ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ДІДУХ ВОЛОДИМИР ФЕДОРОВИЧ

УДК 631.365

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ МЕХАНІЗОВАНОГО СУШІННЯ НЕОДНОРІДНИХ РОСЛИННИХ МАТЕРІАЛІВ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Тернопіль – 2003

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Хайліс Гедаль Абрамович, Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Котов Борис Іванович – Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства“, завідувач лабораторії післязбиральної обробки зерна

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

Заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор, Гарькавий Анатолій Дмитрович – Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри експлуатації МТП і ремонту машин

Провідна установа: Кіровоградський державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, м. Кіровоград

Захист відбудеться “12” червня 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, ауд.79.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56

Автореферат розісланий 08.05.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Попович П.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Пошук ресурсозберігаючих та екологічно чистих технологій і технічних рішень при виробництві сільськогосподарської продукції повинен відбуватися через розробку і розвиток нових аналітичних методів та конструктивних рішень, що призведе до прогресу у даній галузі не тільки у нашій державі, але й за її межами. Ефективне ведення сільськогосподарського виробництва завжди характеризувалося його високим рівнем механізації. Крім того, проведення глибоких економічних реформ у сільському господарстві та перехід до різних форм власності також вимагає якісно нового забезпечення виробників сільськогосподарської продукції ефективними засобами механізації.

Актуальність проблеми і ступінь її дослідження. Проблема сушіння рослинних матеріалів завжди привертала увагу дослідників і науковців. В останні роки спостерігається різкий перехід до створення як стаціонарних, так і пересувних сушарок. У сушильних камерах цих сушарок матеріал знаходиться у нерухомому щільному шарі. На даний час науковцями запропоновані нові підходи для інтенсифікації процесу сушіння при такому розміщенні матеріалу і забезпечення його засобами повної механізації і автоматизації завантажувально-розвантажувальних операцій.

Відомі підходи не завжди дозволяють використовувати інтенсивні методи для високоефективного сушіння неоднорідних рослинних матеріалів. Крім цього, сільськогосподарське виробництво характеризується значною різноманітністю продукції. Тому основний шлях підвищення ефективності використання сушильної техніки у післязбиральному обробітку – це створення універсальних машин, які забезпечують зниження вологості рослинних матеріалів з різними фізико-механічними властивостями при переналагодженні чи заміні окремих вузлів та агрегатів. Виконання даної умови залежить від обов’язкового дотримання агрономічних рекомендацій за заданими технологічними режимами та параметрами, а також від оперативності керування процесом.

Найбільший відсоток ресурсовитрат в процесі післязбирального обробітку серед сільськогосподарських матеріалів припадає на продукти льону-довгунця (ворох та стебла сформовані в рулони) як неоднорідні. Отримані результати проведених досліджень з такими матеріалами можна використати при створенні універсальних засобів механізації для зниження вологості широкої гами рослинних матеріалів. Тому проблема розробки науково-технологічних засад і методології підвищення енергетичної і технологічної ефективності сушіння сільськогосподарських матеріалів є особливо актуальною і має велике народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та компонування універсальних пунктів сушіння рослинних матеріалів на основі розробки нових засобів механізації проведені відповідно до “Національної програми розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів від 7.03.1996 р., програми “Льон України”, програми “Льон Волині 2001-2004”, а також до державних науково-технічних програм ДКНТП з пріоритетних напрямків. Теми робіт: “Дослідження взаємодії механізмів сільськогосподарських машин з матеріалами“ (№ держреєстрації 0100U000258) та “Розробка і дослідження пристроїв для обробки льоновороху при збиранні льону” (№ держреєстрації 03.07.03/058-93).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення енергетичної і технологічної ефективності післязбирального обробітку неоднорідних рослинних матеріалів на основі створення ресурсозберігаючої технології їх сушіння з розробленням засобів механізації.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі задачі:

1. Аналітично обгрунтувати технологічні схеми зниження вологості неоднорідних рослинних матеріалів з їх підготовкою до вкладання у сушильні камери, шляхом розділення на дві фракції і використання коливних температурних режимів.

2. Виявити основні закономірності зміни вологості неоднорідних рослинних матеріалів у нерухомому товстому шарі та розробити теоретичні передумови їх сушіння з елементами методу протитечії.

3. Розробити теоретичні і технологічні основи забезпечення рівномірності укладання рослинних матеріалів у сушильних камерах та засобів вивантаження нижнього шару в процесі їх сушіння.

4. Створити узагальнену математичну модель процесу низькотемпературного сушіння матеріалів з використанням елементів методу протитечії і температурних коливних режимів.

5. Дослідити за допомогою моделювання на сучасних обчислювальних засобах оптимізацію процесу механізованих сушарок при заданому обмеженні технологічних і конструктивних параметрів, які грунтуються на методах нелінійного програмування та аналітичного розв’язку задач.

6. На основі теоретичних передумов провести комплекс експериментальних досліджень процесів сушіння рослинних матеріалів у нерухомому товстому шарі. Встановити закономірності впливу конструктивно-технологічних чинників на якісні показники матеріалів та ефективність запропонованого методу. Вибрати раціональні значення режимів забезпечення процесу сушіння матеріалів у нерухомому шарі з елементами методу протитечії.

