Энергосберегающие режимы сушки овса активным вентилированием

Автор: Бастрон Т.Н., Чирухина Н.М.

Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau

Рубрика: Энергообеспечение и энерготехнологии

Статья в выпуске: 4, 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье представлены результаты исследования процесса сушки зерна овса активным вентилированием на экспериментальной установке. Получены уравнения регрессии и выбраны энергосберегающие режимы в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами конечной влажности овса.

Сушка, активное вентилирование, корреляционно-регрессионный анализ, энергосберегающие режимы, зерно

Короткий адрес: https://sciup.org/14082315

IDR: 14082315

Текст научной статьи Энергосберегающие режимы сушки овса активным вентилированием

Одной из важных проблем в сельскохозяйственном производстве является обеспечение сохранности выращенного урожая. В поточной технологии послеуборочной обработки зерна сушка является наиболее сложной и энергоемкой операцией. Поэтому обоснование направления развития технологий и технических средств, обеспечивающих минимальные затраты антропогенной энергии при рациональном использовании природных ресурсов и возможном меньшем загрязнении окружающей среды, рассматривают сейчас как актуальную научную и практическую проблему. В практике сушки, временного хранения и вентилирования небольших партий зерна широко применяются установки активного вентилирования различных конструкций, в частности напольная электро-тепло-вентеляционная установка. Преимущество активного вентилирования – небольшая мощность установки, выравненность высушенного материала по влажности, простота технических средств для его осуществления.

Энергосбережение в электрифицированных вентиляционных установках (ЭВУ) возможно за счет: обоснованного расчета мощности электрического подогревателя, проектирования вентиляционной сети с минимальным напором и применением вентиляторов и электрических двигателей с высоким КПД, выбора энергосберегающих режимов работы.

В качестве объекта исследования выбраны режимы работы ЭВУ активного вентилирования зерна. Основными методами исследования являются: физическое и математическое моделирование; активное планирование эксперимента для выявления уравнений регрессии влажности зерна; статистические методы обработки и оценки результатов экспериментов (дисперсионный и регрессионный анализы); численный метод.

Модельные исследования с целью получения уравнений регрессии проводились на экспериментальной лабораторной установке [1–4].

В процессе сушки овса все множество факторов, определяющих работу тепловентиляционной установки, можно разделить на:

• контролируемые управляемые переменные, которые в процессе исследования могут изменяться в соответствии с некоторым планом (влажность и скорость воздуха; мощность электрокалориферной установки, время сушки);
• контролируемые неуправляемые переменные (температура и влажность по высоте зернового слоя, начальная влажность зерна);
• неконтролируемые возмущения, вносящие свою корректировку в работу исследуемого объекта.

В качестве исследуемых параметров для модели были выбраны влажность W з , %, и температура зерна t з , ⁰С. Область исследования ограничивалась допустимыми значениями W з , t з . Температура нагрева овса не должна превышать 50–55 ⁰ С [5]. В противном случае процесс сушки может привести к появлению поджаренных, запаренных зерен, зерен с лопнувшими или вздутыми оболочками, к увеличению количества битых и дробленых зерен.

Начальная влажность зерна во всех опытах поддерживалась на уровне 21% ∓ 2%. Величина конечной влажности, до которой целесообразно сушить зерно овса, находится в пределах 12,5…16%, в зависимости от назначения высушенного продукта: на кормовые цели и на комбикорма, для крупяной промышленности, на солод [6].

На основании литературных данных из множества факторов, влияющих на процесс сушки, для исследования были выбраны факторы и их диапазон изменения, представленные в табл. 1.

Величины и диапазон изменения управляемых факторов

Таблица 1

Управляемые факторы	Кодированное значение управляемых факторов	Нижний уровень	Основной уровень	Верхний уровень	Интервал варьирования
Управляемые факторы	Кодированное значение управляемых факторов	-1	0	1	4
Влажность воздуха, %	x1	60	70	80	10
Скорость воздуха, м/с	x2	2,4	3	3,6	0,6
Мощность электрообогревателя, Вт	x3	384	768	1152	384
Экспозиция сушки, ч	x4	16	32	48	16

Размерные управляемые независимые факторы были преобразованы в безразмерные, нормированные X i (i = 1, 2, ..., m) (табл.1):

X^H < x,< X +> , (1)

⁽ ^- ⁾ ⁽ ⁺ )

X 0 _ Xi + Xi i2

А- =

x i ⁺)

- X -)

где X i ⁽⁰⁾ - основной уровень факторов; X i ⁽ ) - нижний уровень факторов; X i ⁽⁺⁾ - верхний уровень факторов; A i - шаг варьирования.

