Энергозатраты при послеуборочной обработке зерна Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 631.362

энергозатраты при послеуборочной обработке зерна

Н.М. ИВАНОВ, доктор технических наук, руководитель (e-mail: [email protected])

Г.Е. ЧЕПУРИН, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, научный руководитель направления

Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства СФНЦА РАН, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация

Резюме. Проанализированы составляющие энергозатрат при выполнении технологических процессов послеуборочной обработки зерна в условиях Сибири. Затраты энергии на производство сельскохозяйственной продукции в России в 1,5-3 раза выше, чем в развитых странах Запада. В основном они приходятся на два вида энергии: электрическую (превращаемую затем в механическую работу) и тепловую (которую используют в процессах сушки и временного хранения с активным вентилированием подогретым воздухом). Проведена группировка энергоресурсов, влияющих на эффективность обработки зерна. Они включают прямые, косвенные и инвестиционные затраты энергии, а также энергию живого труда. Эффективность послеуборочной обработки зерна можно существенно повысить путем более полного использования энергетических ресурсов в самом технологическом процессе очистки и сушки, оптимизации его параметров. При очистке сухого зерна (влажностью до 16 %) от примесей на зерноочистительно-сушильном комплексе КЗС-40Ш энергозатраты при исходной засоренности 15 % составили 200-350 МДж/т. Повышение влажности зернового вороха на 2 % увеличивает энергозатраты на его обработку вдвое (с 300 до 600 МДж/т). Энергозатраты на обработку семенного зерна в 3-4 раза выше, чем продовольственного. Ключевые слова: технологический эффект, послеуборочная обработка, зерна, энергозатраты, очистка, сушка, энергоемкость.

Для цитирования: Иванов Н.М., Чепурин Г.Е. Энергозатраты при послеуборочной обработке зерна // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 4. С. 87-90.

Производство зерна - основное звено сельскохозяйственного производства, от которого зависит обеспеченность промышленности сырьем, населения хлебом и продуктами переработки, животноводства -кормами. Валовой сбор зерна в Сибири в последние годы составляет 15-18 % от общероссийского производства. Более 90 % зерна выращивают крупные хозяйствах различных форм собственности, то есть производство характеризуется крупнотоннажностью, что обусловливает необходимость формирования мощной материально-технической базы обработки зерна. В уборочный период среднесуточная температура воздуха в Сибири составляет 6-110С, относительная влажность - 50-75 %, коэффициент частоты осадков (по многолетним данным) - 0,19-0,50, то есть в благоприятные для уборки годы в среднем один день ненастной погоды приходится на каждые пять дней уборочного периода, а в неблагоприятные - на два дня. Это способствует повышению влажности убираемой продукции и осложняет работу средств очистки комбайнов, особенно при прямой уборке, что приводит к повышению засоренности зернового вороха. Это определяет высокую среднесезонную влажность (до 20-22 %, в зависимости от подзон и конкретных условий года) свежеубранного зерна, поступающего на обработку. Одновременно засоренность его в среднем составляет 6-12 %. В комплексе с существующим техническим обеспечением это при-

водит к тому, что энергозатраты на производство зерна в Сибири в 2-3 раза выше, чем в европейских странах. Все убираемое зерно проходит послеуборочную обработку, которая предусматривает прием, предварительную обработку, сушку, временное хранение, основную обработку, хранение и малотоннажную переработку. На сегодняшний день все зерно доводится до необходимых для реализации кондиций непосредственно товаропроизводителем. Обработку его осуществляют по различным технологиям, адаптированным к свойствам зернового материала, поступающего с поля, и зональным условиям производства. Эффективность обработки зерна определяется интенсивностью технологических процессов и уровнем совокупных затрат при соблюдении заданных показателей качества [1, 2].

Цель исследований - определить энергозатраты при послеуборочной обработке зерна различного назначения и разных исходных свойствах зернового вороха.

Условия, материалы и методы. Общий положительный технологический эффект при обработке иой культуры определяется производительностью комплекса, величиной потерьзерна в отходы,травмированием, снижением влажности, ценами на исходное зерно и конечный продукт, затратами, в том числе энергии. Анализ структуры энергозатрат при обработке зерна (без учета расхода топлива автотранспорта на подвозе и вывозе) показал, что в среднем в зависимости от вида культуры, назначения и технологии обработки (определяющей расход топлива при сушке) 10-40 % приходится на электрическую энергию и 60-90 % на тепловую.

