кг/год 4 хв^-1, при подачі 22 кг/год 4,75 хв^-1, при 20 кг/год 6 хв^-1 та при 18 кг/год 7 хв^-1;

- раціональна швидкість теплоносія становить 5 м/с (це допустима швидкість, при якій не утворюється витання насіння при поєднанні завантажувально-розвантажувальних вікон сьомої секції камери сушіння);

- гранично допустима температура теплоносія, яка не знижує посівних якостей насіння гарбуза використаного сорту склала 50°С (відповідно діючого на той час ДСТУ 2240-93);

- за встановлених раціональних конструктивно-технологічних параметрів питома енергоємність процесу сушіння насіння гарбуза сорту «Волжская серая» складає 1,27 кВт^.год/кг;

розбіжність результатів експериментальних і теоретичних досліджень складає 4-8%.

Методом планування багатофакторного експерименту визначено фактори, які найбільш суттєво впливають на ефективність технологічного процесу сушіння насіння гарбуза: подача насіння в камеру сушіння, частота обертання перегрібачів та температура теплоносія, а також основний і додатковий (обмежуючий) критерії оптимізації. За основний критерій оптимізації було прийнято питому енергоємність процесу сушіння (Е), яка визначається за формулою:

, кВт•год/кг,(13)

де - сума всіх витрат енергії потрібної для сушіння насіння, кВт;

Q - продуктивність сушарки, кг/год.

За додатковий (обмежуючий) критерій оптимізації було прийнято вологість насіння на виході з сушильної камери (W).

В результаті проведення багатофакторного експерименту за майже рототабельним планом Бокса-Бенкіна другого порядку одержано математичні моделі у формі розкодованих рівнянь регресії другого порядку (14) і (15), які адекватно описують технологічний процес сушіння насіння гарбуза: сушарка баштанний насіння

Е = 7,814250 + 0,495167 • n_вор + 0,015792 • n_вор ² + 0,096562 q - 0,002240 · q² - 0,347979 Т_са + 0,003885 • Т_са ² - 0,001000 · n_вор q - 0,012000 • n_вор Т_са + 0,000313 • q Т_са, кВт•год/кг; (14)

W = 400,3750 - 0,9667 • n_вор + 0,5333 • n_вор ² - 11,3625 · q +0,2583 · q² - 9,9458 • Т_са + 0,0958 • Т_са ² - 0,2500 · n_вор • q + 0,0500 • n_вор • Т_са + 0,00001 • q • Т_са, %;(15)

З метою визначення компромісних значень конструктивно-технологічних параметрів сушарки ВНБК, які забезпечують мінімальну енергоємність процесу сушіння при необхідній якості насіння, було проведено графоаналітичний аналіз математичних моделей методом двомірних перетинів та вирішено компромісну задачу - на поверхню відклику основного параметру оптимізації накладено обмеження додатковим параметром та знайдено раціональні значення.

Графоаналітичний аналіз математичних моделей методом двомірних перетинів та компромісна задача дозволила зробити висновки:

- найбільший вплив на енергоємність процесу сушіння та якість просушеного насіння гарбуза має температура теплоносія, а вплив інших факторів виявляється менш вагомим;

- раціональні компромісні значення факторів для сушіння насіння гарбуза сорту «Волжская серая» складають: частота обертання перегрібачів сушарки 4,2 хв^-1, подача насіння у камеру сушіння 24 кг/год та температура теплоносія 50,6 °С. При цьому продуктивність сушарки складає 18 кг/год, питома енергоємність процесу сушіння - 1,27 кВт·год/кг при зниженні вологості з 33% до кондиційної вологості насіння 9,2%.

Посівну якість висушеного насіння було перевірено Луганською обласною державною насіннєвою інспекцією, яка підтвердила, що насіння відповідає вимогам ДСТУ 7160:2010 «Насіння овочевих, баштанних, кормових і пряно-ароматичних культур. Сортові та посівні якості. Технічні умови».

У п'ятому розділі «Економічна ефективність застосування та рекомендації щодо використання сушарки ВНБК» наведено результати техніко-економічних показників застосування сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

Порівняльні економічні розрахунки проведено згідно з методикою, викладеною у ДСТУ 4397:2005 «Методи економічного оцінювання техніки на етапі випробувань».