Это дает возможность легко построить ортогональную матрицу планирования и значительно облегчает дальнейшие расчеты, так как в этом случае верхние и нижние уровни варьирования в относительных единицах равны соответственно +1 и -1 независимо от физической природы факторов, значений основных уровней и интервалов варьирования [7].

Для постановки опытов было применено активное планирование и выбран полный факторный эксперимент. В случае четырех независимых переменных (m = 4) хорошими свойствами обладает четырехфакторный план Бокса В 4 , включающий 24 опыта (N=24). В планах второго порядка каждая из независимых переменных должна принимать несколько, но не менее трех, значений. При небольшом числе переменных (m < 4) это один из лучших планов с точки зрения близости к критерию D-оптимальности и числа экспериментальных точек. Матрица плана представлена в табл. 2.

Матрица планирования эксперимента

Таблица 2

№ опыта	x 1U	x 2U	x 3U	x 4U	y U	№ опыта	x 1U	x 2U	x 3U	x 4U	y U
1	1	1	1	1	y 1	13	1	1	-1	-1	y 13
2	-1	1	1	1	y 2	14	-1	1	-1	-1	y 14
3	1	-1	1	1	y 3	15	1	-1	-1	-1	y 15
4	-1	-1	1	1	y 4	16	-1	-1	-1	-1	y 16
5	1	1	-1	1	y 5	17	1	0	0	0	y 17
6	-1	1	-1	1	y 6	18	-1	0	0	0	y 18
7	1	-1	-1	1	y 7	19	0	1	0	0	y 19
8	-1	-1	-1	1	y 8	20	0	-1	0	0	y 20
9	1	1	1	-1	y 9	21	0	0	1	0	y 21
10	-1	1	1	-1	y 10	22	0	0	-1	0	y 22
11	1	-1	1	-1	y 11	23	0	0	0	1	y 23
12	-1	-1	1	-1	y 12	24	0	0	0	-1	y 24

Для определения количественной зависимости влажности и температуры зерна от выбранных факторов проведен корреляционно-регрессионный анализ и получены уравнения регрессии:

у w_рег = 14,4651 - 0,2 X ₂ - 1,375 X 3 - 1,2903 X 4 - 0,81 X . - 0,6 X 1 X 4 (4)

у рег = 24,535 + 0,63 X ₂ + 4,34 X 3 + 0,77 X 1 - 0,91 X 1 X ₄ - 0,803 X 3 X ₄ (5)

Сравнивая экспериментальные данные у w, у t и данные, полученные с помощью уравнений регрессии у wрег , у tрег (лепестковая диаграмма рис. 1, а,б ), можно сделать вывод, что полученные уравнения (4) и (5) хорошо коррелируют и адекватно описывают процесс сушки.

Рис. 1. Сравнительная оценка экспериментальных данных у w, у t и данных, полученных с помощью уравнений регрессии у wрег, у tрег.

Гипотеза об адекватности модели проверена с использованием F-критерия Фишера при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы f 1 и f 2 = (N - d)

Fag = -тац s F (f2; f1 ). s {y} где F – критерий Фишера; d – количество коэффициентов в уравнении регрессии

(6 )

для модели у wрег

для модели у tрег

1,691

18,433 9,826

30,294

= 0,092 < 2,02 ;

= 0,324 < 2,02 .

Полученные уравнения адекватны и позволяют рассчитывать конечную влажность и температуру зерна в заданной области факторного пространства. Примеры поверхностей откликов уравнений (4) и (5) представлены на рис. 2, а,б.

Зависимость влажности зерна от мощности эл.калорифера и

Зависимость температуры зерна от

экспозиции сушки влажность зерна, %

мощности и экспозиции

мощность, Вт

16-17

15-16

14-15

13-14

12-13

11-12

10-11

25,0030,00 20,0025,00 15,0020,00

температура,

оС

30,00

25,00

20,00

15,00

экспозиция, ч

мощность, Вт

экспозиция, ч

Рис. 2. Зависимость влажности и температуры зерна от мощности и экспозиции сушки

Энергосберегающие режимы были выбраны при фиксированных значениях влажности и скорости воздуха (см. табл. 4) в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами влажности, до которой целесообразно сушить овес. Температура зерна во всех режимах сушки не превышала допустимую температуру нагрева для овса.