7. Розробити методологію проектування та комплекс рекомендацій щодо впровадження у виробництво результатів досліджень технологічних процесів сушіння рослинних матеріалів, а також створити засоби механізації сушарок нерухомого товстого шару.

Об’єкт дослідження. Технологічний процес, засоби та методи сушіння неоднорідних рослинних матеріалів.

Предмет дослідження. Залежність ресурсовитрат і якісних показників процесу сушіння від методу, технологічних і конструктивних параметрів робочих органів засобів механізації, властивостей рослинних матеріалів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені із застосуванням теорій термодинаміки, динаміки систем, ймовірності, а також методів механіко-математичного моделювання, класичної механіки, математичної статистики, нелінійного програмування, числового розв’язку задач з використанням сучасних обчислювальних засобів. Експериментальні дослідження виконувались за галузевими і розробленими методиками на спеціально спроектованих і виготовлених установках. При проведенні досліджень застосовувались методи математичного планування експерименту та статистичної обробки результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше запропоновано і теоретично обґрунтовано технологічний процес сушіння неоднорідних рослинних матеріалів у нерухомому товстому шарі, об’ємних циліндричних тіл з горизонтальною віссю обертання з використанням елементів методу протитечії;

- отримані нові аналітичні залежності для розрахунку процесу сушіння матеріалів у нерухомому шарі з використанням елементів методу протитечії при збільшенні загального шару;

- розроблена математична модель коливного температурного процесу сушіння матеріалів з врахуванням коефіцієнта зміни вологості під час періоду відлежування чи продування атмосферним повітрям;

- вперше отримано рівняння сепарації неоднорідних матеріалів на барабанному сепараторі, виведені рівняння руху волокнистих матеріалів на криволінійних поверхнях робочих органів та у неоднорідному зв’язно-волокнистому середовищі.

- розвинуто методологію розрахунку зміни щільності матеріалів в обмеженому просторі, розглянуто динаміку переміщення циліндричного в’язко-пружного тіла під дією сил гравітації.

- розроблено інженерну методику проектування технологічного процесу, обладнання та засобів механізації забезпечення сушіння сільськогосподарських матеріалів і методики розрахунку зниження вологості матеріалів у нерухомому шарі з елементами методу протитечії.

Практичне значення одержаних результатів. Створена математична модель досліджень дала можливість отримати аналітичні залежності для визначення конструктивних та технологічних параметрів механізмів сушарок і на їх основі розробити функціональні схеми машин для сушіння рослинних матеріалів у нерухомому шарі з елементами методу протитечії та засобів механізації.

Удосконалена методологія розрахунку технологічного процесу низькотемпературного сушіння матеріалів у нерухомому шарі з використанням коливного температурного режиму і періодів відлежування.

На основі комплексу експериментальних та аналітичних досліджень засобів механізації сушарок сільськогосподарського призначення отримано оптимальні параметри ефективних технологічних процесів сушіння продуктів льону-довгунця, насіння цукрових буряків, качанів кукурудзи. Створені конкурентноздатні засоби механізації сушарок, які впровадженні у господарствах, що вирощують льон-довгунець у Волинській області.

Запропоновано і побудовано принципово новий комплекс післязбирального обробітку насіння цукрових буряків у с. Цегів Горохівського району Волинської області. Виробничі випробування нового комплексу показали високу ефективність сушіння рослинних матеріалів у нерухомому шарі з елементами протитечії.

Для комплексу з післязбирального обробітку продуктів льону-довгунця разом із СКБ заводу ВАТ “Ковельсільмаш” розроблено технічне завдання на створення науково-технічної продукції “Обладнання для сушіння продукції льонарства”.

Результати досліджень з підготовки зерна кукурудзи в качанах до сушіння в нерухомому щільному шарі передані в Первомайський науково-інженерний центр з ресурсо- та енергозбереження Миколаївської області.

Технічна новизна запропонованих рішень захищена 23 авторськими свідоцтвами, патентами України на винаходи.

Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень дисертації використовуються у лекційних курсах спеціальних предметів у навчальному процесі кафедр сільськогосподарського машинобудування Луцького державного технічного університету та сільськогосподарських машин Львівського державного аграрного університету.

Особистий внесок здобувача

Основні результати дисертаційної роботи дисертантом отримані самостійно. Вагомі здобутки досягнуті у співавторстві з працівниками кафедри. Особистий внесок дисертанта в роботах, виконаних у співавторстві [1, 2, 9, 10, 14, 16, 18, 19, 21, 23, 24] - обґрунтована методологія та способи розв’язку задач, створені математичні моделі і розрахункові схеми для визначення технологічних параметрів сушіння неоднорідних рослинних матеріалів. У працях [6, 7, 15, 16, 26, 36, 37, 38, 43] запропоновані конструкції механізмів сепарації, укладання матеріалів у сушильну камеру та їх вивантаження. Здобувачем також розроблені схеми розміщення робочих органів механізмів сушарок і загальні компонувальні схеми пунктів післязбирального обробітку сільськогосподарських рослинних матеріалів - роботи [11, 24, 33, 34, 35, 40, 41, 42, 45]. В роботах [1, 6, 9, 15, 16, 18, 23] дисертантом викладена методика вибору раціональних параметрів робочих органів.

