CC BY
29
УДК 631.354.024/.028
Использование теплоты двигателя для предварительной сушки зерна в зерноуборочном комбайне
Гайдидей Сергей Владимирович, старший преподаватель кафедры энергетических средств и технического сервиса e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Зефиров Игорь Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры энергетических средств и технического сервиса e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Кузнецова Наталья Ивановна, кандидат экономических наук, доцент кафедры энергетических средств и технического сервиса e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. Предлагается устройство для предварительной сушки зерна в зерноуборочном комбайне с использованием теплоты двигателя при прямом ком-байнировании.
Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, сушка зерна, теплота двигателя, теплообменник, уборка зерновых, сушильный агент.
Одной из основных причин больших потерь урожая зерновых культур в России являются сложные климатические условия в период уборки хлебов. Особенно неблагоприятные условия уборки зерновых наблюдаются в зоне рискованного земледелия в Северо-Западном регионе России. Это Ленинградская, Вологодская, Кировская, Архангельская и другие области.
Средняя урожайность зерновых культур по годам для Северо-Западного региона РФ представлена в таблице [1].
Таблица. Урожайность зерновых для Северо-Западного региона РФ, ц/га
Культура 2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г. 2016 г. средняя
Зерновые и зернобобовые культуры 24,1 25,8 30,7 32,3 26,4 27,9
Рожь 17,9 18,4 26,2 29,3 25,6 23,5
Пшеница 27,6 29,2 34,4 40,1 29,7 32,2
Ячмень 21,7 21,4 27,5 27,5 24,1 24,4
При общей тенденции увеличения урожайности зерновых за период 20122015 гг. в 2016 г. произошло резкое падение урожайности. Это связано в первую очередь с большим количеством выпавших осадков. До двух месячных норм дождей пришлось на Республику Карелия, Мурманскую и Ленинградскую области. Все рекорды по дождям побил г. Санкт-Петербург. Лето 2016 г. признано здесь самым дождливым за всю историю метеонаблюдений [2].
Одним из путей повышения надежности уборки выращенного урожая зерновых является использование теплоты отработанных газов двигателя комбайна для предварительной сушки зерна. Общеизвестно, что около 70% теплоты, выделяемой при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания, выбрасывается в атмосферу неиспользованной. Теплота сгорания топлива для бензина АИ-92 составляет 43930 кДж/кг, для летнего дизельного топлива - 42500 кДж/кг, а мощность двигателей, устанавливаемых на современных тракторах, комбайнах и грузовых автомобилях достигает 200-300 кВт.
Еще в 1958 году профессор Ленинградского института М.Н. Летошнев предложил использовать теплоту двигателя для подсушки зерна непосредственно в комбайне при уборке зерновых. Эта идея была реализована на зерноуборочном комбайне «С-4М». Воздух вентилятором подавался через радиатор системы охлаждения двигателя в теплообменник отработанных газов двигателя и далее в бункер зерноуборочного комбайна. Температура подогретого воздуха составляла 70-75°С. При этом за час работы из зерновой массы удалялось 50 кг влаги.
А.Г. Баштовым, В.И. Безруковым, В.В. Назаренко была предложена зерноуборочная машина [3], которая работает следующим образом (рис. 1). Хлебная масса, скошенная жаткой 1, по наклонной камере 2 подается на питающий транспортер 3. Затем, проходя по нему, хлебная масса подсушивается частью подогретого воздуха, который поступает по воздуховоду 4 от радиатора двигателя. Подсушенная хлебная масса напором теплого воздуха дополнительного вентилятора 5 подается к пневмотранспортеру 6. В зоне схода массы на пневмотранспортер и при движении по нему скошенная хлебная масса дополнительно подсушивается воздухом, поступившим от выхлопной трубы двигателя.
Рис. 1. Схема подсушки зерновой массы при уборке зерна комбайном
Недостаток данного устройства - подача горячих отработанных газов, содержащих токсичные и канцерогенные вещества, на зерновую массу, являющуюся продуктом питания.
В Вологодской ГМХА разработаны устройства для предварительной сушки зерна в зерноуборочном комбайне при прямом комбайнировании [4, 5, 6]. В качестве сушильного агента используется воздух, подогретый в рекуперативных теплообменниках теплотой охлаждающей жидкости, моторного масла и отработанных газов двигателя.