Таблица 3

Режимы сушки в соответствии с целевым назначением и рекомендуемыми пределами влажности, до которой целесообразно сушить зерно овса

Культура овес	На переработку						На хранение до 3 мес., на длительное хранение (более 1года)
Культура овес	О 5 5 ro 2 X ct ^m 3 CD	s' о “ to S 1— о § о	о l_s“ О CL 1 - s I 8 °- g о	СК Е -	: 00 £ i о СО g	О чР	1___ со О ^ 5 го со 8	о о ГО	^го § о о. о 1- ZE 5 ££ g ° ? ■& o S ^ <=L	E -	00 £ i Я ex ^ О co m CO g о	CO и го ¹ZE ZE О
s о о о ZE ZE К ZE * 1 4 g. EZ	80	3,6	0,46	48,0	22,12	12,5 13,5	80	3,6	0,384	46,4	17,82	13,014,0
		3,0	0,54	48,0	25,81			3,0	0,422	48,0	20,28
		2,4	0,61	48,0	29,49			2,4	0,461	48,0	22,12
	70	3,6	1,15	25,6	29,49		70	3,6	1,152	19,2	22,12
		3,0	0,691 1,152	48,0 28,8	33,18 33,18			3,0	0,538 0,115	48,0 22,4	25,81 25,81
		2,4	1,152	30,4	35,03			2,4	0,614	48,0	29,49
	60	3,6	1,152	19,2	22,12		60	3,6	1,037	16,0	16,59
		3,0	1,152	24,0	27,65			3,0	1,114	16,0	17,81 76
		2,4	1,152	27,2	31,33			2,4	1,152	16,0	18,43
ZT -0 s o s 5 о	80	3,6	0,384	33,6	12,90	14,5 15,5	80	3,6	0,384	46,4	17,82	13,014,0
		3,0	0,384	35,2	13,52			3,0	0,422	48,0	20,28
		2,4	0,384	36,8	14,13			2,4	0,461	48,0	22,12
	70	3,6	0,806	16,0	12,90		70	3,6	1,152	19,2	22,12
		3,0	0,384 0,883	36,8 16,0	14,13 14,13			3,0	0,538 1,152	48,0 22,4	25,81 25,81
		2,4	0,922	16,0	14,75			2,4	0,614	48,0	29,49
	60	3,6	0,653	16,0	10,45		60	3,6	1,037	16,0	16,59
		3,0	0,691	16,0	11,06			3,0	1,114	16,0	17,81 76
		2,4	0,730	16,0	11,67			2,4	1,152	16,0	18,43
Ct о о	80	3,6	0,384	28,8	11,06	16,0	80	3,6	0,384	46,4	17,82	13,014,0
		3,0	0,384	30,4	11,67			3,0	0,422	48,0	20,28
		2,4	0,384	32,0	12,29			2,4	0,461	48,0	22,12
	70	3,6	0,384	27,2	10,45		70	3,6	1,152	19,2	22,12
		3,0	0,384 0,691	28,8 16,0	11,06 11,06			3,0	0,538 1,152	48,0 22,4	25,81 25,81
		2,4	0,768	16,0	12,29			2,4	0,614	48,0	29,49
	60	3,6	0,461	17,6	8,11		60	3,6	1,037	16,0	16,59
		3,0	0,538	1,6	8,60			3,0	1,114	16,0	17,81 76
		2,4	0,614	16,0	9,83			2,4	1,152	16,0	18,43

Выводы

• В практическом отношении полученная модель дает возможность с определенной точностью прогнозировать значение выходных параметров в пределах изученной области факторного пространства.
• Выполненные опыты показали: при начальной влажности зерна 21%±2% и конечной 12,5…16% затраты тепловой энергии колебались в пределах 8,11…29,4 кВт·ч, или 29,2…104,4 МДж, в экспериментальной установке (масса зерна 38 кг), или в пересчете на тонну 213,4…921,6 кВт·ч/т, или 768,32…2747,36 МДж/т. Расходы электрической энергии на тонну высушенного зерна в шахтных зерносушилках составляют 790…996 МДж.
• Сравнительный анализ степени влияния скорости агента на процесс сушки показал: при прочих равных условиях увеличение скорости агента сушки с 2,4 до 3,6 м/с дает сокращение тепловых затрат до 10 кВт·ч (или 263,16 кВт·ч/т).

• Полученные зависимости и построенные поверхности откликов позволяют выбрать режимы сушки зерна с минимальными энергозатратами при влажности воздуха 70% и скорости агента 3,6 м/с, экспозиция сушки и затраты тепловой энергии в соответствии с целевым назначением составляют:

для крупяной промышленности	25,6 ч	29,5 кВт·ч
на кормовые цели и на комбикорма	16 ч	13,51 кВт·ч
на солод	16 ч	10,44 кВт·ч
на хранение	19,2 ч	22,12 кВт·ч

На основе выполненных исследований были проведены производственные испытания на напольной электро-тепло-вентеляционной установке. Было высушено 50 т овса влажностью 23% до конечной влажности зерна 14%, при этом затраты тепловой энергии составили 240,8 кВт·ч/т, или 866,8 МДж/т. Полученные результаты согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Статья научная