Элементы теплообменного процесса при работе вихревого охладителя зерна

Экспериментальным путем получены новые критериальные зависимости процесса теплоотдачи при охлаждении зерна. Для сравнения приведены данные других авторов.

We obtained experimentally new criteria of dependence of the process of heat transfer in the cooling of grain. For comparison shows the data of other authors.

Высокий уровень потерь зерна на всех этапах его производства, начиная от возделывания и заканчивая послеуборочной обработкой, оказывает негативное влияние на объемы и экономику зернового хозяйства. Необходимо совершенствование использования материально-технической базы на этапе послеуборочной обработки зерна, так как потери при обработке превышают в 2-3 раза потери при уборке. В структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30 – 60 %, а в структуре себестоимости – 40%. Своевременная и качественная обработка зерна – один из путей сокращения его потерь, улучшения семенных, продовольственных и фуражных качеств. Важной и ответственной операцией послеуборочной обработки зерна является его охлаждение и сушка[3].

Существующие охладительные устройства не отвечают современным требованиям. В этой связи остро стоит вопрос создания машин работающих на качественно новом уровне.

Для разработки модернизированных охладительных устройств необходимо знание, в том числе критериальных зависимостей. Для проведения экспериментальных исследований разработана и изготовлена лабораторная установка вихревого охладителя зерна (рисунок 1).

Она состоит из рабочей камеры 1, щелевого аппарата 2, выпускного патрубка 3, шлюзового затвора 4, приемного бункера 5, вентилятора среднего давления 6, высоконапорного вентилятора 7, щита управления 8 и рамы 9.

Процесс охлаждения зерна в ней осуществляется следующим образом. Нагретое зерно из приемного бункера установки подается в рабочую камеру воздушным потоком, создаваемым вентилятором среднего давления. В камере оно интенсивно обдувается закрученным воздушным потоком при больших скоростях обтекания и быстро охлаждается. Закрученный поток образуется в камере при нагнетании наружного воздуха высоконапорным вентилятором через щелевой аппарат. Охлажденное зерно удаляется непрерывно из установки через шлюзовой затвор, а отработавший воздух уходит наружу через центральный выпускной патрубок.

Для определения скорости движения зерна в рабочей камере лабораторной установки использовалась стробоскопическая фотосъемка.

Рисунок 1. Лабораторная установка вихревого охладителя зерна

С целью установления закономерностей изменения температуры зерна по времени при больших скоростях его обдува применены методы физического моделирования [2]. В соответствии с теорией подобия процесс теплообмена, совершаемый при больших скоростях обтекания между отдельно летящей зерновкой и закрученным воздушным потоком, можно представить как процесс теплообмена, происходящий между неподвижно закрепленной зерновкой и скоростным воздушным потоком, обтекающим ее.

При проведении экспериментальных исследований использовался стенд, который включает в себя:

• -    устройство для подачи наружного воздуха, состоящее из компрессора РГН-1200 и ресивера объемом 1,5 куба;

• -    устройство для нагрева зерновки и емкости с адсорбентом;

• -    устройство для охлаждения зерновки, состоящее из трубы с регулируемым вентилем.

Контрольно-измерительные    приборы:    самопишущий потенциометр КСП-4 с хромоникелевой термопарой, микроманометр ММН и спиртовой термометр.

Наружный воздух подавался газодувкой в трубу с регулируемым вентилем, на выходе которой устанавливалась термопара с насаженной на конце зерновкой. При обдувании зерновки наружным воздухом происходило охлаждение ее, а снижение температуры ее регулировалось на диаграммной ленте потенциометра. Охлажденную зерновку снова нагревали в горячем адсорбенте, который нагревался электронагревательным устройством. Нагрев зерновку до определенной температуры, снова ее охлаждали при другой скорости воздушного потока.

Для проведения опытов было отобрано несколько зерновок пшеницы и в середине бороздки их просверлены отверстия диаметром 0,8 мм. Поочередно зерновки устанавливались на конец термопары, и эксперименты проводились при различных скоростях обтекания.

В результате обработки экспериментальных данных нами получено следующее выражения коэффициента теплоотдачи при охлаждении зерна

αэ=0,244

λ⋅V 0,60,4 0,6

пр ν

• где λ - теплопроводность воздуха, Вт /м ∙ °С;

• ν – кинематическая вязкость воздуха, м² / с;

V – скорость обтекания зерна воздушным потоком, м /с; d пр – приведенный диаметр зерновки, м.

Обобщенным уравнением, характеризующим процесс теплообмена, является критериальная зависимость вида Nu = f (Re)

После преобразования формулы (1) получаем опытное выражение критериальной зависимости (2):

Nuэ = 0,244· Re^{0 ,6}           (2)

Данная зависимость вместе с аналогичными выражениями других авторов[1] представлена на рисунке 2.

Из рисунка 2 видно, что при скоростях обдува, равных скорости витания зерна, или числах Рейнольдса (заштрихованная часть), число Нуссельта, характеризующее интенсивность теплообмена, составляет 20 – 30, что в 2 – 3 раза больше, чем при охлаждении зерна в кипящем слое и на порядок – в плотном слоях (2-3)[1].

Следовательно, при таких скоростях обтекания процесс теплообмена протекает более интенсивно.

Критериальные зависимости, полученные вышеназванными авторами действительны только для чисел Рейнольдса Re до 103. Зависимости, которые удалось нам вывести позволяют изучать процессы охлаждения зерна, происходящие в интервале чисел от 103 до 104.

No

Рисунок 2. Критериальные зависимости: 1- В.М. Лурье для плотного слоя, 2 – А.В.Авдеева для виброожиженного слоя, 3- И.М. Федорова для кипящего слоя, 4 – экспериментальная;

где: Nu - критерий Нуссельта; Re - число Рейнольдса.

Полученные данные позволяют существенно раздвинуть рамки в этой области знаний и могут быть полезными при проектировании машин для послеуборочной обработки зерна нового поколения.