CC BY
30
потери на стадии производства, послеуборочной обработки и хранения — до 75%. Потери при производстве зерновых в этих хозяйствах достигают 48%, что незначительно выше показателя предприятий с высоким уровнем механизации.
Анализ производства зерновых по хозяйствам области среди предприятий разного уровня механизации показал, что потери у предприятий с высоким уровнем механизации достигают 41%, наибольшие потери на стадии обработки — до 10% и потребления — до 25%, на остальных стадиях потери не превышают в совокупности 6%. Необходимо отметить, что уровень механизации оценивался по хозяйству всего, а не отдельного цикла производства в отрасли. Более детальное рассмотрение уровня механизации по отдельным операциям в группе хозяйств с высоким уровнем механизации свидетельствует, что этапы механизированы неравномерно, максимально высокий уровень механизации имеют этапы производства и распределения [8]. Остальные этапы характеризуются средним или низким уровнем механизации, что влечёт за собой наибольшие потери.
Используя модульный принцип, каждое сельскохозяйственное предприятие может поэтапно укомплектовать и с учётом условий хозяйствования автоматизировать процессы управления сельскохозяйственной техникой, стационарными объектами, используя оборудование ГЛОНАСС И ГЛОНАСС/ GPS (табл. 2).
Выводы. Принимая решения в области циф-ровизации и автоматизации сельского хозяйства, необходимо исходить из того, что весь комплекс мероприятий трансформации реализуется с целью сокращения всех видов затрат на производство
сельскохозяйственной продукции и продовольствия. Используя модульный принцип комплектования, с учётом условий хозяйства, беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования (датчиков, счётчиков и сенсоров), возможно осуществлять мониторинг движения ресурсов, обеспечивая рост производительности труда и снижение потерь. В цифровом сельском хозяйстве приоритет в развитии отводится автоматизации производства как высшей степени механизации, замене ручного труда во всём цикле производства посредством беспилотных и робото-технических систем.
Литература
1. Абрамов Н.В., Бакшеев Л.Г., Килин П.М. Инновационные и ресурсосберегающие технологии — основное направление развития АПК Тюменской области // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. 2004. № 1. С. 14-18.
2. Кирилова О.В. Инновационные рычаги стратегического управления прецизионными технологиями в условиях цифровой экономики // Евразийский юридический журнал.
2018. № 2 (117). С. 332-334.
3. Big Data от А до Я. Часть 1: Принципы работы с большими данными, парадигма MapReduce / Блог компании DCA (Data-Centric Alliance),Big Data. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/company/dca/blog/267361/.
4. Блокчейн — это... Как работает блокчейн, преимущества, применение, перспективы. [Электронный ресурс]. URL: https://fb.ru/article/261672/blokcheyn—eto-kak-rabotaet-blokcheyn-preimuschestva-primenenie-perspektivyi.
5. Интернет вещей — а что это? [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/149593/.
6. Чуба А.Ю., Чуба Ан.Ю. Использование беспилотных авиационных систем в сельском хозяйстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.
2019. № 3 (77). С. 161—163.
7. Чуба А.Ю. Вопросы ресурсосбережения в агроинженерных системах // Актуальные вопросы технических наук: теоретический и практический аспекты. Уфа, 2015. С. 108—119.
8. Чуба А.Ю., Кирилова О.В. Разработка научно обоснованных систем ведения сельского хозяйства с использованием спутниковых навигационных систем // Агропродовольственная политика России. 2017. № 10 (49). С. 157—162.
Сезонный аккумулятор холода (льда) для охлаждения молока
В.Г. Петько, д.т.н., профессор, А.Б. Рязанов, к.т.н., М.Б. Фомин, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Разработка и внедрение энергосберегающих технологий в настоящее время является одной из весьма актуальных задач промышленного и в не меньшей мере агропромышленного производства. К одной из таких технологий в сельском хозяйстве относится технология производства молока на животноводческих фермах, в частности, энергозатратная технология охлаждения молока перед отправкой его на молокоперерабатывающие предприятия. Так, на охлаждение 1 т молока с помощью охладительных установок, используемых в настоящее время, расходуется до 35 кВт • часов электрической энергии [1].
В связи с этим в последнее время всё чаще стали поступать предложения по реанимации вытесненного электрическими охладителями и ушедшего в связи с этим в тень метода охлаждения молока и молочных продуктов с использованием естественного холода, запасённого в зимнее время года в виде массы льда достаточного объёма.