Під час виконання прикладних досліджень у спільних розробках здобувач формував програми експериментальних, лабораторних і виробничих випробувань, брав безпосередню участь у проектуванні, розробці конструкторсько-технологічної документації та виготовленні дослідних пристроїв, а також проводив випробування і опрацювання отриманих результатів [4, 8, 19, 20, 21]. Роботи [1, 4, 6, 8, 9, 11, 13] опубліковані самостійно. При створенні засобів механізації процесу сушіння сільськогосподарських рослинних матеріалів, які захищені охоронними документами, здобувач генерував ідеї, брав участь в розробці конструкції пристроїв [26, 27, 28, 32, 33, 36, 37, 38, 40].

Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень обговорювались на: науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (1994...2002рр.); Міжнародній науково-практичній конференції “Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч” (м. Київ, 1999р); Першому науковому симпозіумі “Сучасні проблеми інженерної механіки” (м. Луцьк, 2000 р.); ІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції “Моторизація і енергетика землеробства” (м.Люблін, 2002 р.); трьох Міжнародних наукових конференціях “Сучасні проблеми землеробської механіки”, присвячених дню народження П.М.Василенка, (м. Київ, 2000 р.; м. Луцьк, 2001 р.; м. Миколаїв, 2002 р.); Республіканській науковій конференції “Льон та льонопереробні технології” (м. Магерів Львівської обл., 2000 р.); Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми інженерної механіки та їх взаємозв’язок з підготовкою фахівців високої кваліфікації” (м. Київ, 2002 р.).

В повному обсязі дисертація доповідалась у 2002 р. і отримала позитивні відгуки на розширеному засіданні кафедри сільськогосподарського машинобудування Луцького державного технічного університету, фаховому семінарі Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя; засіданні науково-технічної ради ВАТ “Ковельсільмаш”; засіданні науково-технічної ради наукового інженерного центру з проблем ресурсо- та енергозбереження м. Первомайськ Миколаївської обл., розширеному семінарі лабораторії післязбиральної обробки зерна Національного наукового центру “Інститут механізації те електрифікації сільського господарства ”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 68 друкованих праць, в тому числі: одна одноосібна монографія, 35 науково-технічних статей (9 одноосібних) у фахових журналах і збірниках наукових праць, 10 матеріалів тез наукових конференцій і симпозіумів, 23 авторських свідоцтв та патентів України на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 284 найменувань і додатків на 73 сторінках. Робота викладена на 274 сторінках, містить 101 рисунок та 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, визначений об’єкт, предмет та методи досліджень, окреслено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі “Аналіз результатів досліджень сушіння рослинних матеріалів” наведено огляд літератури за темою дослідження і вказано на можливі шляхи зниження енергетичних витрат та затрат ручної праці при післязбиральному обробітку неоднорідних рослинних матеріалів.

Проведений аналіз досліджень процесів сушіння рослинних матеріалів базується на працях Ликова А.В., Птіцина С.Д., Рамзіна Л.К., Лурє М.Ю., Гінзбурга А.С., Хатченсона Д., Окуня Г.С., Філоненко Г.К., Крішера О., Лєбедева П.Д., Аніскіна В.І., Голубковича А.В., Котова Б.І., Ковальова В.Б., Зеленка В.І., Копйова І.П., Порєва І.А., Петрушявічюса В.І., Любарського В.М., Алієва Б.М. та багатьох інших дослідників різних країн.

Наукові праці Погорілого Л.В., Ковальова В.Б., Котова Б.І., Хайліса Г.А., Фальковского І.М., Ковальова М.М., Хомуцького М.Д., Гарькавого А.Д., Гевка Б.М., Шаршунова В.А., Тарлецького А.Г., Зеленка В.І., Боярчука Ю.І., Шрейдера М.Н., Галімського Т.П., Толковського В.А. та інших вчених є науковим підґрунтям для створення нових засобів механізації забезпечення процесу сушіння неоднорідних рослинних матеріалів у нерухомому шарі, а також у визначенні їх функціональних, експлуатаційних, конструктивних та технологічних параметрів.

Аналіз технологічних процесів, які застосовуються у сільськогосподарському виробництві показує, що для зниження собівартості продукції їх необхідно розглядати як складні системи, що вимагають визначення основних напрямків зниження ресурсовитрат із збереженням якості продукції. Основні напрямки зниження ресурсовитрат при сушінні неоднорідних матеріалів можна синтезувати у структурну схему (рис. 1).

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування методу сушіння рослинних матеріалів у нерухомому шарі” на основі аналізу теоретичних досліджень запропонована модель конвективного пошарового сушіння матеріалів (рис.2) та визначені основні терміни, поняття і допущення .

Отримано вирази для визначення маси вологи, яка переміщається у процесі конвективного сушіння неодно-рідних матеріалів за різної вологості складників до настання термодинамічної рівноваги в нерухомому товстому шарі:

,

де Mс – маса абсолютно сухої речовини вороху льону;

Cm.пл, Cmв - питома ізотермічна вологість відповідно плутанини і вороху насіння льону;

Ипл, Ив, Ип - потенціали вологоперенесення відповідно плутанини, вороху насіння льону і сушильного агента.

