ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНА ЗА СЧЕТ СРЕДСТВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Веселова Н.М.¹, Нехорошев Д.Д.², Меликов А.В.³

¹Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград, ²Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград, ³Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНА ЗА СЧЕТ СРЕДСТВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация

В работе была предложена конструкция солнечной сушильной установки, которая позволит снизить затраты на энергетическое топливо. Разработан способ снижения энергетических затрат сушки зерновых культур с применением солнечной энергии. Рассматривается целесообразность применения солнечной сушильной установки как дополнительный агрегат, устанавливаемый в полевых условиях для первичной обработки зерна. Данная установка предназначена для полевых условий работы в период солнечного дня и является дополнительным агрегатом в системе первичной обработки зерна. Наибольший эффект в данной установке достигается (улучшение качества семенных материалов) за счет использования солнечной энергии для создания сушильного агента определенного потенциала. Такая установка обеспечивает экологическую чистоту процесса сушки зерна, малые первичные капитальные затраты и может быть рекомендована для использования в условиях Южного федерального округа.

Ключевые слова: первичная обработка зерна, возобновляемые источники энергии, солнечный потенциал энергии, солнечные сушилки, энергосбережение.

Veselova N.M.¹, Nekhoroshev D.D.², Melikov A.V.³

¹PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd, ²PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd, ³PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd

ENERGY INSTALLATION FOR DRYING GRAIN USING SOLAR ENERGY

Abstract

In this work the design of solar drying installation which will allow to lower expenses for power fuel has been offered. A method to reduce the energy costs of drying grain crops using solar energy has been developed. The expediency of using a solar drying installation as an additional unit installed in the field for primary grain processing is considered. This unit is designed for field working conditions during the sunny day and is an additional unit in the primary grain processing system. The greatest effect in this installation is achieved (improving the quality of seed materials) by using solar energy to create a drying agent of a certain potential. Such an installation ensures the ecological purity of the drying process of grain, small primary capital costs and can be recommended for use in the conditions of the Southern Federal District.

Keywords: primary grain processing, renewable energy sources, solar energy potential, solar dryers, energy saving.

Сушка зерна в период послеуборочной обработки – наиболее эффективное средство обеспечения его сохранности. Применяемые в настоящее время способы сушки зерна благодаря внедрению автоматических средств и систем и применением прогрессивных режимов обеспечивают высокую производительность сушильного оборудования и требуемые показатели качества зерна. В то же время существующие системы первичной обработки зерна имеют в своем составе энергоемкие технологические процессы. Резкое повышение цен на энергоносители поставило задачу рационального использования агрегатов по первичной обработке зерна. Высокая энергоемкость сушильных агрегатов, не малые затраты энергетического топлива и электроэнергии, все это создает предпосылки для разработки способа повышения энергоэффективности первичной обработки зерна.

Возобновляемые источники энергии позволяют заменять энергетическое топливо в тепловых технологических процессах. Наиболее перспективным источником здесь может выступать солнечная энергия. Районы выращивания зерновых культур имеют достаточно высокий потенциал солнечной энергии, в среднем в них продолжительность солнечного сияния составляет 2000 ч.

В предложенной работе рассматривается целесообразность применения солнечной сушильной установки как дополнительный агрегат, устанавливаемый в полевых условиях для первичной обработки зерна. Данная комбинация оборудования позволит избежать затраты на энергетическое топливо, что делает солнечную сушильную установку экономически выгодной перед рядом установок, работающих на дизельном топливе, природном газе, сжиженном газе, где затраты на топливо составляют около 20% от общих затрат. Работа установки на солнечной энергии делает ее экологически безопасной для окружающей среды. Она достаточно надежна и практически не требует технического обслуживания по сравнению с существующими сушильными агрегатами, в которых затраты на обслуживание достигают 11% от общих. Наибольшим эффектом в данном агрегате является облегченный и не занимающий много времени процесс на подготовку зерна к длительному хранению, это позволяет произвести передачу зерна с поля на склад длительного хранения с минимальными потерями, значительно сокращая потери зерна в период уборки урожая. При этом значительно повышается качество зерна, что приводит к повышению цены на данный вид продукции.

В целом результаты работы представляют интерес для развития агропромышленного комплекса, особенно для небольших фермерских хозяйств занимающихся выращиванием зерна.

