Технологическое и техническое обеспечение интенсификации сушки зерна с учетом ресурсосбережения

Производство зерна является основным звеном с.-х. производства, от которого зависит обеспеченность промышленности сырьем, населения хлебом и продуктами его переработки, животноводства кормами. В Западной Сибири ежегодно зерновыми и зернобобовыми засеивается 9,3 млн га, в Восточной Сибири 3,2 млн га. Валовой годовой сбор зерна в Сибири составил за последнее время около 12,3 млн т, т. е. почти 15. 18% от общероссийского производства.

Особенности климата Сибири и погодных условий в уборочный период (среднесуточная температура равна 6.11°С, относительная влажность воздуха -50.75%, количество осадков — 47 мм) обуславливают технологические характеристики свежеубранного зерна: среднесезонная влажность — 20.25%, в зависимости от подзон и конкретных условий года, засоренность в среднем — 6. 12%. Техническая оснащенность и природно-климатические условия обусловили положение, когда энергозатраты на производство продукции в России в 2.3 раза выше, чем в европейских странах (Агроклиматический потенциал Западной Сибири в 2 раза ниже Российского и в 5 раз в США).

Все убираемое зерно проходит послеуборочную обработку, включающую в себя процессы приема и предварительной обработки, сушки, временного хранения, основной обработки, хранения и малотоннажной переработки. С введением рыночных отношений в корне изменилось направление потоков зерна. В настоящее время все зерно обрабатывается и хранится на месте, доводится до необходимых для реализации кондиций непосредственно товаропроизводителем. Обработка зерна производится по различным технологиям, адаптированным к технологическим свойствам исходного зернового материала, поступающего с поля, и зональным условиям производства. При этом, в основном используются типовые зерноочи-стительно-сушильные комплексы и приспособленные линии с использованием нестандартных (напольных, ромбических, противоточных и др.) сушилок, изготов-ляeмifx на предприятиях регионов. КЗС не в полной мере отвечают предъявляе-мым требованиям (необходимость складирования зерна на открытых площадках вызывает увеличение потерь и повышение затрат). Отсутствие оперативных хранилищ в поточных линиях приводит к снижению их производительности до 30%. Цаспортная производительность машин предварительной очистки обеспечивается при влажности до 16%. Новые комплексы КЗС-25Щ и 50Ш — не устраняют полностью недостатков классической поточной технологии: неэффективность при влажности >25%, невозможность обрабатывать 2 и более культур, отсутствие прямой связи со складами.).

Анализ энергетической эффективности процессов производства зерна показывает, что энергоемкость процессов послеуборочной обработки зерна в условиях Сибири выше, чем у всех других операций. Так, по данным исследований В. И. Анискина, предпосевная обработка почвы составляет -1,2.2,0*106 МДж/т., посев и уход за посевами — 0,2.0,3*106 МДж/т., уборка — 0,3.0,5*106 МДж/т., послеуборочная обработка зерна (ПОЗ), при сушке t=65.100 °С, -2,0.5,0*106 МДж/т., т. е. энергоемкость процессов ПОЗ выше всех операций при возделывании зерновых, особенно в условиях Сибири, где средняя влажность убираемого зерна W=20−25% и все убираемое зерно необходимо сушить. Например на сушку 1 т. кукурузы расходуется 40.50 кг. усл. топлива, тогда как на зерновые 10 кг.усл. топлива. Поскольку наиболее ресурсозатратным технологическим процессом является сушка, то для повышения эффективности удаления влаги из зерна используются различные способы сушки, разработаны различные её технологии, включающие рецйр-кулэдроо зерна, рекуперацию тепла и т. д. Техническое оснащение зерноочисти-тел%ро-сушильных комплексов, дефицит энергоносителей перераспределили структуру затрат на производство продукции, снизили эффективность и привели к тому, что сохранение влажного урожая с помощью сушки стало значительно более Энергоемким./163,170, 344, 346/.

Эффективность обработки зерна определяется интенсивностью технологических процессов и уровнем совокупных затрат при соблюдении заданных показателей качества.

