CONTROLLING SPEED OF ASYNCHRONOUS DRIVES OF FANS IN BUNKERS OF ACTIVE AERATION

Васильев А.Н.¹, Будников Д.А.², Тихомиров Д.А.³

¹ORCID:0000-0002-7988-2338, Доктор технических наук, профессор, ²Кандидат технических наук, ³Доктор технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРОВ В БУНКЕРАХ АКТИВНОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ

Аннотация

Основное назначение бункеров активного вентилирование - промежуточное хранение зерна перед его сушкой, с одновременной его подсушкой. Однако, в зависимости от погодных условий, возникает необходимость оперативного снижения влажности зерна, когда не хватает производительности зерносушильного оборудования. В этом случае имеется возможность увеличения сушки в бункерах активного вентилирования, путём увеличения подачи вентилятора. В представленной работе рассматривается возможность регулирования скорости асинхронного электропривода вентилятора, с учётом существующих ограничений по мощности и реальной вентиляторной характеристики. Приведён алгоритм управления сушкой зерна в действующем бункере активного вентилирования при изменении скорости вращения вала  асинхронного двигателя вентилятора с использованием частотного преобразователя.

Ключевые слова: сушка зерна, активное вентилирование, вентилятор, электропривод, коэффициент сушки, влажность зерна, слой зерна.

Vasilyev A. N.¹, Budnikov D.A.², Tihomirov D.A.³      

¹ORCID:0000-0002-7988-2338, PhD in Engineering, professor, ²PhD in Engineering, ³PhD in Engineering, All-Russian Federal research Institute of electrification of agriculture

CONTROLLING SPEED OF ASYNCHRONOUS DRIVES OF FANS IN BUNKERS OF ACTIVE AERATION 

 Abstract

Main use of bunkers of active aeration is to perform intermediate storage and preliminary drying of grain before the principal stage of drying. However sometimes, depending on the wheather conditions, there is a need for quick decrease in moisture content of grain, while productivity of grain­drying equipment is not suf icient. In those cases there is a possibility to perform drying in the bunkers of active aeration by increasing air flow of fans. Presented work views the possibility of controlling the speed of asynchronous electric drive of fan with consideration of existing limitations of power and fan characteristics. The algorithm is shown of how to control grain drying in functioning bunker of active aeration while changing rotation speed of asynchronous drive of fan with the use of frequency transformator.

Keywords: grain drying, active aeration, fan, electric drive, coefficient of drying, grain humidity, grain layer.

В результате исследований [1, 2] показано, что изменение подачи вентилятора может существенно повлиять на величину коэффициента сушки зерна. Поэтому необходимо для интенсификации процесса сушки иметь возможность увеличивать подачу вентилятора калориферной установки. Увеличение подачи вентилятора приведёт к увеличению расхода воздуха и потребляемой мощности электродвигателя привода. Поэтому необходимо учитывать, что мощность электродвигателя вентилятора ограничена. Необходимо найти предельную величину расхода, которую может обеспечить электродвигатель вентилятора, без перегрузки. Для этого нужно воспользоваться вентиляторной характеристикой используемого вентилятора. На бункерах типа БВ-25 применяют вентиляторы типа Ц4-70 № 6,3 с установленной мощностью электродвигателя 5,5 кВт [3, 4]. Подача воздуха, обеспечиваемая вентилятором, без регулирования его производительности составляет 11000 м³/ч. У бункеров активного вентилирования БВ-40 и БВ-25 толщина слоя зерна, согласно паспортным данным, и скорость воздуха в зерне одинакова. Для бункера БВ- 40 подача воздуха составляет 40 м³/ч·т, или 16000 м³/ч при  объёмной массе пшеницы 0,77 м³/т. Мощность асинхронного электродвигателя привода вентилятора электрокалорифера составляет 7,5 кВт. Рассмотрим возможность регулирования скорости электропривода вентиляторов  для данных бункеров.