В области использования солнечной энергии для тепловых технологических процессов было проведено множество отечественных и зарубежных исследований. Так, например, под руководством академика НАН Белоруссии М.М. Севернева разработан разборный гелиовоздухоподогреватель для сушки растительных материалов [1, С. 46]. Казахстанские ученые рассматривали возможность использования фотоэлектрических панелей для работы электрокаллорифера в сушильной камере зерна [2, С. 274]. В своей книге Джон Дьюфай и Уильям Бекман «Тепловые солнечные установки» подробно рассматривает возможности использования солнечной энергии для различных технологий, в том числе и для сушки зерновых культур [3, С. 842]. Американским ученым Абдурахманом Хамди был разработан солнечный подогреватель воздуха секстантской формы позволяющий регулировать выходную температуру теплоносителя [4, С. 943], который мог бы использоваться для сушильной установки. В работе индийских ученых Л. М. Баль, С. Сатья, С.Н. Найк  рассматривается сушильная установка для сельскохозяйственных продуктов с накопителем [5, С. 2305]. Более подробно влияние геометрии, угла наклона и скорости потока воздуха в солнечном подогревателе на выходные характеристики теплоносителя исследовалось автором Афак Джасим Махмудом [6, С. 68]. Таким образом, можно отметить, что, несмотря на разнообразие способов получения теплоносителя необходимого потенциала для сушки зерна с использованием солнечной энергии, существующие технологии еще недостаточно эффективны, а конструкции довольно громоздкие и дорогостоящие, в то же время они уже позволяют значительно снижать энергозатраты.

В сельскохозяйственном производстве для сушки зерновых культур используется конвективная сушка, которая осуществляется преимущественно в шахтных, барабанных и рециркуляционных типах сушилок. [7, С. 39]. Все существующие зерносушильные агрегаты имеют высокую энергоемкость (большие затраты тепловой и электрической энергии), о чем свидетельствуют их технические характеристики. [8].

Затраты на энергоносители при сушке в общей себестоимости зерна могут достигать до 24 %. Имеющийся зарубежный опыт в использовании солнечных установок для тепловых технологических процессов достаточно широк и может быть использован для создания комбинированных систем энергообеспечения сельскохозяйственных производств. Комбинированные системы на основе солнечных нагревательных установок могут повысить энергоэффективность процесса сушки в 1,2 – 1,3 раза. [9].

По данным статистики 2014 года больше всех произведено пшеницы в Южном федеральном округе – 18522,9 тыс. тонн. Места в производстве зерна распределились среди регионов в 2015 году так: 1 место Краснодарский край, следующий Ростовская область и наконец Ставропольский край и.т.д. [10]. Таким образом, можно сделать вывод, что имеющийся потенциал солнечной энергии в районах выращивания зерновых культур достаточен для его использования в тепловых процессах сушки зерна.

Рассматриваемая солнечная сушилка представляет собой комплекс устройств, в который входит: бункер-дозатор, транспортер-адсорбер, солнечный воздухо-подогреватель (рис.1). Для электрообеспечения привода вентилятора и транспортера можно использовать фотоэлектрические преобразователи.

Бункер-дозатор 1 должен обеспечивать необходимую производительность сушилки и равномерно распределять зерно на ленте колосниковой решетки. Решетка имеет длину 5 метров и ширину 1 метр она имеет перфорацию для возможности размещения на ней зерна, таким образом, чтобы зерно не проваливалось, и не было допускания псевдоожижанного или витающего слоя, что позволит производить первичную сушку 36 килограмм зерна за 1 минуту, т.е. 600 грамм зерна в секунду. Это позволяет солнечный день за 8 часов сушить более 17 тонн продукции. Для увеличения аккумуляции теплоты, внутри транспортера-абсорбера расположен змеевик с водой.

Солнечная сушилка работает следующим образом. Чистый воздух засасывается вентилятором на высоте примерно 2 м и подается в воздушную солнечную панель, где нагревается за счет солнечного излучения до температуры 50-55°С, при такой температуре зерно не потеряет своих свойств. Далее подогретый воздух проходит в собственно сушилку, где протекая через колосники циркулирует в верхней части сушилки забирая влагу у зерна и не давая ей сконденсироваться за счет вторичного подогрева от солнечной радиации и от трубчатого змеевика. Насыщенный влагой воздух удаляется из отверстия, расположенного вблизи бункера-дозатора.

