Исследования выполнены в зерновых сушилках шахтного типа в хозяйствах Ленинградской и Новгородской областей. Обработке подвергался ворох различных зерновых культур, прошедший предварительную очистку. Переменными, определяющими условия функционирования сушилки, рис. 1, выбраны начальное влагосодержание W0(t), и температура υЗ0(t) вороха. Температура теплоносителя υТ(t) и экспозиция ω(t) определяют требуемый режим сушки и в процессе экспериментов поддерживались на заданных уровнях при помощи автоматических регуляторов. Качество и интенсивность протекания процесса оценивались по температуре υЗ(t) и влагосодержанию W(t) зерна.
Рис.1. Структурная функциональная схема сушильной камеры
Исследование динамики влагосодержания вороха проводилось с отбором проб из потока с квантованием не по времени (t), а по объёму (v), что позволило получить универсальную модель условий функционирования, пригодную для сушилок любой производительности. Всего получено 37 реализаций влагосодержания с количеством проб от 110 до 332. Установлено, что случайные функции влагосодержания W0(v) в течение смены в основном нестационарны. Нестационарность наблюдается преимущественно в утренние и вечерние часы, а также в периоды выпадения атмосферных осадков. Изменение текущего среднего влагосодержания вороха достигало 2...5 %.
Нестационарные реализации перед обработкой на ЭВМ приводились к стационарному виду. Установлено, что большинство функций плотности распределения вероятности случайных функций подчиняются нормальному закону. Результаты обработки выборок представлены в табл. 1: где x¯ - выборочные средние; σ - среднеквадратические отклонения; ν - коэффициенты вариации; τ - интервалы корреляции случайных функций; f - диапазоны их существенных частот. В качестве примера, в табл. приведены характеристики случайного типового процесса (τ , мин; f, с-1), рассчитанные с использованием полученной универсальной модели для зерносушилки с плановой производительностью 10 т/ч.
Таблица 1. Оценки характеристик влагосодержания зернового вороха
|
x¯ |
σ |
ν |
τ |
f |
||
|
% |
% |
% |
м3 |
мин |
м-3 |
с-1 10-3 |
|
15,2...33,6 |
0,39...1,70 |
2,2...10,9 |
0,60...4,85 |
2,52...19,53 |
0...8,32 |
0...3,5 |
Для определения статистических оценок функционирования получены реализации процессов на входе сушильной камеры и в шестнадцати точках её нижнего горизонтального сечения. Продолжительность реализаций составляла от 3 до 7 часов, период выборки - 3...5 минут. По реализациям процессов вычислялись:
- оценки функции плотности распределения вероятности, их математических ожиданий, среднеквадратических отклонений и коэффициентов вариации;
- оценки корреляционных функций ρх(τ) и функций спектральной плотности Sx(f);
- оценки взаимных корреляционных функций ρxy(τ) и функций спектральной плотности Sxy(f) процессов на входе и выходе сушильной камеры.
Оценки характеристик зернового вороха на входе и выходе сушильной камеры представлены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики зернового вороха на входе и выходе сушильной камеры
|
Характеристики вороха |
x¯ |
σ |
ν, % |
,τ мин |
f, с-1· 10-3 |
|
Влагосодержание |
|||||
|
на входе, % на выходе, % |
15,2...33,6 13,5...29,8 |
0,7...1,7 0,14...2,6 |
2,2...10,9 0,5...12,1 |
15...60 15...68 |
0...3,8 0...3,9 |
|
Температура |
|||||
|
на входе, С на выходе, С |
9,9...18,1 21,1...31,0 |
0,4...2,5 0,23...5,30 |
3,6...17,1 1,0...18,1 |
15...40 10...60 |
0...4,9 0...3,6 |
Неравномерность поля характеристик вороха в нижнем горизонтальном сечении сушильной камеры оценивалась по отклонениям его влагосодержания Wi и температуры υЗi в отдельных точках сечения от средних значений в сечении. Установлено, что отклонения влагосодержания в отдельных точках могут достигать 2,5 %, а температуры - 7 С. Это превышает допуски, задаваемые агротехническими требованиями.
Результаты оценки связей процессов на входе и выходе сушильной камеры представлены в табл. 3. Установлено, что отсутствует корреляционная связь процессов изменения температуры uЗ0(t) и влагосодержания W0(t) вороха на входе сушилки. Не обнаружено также связи процессов uЗ0(t) - uЗ(t) и uЗ0(t) - W(t), что позволяет сделать вывод о том, что начальная температура вороха не оказывает существенного влияния на характеристики вороха внутри сушильной камеры.
Особенностью сушильной камеры является то, что коэффициенты взаимной корреляции процессов W0(t) и uЗ(t), а также W(t) и uЗ(t) являются знакопеременными. Это свидетельствует о существовании нелинейной связи процессов.
Таблица 3. Диапазоны изменения коэффициентов взаимной корреляции процессов на входе и выходе сушилки
|
Процесс |
Диапазон изменения |
|
W0(t) - uЗ(t) |
-0,48...0,32 |
|
W0(t) - W(t) |
0,39...0,60 |
|
W(t) - uЗ(t) |
-0,76...0,38 |
Динамические характеристики сушильной камеры определялись как в лабораторных, так и производственных условиях. По каналам W0(t) - W(t) и W0(t) - uЗ(t) динамические характеристики оценивались путем сравнения функций спектральной плотности процессов на входе и выходе сушильной камеры. Установлено, что спектральный состав сигнала при прохождении через сушилку практически не меняется. Это позволяет использовать для аппроксимации динамических свойств сушильной камеры по указанным каналам модель усилительного звена с транспортным запаздыванием (τТ), табл. 4.