Чтобы найти  предельное значение производительности вентилятора с установленным электродвигателем требуется выполнить расчет сопротивление слоя зерна.  В работах [5, 6] для определения газового сопротивления слоя зерновых культур приводится выражение:

  (1)

где k₁ – коэффициент зависящий от фракционного состава, 1,04-1,15; k3 – коэффициент поправки на агрегатное состояние слоя, для неподвижного слоя  k3 = 1; k – коэффициент, учитывающий ориентацию укладки зерна в слое сыпучего материала,  для сельскохозяйственных культур k = 1; с - коэффициент сопротивления; μ – динамическая вязкость воздуха; по формуле Милликена μ = 1,86∙10^-6 – 0,503∙10^-8∙(23 - t₁ ), Па∙с; t₁ – температура воздуха, ⁰С; k2 – коэффициент, учитывающий форму частицы: для шаровидных k2 = 0,324, для отличных от шара -k2 = 0,353; d_пр– приведенный диаметр зерна; V_ср – скорость воздуха в плотном слое зерна, м/с; где  - относительная площадь перфорированной поверхности стенки бункера на входе воздуха в слой зерна; ε – порозность зернового слоя; n – показатель степени, зависящий от d_пр зависимостью: для сыпучих материалов с приведенным диаметром до 3 мм n = 1 + 0,15 d_пр; для сыпучих материалов с приведенным диаметром  от 3 до  9 мм n = 1,25 + 0,04 d_пр.

Коэффициент сопротивления с определяется по формуле:

где А – коэффициент, учитывающий влияние сил трения и свойств воздуха, в зависимости от проходного сечения в слое зерна.

В таблице  приведены значения коэффициентов для некоторых сельскохозяйственных культур [5].

Таблица 1 – Значения коэффициентов А и n для сыпучих сельскохозяйственных материалов (при t_b=20⁰C и ρ_В=1,2 кг/м³)[5]

За счёт того, что в бункерах типа БВ-25 и БВ-40 используется радиальное воздухораспределение  скорость агента сушки, при прохождении через зерновой слой, уменьшается с 0,8-0,7 м/с до 0,2-0,1 м/с, за счёт увеличения поперечного сечения зернового слоя. Поэтому сопротивление зернового слоя должно рассчитываться не по одному значению скорости воздуха. Чтобы расчёт был более точен, плотны слой зерна представили в виде трёх зон, приняв, что в их пределах скорость воздуха остаётся постоянной. В пределах первой зоны средняя скорость, для номинальной подачи вентилятора, составила V₁=0,47 м/с, для второй и третьей зон соответственно V₂=0,26 м/с; V₃=0,19 м/с. Для данных величин скорости агента сушки по уравнению (1) выполнили расчёт сопротивления зернового слоя. По зонам оно составило: .  Па. По вентиляторной характеристике для вентилятора Ц4-70 № 6,3 [7] (рис. 1.) эта точка соответствует номинальным данным электродвигателя привода вентилятора – 1000 об/мин, при η = 0,7.

Рис. 1 – Характеристика вентилятора Ц4-70 № 6,3

 

Увеличение скорости воздуха на 50% предполагает пропорциональное увеличение расхода вентилятора. Увеличение подачи вентилятора с использованием преобразователя частоты предполагает увеличение оборотов вала электродвигателя. Сопротивление плотного зернового слоя при изменённых величинах скорости воздуха  составило  . Из характеристики вентилятора (рис. 1) видно, что такой режим достижим, если обороты вала асинхронного электродвигателя вентилятора увеличить до 1500 об/мин. При этом мощность потребляемая электродвигателем найдётся из уравнения  [7]:

  (2)

и составит 

где Q - подача вентилятора, м³/ч; η - к.п.д. вентилятора.

Это означает, что данная мощность электродвигателя вентилятора позволяет регулировать подачу частотным преобразователем. Наибольший запас по мощности электродвигателя будет для бункера БВ-25, если  произвести замену на вентилятор Ц4-76 №8. В этом случае при производительности 11300 м³/ч вентилятор развивает давление около 430 Па, при 750 оборотах в минуту вала асинхронного электродвигателя [7]. Увеличение подачи вентилятора до 16500  м³/ч, потребует увеличить обороты вала электродвигателя только до 900 об/мин.

В основу разработки алгоритма управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя привода вентилятора положены следующие уравнения:

Уравнение скорости сушки зерна [8,9]

где W – текущая влажность зерна, %; K - коэффициент сушки, 1/ч; W_p - равновесная влажность зерна, %; τ - время, ч.

Решение этого уравнения дало зависимость для нахождения времени сушки зерна.

  (3)

Из полученной [10] зависимости коэффициента сушки от параметров воздуха и зернового слоя:

 (4)

было найдено уравнение для расчёта скорости воздуха:  (5)

где - температура агента сушки, подаваемого в зерновой слой, °C.

Блок-схема разработанного алгоритма приведена на рис. 2.