Эффективность технологических процессов при обработке зерна определяется методом получения пооперационных эффектов за промежуток времени с учетом затрат. Общий технологический эффект (Т,э) рассчитывается как совокупность положительных (Тэ(+| -продуктивные свойства, чистота, всхожесть и др.), отрицательных (Тэ(-) - травмирование, потери в отходы и др.) и приведенных затрат на очистку и сушку.

С учетом рассмотренных технологических эффектов и затрат в единицу времени основной работы:

ТЭГТЭ(+)1ГТЭ(-)к-Зп1' П)

гдеР(+й - положительный технологический эффект j-го вида при обработке ий культуры за один

час основного времени, руб.; Тэ

(-)xi

отрицательный

технологический эффект т-го вида при обработке ий культуры за один час работы, руб.; Зпм- приведенные затраты на очистку и сушку ий культуры в течение одного часа работы, руб.

Результирующий технологический эффект (КJt)) должен быть больше нуля, при этом качество обрабатываемого зерна (продуктивные свойства, травмиро-ванность, чистота и др.) должно отвечать требованиям стандартов:

К(V = ( С>С; Вс>Всг; В<ВлГ; П>Пнн), (2)

где С, Вс, Вл, Пк - соответственно засоренность, всхожесть, влажность, продуктивность обработанного зерна и Сг, Всг, Влг, Пнн - величины этих показателей, регламентированные стандартами [3].

результаты и обсуждение. Эффективность энергозатрат - это отношение накопленной энергии к затраченной на производство:

Е= Ю /Q) ^ тах, (3)

где Qр - энергия, накопленная хозяйственно-ценной частью урожая (в зерне), МДж; Q - совокупная энергия, израсходованная на обработку зернового потока, МДж.

По степени значимости энергоресурсы, влияющие на эффективность обработки зерна, можно распределить на несколько групп [4]:

прямые затраты энергии, определяемые расходом электроэнергии и различных видов топлива при выполнении технологических процессов;

косвенные затраты энергии, складывающиеся из затрат на производство консервантов, транспортировку мертвых отходов, дезинфекцию складских помещений и др.;

инвестиционные затраты, включающие сумму затрат энергии, связанных с производством средств производства (зерноочистительные машины, сушилки, транспортные средства, здания, сооружения), которые посредством энергетических эквивалентов приводят к единым показателям;

энергия живого труда, расходуемая на поддержание деятельности людей, занятых в производстве, определяемая посредством энергетических эквивалентов.

Совокупные затраты энергии на послеуборочную обработку зерна Еп можно определить путем их суммирования:

Е = Е + Е + Е + Е , (4)

П пр кос жив жт' * '

где Епр - прямые затраты, МДж; Екос - косвенные затраты, МДж; Еинв - инвестиционные затраты, МДж; Ежт - затраты энергии живого труда, МДж.

Прямые удельные затраты энергии (Епр) на выполнение иго технологического процесса для зерноочистительно-сушильного комплекса в целом определены как сумма расходов энергии отдельными техническими средствами (раздельно для каждого вида энергоносителя). В качестве исходной информации для расчета прямых затрат энергии использовали результаты собственных исследований, государственных испытаний МИС и данные о расходах энергии и поэлементных затратах. На начальном этапе определяли все тепло- и энергетическое оборудование для основных и вспомогательных процессов (очистка, сушка, транспортирование зерна), его марки, мощность, массу, производительность, режимы работы и другие технико-экономические показатели. Все энергопотребляющие машины группировали по процессам: прием и предварительная обработка; временное хранение и сушка; основная обработка (очистка от примесей); специальная обработка (сортирование и др.); переработка фуражного зерна; хранение.

Расчет энергоемкости послеуборочной обработки зерна необходимо выполнять в следующих границах: начальная операция - транспортировка зерновой массы с поля, конечная - транспортировка готовой продукции в склад или на реализацию. Поскольку при послеуборочной обработке зерна, в зависимости от назначения, возможно применениеразличных технологических схем, включающих определенные технологические процессы, то во избежание расхождений и достижения однозначных результатов при определении энергоемкости следует соблюдать ряд основных условий: адекватность границ;

одинаковая последовательность проведения анализа и тождественная процедура обработки исходных данных;

адекватность схем анализа комплексов с различными технологиями;

наличие дополнительных данных о климатических и других факторах, существенно влияющих на расход топлива и энергии при работе топок сушилок.

После предварительной подготовки по каждому из технологических процессов определяли фактические значения количества обработанного зерна, расхода электроэнергии, состава технических средств, реализующих конкретную технологию, расхода топлива, качественных показателей технологических процессов очистки и сушки зерновой массы, продолжительность работы каждого тепло- и энергетического технического средства.