Температура отработанных газов на выходе из цилиндра двигателя достаточно высокая, что может привести к перегреву зерна, поэтому сушильный агент, подогретый в теплообменнике отработанными газами двигателя, подается на решета очистки зерна от половы. Сушильный агент распределяется по большому объёму, не причиняя вреда зерну.
Сушильный агент, выходящий из рекуперативных теплообменников системы охлаждения и смазки, подается вентилятором через перфорированные каналы в виде труб в бункер зернового комбайна, где он насыщается влагой зерна и удаляется из бункера.
На рис. 2 приведена функциональная схема устройства для предварительной сушки зерна, включающая устройство для подачи и распределения зерна 1, сушильный канал 2, связанный с системой приготовления и подачи сушильного агента 3, средства для отвода сушильного агента 4.
Рис. 2. Функциональная схема устройства для предварительной сушки зерна
На рис. 3 представлена система приготовления и подачи сушильного агента, состоящая из вентиляторов подачи сушильного агента 1, рекуперативных теплообменников системы охлаждения 2, системы смазки 3, системы отработанных газов 4 и сушильного канала, состоящего из перфорированных каналов 5, расположенных в бункере комбайна 6, перфорированных каналов 7, расположенных под решетами очистки зерна от половы.
Рис. 3. Система подачи и приготовления сушильного агента
Работа устройства происходит следующим образом. Зерновая масса, состоящая из зерна и половы, поступает из барабана на решета очистки зерна от половы, куда подается сушильный агент (подогретый воздух) из рекуперативного теплообменника отработанных газов двигателя, который, проходя через решета очистки зерна от половы, подогревает зерно, унося из него влагу. Далее зерно подается в бункер комбайна, где установлены перфорированные каналы в виде труб, по которым подается сушильный агент из рекуперативных теплообменников системы охлаждения и смазки. Проходя через зерно, сушильный агент подогревает его и уносит влагу зерна наружу через средства для отвода сушильного агента.
Для определения параметров процесса сушки зерна необходимо знать количество поступающей зерновой массы и параметры воздуха, подаваемого через теплообменники, установленные на двигателе комбайна (см. рис. 3).
Поступление зерновой массы зависит от урожайности зерна, скорости движения и ширины жатки комбайна. Скорость движения и урожайность изменяется при движении по полю. Следовательно, нагрузка на двигатель комбайна будет изменяться, также будет изменяться и количество теплоты, идущее на сушку зерна.
При уборке зерновых поступление зерновой массы можно определить по формуле:
М = У • V • В,
где У - урожайность зерна, кг/м2;
V - скорость передвижения комбайна, м/с;
В - ширина жатки комбайна, м.
Так, при средней урожайности зерна 24 ц/га или У = 0,24 кг/м2 (см. табл.), скорости движения комбайна V = 6 км/ч (или V = 1,67 м/с) и ширине захвата жатки В = 6 м поступление зерна составит:
М = 0,25 • 1,67 • 6 = 2,4 кг/с.
При полной загрузке двигателя его коэффициент полезного действия (КПД) составляет 35-38% [7]. Так как нагрузка при работе комбайна изменяется, то можно принять КПД равным 30%. Это значит, что только 30% энергии топлива превращается в полезную работу двигателя, а 70% энергии топлива превращается в теплоту, которую можно использовать для сушки поступающего зерна при прямом комбайнировании. При работе двигатель комбайна расходует G = 30 кг/ч топлива [8] при низшей теплоте сгорания топлива ррн = 42,5 МДж/кг. Поступление зерновой массы за один час работы комбайна составит:
Мч = 3600М = 3600 • 2,4 = 8640 кг/ч = 8,4 т/ч.
Расход топлива на одну тонну зерна:
=-30- = 3,49 кг / т = 4,06 л / т Жч 8,64
При мощности двигателя комбайна N кВт мощность полезно неиспользуемой теплоты сгорания топлива, т.е. превращенной в теплоту составляет 70% от теплоты сгорания (мощности) топлива или 0,7/0,3 от эффективной мощности двигателя комбайна
Nт = Лв • 0,7/0,3 = 250 • 0,7/0,3 = 583 N кВт (кДж/с).