Материал и методы исследования. К техническим средствам, усовершенствующим этот метод и делающим его более привлекательным в смысле эффективности и снижения трудозатрат, можно отнести аккумулятор естественного холода А-15 [2, 3]. Металлический бак этого аккумулятора сообщается с атмосферой, заполнен водой и контактирует внешней поверхностью с окружающим воздухом. Из нижней части полости бака вода через трубо-
провод поступает на вход теплообменника «вода — молоко» и с выхода теплообменника через градирню поступает снова в бак (в его верхнюю часть).
Однако этот аккумулятор естественного холода нельзя использовать для сезонного накопления льда, так как даже при достаточном объёме бака и достаточном на летний период накопленного в нём льда большая его часть уйдёт не на охлаждение молока, а на охлаждение окружающего бак воздуха. Необходимость же иметь для нормального функционирования данного аккумулятора естественного холода градирню повышает его стоимость, усложняет конструкцию и управление работой.
В связи с этим нами разработан сезонный аккумулятор естественного холода, в значительной степени свободный от указанных недостатков [4]. Принципиальная схема устройства и функционирования этого аккумулятора приведена на рисунке 1.
Цилиндрический металлический бак 1, контактирующий внешней поверхностью с окружающим его воздухом, сообщается с атмосферой и заполнен водой. Циркуляционный насос 2 трубопроводом 3 соединён с входом 4 охладителя молока 5. Выход 6 охладителя трубопроводом 7 соединён с верхней частью полости бака. Бак установлен плоским нижним торцом на плоское дно заглубленного в грунт цилиндрического колодца 8 с возможностью свободного прохождения воздуха между стенкой бака и стенкой колодца. Верхний торец бака покрыт слоем 9 теплоизоляции, в которой имеется отверстие 10 небольшого диаметра для выравнивания давлений в баке и атмосферного давления. Колодец имеет шатровое перекрытие 11, по периметру которого размещены защищённые от проникновения осадков и метелей окна 12 для
поступления в кольцевую полость 13 колодца холодного атмосферного воздуха (х.в.) и отверстия 14 для выхода из полости колодца воздуха более высокой температуры (т.в.).
При отрицательной температуре окружающей среды холодный воздух заполняет через окна 12 кольцевое пространство между стенками бака и колодца и охлаждает через стенки бака 1 находящуюся в нём воду. При этом температура воздуха повышается, и он, поднимаясь, уходит через окна 14 в атмосферу.
При снижении температуры воды до нуля градусов в зоне Н объёма бака начнётся образование и нарастание слоя льда, прилегающего к стенке бака. В верхней же зоне к объёма воды в баке лёд образуется в меньшем количестве, так как туда периодически в течение суток поступает тёплая вода с выхода 6 охладителя молока 5. В летнее время охлаждение воды в зоне к бака будет происходить не за счёт оттока тепла через стенки верхней зоны бака, а за счёт расплавления водой льда. Это будет происходить в первую очередь за счёт расплавления верхних его слоёв. При этом зона к будет расширяться, а зона Н уменьшаться (к концу летнего периода при правильном расчёте высоты бака вплоть до нуля). Теплоизоляция верхнего торца бака, цилиндрическая форма и установка его днищем непосредственно на основание дна колодца предотвращает деформацию днища и стенок бака под действием напора воды при относительно малой их толщине, что в итоге снижает металлоёмкость устройства.
Так как колодец, в котором расположен бак, заглублён в грунт, холодный воздух будет заполнять полость между стенками бака и колодца и при по-
ложительной температуре атмосферного воздуха. При этом отдача холода через стенки бака в тёплое время года будет минимальна, а следовательно, большая часть запасённого объёма льда будет сохранена непосредственно для охлаждения молока в летнее время.
Целью настоящей работы является разработка методики определения необходимых размеров бака аккумулятора льда для конкретного животноводческого предприятия, расположенного в конкретном климатическом районе.
На рисунке 2 показан поперечный разрез бака аккумулятора льда.