Время работы технических средств и оборудования рассчитывали по формуле:

I; = М, /(М01 ■ Кз), (5)

где М1 - количество обработанного зерна ной машиной, т; Мо- нормативная часовая производительность ной машины т/ч; Кз1 - коэффициент загрузки.

Затраты электроэнергии и дизельного топлива при сушке и временном хранении (с подогревом воздуха) можно определить из выражения:

(6)

где ^ - количество конкретного энергоносителя по нму техническому средству к-го технологического процесса, т, м3, кВт/ч; Ру-установленная мощность нй машины или транспортирующего средства (паспортная); V - продолжительность работы нй машины, ч; К сс - коэффициент спроса, учитывающий каталожную неувязку между фактически потребляемой мощностью иго технического средства и его паспортной мощностью.

В общем случае коэффициент спроса можно рассчитать по формуле:

К _ К»' ^од с Л

(7)

где Кз, Ккн, К0Д - коэффициенты соответственно загрузки, каталожной неувязки и одновременности; П - КПД энергооборудования.

Для определения расхода топлива транспортных средств, осуществляющих перевозку различных фракций обработанного зерна по назначению (дальнейшая обработка, хранение, переработка) можно воспользоваться следующей формулой:

В = (8)

та ■ Р/

где Н1 - плечо перевозки j-го груза, км; М1 - масса перевозимого j-го груза за расчетный цикл, т; то-грузоподъемность иго транспортного средства, т;

- коэффициент использования грузоподъемности иго транспортного средства; во1 - удельный расход топлива на единицу мощности двигателя в час, который для автомобилей можно приближенно принять равным 0,2 кг (кВт-ч).

Дополнительные энергетические затраты на производство бензина, керосина и дизельного топлива примем равными - 9,12 МДж/кг. В соответствии с результатами проведенных расчетов прямые удельные затраты энергии при обработке зерна (Е) на выполнение j-го процесса для зерноочистительно-сушильного комплекса КЗС-40Ш в целом определены как сумма расходов энергии отдельными техническими средствами раздельно при использовании каждого вида энергоносителя - твердого, жидкого, электроэнергии (табл. 1).

Е =ЕпВ'■ I, (9)

пр к к к

где п - количество технических средств; В;- количество энергоносителя, т (кВт); к - вид энергоносителя; 1к - энергосодержание конкретного энергоносителя, м Дж/кг (МДж/кВт-ч).

Таблица 1. Примерные значения энергосодержания и энергетические эквиваленты энергоносителей [4]

Таблица 3. Энергоемкость автотракторных средств, приходящихся на 1 км пробега и 1 ч работы [4]

ЭнергоЭнергоноситель содержание, МДж Энергетический эквивалент, МДж

Электроэнергия, кВтч 3,6 12,01

Тепловая энергия, Гкал 4,19 5569,2

Автотранспортное топливо: 32,76

дизельное топливо, кг 42,7 10,0

бензин автомобильный, кг 43,9 10,5

Органическое топливо:

топливо условное, кг 29,3 36

уголь каменный, кг 22,5 24

газ природный, м3 36,2 40

Косвенные затраты энергии можно определить по формуле:

Е = £ nD' ■ а , (10)

кос т т т' * '

где Dnj - удельный расход j составляющего затрат; ат - энергетический эквивалент j вида составляющего затрат, МДж/т.

Инвестиционный показатель энергоемкости зерноочистительно-сушильногокомплекса в целом определяется как сумма:

Еинв = + Езд + Ео„ (11)

где Еэ, Езд, Еоб - соответственно энергоемкости энергоносителей, помещений комплексов складов и технологического оборудования, Мдж.

Энергоемкость энергоносителей рассчитывают следующим образом:

Е'э = £П &к ■ ^ (12)

где dк- энергетический эквивалент конкретного энергоносителя, то есть коэффициент, учитывающий дополнительный расход энергии на его добычу, производство, транспортировку, МДж/кг.