Моделювання конвективного сушіння неоднорідних двокомпонентних сумішей дозволило отримати систему рівнянь для визначення вологовмісту двох сусідніх плоских шарів:

,

де Uр, Uк – відповідно рівноважний і кондиційний вологовміст;

кс– коефіцієнт сушіння;

фк – час сушіння.

На основі розв’язку системи (2) та формули для визначення швидкості сушіння матеріалу отримано вираз для розрахунку коефіцієнтів сушіння неоднорідних двокомпонентних сумішей:

,

де – коефіцієнт, який враховує величину вологовмісту одного із складників у загальній масі матеріалу;

Uпл, Uв – вологовміст складників до початку сушіння ;

е – ?оефіцієнт, який враховує вміст вороху насіння льону у загальній масі матеріалу;

Дфк – час вирівнювання вологовмісту у двох суміжних плоских шарах.

Для інтенсивності видалення вологи в процесі сушіння матеріалу даного складу у товстому нерухомому шарі при встановленому режимі роботи доцільно використовувати запропоновану залежність:

,

де – щільність сухої речовини вороху насіння льону;

Sф – площа плоского шару матеріалу;

– початковий вологовміст вороху насіння льону;

Vз – швидкість переміщення зони сушіння у матеріалі.

Якісне виконання процесу конвективнго сушіння матеріалів у нерухомому товстому шарі вимагає вибору оптимальної його висоти. На основі допущення про рівномірність зміни вологовмісту із висотою за встановленого режиму роботи отримана залежність для визначення даного параметру:

,

де hк – висота шару матеріалу, що підлягає видаленню, м;

Uвп - початковий вологовміст вороху насіння льону, кг/кг;

U1, U2 - значення вологовмісту у двох паралельних плоских шарах,

при 50 мм?hк?204мм; 0,25кг/кг?Uвп?0,35кг/кг.

Причому в окремих випадках доводиться мати справу із матеріалом фіксованої висоти L товстого шару H, який у процесі сушіння необхідно видаляти за межі сушильної камери. За модель такого технологічного процесу прийнято встановлений режим сушіння сформованих стеблових матеріалів у рулонах з горизонтальною віссю обертання, яка представлена на рис.3. Для максимального використання потенціалу сушильного агента пропонується застосовування коливного температурного режиму. При цьому період нагріву і охолодження рівні між собою ?н=ф0, а період відлежування ?Е= фн+ф0. Для об’єму рулонів висотою Н=3L, швидкість сушіння визначається згідно з формулою:

,

де Nвх - швидкість сушіння матеріалу у плоскому шарі зі сторони подачі сушильного агента, %/с;

б - ?оефіцієнт тепловіддачі сушильного агента, Вт/м2·0К;

S – cумарна площа поверхні стебел, де відбувається вологобмін із сушильним агентом, м2;

F – площа поперечного перерізу рулону, м2;

Vса- швидкість сушильного агента, м/с;

гса- питома вага сушильного агента на виході із товстого шару, кг/м3;

Ср - теплоємність льонотрести при постійному тиску, Дж/кг·0К.

Якщо висоту Н товстого шару розділити на три частини та врахувати умови встановленого режиму сушіння, то формула для розрахунку зниження вологості, при використанні елементів методу протитечії зазначених матеріалів, матиме вигляд:

,

де Gса- максимальна кількість тепла, яка передається сушильним агентом;

m – зміна маси матеріалу, в якому відбувається видалення вологи за певний проміжок часу, кг/с.

r – теплота пароутворення, Дж/кг.

к1, к2, к3 - коефіцієнти, що враховують зміну вологості після періоду відлежування.

Пошук шляхів зниження енерговитрат післязбирального обробітку рослинних матеріалів привів до створення сушарок, технологічний процес яких передбачає використання елементів методу протитечії, що ускладнює їх конструкцію, особливо для неоднорідних матеріалів.

Вибір раціональних параметрів механізмів забезпечення процесу сушіння залежить від масової витрати сушильного агента. На підставі аналізу діаграм (рис.4) зміни вологості по висоті шару запропоновано узагальнену формулу для визначення його витрати:

де ?са – щільність сушильного агента, кг/м3;

М - маса матеріалу, яка піддається сушінню, кг;

е0 – коефіцієнт, який характеризує вологопоглинаючу здатність сушильного агента, г/м3;

фh- час сушіння, год;

Wn, Wh,W0 – відповідно відносна початкова вологість, на висоті h і проміжне значення вологості, %;

лcp, лЕ - коефіцієнти, що враховують втрату потенціалу сушильного агента після його проходження через рівномірні об’єми;

о - ?оефіцієнт рівний h/Н.

