CC BY
239
УДК 631.372/.51
Основы оценки энергоэффективности
технологических процессов и технических средств обработки почвы
Джабборов Нозим Исмоилович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник
e-mail: denyakin@bk.ru
ФГБНУ «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства», г. Санкт-Петербург
Федькин Денис Сергеевич, кандидат технических наук, заведующий лабораторией
e-mail: denyakin@bk.ru;
ФГБНУ «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства», г. Санкт-Петербург
Аннотация. В статье изложены методические основы определения энергетической эффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы и фактические значения коэффициента энергоэффективности МТА в растениеводстве. Предложенный авторами оценочный коэффициент позволяет установить уровень энергоэффективности применяемых в производстве МТА, определить величину резерва неиспользованной энергии энергетических средств и разработать технологические мероприятия по повышению энергетической эффективности технических средств.
Ключевые слова: энергоэффективность; процесс; энергоемкость; почвообрабатывающий агрегат; коэффициент энергетической эффективности.
Известные методики [1-5], применяемые при биоэнергетической и технико-экономической оценке технологий производства сельскохозяйственной продукции, включают в себя детерминированные математические модели, не учитывают вероятностный характер внешних возмущающих процессов, и тем самым не позволяют прогнозировать показатели энергоэффективности технологий.
Методики определения энергоемкости технологических процессов, изложенные в работах [6-12], которые основаны на применение вероятностных математических моделей, учитывают вероятностный характер внешних возмущающих процессов и позволяют прогнозировать энергоемкость технологических процессов с высокой доверительной вероятностью.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал актуальность разработки методики оценки энергетической эффективности отдельных технологических процессов и соответствующих технических средств которая позволит разъяснить недостающие фундаментальные основы определения энергоэффективности технологических процессов и технологий производства продукции в растениеводстве.
Достижение максимально возможного энергетического эффекта технологии невозможно без ясного прогноза и оценки основных оценочных показателей технологического процесса и соответствующих технических средств.
Анализ показывает, что многие сельскохозяйственные машины не обеспечивают достижения эффективной потенциальной энергетической возможности энергетических средств по причине несовершенства действующих методик энергетической оценки технологий и технологических процессов и отсутствия методики определения энергоэффективности сельскохозяйственных агрегатов при их проектировании.
К
Фактически получаемые коэффициенты энергоэффективности СХА - ТЕ ■ значительно меньше потенциально возможных их значений. По расчетным данным в
К
растениеводстве среднее значение коэффициента ТЕ варьирует в пределах от
К
0,34 до 0,95. Примерно в 70-75 % случаев значения ТЕ находится в пределах
К
0,34-0,87. А в 25-30 % случаев значения ТЕ варьирует в пределах 0,87-0,95. Это свидетельствует о том, что примерно 25-30 % используемых в растениеводстве сельскохозяйственных машин условно обеспечивают рациональную загрузку тракторов, и соответственно, в принципе могут обеспечить энергоэффективность выполняемых технологических процессов.
Для определения величины годового энергетического эффекта 3г от использования МТА автором данной работы была предложена формула [7]:
э; = (з, я - 3) • с • ^, (1)
3 —
где гн базовое (или нормативное) значение энергоемкости технологического
*
процесса, МДж/га; 3 - оптимальное значение энергоемкости технологического
процесса, МДж/га; ^ч - оптимальное значение производительности МТА, га/ч; -зональная годовая загрузка МТА, ч.
Выражение (1) в целом позволяет прогнозировать размер годового энергетического эффекта использования СХА в течение года (или сезона) по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами или нормативными данными. При этом математическая модель (1) не позволяет оценить уровень энергетической эффек-
тивности СХА по сравнению с потенциальной энергетической возможности используемых технических средств.
