12 Выбор агрегатов по энергетическим показателям

12.1 Совокупные затраты энергии

Сравнительную оценку эффективного внедрения в сельскохозяйственное производство ресурсосберегающих технологий, производительных и экономичных машин и агрегатов проводят по эксплуатационным и приведенным затратам, расходу топлива, затратам труда и другим показателям, исчисляемым в денежном выражении.

В настоящее время [34] начинает применяться оценка затрат энергии на производство продукции и её энергоёмкости в показателях работы в джоулях (1 Дж = Нм) или в мегаджоулях (1МДж = 10⁶ Дж).

Энергетический критерий в отличие от стоимостного не зависит от политики ценообразования и конъюнктуры рынка. При этом энергозатраты на производство продукции и её энергосодержание выражается в одних единицах – МДж.

В литературных источниках энергию выражают в различных физических единицах. Ниже приведены соотношения некоторых единиц энергии:

1 кВт∙ч = 10³ Вт·ч = 10³·1Вт·3600с = 3,6·10⁶ Дж = 3,6 МДж;

1 л.с. = 0,736 кВт, 1л.с.·ч = 0,736 Вт ·3,6 МДж = 2,65 МДж;

1 кал = 4,19 Дж, 1 ккал = 4,19 кДж = 4,19·10³ МДж;

1 кг д.т. (дизельного топлива) ≈ 42,5 МДж;

1 кг а.б. (автомобильного бензина) ≈ 43,9 МДж;

1 кг у.т. (условного топлива) = 7000 ккал = 29,33 МДж.

Ресурсосберегающие технологии, выполняемые в сельскохозяйственном производстве, оценивают по общим (совокупным) затратам энергии, отнесённым к единице обработанной площади (МДж/га) или к единице массы полученной продукции (МДж/т).

Совокупные затраты энергии выражают суммой составляющих

Е = Е_р+Е_о+Е_ж+Е_м+Е_пр, (12.1)

где Е_р – энергозатраты на рабочий процесс машин;

Е_о – овеществлённые затраты энергии на семена, консерванты, удобрения, химикаты, воду;

Е_ж – энергозатраты живого труда трактористов, водителей, комбайнеров и вспомогательных рабочих;

Е_м – энергия, потребная на производство и обслуживание машин и оборудования;

Е_пр – затраты энергии на использование траншей, жилых, производственных, подсобных помещений и пр.

По этим энергозатратам сравнивают технологии, агрегаты и машины. При выполнении дипломных проектов по величине совокупных затрат энергий Е оценивают эффективность проектируемых технологий (объектов), сравнивая их с аналогами.

Рассмотрим составляющие совокупных затрат.

12.1.1 Затраты энергии на рабочий процесс. Энергию Е_р находят по сумме затрат: энергии Е_к на перекатывание мобильных агрегатов, самоходных комбайнов, автомобилей и др. машин, энергии Е_хх на холостой ход и энергии Е_тп на технологический процесс, т.е.

Е_р = Е_к+Е_хх+Е_тп. (12.2)

12.1.2. Энергозатраты Е_к на перекатывание машин равны произведению силы Р_к, необходимой для перекатывания машин, и пути l₁ или l₂.

, или , (12.3)

где l₁ – путь, проходимый машиной при обработке 1 га площади поля, м;

l₂ – путь машин при уборке урожая, внесении удобрений, химикатов, семян и т.д., м;

А – урожайность, т/га.

Так как l₁ = 10000/В, а l_2­ = 10000/ВА, то

, или , (12.4)

где В – ширина захвата агрегата, м.

–коэффициент сопротивления перекатыванию при движении машины;

–масса агрегата, равная сумме масс трактора, сцепки и рабочей машины, кг.

С учетом КПД двигателя, трансмиссии и потери на буксование энергозатраты на перекатывание будут равны:

(12.5)

(12.6)

где – коэффициент сопротивления перекатыванию при движении машины (приложение 12);

–масса агрегата, равная сумме масс трактора и машины, кг;

–масса объёмов, транспортируемых в машине при выполнении её работы (семена, удобрения, химикаты и др.), кг;

–коэффициент, учитывающий долю холостых ходов (=0,04…0,25);

В – ширина захвата агрегата, м.

Величина коэффициента сопротивления перекатыванию зависит от состояния поля, влажности почвы, конструкции машины и др. факторов [15].

Массу определяют по формуле

, (12.7)

где – коэффициент, учитывающий заполнение бункеров,;

–плотность объектов, т/м³ [17];

–вместимость бункеров для зерна, овощей, кормов, удобрений и др., м³.

Эффективный КПД дизельных двигателей , а карбюраторных –. КПД механической передачи энергии от двигателя на движитель. Коэффициент буксования тракторов, а самоходных комбайнов. Более высокие значения коэффициентасоответствуют работе на увлажненных, суглинистых почвах и при движении по вспаханному полю.

12.1.3 Энергозатраты Е_хх на холостой ход рабочих органов машин. Их учитывают для агрегатов с приводом рабочих органов от вала отбора мощности (ВОМ) тракторов, а также для самоходных комбайнов, сушилок, зерноочистительных и других машин.

Энергозатраты Е_хх зависят от ширины захвата машины В и от её номинальной пропускной способности

, (12.8)

, (12.9)

где ,– удельные мощности, потребные на привод рабочих органов на холостом ходу, отнесённые соответственно к ширине захвата машиныВ или к номинальной пропускной способ- ности ;

–часовая производительность агрегата, га/ч (т/ч).