Рис. 2 – Блок схема алгоритма управления сушкой зерна в бункере активного вентилирования при изменении скорости вращения вала асинхронного двигателя вентилятора

Предложенный алгоритм можно использовать на функционирующих установках активного вентилирования. Если при послеуборочной обработке зерна стоит задача оперативно снизить влажность зерна. При этом необходимо принимать во внимание, что существуют ограничения на мощности вентилятора и калорифера бункера активного вентилирования. Поясним работу алгоритма:

• Оператор задает исходное W₀ и требуемое Wзад значения влажности зерна и желаемое время τ_зад, в течение которого необходимо подсушить зерно и высушить до требуемой влажности W_зад.
• С помощью средств контроля измеряют температуру атмосферного воздуха T_a, его относительную влажность F.
• Используя уравнение (4) рассчитывают величину требуемого коэффициента сушки K.
• Используя уравнение (3) определяют минимальное время сушки до заданной влажности с исходными параметрами воздуха и максимальной скоростью воздуха.
• Сравнивают величины . Если , это означает, что оператор задал время сушки меньше, чем может обеспечить установка при текущих параметрах атмосферного воздуха и максимальной скорости воздуха. Поэтому рассчитывают максимальную температуру агента сушки, которую может обеспечить имеющийся калорифер.
• 

где: T_a.c. – температура агента сушки после калорифера, ^оС; ΔT – нагрев агента сушки после прохождения через калорифер, ^оС; P_k – мощность калорифера, Вт; Q – подача вентилятора калорифера, м³/ч (в данном случае для V_max); γ_в – удельная масса воздуха, кг/м³; c_в - теплоёмкость воздуха, кДж/кг·°С.

• Для T_a.c. находят относительную влажность агента сушки после калорифера , и по уравнению равновесную влажность агента сушки Wp.
• Блоки 6 и 7 алгоритма ограничивают количество проходов по ветви 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 11.
• Далее, снова в блоке 4 рассчитывают  уже для T_a.c. и V_max. Если снова  , то в блоке 12 присваивают    из блока 4, где   – минимально возможное время, в течение которого зерно с исходной влажностью W₀ при данных параметрах T, F  атмосферного воздуха, при максимальной мощности калорифера и максимально возможной мощности вентилятора будет высушено до влажности Wзад.
• После этого оператору предоставляется возможность выбрать в блоке 15 дальнейший режим работы: начать сушку; отложить сушку до изменения параметров воздуха, или вернуться к заданию τ_зад и Wзад.
• Если в блоке 5 , то это означает, что атмосферный воздух позволяет высушить зерно до заданной влажности в течение желаемого времени.
• Затем в блоке 15 уточняют, требуется ли корректировка подачи вентилятора (блоки 23–24) или достаточно оставить номинальную подачу вентилятора (блоки 25 – 28).
• Блоки 21 – 24, 29 – 31 обеспечивают окончание процесса при достижении влажностью зерна требуемого значения.

Выводы:

- мощности асинхронного электродвигателя электропривода вентилятора бункеров активного вентилирования типа БВ-25 и БВ-40 достаточно, чтобы с помощью частотного регулирования увеличить производительность вентилятора в полтора раза;

- представленный алгоритм управления асинхронным электроприводом позволяет управлять скорость сушки на действующих бункерах активного вентилирования, увеличивая их производительность.

Литература

1. Васильев А.Н., Северинов О.В. Математическая модель энергосберегающей сушки зерна / Вестник аграрной науки Дона, 2015, 4(32), С.5-13
2. Васильев А.Н., Северинов О.В. К расчёту тепло-и влагообмена в плотном слое зерна/ Теоретический и научно-практический журнал// Инновации в сельском хозяйстве. – 2015, № 1 (11) http://ej.viesh.ru/journal/2015-01/
3. Данилов Д.Ю. Средства механизации тепловой обработки зерна / Вестник НГИЭИ. 2012. № 4. С. 32-40.
4. Машины и оборудование для послеуборочной обработки и хранения зерна и семян/ Буклагин Д.С., Гольтяпин В.Я., Измайлов А.Ю., Елизаров В.П., Пугачев П.М., Самосюк В.Г., Чеботарев В.П., Барановский И.В., Князев А.А., Михайловский Е.И. каталог // Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, Федеральное государственное научное учреждение "Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению АПК" ФГНУ "Росинформагротех", Российская академия сельскохозяйственных наук, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ). Москва, 2010.
5. Авдеев А.В. Методология расчета промышленных зерносушилок /Вторая международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005»// Труды конференции, т. 1 – М.: Издательство ВИМ, 2005. – С. 211-217
6. Зеленко, В.Н. Конвективная сушка сельскохозяйственных материалов в плотном слое. Основы теории. – Тверь, Тверское областное книжное издательство, 1988. – 96 с.
7. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы/ Учеб. Пособие для ВУЗов по спец. «Теплоснабжение и вентиляторы», 6-е изд., перераб. И доп. – М.: Высш. Шк. 1987. – 176с.
8. Анискин В.И., Рыбарук В.А. Теория и технология сушки и временной консервации зерна активным вентилированием. - М.: Колос, 1972.– 199 с.
9. Жидко В.И., Резчиков В.А., Уколов В.С. Зерносушение и зерносушилки. – М.: Колос, 1982. – 239 с.
10. Васильев А.Н., Северинов О.В. Планирование и методика экспериментальных исследований по определению влияния параметров воздуха и зерна на коэффициент сушки/Теоретический и научно-практический журнал// Инновации в сельском хозяйстве. – 2016, №1(16), С.118-123. http://ej.viesh.ru/wp-content/uploads/2016/03/insel16.pdf