За основной критерий энергетической оценки технологий производства сельскохозяйственной продукции принят показатель энергетической эффективности. Отношение энергии П, содержащейся в конечном сельскохозяйственном продукте, к энергии Е, затраченной на его производство, дает энергетическую эффективность ц данной технологии [1, 2]:
и = П
Е . (2) Применительно к производству сельскохозяйственной продукции формулу (2) можно представить в виде [1, 2]:
К = а • НУ
" Е , (3)
где ап - энергетический эквивалент основной продукции, МДж/ц; Ну - урожайность основной продукции, ц/га.
Выражения (2) и (3) позволяют оценить уровень энергоэффективности технологии производства сельскохозяйственной продукции в целом. Для расчета показателя энергоэффективности технологии по технологическим картам необходимо, определить энергоемкость каждого технологического процесса в отдельности. В итоге, величина энергии, затраченной на производство продукции Е, представляет собой сумму энергоемкости всех технологических операций в технологии, то есть:
Е = £ Е
- . (4)
Значение показателя и энергетической эффективности технологии производства продукции зависит от показателей энергоэффективности технологических
К
процессов ТП ■, а также использования (КПД) техногенной энергии.
К
В свою очередь Т■п ■ зависит от коэффициентов энергетической эффективно-
К
сти технических средств - ТЕ ■, использования технологических материалов (удо-
К
брений, семян, ядохимикатов и т.д.) - использования естественного плодоро-
К
дия почвы - П П:
И = !(КТ п) и КТ■ Я ■ = /(КТЕ ;КТ КП■ П) . (5)
Кроме фактора использования техногенной энергии, другие перечисленные выше показатели в принципе можно отнести к управляемым.
Значения коэффициентов использования технологических материалов (удо-
К
брений, семян, ядохимикатов и т.д.) - ТМ■ и естественного плодородия почвы -
К
П П зависят от воздушного, водного, теплового режимов, а также режима питания растений, способов обработки почвы.
В общем случае, при определении значения коэффициента энергетической
К
эффективности Т■н ■ технологического процесса необходимо учитывать коэффи-
К
циент энергетической эффективности ТЕ ■ соответствующего технического средства, его КПД - , а также коэффициент полезного действия технологических материалов (семян, минеральных или органических удобрений, ядохимикатов и т.д.).
Значения коэффициента полезного действия технологических материалов зависят от способов обработки почвы, посева, внесения удобрений, ядохимикатов и множества других факторов. То есть показатель значимости технологического процесса в технологии производства продукции должен учитывать показатели эффективности использования технических средств, технологических материалов, агротехнологические показатели качества работы машин и т.д. При этом необходимо обосновать систему применения удобрений, правильное установление годовых норм их внесения с учетом зональных условий возделывания сельскохозяйственных культур. Такая же система должна быть обоснована в части применения химических средств защиты растений, нормы и способы посева семян.
Применительно к обработке почвы, без внесения технологических материалов, коэффициент энергетической эффективности технологического процесса К
Т■п ■ имеет функциональную связь с коэффициентом энергоэффективности почвообрабатывающих машин:
КТ ■ п ■ = I(КТ в ■) . (6)
Энергоэффективность включает в себя решение вопросов рационального использования энергоресурсов, достижение экономически оправданной эффективности при существующем уровне развития науки и технологии, увеличении производства продукции при сохранении исходных затрат энергии.
Увеличение коэффициента энергетической эффективности технологических процессов и технологий должно обеспечиваться за счет снижения уровня потерь энергии и повышения КПД технических средств, применяемых в технологиях удобрений, семян, ядохимикатов и способов обработки технологических материалов, а также рационального использования естественного плодородия почвы.
Для раскрытия возможных способов увеличения коэффициента энергетической эффективности технологических процессов и технологий производства сельскохозяйственной продукции необходимо провести специальные исследования. Таким образом, имеется реальная возможность перейти на разработку научных основ (или методологии) повышения энергоэффективности технологий производства продукции в растениеводстве.
Увеличение коэффициента энергетической эффективности означает наиболее максимальное накопление потенциала энергосберегающих мероприятий в совокупности с эффективностью использования энергетических ресурсов и характеризует переход уровня развития растениеводства на более высокую ступень.