Системный подход к проблеме интенсификации технологических процессов ПОЗ с учетом ресурсосбережения позволяет в едином комплексе рассматривать вопросы очистку и сушки зерна на основе методологии систем с распределенными параметрами. Такой методологический подход позволяет рассматривать её решение в рамках всей совокупности технических средств, участвующих в обработке зерна на разных этапах (уровнях подсистем) его обработки, использовать их рабочие органы для взаимосвязанных операций, учитывать местные условия, влияющие на решение проблемы посредством обоснования условий и параметров обработки зерновых смесей, что, в общем, обеспечивает оптимальное решение проблемы ./34,35,47/.

Применение макрокинетического метода при исследовании конвективной сушки зерновых слоев позволяет обосновать основные конструктивно-режимные параметры технических средств и методы ресурсосбережения при выполнении технологических процессов.

Механико-технологическое исследование процессов движения зерна по сепарирующим поверхностям и в их отверстиях позволяет получить аналитические зависимости процессов обработки зерна от параметров рабочих органов машин, обосновать рациональные конструкции их технического исполнения, обеспечивающих интенсификацию очистки и сушки зерна.

Цель исследований — повышение эффективности послеуборочной обработки зерна за счет совершенствования технологии и технических средств сушки.

Объект исследований — технологический процесс сушки зерна, включая его предварительную очисткупараметры и режимы работы технических средств.

Предмет исследований — закономерности процесса сушки и предварительной очистки зерна при использовании предложенных технических средств.

Методы исследований. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР приоритетных фундаментальных исследований по заданию 04.01 «Разработать научные методы обоснования рациональных технологий и комплексов технических средств для послеуборочной обработки, переработки зерновых культур, адаптированных к зональным условиям».

Для учета многообразия факторов, влияющих на производственные процессы послеуборочной обработки зерна (ПОЗ), необходим системный подход. Он позволяет в комплексе исследовать вопросы повышения эффективности функционирования подсистем ПОЗ, ресурсосбережения, разработки технических средств адаптированных к зональным и производственным условиям. Системный подход и анализ методов, технологических процессов обработки зерна и технических средств, их реализующих, позволяет раскрыть проблемную ситуацию — повышение эффективности процессов послеуборочной обработки зерна и снижение при этом энергетических и материальных затрат — и сформулировать научную и народнохозяйственную проблему — интенсификации процессов послеуборочной обработки зерна при снижении затрат.

Методологической основой исследований явилось использование системного подхода, исследование технологических подсистем методом структурных блоков с распределенными параметрами, позволившим увязать единым методологическим подходом разнородные величины и процессы. При выполнении работы применялись методы статистического анализа, факторного эксперимента, математического моделирования, регрессионного анализа, технико-экономической оценки, пакеты прикладных программ.

Научная гипотеза заключается в том, что повышение эффективности обработки зерна может быть достигнуто за счет интенсификации технологических процессов сушки зерна, включая его предварительную очистку в поле инерционных сил, многослойную инверсию и снижение энергозатрат методом частичной рекуперации тепла отработанного агента сушки и охлаждающего воздуха при заданных значениях показателей качества.

Научную новизну представляют:

• методология исследований процессов послеуборочной обработки зерна как системы с распределенными параметрами, которая реализована на примере технологического процесса сушки;

• закономерности интенсификации предварительной очистки зерна с использованием сложных инерционно-гравитационных силовых полей. Результаты моделирования при обосновании области рационального соотношения параметров решета и основных факторов, характеризующих процесс решетной сепарации;

• математическая модель процесса сушки по всему объему зернового слоя с поперечной продувкойзакономерности, полученные на основе макрокинетического анализа элементов системы с распределенными параметрами, обосновывающие параметры сушки и инверсии зерновых потоков для снижения неравномерности нагрева и сушки зерна;

• типоразмерный ряд блочно-модульных сушилок с учетом зональных условий, объемов производства зерна и методика определения основных параметров процесса сушки при частичной рекуперации тепла и блочно-модульной компоновке сушилок.

Техническая новизна подтверждена двумя авторскими свидетельствами и патентом на конструкции решет и трех блочно-модульных зерносушилок с инверторами.

Практическая значимость: выявлена дополнительная возможность интенсификации сушки зерна при его послеуборочной обработке на основе предварительной очистки в поле инерционных сил, рекуперации тепла и многослойной инверсией зернового потока. Создана методика расчета основных параметров сушилок с частичной рекуперацией тепла, разработаны конструкции сушилок различной производительности, обеспечивающие снижение энергозатрат, обоснован типо-размерный ряд сушилок блочно-модульного исполнения.

Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями при выборе технологических схем, расчета параметров при проектировании сушилок и решетных систем зерноочистительных машин, научно-исследовательскими учреждениями, в которых ведутся исследования по вопросам послеуборочной обработки зерна, учебными заведениями, специалистами сельскохозяйственного производства.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований легли в основу создания конструкций и типоразмерного ряда блоков зерносушилок блочно-модульного типа с частичной рекуперацией тепла и многослойной инверсией, производительностью 6- 10- 16 т/ч. Сушилки СЗ-6, СЗ-10, СЗ-16 прошли приемочные государственные испытания на Алтайской МИС (протоколы № 01−32−97 (4 070 292) — 01−38−98(100 012) — 01−38−97(4 070 302)) и рекомендованы к постановке на производство. Сушилки серийно производятся ОПКТБ СибИМЭ по кооперации с заводами г. Новосибирска, г. Красноярска, и Опытным заводом СибИМЭ, (на 1.01 2001г выпущено 170 сушилок). Работа «Обоснование, разработка и освоение технологий и гаммы сушилок для сушки зерновых и зернобобовых культур, адаптированных к зональным условиям Сибири» заняла призовое место в конкурсе на лучшую научно-исследовательскую работу Россельхозакадемии в 1999 г.

Основные положения, выносимые на защиту: метод исследований процессов послеуборочной обработки зерна как системы с распределенными параметрами;

•выявленные закономерности интенсификации предварительной очистки зерна с использованием инерционно-гравитационных силовых полей;

• модель процесса сушки по всему объему зернового слоя с поперечной продувкойзакономерности, выявленные на основе макрокинетического анализа элементов системы с распределенными параметрами;

•зависимости для определения основных параметров сушки с частичной рекуперацией тепла, технологические схемы сушилок с многослойной инверсией зерна и типоразмерный ряд блоков сушилок.

Апробация работы. Основные материалы работы в период с 1982 по 2001 год рассматривались и обсуждались на международных и региональных конференциях, научно-технических советах и семинарах, в частности: на научно-технических советах ГСКБ «Воронежзерномаш», научно-технических конференциях Сибирского филиала ВНИИЗ, НПО «Казсельхозмеханизация», региональных конференциях СибИМЭ, НТС Министерства сельского хозяйства РСФСР, НТС управления сельского хозяйства администрации Новосибирской области, научно-практических конференциях ученых НГАУ и Гумбольдтского университета (г. Берлин), международной конференции по ресурсосберегающим технологиям в сельскохозяйственном производстве СО РАСХН (с участием Монголии и Казахстана), координационном совете по проблемам послеуборочной обработки зерна и семян (г. Воронеж), Ученых Советах СибИМЭ.

Проведению работы, потребовавшей большого объема экспериментальных исследований, организации производственных проверок, испытаний, освоения разработок в производстве и внедрения в хозяйствах региона, в значительной степени способствовала позиция руководства ОПКТБ СибИМЭ и ее директора В.П. Ко-линко которому автор выражает признательность. Оказывалось постоянное внимание и помощь работе со стороны руководства СибИМЭ и отдела механизации Новосибирского АПК.

Автор выражает признательность за постоянную научно-методическую помощь А. И. Климку, сотрудникам лаборатории обработки, хранения и переработки зерна СибИМЭ и конструкторам ОПКТБ СибИМЭ, оказавшим практическую помощь и содействие при проведении работы и оформлении результатов исследований.

Выводы по главе.

1. Обоснованы параметры конического решета, исходя из условия стабильности протекания технологического процесса: угол профилирования у = 30°, угол раствора конуса 0 = 72.76 частота вращения решета сор = 12.25 с" 1.

2. На основе выявленных закономерностей процесса сушки зерна, определены основные характеристики инверсии зерновых потоков. Обоснованы параметры инвертора с консольным расположением рассекателей и лотков, обеспечивающие их самоочищение от крупных, соломистых примесей и перемещение (с частичным перемешиванием) зерновых слоев в поперечном направлении. Эффективность составила 70.90%, что позволило снизить неравномерность сушки по ширине слоя до 0,6. 1,4%, по длине до 1,0. 1,2%. Угол наклона лотка — 65°- осевой зазор направляющих-60 ммкоэффициент перекрытия рассекателя-1,0.