За результатами техніко-економічного аналізу було встановлено, що розрахункова ціна нової сушарки ВНБК складає 44335 грн., річний економічний ефект від її застосування в порівнянні з сушильною установкою безперервної дії НВО «Днестр» складає 13638,7 грн., а термін окупності капіталовкладень - 3,2 роки.

Розроблено рекомендації щодо використання нової сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується. Сушарку рекомендовано використовувати:

у фермерських господарствах, як в окремому використанні, так і в запропонованій нами малогабаритній мобільній лінії для післязбиральної переробки баштанних культур (патент України №30813);

в спеціалізованих насіннєвих підприємствах, при використанні в потокових насіннєвідокремлюючих лініях.

Рекомендації передано керівництву ТОВ НВП «АгроЛугань» Лутугінського району Луганської області.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення ефективності технологічного процесу сушіння високовологого насіння баштанних культур шляхом розробки конструкції сушарки безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

1. На підставі аналізу існуючих способів сушіння, пристроїв сушарок та результатів існуючих наукових досліджень виявлено необхідність розробки нової сушарки високовологого насіння баштанних культур, яка забезпечить сушіння насіння всіх цільових призначень з мінімальною матеріаломісткістю, низькою енергоємністю та достатньою продуктивністю. Це досягається шляхом використання секційної сушарки, конструкція якої забезпечує диференційоване підведення тепла до насіння, що примусово перемішується.

2.Розроблено та обґрунтовано конструктивно-технологічну схему сушарки високовологого насіння баштанних культур безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, та її модель функціонування, яка дозволила розробити загальну функцію взаємозв'язку параметрів технологічного процесу сушіння. Розроблено конструкцію сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, яка забезпечує мінімальну матеріаломісткість сушарки, та низьку енергоємність процесу сушіння з регламентованої агротехнічними умовами якістю насіння.

3.На підставі розробленої функції взаємозв'язку параметрів технологічного процесу сушіння високовологого насіння баштанних культур розроблено математичні моделі (2-6) і залежності (8), (11), (12), (14), (15), що дозволяють визначити раціональні конструктивно-технологічні параметри запропонованої сушарки та розкривають вплив основних факторів на підвищення ефективності технологічного процесу.

4.Експериментально-теоретичними дослідженнями встановлено оптимальні та раціональні конструктивно-технологічні параметри сушарки високовологого насіння баштанних культур:

- діаметр секції 0,64 м;

- площа завантажувально-розвантажувального вікна 0,019 м²;

- для ефективного виконання технологічного процесу сушіння насіння гарбуза сорту «Волжская серая» з початкової вологості 33% до кондиційної 10% вологості необхідно сім секцій сушарки та секцію для забезпечення вивантаження насіннєвого матеріалу з камери сушіння;

- раціональний кут нахилу газорозподільного решета вивантажувального пристрою сушарки 14 град;

- подача насіння у камеру сушіння 24 кг/год;

– раціональна частота обертання перегрібачів 4,2 хв^-1;

- раціональна швидкість теплоносія 5 м/с;

- гранично допустима температура теплоносія, яка не знижує посівних якостей насіння гарбуза використаного сорту 50,6°С;

- продуктивність сушарки складає 18 кг/год, питома енергоємність процесу сушіння - 1,27 кВт•год/кг при зниженні вологості з 33% до кондиційної вологості насіння 9,2%;

розбіжність результатів експериментальних і теоретичних досліджень при встановлених раціональних конструктивно-технологічних параметрах дорівнює 4-8%.

5.Впровадження запропонованої сушарки високовологого насіння баштанних культур у виробництво в порівнянні з сушильною установкою безперервної дії НВО «Днестр» дозволяє отримати економічний ефект 13638,7 грн. із терміном окупності капіталовкладень 3,2 роки. Рекомендації щодо використання у виробництві нової сушарки ВНБК безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, передано керівництву ТОВ НВП «АгроЛугань» Лутугінського району Луганської області.

Список опублікованих праць

1. Добрицкий А.А. Обзор конструкций и схема предлагаемой линии для послеуборочного выделения семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ. - 2006, №64/87. С. 120 - 125.

2. Добрицкий А.А. Исследование процесса сушки семян бахчевых культур в псевдоожиженном слое / А.А. Добрицкий // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ. - 2006. - № 64/87. - С. 122 - 126.