Из приведенных расчетов следует, что за секунду двигатель мощностью 250 кВт теряет 583 кДж теплоты, которая может быть полезно использована для сушки зерна при прямом комбайнировании.
Уборку хлебов начинают в начале полной спелости, когда влажность зерна не превышает 20-25%. При более низкой температуре влажность зерна увеличивается. Средняя влажность зерновых при уборке в дождливую осень составляет 40%.
Расчет процесса сушки зерна подогретым теплотой двигателя воздухом предлагаем провести при помощи номограммы, построенной с использованием ^- ^ диаграммы влажного воздуха [9, 10] (рис. 4).
Рис. 4. К расчету сушки зерна при прямом комбайнировании
Так, при относительной влажности воздуха в осенний период, равной 80%, и температуре 20°С влагосодержание Я составит 12 г влаги на 1 кг воздуха при
значении энтальпии (теплосодержание) ^ =50 кДж/кг. При подогреве воздуха в
я = 12
теплообменнике до 75°С влагосодержание не изменится ( 2 г/кг), а энтальпия
подогретого воздуха возрастает до значения =105 кДж/кг. При температуре воздуха на выходе из слоя зерна равной, например, 35°С, влагосодержание воздуха составит 28 г/кг. Таким образом, 1 кг воздуха унесет из зерна ^ = Я - Я2 = 28 -12 = 16 г/кг. При подаче воздуха 1 кг/с в каждую секунду будет унесено 16 г влаги зерна,
а за час работы 57,6 кг. Так как подача зерна при уборке составляет ^ = 2,4 кг/с влажностью 20%, то при такой подаче воздуха влажность зерна на выходе составит 19,5%. Если подачу воздуха увеличить, например, в 2 раза, то влажность зерна на выходе составит 19%.
Тогда при подаче воздуха 1 кг/с и нагреве его от 20°C до 75°C требуется 55 кДж теплоты, что соответствует 198 МДж/ч. Поделив эту величину на низшую теплоту сгорания топлива QPH = 42,5 МДж/кг, получим расход топлива 4,65 кг/ч. Комбайн «Вектор 410» расходует на 1 т зерна 1,8-2,5 кг дизельного топлива. При поступлении зерна в комбайн Wч = 8,64 т/ч расход топлива составит 15,5-21,6 кг/ч.
Таким образом, предварительная сушка зерна при урожайности 24 ц/га позволяет использовать 22-30% расходуемого топлива (4,65 кг/ч) для снижения влажности зерна на 1%. Для сравнения: зерносушилка ДСП-50 для снижения влажности зерна на 1% расходует 1,2 кг/ч дизельного топлива [11].
Список литературных источников:
1. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.gks.ru/.
2. Гидрометцентр России. Основные погодно-климатические особенности в северном полушарии Земли в августе 2016 года [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://meteoinfo.ru/climate/climat-tabl3/2016-climat-analysis/13186--2016-.
3. Патент РФ 1463168, МПК A01D41/02. Зерноуборочная машина / А.Г. Башто-вой, В.И. Безруков, В.В. Назаренко: заявлено 03.02.1987; опубл. 07.03.1989.
4. Патент РФ 163625, МПК А0Ю41/133.Устройство для предварительной сушки зерна в зерноуборочном комбайне при уборке с использованием теплоты двигателя комбайна / С.В. Гайдидей, И.В. Зефиров, Н.И. Кузнецова, П.С. Мартынов: заявлено 03.08.2015; опубл. 27.07.2016.
5. Патент РФ 169186, МПК А0Ю41/133.Устройство для предварительной сушки зерна в зерноуборочном комбайне при уборке с использованием теплоты двигателя комбайна / С.В. Гайдидей, И.В. Зефиров, Н.И. Кузнецова: заявлено 11.07.2016; опубл. 09.03.2017.
6. Предварительная сушка зерна в комбайне / И.В. Зефиров, Н.И. Кузнецова, С.В. Гайдидей, П.С. Мартынов // Сельский механизатор. - 2017. - №7. - С. 6-7.
7. Ховак, М.С. Автомобильные двигатели / М.С. Ховак. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.
8. Определение экономической эффективности технического сервиса на предприятиях АПК: методические указания / сост Д.Ф. Оробинский. - Вологда ; Молочное: ИЦ ВГМХА, 2016. - 37 с.