3. Экспериментально подтверждена теоретическая модель формирования и перемещения «зоны» сушки, которая обеспечивает режимы сушки с учетом недопущения перегрева зерна и определяет неравномерность сушки по ширине слоя. Высота «зоны» сушки — 0,12.0,18 м, при ширине слоя 0,3 м.

4. Разработанные технологические схемы блочно-модульных сушилок с поперечной продувкой зернового слоя, многослойной инверсией зерновых потоков и рециркуляцией охлаждающего воздуха позволяют экономить 1. 12% теплоты.

5. В зависимости от климатических условий, размеров хозяйств и валового сбора зерна, обоснован типоразмерный ряд сушилок производительностью 6,0- 10,0.12,0- 16,0.20,0- 25,0.50,0, т/ч. Для зоны Сибири рекомендованы блочно-модульные сушилки, производительностью 6,0−10,0−16,0 т/ч., в которых реализованы ресурсосберегающие технологические схемы.

6. На основе проведенных исследований разработаны исходные требования, методика расчета основных параметров блочно-модульных сушилок, которая была црпользована ОПКТБ СибИМЭ при создании конструкций сушилок различной.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ.

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

4.1. Результаты хозяйственных испытаний технических средств для очистки и сушки зерна. 4.1.1. Результаты лабораторно-производственных испытаний макетного образца конического сепаратора.

Испытание макетного образца СЦКС-20 проводились на испытательном стенде в ОПХ «Черепановское» Новосибирской области.

Засоренность легкими примесями (очищаемая воздушным потоком) — 19%.

Засоренность сорными и зерновыми примесями (размер которых меньше 2.0 мм).

8.6%. Размерные характеристики исходного материала определялись на основе анализа проб в лабораторных условиях. Влажность обрабатываемого зернового материала W=19.2%. В первой серии опытов устанавливалась постоянная производительность Q=12.75 ч, а обороты решета изменялись от п=150 об/мин до.

250 об/мин. Проводился отдельный опыт при п=300 об/мин.

По результатам предварительных экспериментальных исследований шаг изменения оборотов решета приняли п=25 об/мин. Проход зернового материала сквозь решето разделялся делителями на три класса (по длине решета).

АНАЛИЗ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ.

Сушилка зерна СЗ -10 с малогабаритной топочной установкой МТУ-1.0 испытывалась в ПЗ ОПХ «Садовское» Краснозерское района Новосибирской области. Она была установлена под навесом. Схема технологической линии, в которой эксплуатировалась испытываемая машина. В ней — загрузочный бункер, зерноочистительная машина ЗВС-20, сушилка с МТУ-1.0 и бункер для высушенного зерна. Подача зерна из загрузочного бункера в зерноочистительную машину и от сушилки в бункер-накопитель с просушенным зерном, осуществлялась нориями. Перевозка зерна до после сушки производилась автомобилем-самосвалом.

Схема организации испытаний, параметры энергоснабжения, требования к топливу для теплогенератора, показатели качества исходного материала для сушки, способ установки сушилки, непосредственно на месте эксплуатации, а также монтаж и досборка соответствовали ТЗ.

Рис. 4.3. Сушилка СЗ-10.

В расчет показателей включено время на технологическое обслуживание: загрузка зерна в сушилку с прогревом, розжиг теплогенератора. Межсменная остановка сушилки включает в себя время на проведение ежесменного ТО, а также на нагрев зерна до необходимой температуры. Затраты времени на технологические регулировки, отдых в сменное время не включены из-за того, что они выполнялись в период работы сушилки без ее остановки.

Расчет экономических показателей проведен согласно ГОСТ 23 728, 23 729 с учетом особенностей, указанных в РД 10.10.1 в сравнении с пронормированными показателями, заложенными в ТЗ. Режим — сушка продовольственного зерна. По результатам расчета можно сделать следующие выводы:

• затраты труда снизились на 16.5 из-за большей производительности, чем требуется по ТЗ,.

Годовой экономический эффект от внедрения новой машины составил 46.18 млн руб.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СЗ-16.

Сушилка зерна СЗ-16 была испытана в ПЗ ОПХ «Садовское» Красноозерского района Новосибирской области. Испытания проводились в период с 17.09.98 по 23.10 98. Монтаж, досборка и установка в технологическую линию проведены с применением стандартного оборудования и автокрана хозяйства. Оперативная трудоемкость составила 276.2 чел.-ч.

Стоимость строительных работ составила 16 420 рублей, трудоемкость — 97.1 чел.-ч.