Энергоемкость зданий зерноочистительно-сушильных комплексов и складов, бытовых помещений, участвующих в j-м технологическом процессе можно определить по формуле:

/-Л

Й Т '

1 ' ИЗ

(13)

Марка Масса, кг Энергоемкость машин, МДж/ч Энергетический эквивалент, МДж/кг

КОС-0.5 25000 6110 0,2444

КСП-25 30000 6812 0,2271

КЗС-20Ш 39800 9353 0,2350

К-527А 2670 514 0,1925

К-531/1 1900 366 0,1926

ОВС-25 2000 368 0,1840

МС-4.5 2100 404 0,1924

Марка автомобиля, трактора, прицепа Масса, кг Энергоемкость

МДж/км МДж/ч

ГАЗ-САЗ-53Б 3570 1,62 -

ЗИЛ-ММЗ-4502 4800 2,07 -

КАМАЗ-5320 7080 3,10 -

МТЗ-80 3160 - 29,1

Т-40 2380 - 30,2

К-700 11800 - 110,4

Т-150 6975 - 66,1

(14)

где dо - энергетический эквивалент оборудования, МДж/кг (см. табл. 2); М'о] - масса оборудования нй машины j-го технологического процесса, кг; Тн1 - нормативный срок службы иго оборудования, участвующего в j-м технологическом процессе, лет; к1 - коэффициент участия иго технологического оборудования в j-м технологическом процессе.

Энергияживого труда определяется по формуле:

(15)

где Nа - затраты труда иго вида в течение одного j-го технологического процесса, чел.ч; Lmа - энергетический эквивалент затрат трудовых ресурсов а-го вида, МДж/ чел.ч (табл. 4).

Таблица 4. Энергетические эквиваленты затрат трудовых ресурсов [5]

Профессия Энергетический эквивалент

МДж/ чел.ч МДж/ чел.год

Тракторист машинист 60,8 91,1

Шофер (60,3) 90,5

Слесари-операторы 61,3 87,8

Инженерно-технические работы 67 140,7

Полевые рабочие и др. (ручной труд) 33,3 -

где Lз - энергетический эквивалент зданий j-го комплекса, МДж/м3; Fз - площадь зданий, м2; Тнз - нормативный срок службы зданий комплексов, складских помещений; к] - коэффициент участия j-го помещения в технологическом процессе.

Для стационарно размещенного в комплексе технологического оборудования для обработки зерна (зерноочистительные машины, сушилки, нории, транспортеры, теплогенераторы, транспорт, передвижные машины на открытых площадках) энергоемкость (табл. 2 и 3) можно рассчитать из выражения:

Таблица 2. Энергетический эквивалент на 1 ч эксплуатационного времени машин и оборудования для послеуборочной обработки и хранения семян [4]

Основные технологические операции обработки зерна: прием и разгрузка, транспортирование зерна к рабочим органам и местам складирования, временное хранение и сушка, очистка и сортирование (решетная, триерная, воздушная, псевдосжижение, электромагнитная), хранение.

На основе анализа комплектующего оборудования зерноочистительно-сушильных комплексов энергетические показатели перечисленных технологических операций варьируют в следующих пределах (5):

прием и разгрузка обрабатываемого зерна в завальную яму - энергозатраты - 0,39 кВт/т;

транспортировка зерновой массы к рабочим органам зерноочистительных машин и в склад - энергозатраты 0,13-0,30 кВт-ч/т по расходу металла - 40,6-85,0 кг/(т/ч);

расход электрической энергии на сушку зерна конвективную - 3,73-6,35 кВт-ч/т; топлива - 8,6-12 кг/(т/ч), металлоемкость - 800-1037,5 кг/(т/ч);

очистка зернового вороха - решетная - электрическая энергия - 0,13-0,22 кВт-ч/т, металлоемкость - 40-60 кг/(т/ч); триерная - 0,18-0,40 кВт-ч/т и 40-80 кг/(т/ч) соответственно; воздушная - 0,39 кВт-ч/т и 35 кг/(т/ч); псевдосжижение (пневмостол) - 2,73 кВт-ч/т и 155-240 кг/(т/ч); электромеханическая сепарация - 6,5 кВт-ч/т и 2160 кг/(т/ч);

хранение - электрическая энергия 0,08-0,16 кВт-ч/т (за 8 месяцев хранения, при погрузочно-разгрузочных

Влажность W, %

15 16 18 20 22 W.%

Влажность W, %

рис. 1. Влияние влажности и засоренности (С) зерна пшеницы на энергозатраты при послеуборочной обработке: —»— - С = 10%; _о_ - С = 15%; —а--С = 20%.

работах: 2 операции - загрузка и разгрузка), металлоемкость - 19,3 кг/т, материалоемкость (бетон) - 0,17 м3/т.

