ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНОВЫХ СУШИЛОК

1

• Авторы
• Резюме
• Файлы

Андрианов Н. М. Представлены результаты исследования зерновых сушилок в условиях нормального функционирования, а также оценки их динамических хаpaктеристик в виде передаточных функций. Приведены оценки неравномерности поля температуры и влагосодержания зерна, на основании чего делается вывод о необходимости стабилизации количества тепловой энергии подаваемой в сушильную камеру. Статья в формате PDF 126 KB Неравномерность сушки и отсутствие надежной системы контроля являются главными причинами неэффективной эксплуатации современных зерновых сушилок. Поэтому, получение достоверных сведений об особенностях функционирования сушилок, их статических и динамических хаpaктеристиках являются важным этапом создания высокоэффективных технических средств зерносушения.

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 υ_З0(t) вороха. Температура теплоносителя υ_Т(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 υ_З(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 хаpaктеристики 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 хаpaктеристик 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 ρ_х(τ) и функций спектральной плотности S_x(f);
• оценки взаимных корреляционных функций ρ_xy(τ) и функций спектральной плотности S_xy(f) процессов на входе и выходе сушильной камеры.

Оценки хаpaктеристик зернового вороха на входе и выходе сушильной камеры представлены в табл. 2.

Таблица 2. Хаpaктеристики зернового вороха на входе и выходе сушильной камеры

Хаpaктеристики 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 хаpaктеристик вороха в нижнем горизонтальном сечении сушильной камеры оценивалась по отклонениям его влагосодержания Wi и температуры  υ_Зi 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 u_З0(t) и влагосодержания W₀(t) вороха на входе сушилки. Не обнаружено также связи процессов u_З0(t) -  u_З(t) и  u_З0(t) - W(t), что позволяет сделать вывод о том, что начальная температура вороха не оказывает существенного влияния на хаpaктеристики вороха внутри сушильной камеры.

Особенностью сушильной камеры является то,  что  коэффициенты  взаимной  корреляции процессов W0(t) и  u_З(t), а также W(t) и  u_З(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 хаpaктеристики сушильной камеры определялись как в лабораторных, так и производственных условиях. По каналам W₀(t) - W(t) и W₀(t) -  u_З(t) динамические хаpaктеристики оценивались путем сравнения функций спектральной плотности процессов на входе и выходе сушильной камеры. Установлено, что спектральный состав сигнала при прохождении через сушилку пpaктически не меняется. Это позволяет использовать для аппроксимации динамических свойств сушильной камеры по указанным каналам модель усилительного звена с трaнcпортным запаздыванием (τ_Т), табл. 4.

Динамические свойства по каналам передачи управляющих сигналов определены для зерносушилки СЗШ-8 [1] методом типовых воздействий. Результаты идентификации хаpaктеристик 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  u_З(t) на скачкообразное увеличение производительности ω(t) её выгрузного аппарата при стабилизированной температуре теплоносителя. Хаpaктерным является кратковременное увеличение температуры зерна в начальном периоде процесса. Объясняется это изменением аэродинамических хаpaктеристик 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 Δυ_З для пpaктически 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 - u_З при υ_Т = 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

1. 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.
2. Патент РФ № 2135917. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна и устройство для его осуществления // Андрианов Н. М. и др. - Бюл. изобретений. 1999. № 24.

---