Элементарный слой льда
Стенка бака Лёд
Вода
Рис. 2 - К расчёту температурного сопротивления бака
В ранее опубликованных работах [5, 6] было показано, что в цилиндрическом баке общее тепловое сопротивление от внутренней поверхности льда до окружающей среды имеет вид:
Я = Г (Гл ) = *Л + Я + Яя =
1 I К 1
1п — +-1п — +-
2 кНХ„ к 2пНл а
1 , (1)
баке при наличии в объёме бака льда температура воды по всей высоте Н равна 0°С, получим:
вс (г) = ТБ - Тс (г) = 0 - тс (г) = -Тс (г). (3)
Тогда и мощность оттока тепла из бака также будет функцией времени:
Ря (? ) =
6с (О . Я(Гл )
- Тс ()
1
2пНХ„
1п + -
1
1п ^ + -
1
(4)
гл 2пНХс г1 2пНтга
В то же время в бак за счёт циркуляции воды в контуре «бак — теплообменник» поступает тепло охлаждаемого молока. Мощность притока тепла равна:
(5)
РМ СМ т(ТМН ТМК) ,
где сМ — удельная теплоёмкость молока, равная 4000 [8], Дж/(кг • °С);
ТМН — начальная температура молока, поступающего на охлаждение, °С; ТМК — температура охлаждённого молока, °С; т = N• у/ (365 • 24 3600) — среднесуточная интенсивность поступления молока на охлаждение, кг/с;
N — поголовье дойных коров на ферме, гол.; У — годовая молочная продуктивность коровы, кг/гол.
Для решения вопроса о динамике нарастания льда необходимо учесть теплоту плавления льда. Теплота плавления элементарного слоя льда в джоулях рассчитывается как:
¿»л = = ЯР л 2пгл Шкл ,
(6)
2пН%л кл —V,С ,1 ^„2^
где В.л, В.с и В.П — сопротивление теплопередаче соответственно слоя льда, стенки бака и теп-лоотдающей поверхности бака, °С/Вт; Н — высота теплоотдающей поверхности бака, м;
Хл — удельная теплопроводность льда, равная 2,23 Вт/(м • °С);
ХС — удельная теплопроводность стали, равная 47 Вт/(м • °С);
а — удельная теплоотдача, Вт/(м2^ °С).
По данным Х. Кухлинга [7]:
а = 4,5 + 4v , (2)
где V — скорость охлаждающего воздуха относительно поверхности бака (по условиям размещения бака можно считать близкой к нулю), м/с.
Мощность теплового потока, уходящего в окружающую среду через стенки бака, пропорциональна разности 8С температуры окружающей среды, являющейся функцией времени года ТС(?) и температуры воды в баке ТБ. С учётом допущения, что за исключением верхней зоны объёма воды в
где g — удельная теплота плавления льда, равная 333700 Дж/кг [9];
<1тл — элементарный прирост массы льда по всей внутренней боковой поверхности бака, кг.
При этом можно пренебречь теплом, запасаемым в массе льда за счёт его теплоёмкости, так как оно более чем на порядок меньше теплоты плавления льда. Тогда с достаточной степенью точности можно считать, что
¿м>М = ¿м>П + ¿м>л
или
РМ¿г = РП (г)Ж + ¿м>л . Заменим входящую в уравнение величину её значением из (6), получим следующее дифференциальное уравнение:
= РМ - РП С)
¿г
(7)
ЯР л 2пНкл
Решение данного дифференциального уравнения осуществим графоаналитическим способом. С этой целью заменим в уравнении дифференциалы переменных величин гл и ? достаточно малыми приращениями этих величин. При этом будем считать, что на отрезке времени А?гл, т и ТС будут оставаться постоянными, а изменение температуры окружающей среды в течение года происходит по
синусоиде, смещённой относительно оси времени на величину среднегодовой температуры в районе расположения аккумулятора холода:
Тс (Г) = Та • 8Ш( Ш + Ф) + Тсг, (8)
где Та и Тсг — соответственно амплитуда синусоиды и среднегодовая температура окружающей среды, °С;
Ш = 2п /365 — угловая частота периодических колебаний температуры, 1/сут; ф — начальная фаза периода колебаний в радианах.
Алгоритм решения данного уравнения представлен на рисунке 3.
Результаты исследования. В работе в качестве примера приведён расчёт по изложенной выше методике и компьютерной программе, реализующей данный алгоритм накопления и расхода льда в баке аккумулятора холода радиусом г2, равным 1,5 м, высотой 4 и средней высотой Н объёма льда в баке 3,6 м. Толщина стальной стенки бака 5 = 0,004 м. Аккумулятор холода (льда) установлен в
климатических условиях г. Оренбурга для охлаждения молока в фермерском хозяйстве с поголовьем N=20 дойных коров, каждая с продуктивностью у=4000 кг молока в год. Охлаждение молока осуществляется от ТН =30°С до ТК =4°С.
Годовой ход температуры в г. Оренбурге характеризуется следующими показателями [10]:
• средняя температура по месяцам —
Мес. Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. О Нояб. и и «
Т °С см ^ -13,7 -13,1 -6 7 15,4 19,8 22,2 20,1 14,1 5,1 -3,1 -9,7
• среднегодовая температура Тсг — +4,8°С;
• разность максимальной и минимальной среднемесячных температур — 25,9°С.