Інтенсифікація переміщення вологи із внутрішніх шарів до поверхні одиничних сільськогосподарських матеріалів при їх сушінні досягається шляхом почергового нагрівання та охолодження. Для моделювання даного процесу достатньо зробити допущення, що період нагрівання (охолодження) підпорядковується лінійному закону (рис.5). За таких умов отримано аналітичну модель коливного температурного процесу сушіння сільськогосподарських матеріалів у нерухомому товстому шарі, основою якої є залежність:

,

де Wn і Wк - значення відповідно початкової і кондиційної вологості;

бq - коефіцієнт теплообміну;

с0 - густина сухого матеріалу;

Кv - відношення об’єму тіла до площі його поверхні.

Розроблена програма дозволила реалізувати на ЕОМ модель коливного температурного процесу, а результати показали, що інтенсивність видалення вологи у шарі висотою 0,1 м (рис.6) вдвічі вища при поперемінній подачі сушильного агента з атмосферним повітрям у порівнянні з постійною подачею сушильного агента.

У третьому розділі “Теоретичні основи підготовки неоднорідних матеріалів до сушіння” наведено обґрунтування оптимального розміщення неоднорідних матеріалів при їх завантаженні у сушильну камеру. Оскільки у воросі льону міститься вільне насіння та коробочки, які не вимагає тривалого сушіння, то важливим шляхом зниження енергетичних витрат є видалення баласту із загальної маси матеріалу.

Дослідження процесу сепарації неоднорідних матеріалів, проведене на основі розрахункової моделі (рис.7), і врахування сукупного впливу деформівних властивостей матеріалу та розмірних характеристик його складових дозволило отримати умову проходження тіл кулястої форми крізь просторову ґратку циліндричних тіл:

,

де dк – діаметр тіл циліндричної форми;

mк – маса тіл кулястої форми;

б – ?ут, що визначає напрям дії нормальних реакцій тіл кулястої форми відносно тіл циліндричної форми;

а – відстань від точки защемлення стебел до точок контакту з коробочкою;

lпр – відстань між точками защемлення окремих стебел;

Е – модуль пружності стебел льону;

І – момент інерції поперечного стебел льону відносно нейтральної вісі.

Також встановлено, що рівняння сепарації важкороздільних неоднорідних матеріалів на сепараторі барабанного типу має вигляд:

,

де ?к - кількість насіння льону на початку сепаратора;

j1, j2, j3, - коефіцієнти, які характеризують початкові параметри матеріалу і встановлюються експериментально;

хп, хк – межі інтегрування;

lвид- довжина розтягу шару матеріалу.

Моделювання процесу розтягування важкороздільних матеріалів у процесі їх поступального руху під дією робочих органів (рис.8) дозволило отримати диференціальне рівняння, що описує даний процес:

щ1- кутова швидкість обертання барабана;

fp- коефіцієнт, який залежить від вологості вороху льону і вмісту в ньому плутанини, fp= (6,7...9,3) 103 Н/м2.

Реалізація аналітичної моделі за допомогою ЕОМ залежності (12) дозволила візуалізувати процес переміщення вороху льону по робочих поверхнях сепаратора барабанного типу.

Для ефективної роботи барабанного сепаратора необхідним є обґрунтування форми робочих поверхонь його виконавчих механізмів. Механіко-математичним аналізом отримано залежність (13), на основі якої розроблена і реалізована на ЕОМ програма для розрахунку та побудови профілю зуба.

,

де fвт – коефіцієнт внутрішнього тертя матеріалу.

Ефективність захоплення матеріалу, утримання його у фіксованому положенні в момент розтягування визначається кривизною поверхні зуба. На основі фізичної моделі переміщення виділеного елемента матеріалу масою dm по поверхні зубчастого робочого органу отримано диференціальне рівняння, яке описує даний процес:

,

де а – коефіцієнт кривизни параболи;

Fx, Fy - проекції головного вектора прикладених сил;

fтр - коефіцієнт тертя.

При реалізації на ЕОМ отриманої моделі застосовано метод динамічного програмування, який передбачав випадковий вибір значень величин fтр, , Fp в межах прийнятого діапазону їх зміни.

Дослідження залежності якості виконання технологічного процесу сепарації від взаємного впливу розмірних характеристик складників неоднорідного матеріалу та конструктивно-технологічних параметрів сепаратора (рис.9) дозволили отримати формули для його розрахунку:

, | ,

де l0 = Д + r1 + r2 + h2; R1 = r1 + h1; R2 = r2 + h2; кц1 = к ц2 + кб;

;.

Використання елементів методу протитечії при сушінні матеріалів у товстому нерухомому шарі вимагає встановлення раціональних конструктивних параметрів вивантажувального пристрою. Аналітичне моделювання процесу видалення матеріалу з-під товстого шару (рис.10) дозволило отримати диференціальне рівняння:

,

де Fо, Fз - проекції головного вектора прикладених (активних) сил на рухомі осі координат.

Наведене рівняння у сукупності із методами динамічного програмування, що забезпечують можливість врахування випадковості конкретних числових значень фізико-механічних власти-востей матеріалу, дає можливість проводити вибір раціональних параметрів вивантажувального пристрою рослинних матеріалів.

Для зниження витрат енергії у процесі сушіння сформованих тіл циліндричної форми раціонально застосовувати гравітаційні сили для виконання транспортних операцій. Аналіз процесу кочення рулону по похилій площині дозволив отримати залежності для визначення швидкості та переміщення його центра мас:

;

,

де R, Rекв - дійсний та еквівалентний радіус рулону;

fк - коефіцієнт кочення рулону;

с - ?адіус інерції рулону;

Д - ?еформація рулону;

б – ?ут нахилу похилої площини.