9. Анализ процесса сушки травы / В.Д. Попов [и др.] // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. - Вып. 88. - СПб.: ИАЭП, 2016. - С. 103-110.
10. Определение компонент уравнения сушки травы по экспериментальным данным / А.М. Валге [и др.] // Молочнохозяйственный вестник [Электронный ресурс] : электронный период. теорет. и науч.-практ. журнал. - Вологда; Молочное. - №1. - 2017. - С. 77-83. - Режим доступа: http://molochnoe.ru/journal/.
11. Зерносушилка ДСП-50 / prosushka.ru Сушка пищевых продуктов . - Режим доступа: https://www.prosushka.ru/1924-zernosushilka-dsp-50.html.
References:
1. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoy statistiki (Federal state statistics service) Available at: http://www.gks.ru/.
2. Gidromettsentr Rossii. Osnovnyye pogodno-klimaticheskiye osobennosti v severnom polusharii Zemli v avguste 2016 goda (The Russian Hydrometeorological
Center. The main climatic features in the Northern hemisphere in August 2016) Available at: http://meteoinfo.ru/climate/climat-tabl3/2016-climat-analysis/13186--2016-.
3. Bashtovoi A.G., Bezrukov V.I., Nazarenko V.V. Zernouborochnaya mashina [Grain harvester]. Patent RF, no. 1463168, 1989.
4. Gaididei S.V., Zefirov I.V., Kuznetsova N.I., Martynov P.S. Ustroistvo dlya predvaritelnoi sushki zerna v zernouborochnom kombaine pri uborke s ispolzovaniem teploty dvigatelya kombaina [A device for grain pre-drying in a combine harvester when harvesting using the harvester engine heat]. Patent RF, no. 163625, 2016.
5. Gaididei S.V., Zefirov I.V., Kuznetsova N.I. Ustroistvo dlya predvaritelnoi sushki zerna v zernouborochnom kombaine pri uborke s ispolzovaniem teploty dvigatelya kombaina [A device for grain pre-drying in a combine harvester when harvesting using the harvester engine heat]. Patent RF, no. 169186, 2017.
6. Zefirov I.V. et. al. Pre-drying of grain in a combine. Selskyy mechanizator [Rural mechanic], 2017, no.7, pp.6-7 (in Russian).
7. Hovak M. S. Avtomobil'nyye dvigateli [Automotive engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977. 591 p.
8. Orobinsky D. F. Opredeleniye ekonomicheskoy effektivnosti tekhnicheskogo servisa na predpriyatiyakh APK: Metodicheskiye ukazaniya [Defining economic efficiency of technical service for agricultural enterprises: Guidelines]. Vologda-Molochnoe Publ., 2016. 37 p.
9. Popov V. D. et. al. The analysis of grass drying process. Sbornik nauchnykh trudov "Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva" [Proc. of science works "Technologies and technical means of mechanized crop and livestock production"], Vol. 88, Saint Petersburg, 2016, pp. 103-110 (in Russian).
10. Valge A.M. et. al. Defining the components of the grass drying equation based on experimental data. Molochnokhozyaystvennyy vestnik [Dairy Bulletin], Vologda -Molochnoe, 2017, no. 1 (25), pp. 77-83 (In Russian). Available at: http://molochnoe. ru/journal/.
11. Zernosushilka DSP-50 / prosushka.ru Sushka pishchevykh produktov (Drying food products / Grain dryer DSP-50) Available at: https://www.prosushka.ru/1924-zernosushilka-dsp-50.html.
Using the engine heat for grain pre-drying in the
combine harvester
Gaididey Sergey Vladimirovich, Assistant Professor, the Chair of Mathematics and Mechanics
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Zefirov Igor Vladimirovich, Candidate of Science (Engineering), Associate Professor, the Chair of Energy Devices and Technical Service
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kuznetsova Natal'ya Ivanovna, Candidate of Science (Economics), Associate Professor, the Chair of Mathematics and Mechanics
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. A device for grain pre-drying in a combine harvester has been suggested. The device uses the engine heat and is applied in direct combining.
Keywords: combine harvester, grain drying, engine heat, heat exchanger, grain harvesting, drying medium.