В качестве примера проведен расчет энергозатрат при обработке зерновых культур (пшеница, горох, ячмень, рожь, овес, гречиха, соя) в продовольственном и семенном режимах на комплексе КЗС-40Ш при засоренности от 10 до 20 % и влажности 10-23 %.

Анализ полученных зависимостей (рис.1) показывает, что влажность зерна самым существенным образом влияет на энергозатраты при его обработке.

Если при влажности до 16 % энергозатраты на очистку составили около 350 МДж/т, то при 20 % (на очистку и сушку) они увеличились в 2,5 раза (до 800 МДж/т), а при 24 % - в 3,7 раза (до 1300 МДж/т). Назначение зерна также значительно влияет на энергозатраты. На обработку

рис. 2. Изменение энергозатрат при обработки зерна пшеницы зависимости от его назначения: —ф— - продовольственное; —■— - семенное.

семенного зерна они в 4-5 раз выше,[7^ зерна продовольственного назначения!

приобработке

выводы. В результате исследований сформированы группы энергозатрат, учитывающие прямые затраты электроэнергии, топлива, материалов и живого труда, участвующих в различных технологических операциях послеуборочной обработки зерна. Предложены расчетные формулы для определения энергозатрат при обработке зерна различной влажности, засоренности и назначения. Установлено, что затраты на обработку семенного зерна в 4-5 раз выше, чем на обработку продовольственного, при влажности зерна 16 % они составляют 1500 и 250 МДж; 20 % - 2700 и 700 МДж соответственно.

Литература.

1. Иванов Н.М. Энергетический анализ технологического процесса сушки зерна // Механизация, автоматизация и электрификация технологических процессов с.-х. производства: сб. науч. тр. Новосибирск: Сиб.отд-ние РАСХН, СибИМЭ, 2000. С. 64-68.

2. Иванов Н.М. Энергосбережение при послеуборочной обработке зерна в условиях Сибири// Мобильная энергетика, энергосбережение, использование с.-х. техники и технический сервис, автоматизация и информационные технологии: науч. тр. М.: РАСХН, ВИМ, 2000. Т. 133. С. 64-69.

3. Иванов Н.М. Повышение эффективности послеуборочнойобработки зерна на основе энергосбережения//Энергосбережение в сельском хозяйстве: материалы междунар. науч.-техн. конф. М.: ВИЭСХ, 1998. С. 97-98.

4. Методические рекомендации по топливно-энергетической оценке сельскохозяйственной техники, технологических процессов и технологий в растениеводстве / В.А. Токаревв и др. М.: ВАСХНИЛ, ВИМ, 1989. 59 с.

5. Основные принципы и методические подходы к энергетической оценке эффективности реализаций материально-технических ресурсов и технологий в сельском хозяйстве: метод. пособие. М.: РАСХН, 1995. 91 с.

POWER CONSuMPTION AT AFTER-HARVESTING GRAIN PROCESSING

N.M. Ivanov, G.E. Chepurin

Siberian Research Institute of Agriculture Mechanization and Electrification of the SFRCAB of the RAS, pos. Krasnoobsk, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation

Abstract. There were analyzed the components of power consumption during an implementation of technological processes of after-harvesting grain processing under conditions of Siberia. Electric power inputs for producing agricultural products in Russia are 1.5-3 times higher than those in the developed countries of Western Europe. Two kinds of energy are mainly used: electric power, then transformed into mechanical work, and heat, which is used for drying and short-term storage with the active ventilation by heated air. The classification of energy resources influencing the effectiveness of grain processing was carried out. They include direct, indirect and investment expenses as well as living-labor power. The effectiveness of after-harvesting grain processing can be considerably improved by better use of energy resources in the very technological process of cleaning and drying and by optimization of its parameters. When cleaning dry grain (with moisture content up to 16 %) from impurities at the grain cleaning and drying machine KZS-40Sh, the energy consumption was 200-350 MJ/t at the initial infestation of 15 %. The raising of the moisture content of the grain heap by 2 % increases energy consumption for its processing twice (from 300 to 600 MJ/t). Energy costs for seed grain processing are 3-4 times higher than for food grain. Keywords: technological effect, post-harvest processing, grain, energy consumption, cleaning, drying, power capacity. Author Details: N.M. Ivanov, D. Sc. (Tech.), branch director, (e-mail: [email protected]); G.E. Chepurin, D. Sc. (Tech.), corresponding member of the RAS, scientific supervisor.

For citation: Ivanov N.M., Chepurin G.E. Power Consumption at After-Harvesting Grain Processing. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2017. Vol. 31. No. 4. Pp. 87-90 (in Russ.).