Та визначити умову кочення рулону без ковзання:

.

Для практичного використання отриманих виразів (18), (19) і (20), а також визначення шляхів інтенсифікації процесу видалення вологи встановлено закономірності розподілу щільності матеріалу по об’єму рулону. Розкриття впливу фізико-механічних властивостей рослинних матеріалів на розподіл напружень у циліндричному масиві (рис.11,а) дозволило отримати формулу (21), яка у сукупності із аналітичними залежностями, що описують форму головної кривої ущільнення, кривих розвантаження та повторного стискання розглянутих матеріалів дають можливість визначити розподіл щільності рулону при його формуванні у камерах постійного чи змінного об’єму:

,

де qmax – рівномірно розподілене навантаження, що діє на матеріал;

ц0 - кут внутрішнього тертя матеріалу;

с - зусилля зчеплення між частинками матеріалу.

У четвертому розділі “Науково-практичні засади сушіння матеріалів у нерухомому шарі. Методологія і результати досліджень” розроблено методики комплексних досліджень для визначення:

- закономірностей зміни вологості і температури з висотою в процесі сушіння нерухомого товстого шару матеріалу шляхом зняття кривих сушіння при основних визначальних параметрах;

-

-

-

-

Для проведення експериментальних досліджень використовувалось стандартне обладнання і спеціально розроблені стенди та установки.

Багатоваріантність досліджень з визначення функціональних параметрів процесу сушіння вороху льону в нерухомому товстому шарі дозволила зробити висновок, що із зменшенням плутанини у воросі льону його початкова вологість значно знижується і рідко перевищує 35%. Дане значення відповідає вологовмісту Uп = 0,538 кг/кг.

Виявлення основних параметрів при сушінні матеріалів проводили шляхом побудови кривих сушіння (рис.12).

За результатами експериментальних досліджень було встановлено:

- на висоті більше 0,8 м зі сторони подачі сушильного агента в деякий момент часу можливе збільшення вологості верхніх шарів матеріалу на 1,5..2,5% від загальної;

- при використанні температури сушильного агента в межах 45?С рівноважний вологовміст вороху льону становить Uр = 0,07 ±0,01 кг/кг;

- критичний вологовміст вороху льону в точці переходу із періоду постійної швидкості в період падаючої швидкості сушіння в середньому становить Uкр = 0,195 кг/кг.

Комплексна оцінка процесу зниження вологості вороху льону в нерухомому товстому шарі можлива із визначенням коефіцієнтів та швидкостей сушіння, які визначали з використанням теоретичних досліджень. Розрахунок, проведений за двома експериментальними точками, які лежать в зоні кондиційного вологовмісту, виявив, що межі довірчого інтервалу коефіцієнтів сушіння знаходяться в діапазоні від 0,725 до 1,521.

Швидкість зниження вологості матеріалів визначали методом графічного диференціювання. Аналіз отриманих значень показав, що максимальна швидкість сушіння вороху льону відбувається в площині контакту матеріалу із сушильним агентом і може сягати до 8 %/год.

Випробовування експериментального зразка причепа-сушарки показали, що дану сушарку можна використовувати при умові, що ворох льону має вміст плутанини не більше 30% і рівномірний розподіл в об’ємі. При збільшенні вмісту плутанини відбуваються значні втрати сушильного агента по периметру сушильної камери та в точках, де щільність найменша.

Пошук шляхів зниження енергетичних витрат при зниженні вологості неоднорідних матеріалів у нерухомому товстому шарі обумовив дослідження впливу охолодження на процес при застосуванні коливного температурного режиму. Аналіз отриманих результатів досліджень (рис.13) показав, що на висоті 0,6-0,8 м, кондиційного значення вологості матеріалу можна досягти через три цикли, шляхом його охолодження з періодами до 30 хв. Також було встановлено, що при використанні коливного температурного режиму під час подачі атмосферного повітря зниження вологості матеріалу відбувається лише в окремих шарах, при цьому середня швидкість сушіння не перевищує 1%/год. Тому процес охолодження матеріалу необхідно використовувати лише для перерозподілу вологи в загальному шарі. При вологовмісті, близькому до рівноважного (Uп = 0,07 кг/кг), можливе зволоження окремих шарів.

Застосування коливного температурного режиму дозволяє інтенсифікувати процес міграції вологи у складниках матеріалу до поверхні окремих тіл. Дане явище відслідковується на висоті 0,4 м та 0,8 м (рис.13). Сумарне значення швидкості сушіння у другому циклі склало 2,34%/год на висоті 0,4 м і 2,66% на висоті 0,8 м, що практично не відрізняється від максимальної швидкості при нагріванні матеріалу у початковій стадії зі сторони подачі сушильного агента. Таке явище пояснюється зменшенням градієнту температури по висоті капілярів і його можна використовувати для зниження енергетичних витрат, які йдуть на підготовку сушильного агента в сушарці, у якій реалізовано коливний температурний процес з елементами методу протитечії.