3. Евсюков В.А. Определение начальной скорости подъема семян тыквы при встряхивании / В.А. Евсюков, А.А. Добрицкий // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Технічні науки. - Луганськ, 2007, №76(99). - С. 134-138. (Здобувачем визначено початкову швидкість насіння гарбуза необхідну для руйнування насіннєвого шару при струшуванні насіння в процесі сушіння у віброзрідженому шарі).

4. Чекановкин А.А. Сушка высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Чекановкин, А. А. Добрицкий // Вісник аграрної науки Причорномор'я. - Миколаїв: МДАУ, 2007. - Спеціальний випуск 2 (41). - С. 161 - 165. (Здобувачем виявлено основні недоліки традиційної технології сушіння овочебаштанних культур та запропоновано оригінальну конструктивно-технологічну схему сушарки).

5. Добрицкий А.А. Оптимизация вибрационного ворошения высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий, В.А. Евсюков // Сборник научных трудов Луганского НАУ. Серия: Технические науки. - Луганск: ЛНАУ. - 2008. - № 91. - С. 136 - 142. (Здобувачем визначено оптимальне значення амплітуди вимушених коливань, як чинника, що впливає на ступінь руйнування насіннєвого шару в процесі сушіння насіння гарбуза у віброзрідженому шарі).

6. Добрицкий А.А. Классификация способов и устройств сушилок высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий // Науковий вісник Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ. - 2006. - № 64/87. - С. 100 - 105.

7. Добрицкий А.А. Сушилка высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий // Науковий вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. Серія: Технічні науки. - Харків: ХНТУСГ. - 2010. - № 95. - С. 86 - 92.

8. Добрицкий А.А. Построение расчетной модели функционирования сушилки высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий, Д.Н. Бахарев // Научный вестник Луганского национального аграрного университета: технические науки. - Луганск: ЛНАУ. - 2010. - №20 - С. 63 - 66. (Здобувачем обґрунтовано та розроблено розрахункову модель функціонування сушарки високовологого насіння баштанних культур та створено функцію взаємозв'язку параметрів, що визначають ефективність технологічного процесу сушіння високовологого насіння баштанних культур).

9. Добрицкий А.А. Методика экспериментальных исследований процесса сушки высоковлажных семян бахчевых культур / А.А. Добрицкий, А.А. Чекановкин // Науковий вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. Серія: Технічні науки. - Харків: ХНТУСГ. - 2011. - № 108. - С. 32 - 40. (Здобувачем розроблено методику досліджень сушарки високовологого насіння баштанних культур з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується, яка дозволяє визначити раціональні конструктивно-технологічні параметри і режими роботи сушарки).

10. Пат. 30813 Україна, МПК A23N 4/00 Лінія для переробки баштанних культур / Чекановкін О.О., Добрицький О.О., Евсюков В.О., Самко О.В.; заявник та власник патенту Луган. нац. аграр. ун-т. - № u200713314; заявл. 29.11.2007; опубл. 11.03.2008; Бюл. №5. - 6 с.

11. Пат. 44999 Україна, МПК F26B 11/00 Сушарка високовологого насіння овоче-баштанних культур / Добрицький О.О. заяник та патентовласник Добрицький О.О. - № u200904183; заявл. 28.04.2009; опубл. 26.10.2009; Бюл. №20.

Анотація

Добрицький О.О. Підвищення ефективності технологічного процесу сушіння та розробка конструкції сушарки високовологого насіння баштанних культур. - На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Луганський національний аграрний університет, Луганськ, 2011.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності технологічного процесу сушіння високовологого насіння баштанних культур.

На підставі аналізу існуючих способів сушіння, пристроїв сушарок та результатів існуючих наукових досліджень розроблено та обґрунтовано конструктивно-технологічну схему сушарки високовологого насіння баштанних культур (ВНБК) безперервної дії з диференційованим підведенням тепла до матеріалу, що примусово перемішується.

Проведено теоретичні дослідження, на підставі яких одержано математичні моделі, що описують технологічний процес сушіння ВНБК сушаркою безперервної дії. Дані моделі дозволяють визначити основні конструктивно-технологічні параметри сушарки.

Викладено програму, методи проведення та обробку результатів експериментальних досліджень, описано прилади та виготовлену експериментальну установку.

З метою підтвердження результатів теоретичних досліджень проведено експерименти та обґрунтовано конструктивно-технологічні параметри запропонованої сушарки з урахуванням енергетичних та якісних показників технологічного процесу сушіння.