Рис.1 – Схема солнечной радиационно-конвекторной сушилки: 1 – бункер-дозатор, 2 – распределяющий нож, 3 – светопрозрачное покрытие (закаленное стекло), 4 – колосниковая решетка, 5 – змеевик с водой, 6 – вал транспортера, 7 – воздушный солнечный подогреватель, 8 – вентилятор, 9 – приемный бункер

 

Режимы движения транспортера и подачи воздуха могут автоматически отстраиваются в зависимости от влажности зерна и естественной освещенности.

Планомерный режим работы транспортера осуществляется по показателю ускорения. Так как

  (1)

Для горизонтально расположенной ленты

  (2)

Необходимо учитывать время t в течении которого транспортируемый материал приобретает скорость v полотна, тогда с учетом выражения (1).

  (3)

Путь, пройденный рабочей ветвью транспортера за промежуток времени составит:

   (4)

Чтобы материал транспортирования обрел скорость полотна, необходимо обеспечить соотношение между длинной рабочей ветви транспортера lр и величиной l.

   (5)

Расчет выхода сухого зерна, расход воздуха основывался на уравнении баланса масс и уравнении теплового баланса.

Общая продолжительность сушки приближенно вычислялась по формуле:

  (6)

где u₁, u_р, u – начальное, равновесное и изменяющееся влагосодержание, %; N = К / χ – скорость сушки в период падающей скорости; К – коэффициент пропорциональности, зависит от режима сушки; χ = 1,8 / u₁ – относительный коэффициент сушки. При заданных значениях начальной u₁ = 17 % и равновесной u_р = u₂ = 15 % влажности зерна и коэффициентом скорости N = 9 %/ч время сушки зерна составило τ = 0,22 ч или 13 минут. Количество испаренной влаги из зерна   (7)

где G₂ = 36 кг/мин – производительность сушилки по сухому зерну, кг/мин.

Расход воздуха сушилкой на испарение влаги из зерна

  (8)

где ρ_в =1,1 кг/м³ – плотность воздуха при температуре сушильного агента 145°С;

d₀ и d₂ – влагосодержание воздуха на входе и на выходе в сушильную установку, определялись из построения процесса сушки на I,d-диаграмме влажного воздуха.

Без учета потерь требуемая тепловая мощность сушильного агента Q = 219 МДж/ч.