При нагріванні матеріалів в процесі сушіння обовязковим є контроль їх температури. Аналіз побудованих графічних залежностей (рис.14) зміни температури з висотою показав, що температура матеріалу із зростанням висоти знижується. У випадку використання коливного температурного режиму необхідний час у межах 10...20 хв для вирівнювання температур матеріалу і сушильного агента.

Одним із основних факторів, який дозволяє інтенсифікувати процес сушіння, є підвищення температури сушильного агента. Результати перевірки насіння висушеного вороху льону на енергію проростання та схожість показують, що для випадку короткотривалого (до 20 хв) підвищення температури сушильного агента до 85?С вона суттєво не впливає на схожість насіння як з висотою, так і по площі загального товстого шару. Таке явище пояснюється тим, що кожна насінина має захист від прямої дії температури сушильного агента у вигляді коробочки.

Аналіз кривих сушіння (рис.15) дозволяє стверджувати, що швидкість сушіння плутанини у 4…4,5 раз вища у порівнянні з ворохом насіння льону, що обумовлюється формами зв’язку вологи з матеріалом. В свою чергу збільшення температури до 85? ± 5є? суттєво не підвищує швидкість сушіння коробочок льону методом пошарового розміщення плутанини і вороху насіння льону. Тому плутанину у такому разі можна використовувати тільки як демпфуючий матеріал, який пом’якшує режими сушіння вороху насіння льону при температурі сушильного агента вище 100?С.

При моделюванні процесу сушіння із застосуванням методу протитечії були вибрані фактори, які в попередніх дослідженнях були визначальними. До них віднесені початкова вологість Wп % вороху льону, вміст плутанини L % в загальній масі вороху льону, температура t?С і питома подача сушильного агента на одиницю матеріалу, що обробляється q. Обробка даних результатів чотирифакторного експерименту за трирівневим планом другого порядку дозволила отримати наступне рівняння регресії з факторами у натуральному вигляді, функцією відгуку якого є час сушіння:

,

Порівняльний аналіз поверхні відгуку та їх двомірних січень, побудованих на основі моделі (22), підтвердив, що визначальним фактором при сушінні рослинних матеріалів є початкова вологість Wп. Тому для її зниження при сушінні вороху льону доцільно виділяти баласт у вигляді плутанини. Тоді, при раціональній температурі сушильного агента знижується його питома подача q до 25 %.

Оскільки зменшення вмісту плутанини вимагає встановлення у завантажувальний пристрій сепаратора, то було проведено оптимізацію процесу сепарації. Згідно попередніх досліджень визначальними факторами, які впливають на повноту виділення вороху насіння льону, є: Wn– початкова вологість вороху льону, %; L– вміст плутанини, %; Н - висота шару матеріалу при подачі на сепаратор, м; V– швидкість подачі матеріалу, м/с.

Обробка результатів проведеного багатофакторного експерименту дозволила отримати рівняння регресії функцією відгуку якого є відсоток виділення вороху насіння льону:

,

Побудовані поверхні відгуку та їх двомірні січення показали, що раціональною швидкістю подачі є швидкість у межах 0,8…1,0 м/с при висоті подачі 0,25…0,30 м. Тоді відсоток виділеного якісного матеріалу становить 85…95% залежно від його початкової вологості.

З метою пошуку шляхів зниження ресурсовитрат при післязбиральному обробітку сформованих стеблових тіл у рулонах, проведені дослідження процесу їх сушіння з використанням елементів методу протитечії для трьох варіантів: зниження вологості вказаним методом; додатково з використанням періодів відлежування; додатково з використанням коливного температурного режиму. Отримані результати дозволили зробити наступні висновки:

- швидкість сушіння у стеблах зі сторони подачі сушильного агента коливається в межах 1,5 %/год і при цьому існує різниця у швидкості видалення вологи як по діаметрі зразка, так і довжині стебел. Вона зростає до 2,5% в окремих періодах і залежить від щільності зразка;

- середня швидкість сушіння при збільшенні висоти шару до величини, рівної трьом довжинам стебел льону-довгунця, не залежить від температурного режиму і становить 0,70...0,90 %/год;

- особливої уваги заслуговує метод коливного температурного процесу, коли за аналогічний період можна досягнути зниження вологості у зразку, найближчому до подачі сушильного агента; при цьому інтенсивність процесу очевидна у третьому циклі “нагрівання-охолодження” і може зростати до максимального можливого значення;

- відлежування стебел льону-довгунця дозволяє зробити перерозподіл вологості у рулоні як з діаметром, так і довжиною стебла, що загалом веде до зниження енергетичних витрат. Аналогічний вплив на переміщення вологи у матеріалі має дія атмосферного повітря.

Отже, проведені дослідження обумовили оптимізацію процесу сушіння сформованих зразків із стебел льону-довгунця з елементами методу протитечії при поперемінній подачі сушильного агента та атмосферного повітря. Періоди нагрівання дорівнювали періодам подачі атмосферного повітря, у який входив також час на переміщення зразків. У якості функції відгуку було вибрано середнє значення кінцевої вологості стебел льону-довгунця у зразках W1, W2, W3%. Змінними факторами були початкова вологість Wп, %, тривалість сушіння зразка по всій довжині стебла t, хв, температура сушильного агента і атмосферного повітря tн і tо С та щільність рулону ?р, кг/м3.