Техніко-економічний аналіз використання запропонованої сушарки ВНБК підтверджує доцільність впровадження її у виробництво.

Ключові слова: технологічний процес сушіння, високовологе насіння, диференційоване підведення тепла, енергоємність, якість.

Аннотация

Добрицкий А.А. Повышение эффективности технологического процесса сушки и разработка конструкции сушилки высоковлажных семян бахчевых культур. - На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Луганский национальный аграрный университет, Луганск, 2011.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технологического процесса сушки высоковлажных семян бахчевых культур.

На основании результатов проведенного анализа способов, устройств сушилок и сушильного оборудования для высоковлажных семян бахчевых культур (ВСБК), а также научных работ по исследованию технологического процесса сушки выявлена необходимость разработки сушилки, которая способна производить сушку ВСБК с минимальной энергоемкостью, материалоемкостью, с достаточной производительностью и сохранением качества посевного материала.

Для систематизации и обобщения проведенного анализа литературных источников разработана классификация способов, устройств сушилок и сушильного оборудования для сушки ВСБК, которая позволила разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему сушилки ВСБК непрерывного действия с дифференцированным подводом тепла к принудительно перемешиваемому материалу и построить расчетную модель ее функционирования, позволившую наметить пути повышения эффективности технологического процесса сушки.

Проведены теоретические исследования, на основании которых получены математические модели технологического процесса сушки ВСБК, а также математические зависимости, позволяющие определить основные конструктивно-технологические параметры предлагаемой сушилки. А именно: математическая модель скорости испарения влаги при сушке семян тыквы, которая впервые связывает перераспределение влаги в семенах под действием постепенного прогрева внутренних слоев семян к максимально допустимой температуре нагрева белковой части зародыша, затрат мощности необходимой для сушки и производительности сушилки с учетом ее конструктивных особенностей.

С целью подтверждения результатов теоретических исследований спланированы и проведены предварительные однофакторные и многофакторный эксперименты. В результате предварительных однофакторных экспериментов определены основные механико-технологические свойства семян тыквы использованного сорта, производительность сушилки, влияние температурных режимов работы сушилки на качественные показатели семян тыквы, энергетические показатели и кинетика процесса сушки, потери гидравлического напора и влияние дифференцированного режима на нагрев семян по секциям сушилки.

В результате многофакторного эксперимента получены регрессионные зависимости энергоемкости процесса сушки и влажности семян. При проведении многофакторного эксперимента был реализован почти ротатабельный план Бокса-Бенкина для трех факторов. Выполнена оптимизация и решена компромиссная задача с помощью метода наложения двумерных сечений, что позволило получить компромиссные значения подачи семян в сушильную камеру, частоты вращения ворошилок и температуры сушильного агента обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса сушки при требуемом качестве семян.

На основании проведенных исследований разработана конструкция сушилки ВСБК беспрерывного действия с дифференцированным подводом тепла к принудительно перемешиваемому материалу, работоспособность и эффективность которой проверена в лабораторных и производственных условиях.

Технико-экономический анализ применения предложенной сушилки ВНБК подтверждает целесообразность внедрения ее в производство.

Разработаны рекомендации по эффективному использованию сушилки в производстве. Рекомендации переданы руководству ООО НПП «АгроЛугань» Лутугинского района Луганской области.

Ключевые слова: технологический процесс сушки, високовлажные семена, дифференцированный подвод тепла, энергоемкость, качество.

The summary

A.A. Dobrytskiy. Raising the efficiency of drying technological process and development of a dryer construction for water-melon seeds with high moisture
content. Manuscript.

Dissertation paper in competition for a Candidate of Technical Sciences Degree on Specialty 05.05.11 Machines and facilities for mechanization of farm production. Luhansk National Agrarian University, Luhansk, 2011.

The dissertation paper studies the problems of improving drying process efficiency for water-melon seeds with high moisture content.

Constructive and technological dryer scheme of continuous operation with differentiated heat supply to the forcibly mixed material was developed and proved on the basis of existing drying devices and scientific researches analysis.

Theoretical investigations results in mathematic models obtaining, describing the technological process of water-melon culture seeds drying with a continuous action dryer. These models make it possible to determine the main design and technological parameters of the dryer.

The programme is presented and method of experimental results analysis, devices are described and experimental plant model is made.

Jo proves the results of theoretical researches the experiment was carried out and constructive and technological parameters of a given dryer, including energy and drying process quality, were substantiated.

...