Список литературы / References

1. Хазимов М.Ж. Определение термического КПД солнечной сушилки / М.Ж. Хазимов //Материалы за VI международная научно-практическая конференция «Образование и наука 21 век-2010». – София: «Бел ГРАД-БГ» ООД, 2010. - Т. 17. – С. 47-51.
2. Умбетбеков А.Т., Абдибаттаева М.М., Танабекова Г.Б., Аманкос Д.A. Использование солнечной энергий при сушке зерновых культур / А.Т. Умбетбеков, М.М. Абдибаттаева, Г.Б. Танабекова, Д.A. Аманкос // Вестник Казахского научно технического университета им. К.И. Сатпаева. Технические науки – Казахстан. Каз.НТУ, 2015. – №5. С. 273-277.
3. John A., William A. Beckman Solar engineering of thermal process./ A John, A.William // 4th Edition. New York: John Wiley and Sons, 2013. – 936 p.
4. Homadi A M. Investigation on Choosing the Suitable Geometry of the Solar Air Heater to Certain Conditions. / A M. Homadi //World Academy of Science, Engineering and Technol-ogy International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:10, No:9, 2016. – 1179 p.
5. Bal L M., Satya S., Naik S.N. Solar dryer with thermal energy storage systems for drying agricultural food products/ L M. Bal, S Satya, S.N. Naik // Sust. Energy Rev., 2010, vol. 14, P. 2298-2314.
6. Mahmood A. J. Experimental Study of a Solar Air Heater With A New Arrange-ment of Transverse Longitudinal Baffles / A. J. Mahmood // Journal of Solar Energy Engineering vol. 139(3), Feb., 2017.
7. Чумаков, В. Г. Зерносушилки и направления их развития / В. Г. Чумаков, А. С. Жанахов // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки – агропромышленному производству», посвящ. 100-летию со дня рождения И. Е. Ульмана. – Челябинск, 2008. – Ч. 3. – С. 38–42.
8. Российский агропромышленный сервер [Электронный ресурс] – Электрон. дан. URL: https://voronezh.agroserver.ru/zernosushilki/, свободный. (дата обращения: 20.08.2016).
9. Зерносушильное оборудование. Сайт завода-изготовителя Alvan Blanch [Электронный ресурс] – Электрон. дан. URL: http://www. alfatreid.ru/catalog/ zernosushilnoe-oborudovanie/, свободный. (дата обращения: 14.05.2016).
10. Журнал Агроинвестор [Электронный ресурс] – Электрон. дан. URL: http://www.agroinvestor.ru/regions/article/22996-regiony-lidery-po-sboru-zerna/, свободный. (дата обращения: 18.06.2016).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gasimov M. J. Opredelenie termicheskogo KPD solnechnoj sushilki [Determination of thermal efficiency of solar dryer] / M. J. Gasimov // Materialy za VI mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija «Obrazovanie i nauka 21 vek-2010». – Sofija: «Bel GRAD-BG» OOD [Materials of VI international scientific-practical conference "Education and science of the 21st century-2010". Sophia: "Bel GRAD-BG" LTD].- 2010. -Vol. 17. –P. 47-51.
2. Umbetbaev A. T., Abdybachaev M. M., Danabekova G. B., Amankos D. A. Ispol'zovanie solnechnoj jenergij pri sushke zernovyh kul'tur [the Use of solar energy for drying of crops / A. T. Umbetbaev, M. Abdybachaev, G. B. Danabekova and others // Vestnik Kazahskogo nauchno tehnicheskogo universiteta im. K.I. Satpaeva. [Bulletin of Kazakh scientific and technical University. K. I. Satpayev. Technical science of Kazakhstan. KAZ.NTU], 2015. – No. 5. – P. 273-277.
3. John A., Beckman William A. Solar engineering of thermal process./ A John, A. William // 4th Edition. New York: John Wiley and Sons, 2013. – 936 p.
4. Homadi A M. Investigation on Choosing the Suitable Geometry of the Solar Air Heater to Certain Conditions. / A M. Homadi //World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:10, No:9, 2016. – 1179 p.
5. L M. Bal, Satya S., Naik S. N., Solar dryer with thermal energy storage systems for drying agricultural food products/ L M. Bal, Satya S, Naik S. N. // Sust. Energy Rev., 2010, vol. 14, P. 2298-2314.
6. Mahmood A. J. Experimental Study of a Solar Air Heater With A New arrangement of Transverse Longitudinal Baffles / A. J. Mahmood // Journal of Solar Energy Engineering vol. 139(3), Feb., 2017.
7. Chumakov, V. G. Zernosushilki i napravlenija ih razvitija [Dryers and directions of its development] / V. G. Chumakov, A. S. Anakhov // Materialy Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. «Dostizhenija nauki – agropromyshlennomu proizvodstvu», posvjashh. 100-letiju so dnja rozhdenija I. E. Ul'mana. [Materials of Intern. scientific.-tech. Conf. "Advances in science agro-industrial production", internat. The 100th anniversary of the birth of I. E. of Ulm. – Chelyabinsk], 2008. – Part 3. – P. 38-42.
8. Rossijskij agropromyshlennyj server [Russian agricultural server] [Electronic resource] – Electron. Dan. URL: https://voronezh.agroserver.ru/zernosushilki/ free. (accessed: 20.08.2016). [in Russian]
9. Zernosushil'noe oborudovanie. Sajt zavoda-izgotovitelja Alvan Blanch [Grain drying equipment. The website of the manufacturer, Alvan Blanch] [Electronic resource] – Electron. Dan. URL : http://www. alfatreid.ru/catalog/ zernosushilnoe-oborudovanie/ free. (accessed: 14.05.2016).
10. Zhurnal Agroinvestor [The magazine Agroinvestor] [Electronic resource] – Electron. URL: http://www.agroinvestor.ru/regions/article/22996-regiony-lidery-po-sboru-zerna/ free. (accessed: 18.06.2016). [in Russian].