На основі оброблених статистичних даних багатофакторного експерименту отримано наступні рівняння регресії:

На основі рівнянь (24) - (26) були побудовані поверхні відгуку та їх двомірні січення для трьох сформованих зразків стебел льону-довгунця. Аналіз отриманих результатів підтвердив теоретичні залежності, згідно з якими для капілярно-пористих тіл із великою розвинутою поверхнею з метою зниження енергетичних витрат доцільно застосовувати елементи методу протитечії. В іншому випадку вологість першого зразка стебел льону-довгунця зі сторони подачі сушильного агента стає меншою кондиційної (Wкон = 19%), а в окремих випадках до Wк = 8…9 % при початковій вологості 50 %. Тому забезпечення вказаних режимів сушіння дозволяє зменшити час періодів нагрівання і охолодження до ?=10 хв. Крім цього, значний вплив на інтенсивність сушіння має щільність рулону. Так, при зменшенні щільності на 20%, інтенсивність сушіння на середніх рівнях зростає на 5…6%, особливо у початковий момент сушіння і найбільш віддаленому рулоні від джерела сушильного агента.

При проведенні тривалих теоретичних і експериментальних досліджень, з метою підтвердження гіпотези про можливість використання результатів досліджень процесів сушіння продуктів льону-довгунця для створення універсальних машин, проводився порівняльний аналіз результатів зниження вологості у насінні цукрових буряків та кукурудзи в качанах (рис.16). Метою порівняльного аналізу було встановлення загальної тенденції зниження вологості сільськогосподарських матеріалів при сталих параметрах сушильного агента, його швидкості і температури.

Багатоваріантні дослідження із даними матеріалами вказують на можливість інтенсифікації процесу шляхом підвищення температури сушильного агента вище гранично допустимої, що обумовлено їх будовою.

За результатами досліджень узагальнено процес сушіння неоднорідних рослинних матеріалів у нерухомому шарі. Необхідно відмітити, що інтенсивність видалення вологи відбувається на глибину зони сушіння, яка не перевищує 0,4 м. Найбільш інтенсивне видалення відбувається у зоні контакту матеріалу із сушильним агентом і прилеглих до неї плоских шарах. Тому дане явище вимагає пошуку технічних рішень для зменшення висоти hк матеріалу, що підлягає вивантаженню після досягнення кондиційної вологості при використанні елементів методу протитечії. За інтенсивністю вологовіддачі рослинні матеріали можна поділити на дві групи: 0-5% та 5-10%.

Необхідно також відмітити, що у випадках підвищеного вологовмісту в окремих сільськогосподарських матеріалах можливе зволоження верхніх шарів на 1 – 2 % (рис.16). Порівняльний аналіз аналогічних кривих при дослідженні процесів сушіння даних матеріалів з елементами методу протитечії вказує на відсутність даного явища.

У п’ятому розділі ”Напрямки вдосконалення технології та засобів механізації сушіння рослинних матеріалів у нерухомому шарі з елементами методу протитечії ” на основі аналізу кращих взірців вітчизняної і закордонної сушильної техніки та висновків, отриманих в результаті проведених досліджень, визначені основні шляхи вдосконалення сушильної техніки.

Головним напрямком зниження енергетичних витрат є вдосконалення технологічних процесів збирання та післязбирального обробітку рослинних матеріалів. Для неоднорідних матеріалів, у тому числі вороху льону, таке вдосконалення полягає у його розділенні на фракції. Досягти позитивного ефекту при сушінні качанів кукурудзи можна шляхом поділу їх на частинки довжиною близькою до середнього діаметру. Включення наведених операцій у процес післязбирального обробітку забезпечує універсалізацію сушарок.

Зниження енерго- і матеріалоємності процесу досягається також удосконаленням конструкцій механізмів завантаження-вивантаження сушарок. Автором розроблено широку гаму конструкцій завантажувальних пристроїв для укладання різних за складом сільськогосподарських матеріалів у сушильні камери, в тому числі з операцією сепарації. Розроблений також вивантажувальний механізм із зменшеною в чотири рази масою у порівнянні з аналогами, призначений для вивантаження із карусельних протитечієвих сушарок волокнистих сільськогосподарських матеріалів. Дане технічне рішення вирішує комплекс інженерних задач, які полягають у максимальному використанні корисної площі сушарки. При цьому усувається недолік утворення “мертвого” шару матеріалу на днищі сушильної камери.

Комплектація сушильної камери вузлами, технічні рішення яких описані вище, забезпечують можливість створення універсальної карусельної сушарки для сільськогосподарських рослинних матеріалів різної продуктивності. Вказані рішення знижують енергоємність виконання окремих операцій у 2...3 рази.

Проведені дослідження вказують на необхідність максимальної реалізації методу протитечії у сушарках сільськогосподарського призначення. З цією метою розроблені конструкції сушарок, які поряд із застосуванням елементів методу протитечії передбачають можливість зменшення їх габаритів для транспортування, максимальну автоматизацію процесу сушіння, а