CC BY
68
УДК 631.89
Н.И. Селиванов, А.А. Доржеев
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВА НА ОСНОВЕ РАПСОВОГО МАСЛА В ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЯХ
В статье представлена структурная схема системы оценки эффективности производства и использования биотоплива на основе рапсового масла. Обоснована технологическая линия производства и показана эффективность применения биотоплива в дизелях сельскохозяйственных тракторов.
Разработка альтернативных топлив для дизелей из возобновляемых источников энергии растительного происхождения обусловлена:
- ограничением нефтяных запасов на Земле (основного сырья для производства моторных топлив);
- постоянным ростом цен на нефтяное топливо;
- ужесточением экологических норм, предъявляемых к автотракторным двигателям.
Топливо растительного происхождения по сравнению с дизельным обеспечивает снижение токсичности отработавших газов при сопоставимых энергетических и экологических показателях автотракторных дизелей [1].
Наиболее доступным для дизельных двигателей является биотопливо (БТ), получаемое из семян масличных культур (преимущественно рапса, так как рапсовое масло (РМ) имеет близкие к дизельному топливу (ДТ) физико-химические свойства).
Поскольку РМ производится по различным технологиям (с разной себестоимостью), возникает вопрос об эффективности возделывания рапса на семена, получения из них и использования топлива в природнопроизводственных условиях АПК региона. Поэтому обоснование технологии и технического обеспечения производства и использования топлива на основе РМ в тракторных дизелях является актуальным.
Для оценки эффективности производства и использования топлива из семян рапса в АПК региона предложена система поэтапного обоснования технологических процессов (рис. 1).
Обоснование соответствующих этапов оценки эффективности производства и использования БТ на основе взаимосвязанных критериев обеспечивает наименьший расход энергетических ресурсов.
На первом этапе обосновывается эффективность возделывания рапса на семена для дальнейшего получения БТ. Критерием эффективности производства ярового рапса на семена являются минимальные удельные затраты. На этой основе определяются природно-климатические условия, технологии возделывания и технические средства для получения гарантированной урожайности.
Эффективность применения биотоплива д^ при эксплуатации конкретного трактора определяется
Принимая во внимание, что средний расход топлива От = qЕн ■ N еэ , и обозначив относительные
С учетом затрат на адаптацию трактора к БТ, ХК = ЦТР(МЦТР (где Цтр(м) и Цтр- цена модернизированного и серийного тракторов), условие эффективности его применения запишется в виде:
из условия:
БТ
(1)
показатели ЯС = СБТ /СдТ , X= де БТ Іде ДТ , Хшэ = ЫеэБТ лучим:
/.
N еэдт , Х$ БТ ДТ , по-
(2)
Рис. 1. Структурная схема системы оценки эффективности производства и применения БТна основе РМ
В настоящее время большинство развитых стран практикуют использование БТ, создают новые мощности по производству биодизеля. Однако получают его сложной технологией с использованием метилового спирта, поэтому производство и применение такого топлива требует больших затрат и особых мер безопасности.
Одна из главных проблем при работе дизеля на чистом РМ - повышенное количество углеродистых отложений на поверхности камеры сгорания и закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок. Решить эту проблему можно на стадии производства БТ путем частичной нейтрализации РМ и последующего смешивания с ДТ в соотношении 0,7/0,3 для использования смеси при температуре 65-70 С° [3].
Для удаления тяжелых жирных кислот, уменьшения плотности и вязкости перед смешиванием с ДТ предлагается нейтрализация РМ. Указанное достигается добавкой в предварительно очищенное и подогретое до температуры 50-60 С° РМ едкого кали КОН в количестве 0,1-0,3%.
При интенсивном перемешивании компонентов продолжительность реакции составляет 7-10 мин с выпадением солей тяжелых кислот в осадок плотностью 1150 кг/м3. Объем осадка достигает 5-7% объема масла, при этом вязкость и плотность его снижаются на 10 и 2% соответственно.
Предлагаемую технологию производства топлива из семян рапса (рис. 2) условно можно разделить на несколько основных этапов: прессование семян; предварительное отстаивание масла; фильтрация; щелочная нейтрализация; смешивание РМ с ДТ.