Динамические свойства по каналам передачи управляющих сигналов определены для зерносушилки СЗШ-8 [1] методом типовых воздействий. Результаты идентификации характеристик представлены в табл. 4, а диапазоны изменения постоянных времени передаточных функций и значения статических коэффициентов передачи - в табл. 5 и 6.
Структура передаточных функций и значения их коэффициентов свидетельствуют о сложности процессов протекающих в сушильной камере. Для примера на рис. 2 представлены реакции температуры зерна uЗ(t) на скачкообразное увеличение производительности ω(t) её выгрузного аппарата при стабилизированной температуре теплоносителя. Характерным является кратковременное увеличение температуры зерна в начальном периоде процесса. Объясняется это изменением аэродинамических характеристик подвижного зернового слоя в сушилке. Так увеличение скорости перемещения зерна ведет к разуплотнению слоя и снижению его аэродинамического сопротивления. Это вызывает увеличение подачи теплоносителя в сушильную камеру и, при постоянстве его температуры, ведет к увеличению количества теплоты, подводимой к зерну. Вследствие этого увеличивается температура зерна. Превышения температуры ΔυЗ для практически встречающихся режимов сушки могут достигать 2...8 С и - стать опасными для семенных и продовольственных качеств зерна. На втором этапе развития переходного процесса более заметную роль оказывают инерционные процессы тепловлагообмена. С увеличением влагосодержания зерна его температура постепенно понижается.
Таблица 4. Передаточные функции сушильной камеры
|
Канал передачи сигнала |
Передаточная функция |
|
Температура uТ теплоносителя - температура uЗ зерна |
|
|
Частота ω колебаний выпускного аппарата - влагосодержание W зерна |
|
|
Температура uТ теплоносителя - влагосодержание W зерна |
|
|
Частота ω колебаний выпускного аппарата - температура uЗ зерна |
|
|
Влагосодержание W0 зерна на входе- температура uЗ зерна на выходе |
|
|
Влагосодержание W0 зерна на входе - влагосодержание W зерна на выходе |
|
Таблица 5. Постоянные времени передаточных функций
|
Постоянная времени |
Пределы изменения по каналам передачи, мин |
|||
|
(uТ - W) |
(uТ - uЗ) |
(ω - W) |
( ω - υЗ) |
|
|
T1 |
14,38...32,32 |
10,06...19,53 |
15,19...31,93 |
-25,83...-14,24 |
|
Т2 |
6,66...15,36 |
4,49...9,23 |
6,76...15,56 |
7,69...14,39 |
|
Т3 |
- |
- |
- |
-7,98...-4,61 |
|
T´ |
- |
- |
- |
-2,19...68,21 |
|
T" |
- |
- |
- |
69,14...46,12 |
|
τ0 |
11,3...12,9 |
3,7...5,1 |
6,7...16,7 |
- |
Таблица 6. Статические коэффициенты передачи
|
Канал передачи |
Единица измерения |
Пределы изменения |
|
uТ - uЗ |
˚С/˚С |
0,035...0,351 |
|
ω- W |
%/мин-1 |
- 0,034...0,349 |
|
uТ - W |
%/˚С |
0,007...0,05 |
|
ω- uЗ |
-1 ˚С/мин |
- 1,13...0,785 |
|
W0 - uЗ |
˚С/% |
- 1,769...1,009 |
|
W0 - W |
%/% |
0,507...0,932 |
Рис. 2. Переходные процессы на выходе сушильной камеры по каналу ω - uЗ при υТ = 100 ˚С: 1 - W0 = 18 %; 2 - W0 = 22 %; 3 - W0 = 26 %
Установлено, что в результате варьирования начального влагосодержания зерна W0 в пределах 18...26 %, а частоты колебаний каретки выгрузного аппарата от 24 мин-1 до 32 мин-1 установившаяся температура зерна может отклоняться на 15,4...19,6 С от начального значения. Это подтверждает то, что стабилизация температуры теплоносителя на входе сушильной камеры не обеспечивает стабилизацию температуры зерна при изменениях W0 и ω . Поэтому, современные сушилки для более качественного выполнения рабочего процесса должны оснащаться системами автоматического контроля и регулирования температуры зерна.
На основании полученных результатов разработана система регулирования процесса сушки зерна, реализующая принцип стабилизации количества теплоты подаваемой в сушильную камеру [2]. Её использование позволяет с меньшей погрешностью осуществлять регулирование тепловых режимов в сушилке и достигнуть лучшего качества выполнения процесса.
Литература
- Колесов Л. В., Андрианов Н. М. Экспериментальное обоснование совершенствования процесса сушки в шахтных зерносушилках // Сб. науч. тр. ЛСХИ «Методы и средства интенсификации технологических процессов на базе микроэлектроники». - Л., 1990. С. 69.
- Патент РФ № 2135917. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна и устройство для его осуществления // Андрианов Н. М. и др. - Бюл. изобретений. 1999. № 24.