References

1. Vasil'ev A.N., Severinov O.V. Matematicheskaja model' jenergosberegajushhej sushki zerna / Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2015, 4(32), S.5-13
2. Vasil'ev A.N., Severinov O.V. K raschjotu teplo-i vlagoobmena v plotnom sloe zerna/ Teoreticheskij i nauchno-prakticheskij zhurnal// Inno-vacii v sel'skom hozjajstve. – 2015, № 1 (11) http://ej.viesh.ru/journal/2015-01/
3. Danilov D.Ju. Sredstva mehanizacii teplovoj obrabotki zerna / Vestnik NGIJeI. 2012. № 4. S. 32-40.
4. Mashiny i oborudovanie dlja posleuborochnoj obrabotki i hranenija zerna i semjan/ Buklagin D.S., Gol'tjapin V.Ja., Izmajlov A.Ju., Elizarov V.P., Pugachev P.M., Samosjuk V.G., Chebotarev V.P., Baranovskij I.V., Knjazev A.A., Mihajlovskij E.I. katalog // Ministerstvo sel'skogo hozjajstva Rossijskoj Federacii, Federal'noe gosudarstvennoe nauchnoe uchrezhdenie "Rossijskij nauchno-issledovatel'skij institut informacii i tehniko-jekonomicheskih issledovanij po inzhenerno-tehnicheskomu obespecheniju APK" FGNU "Rosinformagroteh", Rossijskaja akademija sel'skohozjajstvennyh nauk, Gosudarstvennoe nauchnoe uchrezhdenie Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut mehanizacii sel'skogo hozjajstva (GNU VIM). Moskva, 2010.
5. Avdeev A.V. Metodologija rascheta promyshlennyh zernosushilok /Vtoraja mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija «Sovremennye jenergosbere-gajushhie teplovye tehnologii (sushka i teplovye processy) SJeTT-2005»// Trudy konferencii, t. 1 – M.: Izdatel'stvo VIM, 2005. – S. 211-217
6. Zelenko, V.N. Konvektivnaja sushka sel'skohozjajstvennyh materialov v plotnom sloe. Osnovy teorii. – Tver', Tverskoe oblastnoe knizhnoe izdatel'stvo, 1988. – 96 s.
7. Kalinushkin M.P. Nasosy i ventiljatory/ Ucheb. Posobie dlja VUZov po spec. «Teplosnabzhenie i ventiljatory», 6-e izd., pererab. I dop. – M.: Vyssh. Shk. 1987. – 176s.
8. Aniskin V.I., Rybaruk V.A. Teorija i tehnologija sushki i vremennoj konservacii zerna aktivnym ventilirovaniem. - M.: Kolos, 1972.– 199 s.
9. Zhidko V.I., Rezchikov V.A., Ukolov V.S. Zernosushenie i zernosu-shilki. – M.: Kolos, 1982. – 239 s.
10. Vasil'ev A.N., Severinov O.V. Planirovanie i metodika jeksperimental'nyh issledovanij po opredeleniju vlijanija parametrov vozduha i zerna na kojefficient sushki/Teoreticheskij i nauchno-prakticheskij zhurnal// Innovacii v sel'skom hozjajstve. – 2016, №1(16), S.118-123. http://ej.viesh.ru/wp-content/uploads/2016/03/insel16.pdf