Очищенные семена со склада или засыпной ямы транспортером подаются к питателю шнекового пресса (I), на выходе из которого установлен измельчитель жмыха, транспортер для его отвода и емкость (II) под предварительное отстаивание масла, самотеком поступающего из пресса. После отстаивания масло насосом Н1 откачивается из емкости (II) и подается в фильтр-пресс (III) для очистки. Очищенное от примесей оно подвергается щелочной нейтрализации в нейтрализаторе-разделителе (IV), где производится подогрев до 50 С° и перемешивание масла со щелочью, в результате чего выпадает до 7% осадка, который здесь же отделяется и удаляется в специальный резервуар (на дальнейшую переработку). После нейтрализации РМ насосом Н2 перекачивается в смеситель (V). В смесителе к РМ через дозатор добавляется ДТ для получения смесевого топлива (СТ), которое самотеком поступает в емкость под готовую продукцию.
Затраты на переработку семян рапса и готовой продукции с использованием разработанной технологической линии на базе шнекового пресса производительностью по семенам 250 кг/ч представлены в табл. 1.
Эффективность применения БТ оценивалась по результатам сравнительных стендовых и полевых испытаний универсально-пропашных и общего назначения сельскохозяйственных тракторов. При использовании БТ в магистраль низкого давления системы топливоподачи устанавливался подогреватель, мощность которого определялась по зависимости:
Он = А• Gmн, Вт, (4)
где А - эмпирический коэффициент (110-140), Вт с/г;
Gтн - номинальный расход топлива двигателя, г/с.
Таблица 1
Затраты на переработку семян рапса и производство БТ по предлагаемой технологии
Показатель Значение показателя
Количество переработанного сырья всего, кг 1080000
Себестоимость сырья (маслосемян), руб/кг 12,4
Затраты на сырье, руб/кг 13392000
Затраты на переработку маслосемян, руб. Из них: амортизация оборудования электроэнергия оплата труда 395486 68246 197640 129600
Затраты на производство, переработку маслосемян рапса и получение СТ (70% РМ + 30% ДТ), руб. 15709907
Выход продукции (основной и побочной), кг: БТ (70% РМ + 30% ДТ) РМ жмыха солей тяжелых кислот в осадке 378658 313200 766800 21924
Себестоимость БТ, руб/кг 41,4
Доход от реализации жмыха, руб. Доход от солей тяжелых кислот, руб. 9239940 1534680
Себестоимость производства БТ с учетом выручки от реализации побочной продукции, руб. 4965287
Себестоимость производства БТ на 1 кг СТ, руб/кг 13,11
Относительный показатель Ас при Цдт = 22,0 руб/кг 0,59
Установка подогревателя обеспечивала значения установившейся температуры топлива на входе в топливный насос высокого давления в пределах 55-65 °С. Затраты на адаптацию тракторов к использованию БТ составили 0,5-1,0% от цены трактора. Поэтому значение показателя Ак принято равным 1,01.
Результаты сравнительных тяговых испытаний трактора Т-25А с дефорсированным на характеристику ДПМ дизелем (рис. 3), а также полевых испытаний трактора МТЗ-82, показали, что снижение эксплуатационной мощности Ыеэ дизелей на БТ составляет 6-9% при соответствующем ухудшении топливной экономичности.
В табл. 2 приведены показатели эффективности использования БТ в тракторных дизелях при неизменных регулировочных параметрах топливной аппаратуры, входящих в уравнение (3). Результаты расчета показали, что снижение чистой производительности ІИ, эквивалентной мощности Ыеэ, и повышение удельного расхода топлива приводят к увеличению в среднем на 8% (Л^ Аыеэ Ак / Аи = 1,08) удельных топливных затрат при использовании БТ. Однако сравнительно низкая по отношению к стоимости ДТ себестоимость его производства позволяет до 36% снизить удельные эксплуатационные затраты и обеспечить соответствующий экономический эффект от его применения.
----------------------->
Дизельное топливо -------- Биотопливо
Рис. 3. Тяговая характеристика трактора Т-25А на разных видах топлива
Таблица 2
Показатели эффективности использования БТ в тракторных дизелях
Показатель Условное обозначение Значение показателя
Эксплуатационная мощность дизеля Аыеэ 0,93
Удельный расход топлива Аде 1,07
Затраты на адаптацию Ак 1,01
Чистая производительность Аш 0,93
Удельные топливные затраты Аде А^еэ Ак / А\м 1,08
Удельные эксплуатационные затраты Абт 0,64
Выводы
1. Представлена система оценки эффективности производства и использования биотоплива из семян рапса, позволяющая разработать по приведенным критериям конкретные рекомендации для решения задач каждого этапа.