При этом фактически получаемые коэффициенты использования энергии приблизятся к потенциальному коэффициенту энергетической эффективности технологий.
Вместе с тем, процесс определения и анализа энергоэффективности технических средств вполне возможно выполнить с помощью разработанных нами математических моделей.
Для оценки уровня энергоэффективности технических средств, предлагается
К
использовать коэффициент их энергетической эффективности ТЕ , определяемый из выражения:
77 ОПТ К = Е
Т£ ■ еТЕК
ЕОПТ -
где 1 оптимальное значение энергоемкости 1 -® технологического процесса,
соответствующее максимуму КПД энергетического средства (или трактора) на за-
еТЕК _
данном агрофоне его работы, МДж/га; 1 энергоемкость технологического процесса, соответствующая текущему значению КПД энергетического средства на заданном агрофоне его работы, МДж/га.
ЕОПТ
Оптимальное значение энергоемкости технологического процесса 1 , соответствующее максимуму КПД энергетического средства (или трактора) на заданном агрофоне его работы определяется из выражения [7]:
ЕОпт = [к т (а + /)+к э (к т + /)+g К (к к + /) ГЛ1 + к у + к р . (8)
Энергоемкость технологического процесса, соответствующая фактическому значению КПД энергетического средства на заданном агрофоне его работы (МДж/ га) можно определить по формуле [7]:
ЕТЕК = [кт (а + /т ) + кэ (Кт + /э ) + кк (Кк + /к Ж-1 + куГч-1 + Гч-1 , (9)
где кт - количество израсходованного топлива, кг/ч; ат - теплосодержание топлива, МДж/кг; Кэ, Кк - коэффициент перевода 1 кВт-ч в 1 МДж (Кэ = 3'6) и 1 ккал
в 1 МДж (Кк = 0,0°419); /т, /э и /к - коэффициенты, учитывающие дополнительные энергозатраты на производство топлива (МДж/кг), электроэнергии (МДж/кВтхч) и
тепла (МДж/ккал); кэ и кк - израсходованное количество электроэнергии (кВтхч)
и тепла (ккал/ч); ку - условная часть энергозатрат, пропорциональная расходу
материалов при выполнении технологического процесса; - условно постоянная
часть топливно-энергетических затрат; пч - среднее значение производительности МТА, га/ч.
К
Следует отметить, что предложенный коэффициент ТЕ ■ позволяет оценить уровень энергоэффективности применяемых в производстве МТА, определить величину резерва неиспользованной энергии энергетических средств и разработать технологические мероприятия по повышению энергоэффективности технических средств.
В процессе проектирования новых технических средств, прогнозирование знаК
чения коэффициента ТЕ ■ позволяет разработать конструктивные мероприятия и создать такие агрегаты, которые обеспечивали бы энергоэффективность новых машин, соответственно и технологических процессов.
К
Предложенный коэффициент ТЕ ■ характеризует уровень использования эффективной потенциальной энергетической возможности технических средств, применяемых в растениеводстве.
Предложения по повышению энергоэффективности почвообрабатывающих агрегатов:
для проектируемых новых почвообрабатывающих агрегатов:
- обоснование рациональной потребной мощности, обеспечивающей достижение нормативного значения коэффициента полезного действия энергетического средства (для колесных тракторов - Пт = 0,6 ; для гусеничных тракторов
Пт = ) с учетом динамических характеристик машин;
- прогнозирование оптимальных конструктивно-технологических параметров,
скоростных и нагрузочных режимов работы;
для используемых в производстве почвообрабатывающих агрегатов:
- оптимизация оптимальных параметров, скоростных и нагрузочных режимов работы;
- совершенствование конструкции без ухудшения качества работы и эксплуатационно-технологических показателей машин;
- если оптимизация параметров, скоростных и нагрузочных режимов работы, совершенствование конструкции недостаточны для обеспечения рациональной потребной мощности, то предусмотреть выбор энергетического средства другого класса тяги.