Для осуществления расчётов по разработанному алгоритму зависимость температуры окружающего воздуха от времени года, представленную таблично, аппроксимирована аналитическим выражением, в качестве которого, как было показано выше, в наибольшей степени подходит выражение (8).
Рис. 3 - Алгоритм решения дифференциального уравнения (7)
Рис. 4 - Кривые аппроксимирующей ТС и аппроксимируемой (табличной) Тст зависимостей температуры окружающего воздуха от времени года
Конкретно для данных климатических условий это выражение примет следующий вид:
Тс (?) = 17,95 8т (0,017? +1,85) + 4,8. (9)
На рисунке 4 представлены кривые аппроксимируемой и аппроксимирующей зависимостей. Вид кривых свидетельствует о достаточно приемлемой для рассчитываемого объекта степени соответствия этих зависимостей.
Все указанные исходные данные, а также справочные данные используемых в устройстве материалов, приведённые выше, заносятся в соответствии с алгоритмом расчёта в блок исходных данных программы (модуль 1 алгоритма). При этом элементарный промежуток времени Д? установлен длительностью в одни сутки. В модуле 2 алгоритма программа в соответствии с выражениями (5, 2, 1) осуществляет расчёт параметров бака льдоаккумулятора, не зависящих от радиуса гЛ внутренней поверхности льда. Далее в модуле 3 устанавливаются начальные значения времени а также начальные номера строк I и столбцов у матриц RLML хранения промежуточных результатов расчёта соответственно радиусу внутренней поверхности льда гЛ и массе накопленного в баке льда МЛ. Начальное значение гЛ устанавливается произвольно, и по истечении нескольких периодов расчёта оно выходит на установившуюся величину, которую и следует считать за результат расчёта.
В модуле 4 осуществляется расчёт массы льда в момент времени ? с последующим заполнением (модуль 5) ячеек матриц, соответствующих номеру I суток года и номеру у года. По условию модуля 6, если ? менее года, производится увеличение ? на величину Д? (одни сутки). По выражению (1) вычисляется сопротивление теплопередаче КЛ (модуль 8) и по выражению (9) — температура ТС наружного воздуха (модуль 9). Если ТС >0, так как наружный воздух при его температуре выше нуля, в кольцевое пространство между стенками колодца 8 и бака 1 опускаться не может, величина температуры в кольцевом пространстве, окружающем бак, приравнивается к нулю (модули 10 и 11 алгоритма).
Сутки с начало года
Рис. 5 - Графики зависимости толщины слоя льда с1л и массы накопленного льда МЛ от времени года
В последующем по выражению (4) определяется мощность теплоотдачи с поверхности бака РП и по выражению (7) прирост радиуса льда за сутки ДгЛ (модули 12 и 13 соответственно). В модуле 14 осуществляется пересчёт гЛ и I на начало следующих суток и повторный выход на начало суточного цикла (модуль 4). Как только будут перебраны все сутки года, по условию модуля 6 проверяется накопление льда в начале и конце года (модуль 7') и если расхождение превышает 5%, по условию модуля 8' осуществляется переход на начало следующего года (модуль 9). Таким образом, годовые циклы будут повторяться до тех пор, пока разность радиусов льда в начале и в конце года не станет меньше 5%, т.е. не наступит установившийся режим, и по условию модуля 8' результаты последнего года будут выведены на печать (модуль 9'').
На рисунке 5 приведены графики изменения в течение года толщины слоя льда (йЛ = г1 — гЛ) и массы льда, построенные по результатам расчёта рассмотренного примера льдоаккумулятора.
Вид кривых показывает, что максимум накопления льда происходит на 75-е сутки с начала года, что соответствует примерно середине марта. В дальнейшем происходит снижение как массы льда, так и радиуса внутренней поверхности стенки льда, а соответственно и её толщины. Минимума они достигают, как следует из графиков, примерно на 305—310-е сутки (начало ноября) и далее с наступлением морозов повторно увеличиваются. При этом в данном случае минимум массы льда составляет 11 т. Это запас на случай аномально тёплой зимы. При необходимости его можно увеличить или, наоборот, уменьшить корректировкой или высоты бака, или его диаметра с последующим пересчётом его выходных характеристик.