2. Обоснована технологическая линия производства смесевого топлива производительностью 87 кг/ч и себестоимостью 13,11 руб/кг при выходе гранулированного жмыха 175 кг/ч и солей тяжелых кислот 6,5 кг/ч.
3. Снижение затрат на производство смесевого топлива (Ас = 0,59) компенсирует увеличение удельных эксплуатационных затрат (Аде Аыеэ Ак / Аш = 1,08) при его использовании в тракторных дизелях, обеспечивая экономический эффект от применения по сравнению с дизельным топливом до 36%.
Литература
1. Адаптация тракторов и автомобилей к работе на биотопливе / Н.В. Краснощеков, Г.С. Савельев, А.Д. Шапкайц [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1994. - №12. - С. 1-4.
2. Селиванов, Н.И. Использование смесевого топлива на основе растительных масел в автотракторных дизелях / Н.И. Селиванов, Д.А. Санников // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2007. - Вып. 1.
3. Санников, Д.А. Применение рапсового масла в универсально-пропашных тракторах / Д.А. Санников, А.А. Доржеев, Н.И. Селиванов // Современные тенденции развития АПК в России: мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2007. - Ч. 2. - 502 с.
--------♦-----------
УДК 631.331.022 А.А. Бричагина, В.К. Евтеев
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ВЫСЕВАЮЩИМ АППАРАТОМ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В статье приведены результаты исследований дозирования семян зерновых культур высевающим аппаратом с микропроцессорным управлением. Обоснованы режимы работы аппарата, при которых обеспечивается высев семян пшеницы, ячменя, овса с показателем, характеризующим неустойчивость высева, удовлетворяющим агротехнические требования или близкие к ним. На этих режимах работы определена равномерность распределения семян в рядке. По итогам исследований были разработаны номограммы для настройки аппарата на заданную норму высева зерновых культур.
Одна из основных задач посева - равномерное распределение семян по площади поля для создания оптимальной густоты стояния растений. Качество распределения семян по площади поля при заданной норме высева и фиксированном междурядье зависит, главным образом, от расположения зерен в рядке.
Проведенные теоретические исследования показали, что для описания движения семян сельскохозяйственных культур в рабочих органах посевных машин можно использовать положения движения сплошной среды: закон вязкостного трения Ньютона, дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости и уравнение неразрывности [1].
С целью подтверждения теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования процесса дозирования семян высевающим аппаратом с микропроцессорным управлением. В качестве высеваемого материала использовались зерновые культуры: пшеница, овес, ячмень. Исследования проводились в соответствии со стандартными методиками [2]. Лабораторная экспериментальная установка состояла из бункера для семян и высевающей системы с микропроцессорным управлением.
Был спланирован и реализован полный факторный эксперимент типа 33 с проведением 27 опытов [3]. В качестве изменяемых факторов использовались: 01 = I - высота материала в бункере, м; о2 = А -
амплитуда колебаний затвора, м; 03 = А- время открытого состояния затвора, ед. Область изменения
факторов задавали исходя из конструктивных особенностей высевающего аппарата и предполагаемых режимов работы. В качестве параметров были выбраны: У1 = q - средний расход семян через высевное
отверстие, г/мин; У2 = N - коэффициент неустойчивости высева, %.
В результате обработки экспериментальных данных получены регрессионные модели оценочных показателей для зерновых культур. Ниже приводятся уравнения регрессии для ячменя:
- для среднего расхода семян через высевное отверстие:
У1 =-0,1153 + 0,0434 X1 + 0,7207 X 2 + 0,2449 X 3 + 0,0468 X 2 X3 + 0,0716X 22; (1)
- для коэффициента неустойчивости высева семян:
У2 =-0,3528-0,114^1 -0,2900X2 -0,5590X3 + 0,2882X32. (2)
Однородность дисперсии экспериментов оценивали критериями Фишера и Бартлета и она подтвердилась. Адекватность полученных моделей проверяли с использованием критерия Фишера. По результатам