Список литературных источников:
1. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. - М. : ВИМ, ЦНИИМЭСХ, ВИЭСХ, 1995. - 96 с.
2. Токарев, В. А., Методические рекомендации по оценке топливно-энергетических затрат на выполнение механизированных процессов в растениеводстве / В. А. Токарев, А. Н. Никифоров, Е. И. Базаров. - М. : ВАСХНИЛ, 1985. - 44 с.
3. Методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства / В. П. Елизаров и др. - М. : ВИМ, 2012. - 81 с.
4. Паршин, В.А., Оконов М.М., Бакинова Т.И. Биоэнергетическая оценка технологий возделывания сельскохозяйственных культур : монография / В. А. Паршин Элиста: АПП «Джангар», 1997. - 160 с.
5. Юнусов, Г. С. Энергетическая оценка энергонасыщенных тракторов с блоч-но-модульными агрегатами / Г. С. Юнусов // Тракторы и сельхозмашины. - 2005. - № 4. - С. 13-14.
6. Джабборов, Н. И. Научные основы энерго-технологической оценки и прогнозирования эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов / Н. И. Джабборов. - Душанбе : Дониш, 1995. - 286 с.
7. Дементьев, А. М. Обеспечение энергосбережения в технологических процессах обработки почвы путем оптимального проектирования комбинированных агрегатов блочно-модульной структуры: автореф. дисс. ...канд. техн. наук: 05.20.01 / А. М. Дементьев. - Санкт-Петербург, 2011. - 19 с.
8. Джабборов, Н. И. Классификация критериев эффективности и их использование при оптимизации эксплуатационных показателей тяговых МТА / Н. И. Джабборов, А. В. Добринов, А. М. Дементьев. - СПб. : ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозака-демии, 2010 г. - 104 с.
9. Джабборов, Н. И. Топливно-энергетическая оценка работы комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата МТЗ-82.1 + КМ-1,8 «Кишоварз» / Н. И. Джабборов, Б. Р. Ахмадов, Б. Б. Хаджиев // Сельскохозяйственные машины и технологии, 2012. - №5. - С. 41-43.
10. Джабборов, Н.И., Федькин Д.С. Оценка энергоемкости технологического процесса предпосевной обработки почвы / Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2013. - №4. - С. 29-30.
11. Джабборов, Н. И. Оценка энергетических и технико-экономических показателей комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата МТЗ-82.1 + КМ-2,4 «Кишоварз» / Н. И. Джабборов, Б. Р. Ахмадов. - Кишоварз (Земледелец). - 2013. - №3. - С. 29-32.
12. Джабборов, Н. И. Технико-экономические показатели почвообрабатывающего агрегата с трактором класса 1,4 / Н. И. Джабборов, Д. С. Федькин // Инновации в сельском хозяйстве. - 2013. - № 2(4). - С. 65-69.
Estimation basis of technological processes and technical means of soil cultivation efficiency
Djaborov Nozym Ismoilovich, Doc. of Science (Technics), Chief Researcher
e-mail: denyakin@bk.ru
Federal State Budgetary Science Institution "Institute of Agro-engineering and Ecological Problems of Agricultural Production", St-Petersburg.
Fed'kin Denis Sergeevich, Can. of Science (Technics), Laboratory Head
e-mail: denyakin@bk.ru
Federal State Budgetary Science Institution "Institute of Agro-engineering and Ecological Problems of Agricultural Production", St-Petersburg.
Abstract. The article gives methodological determination bases on the energy efficiency of technological processes and technical means of soil cultivation and actual importance of energy-efficiency coefficient EEC in plant growing. The given estimation coefficient allows to determine the level of energy-efficiency applied in EEC production, to determine the amount of unused power reserve of energy means and to develop technological measures on technical means energy efficiency increase.
Keywords: energy efficiency; process; energy intensity; soil cultivating tool; energy efficiency coefficient.