Выводы. Проведённые расчёты по разработанной выше методике наглядно показывают возможность использования предложенной конструкции сезонного аккумулятора холода (льда) для охлаждения молока в пределах животноводческой фермы без привлечения для этой цели электрической
энергии и с минимальными затратами ручного труда. Если учесть, что для охлаждения 1 т молока с использованием в настоящее время холодильной техники по данным требуется затратить 35 кВт • час электрической энергии, то в рассмотренном примере за год её будет сэкономлено 2800 кВт •час, что эквивалентно годовому экономическому эффекту 12 тыс. руб. при стоимости электроэнергии 4 руб. за кВт • час.
Литература
1. Козловцев А.П., Квашенников В.И., Шахов В.А. Охлаждение молока на молочных фермах: монография. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2016. 110 с.
2. Аккумулятор естественного холода а-15 / Информационный портал ПИЩЕВИК. [Электронный ресурс]. URL: http:// mppnik.ru/publ/525-akkumulyator-estestvennogo-holoda-a-15. html.
3. Козловцев А.П. Обоснование и разработка энергосберегающей технологии охлаждения молока в замкнутом цикле системы «атмосфера—инженерное сооружение-
водная среда»: дис. ... док. техн. наук: 05.20.01. Оренбург, 2017. 385 с.
4. Пат. РФ № 2691486 Сезонный аккумулятор естественного холода / Петько В. Г.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОГАУ; опубл. 14.06.2019.
5. Петько В.Г., Фомин М.Б. Анализ условий обледенения водонапорной башни Рожновского в системе водоснабжения объектов АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 85-89.
6. Петько В.Г. Процесс обледенения металлической водонапорной башни в системах водоснабжения объектов сельского хозяйства, выполненной по типу «бак-стойка» / М.Б. Фомин,
B.Г. Петько, Л.Р. Фомина [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 5 (67).
C. 129-132.
7. Кухлинг Х. Справочник по физике / пер. с нем. Е.М. Лей-кина. 2-е изд. М.: Мир, 1985. 520 с.: ил.стр. 234. табл. 29.
8. Теплофизические свойства молочных продуктов. [Электронный ресурс]. URL:http://thermalinfo.ru/svojstva-produktov/ molochnye-produkty/teplofizicheskie-svojstva-molochnyh-produktov.
9. Петько В.Г., Рязанов А.Б. Исследование динамики нарастания льда на внутренних стенках водонапорных башен // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 1. С. 31-32.
10. Климатические данные городов по всему миру. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.climate-data.org.
Метод нечёткого логического вывода
для анализа техногенных рисков электроустановок
агропромышленного комплекса
Т.В. Еремина, д.т.н, И.А. Шаныгин, преподаватель, ФГБОУ ВО Восточно-Сибирский ГУТУ
При эксплуатации электроэнергетических объектов АПК персоналу необходимо учитывать множество факторов, оказывающих влияние на надёжность и безопасность электрооборудования. При этом информация, которой приходится оперировать, имеет неточный, неполный, в ряде случаев неколичественный характер. Рассмотрение такой задачи в рамках реального производственного объекта следует отнести к классу задач принятия решений в условиях неопределённости [1].
Материал и методы исследования. Пусть имеется модель человеко-машинной системы «Человек — Электроустановка — Среда» («Ч — Э — С»), описывающая зависимость выходного параметра Y(t) от выходных переменных -Х^) (риско-образующих факторов) (рис. 1). Оценка рисков опасности электроустановок различных объектов вероятностно-статистическими методами не всегда будет качественной и достоверной при недостаточности статистических сведений и отсутствии отдельных параметров, зависящих от специфики рассматриваемого объекта. Также существующие применяемые методы не дают возможности предопределить вариации параметров человеко-машинной системы с учётом внешних факторов, их изменчивости.
Использование математических моделей при анализе системы «Ч — Э — С» не даёт желаемых и требуемых результатов по сравнению с результатами экспертных оценок, так как они являются
материалоёмкими и трудоёмкими при проведении расчётов и моделировании.
В этом случае представляется перспективным оперировать нечёткими числами и лингвистическими оценками при составлении практических задач управления рисками опасности электроустановок реальных сельскохозяйственных предприятий в условиях существующей неопределённости, обусловленной неоднозначностью физических процессов, многообразием развития сценариев опасных ситуаций и техногенных угроз (аварий, несчастных случаев, пожаров и др.) [2]. Учёт неопределённости в реальных условиях эксплуатации электрических сетей и технологического электрооборудования несмотря на большое число публикаций в этой предметной области является проблемой до сих пор ещё не решённой.
Известно, что неопределённость является одним из фундаментальных свойств объектов электроэнергетики. Это связано с недостаточным знанием существующих закономерностей со-
Рис. 1 - Модель системы «Ч-Э-С»