12.1.4 Энергозатраты на технологический процесс (Е_тп) в зависимости от мощности, затраченной на взаимодействие рабочих органов машин с объектом обработки (переработки), можно выразить формулами:

, (12.10)

(12.11)

где ,– удельные затраты мощности на технологические процессы, отнесённые соответственно к ширине захватаВ или к номинальной пропускной способности .

Значения энергозатрат на холостой ход рабочих органов машин Е_хх и на технологический процесс Е_тп приведены в таблицах 12.1 и 12.2.

Таблица 12.1 – Средние значения удельной мощности, потребляемой на привод рабочих органов

Наименование машин	Параметр
	, кВт/м	, кВт/м
Косилки сегментно-пальцевые	1,7	1,0
Косилки ротационно-дисковые	1,6	1,3
Валковые жатки	1,4	1,5
Пресс-подборщики	5,8	2,2
Комбайны картофелеуборочные	12,5	9,3
Комбайны силосоуборочные	2,1	1,5

Таблица 12.2 – Средние значения удельной мощности, потребной на технологический процесс переработки объекта

Наименование машин	Параметр
	, кВт (кг/с)-1	,кВт (кг/с)-1
Комбайны зерноуборочные	2,7 (2,8)	7,6
Комбайны кормоуборочные	3,2	8,2
Косилки самоходные	3,0	8,0
Зерноочистительные машины	2,4	3,1
Зерносушилки	4,2	3,3 МДж на 1 т испарённой влаги

Для почвообрабатывающих и других машин без привода рабочих органов от ВОМ трактора (плуги, бороны, лущильники, культиваторы и др.) N_хх=0. Тогда расчет проводится по затратам энергии на технологический процесс.

При вспашке 1 га поля на глубину “а” при ширине захвата плуга “В” энергозатраты на технологический процесс равны

(12.12)

а при бороновании, лущении, посеве, культивации и др. процессах

, (12.13)

где К₁, К₂ – удельные сопротивления соответственно плугов, кН/м², борон, лущильников, сеялок, культиваторов и др. машин, кН/м.

Значения удельных сопротивлений приведены в приложении 13.

Энергозатраты на перекатывание и на рабочий процесс агрегата от расходуемого топлива на 1 га обработанного поля или на 1 т полученной продукции можно определить по формулам:

, (12.14)

, (12.15)

где g_т – энергосодержание (низшая теплота сгорания) топлива (таблица 12.3);

α_тд – затраты энергии на производство, доставку и хранение топлива (энергетический эквивалент: для дизельного топлива α_тд =10,0 МДж; для автомобильного бензина α_тд =10,5 МДж );

Н_г, Н_т – нормы расхода топлива соответственно на 1 га обработанного поля и на 1т получаемой или израсходованной продукции [2].

Таблица 12.3 – Теплота сгорания топлива [18]

Топливо	Теплота сгорания
	Ккал/кг	МДж/кг
Автомобильный бензин	10500	43,96
Авиационный бензин	10600	44,80
Дизельное топливо	10200	42,71
Этиловый спирт	6200	25,96

При этом методе расчёта показатели энергозатрат при проектных работах получаются менее достоверными.

12.1.5 Овеществленные энергетические затраты. К овеществленным энергозатратам Е₀ относят консерванты зерна и кормов, удобрения, ядохимикаты и другие добавки. Энергию, овеществленную в них, включают в энергозатраты на процессы обработки, уборки и хранения сельскохозяйственных культур.

Величину этой энергии определяют по формулам

, (12.16)

(12.17)

где – энергетические эквиваленты внесённых веществ, МДж/кг;

–норма внесения вещества, кг/га;

–норма внесения вещества, кг/т.

Энергетические эквиваленты веществ, применяемых минеральных удобрений для консервирования кормов, 14 МДж/кг при m₀ = 0,25…0,35% от массы вещества.

12.1.6 Энергозатраты живого труда. Трактористы, комбайнеры, водители, сушильщики, вспомогательные рабочие и др. затрачивают энергию Е_ж , которую можно определить по формуле

(12.18)

где – энергетические затраты живого труда соответственно основными (трактористы, комбайнеры, водители) и вспомогательными (сеяльщики, грузчики) исполнителями, МДж/ч;

W_ч – часовая производительности агрегата, га/ч, т/ч;

­ – число часов работы соответственно основных и вспомогательных исполнителей;

–коэффициент использования рабочего времени смены.

По нормам ФАО (продовольственная сельскохозяйственная организация ООН) эквивалент = 1,26 и= 1,09 МДж/ч. Более легкую работу, чем указанная дляn_в, оценивают энергетическим эквивалентом = 0,6…0,9, а более тяжёлую в сравнении с указанной дляn_в -= 1,86…2,50 МДж/ч.

12.1.7 Затраты энергии на производство и обслуживание машин и оборудования. Тракторы, комбайны, рабочие машины, вспомогательные средства включают энергию (энергоёмкость), затраченную на их производство, ремонт и техническое обслуживание. Часть этой энергии переносится в совокупные энергозатраты, определяемые по формуле

, (12.19)

где α_м – энергетический эквивалент, определяющий затраты энергии на производство 1 кг массы машины, МДж/кг;

m_м – конструктивная масса машин, кг [20];

­­­a_a, а_р – доли отчислений от полных энергозатрат соответственно на производство, ремонт и обслуживание машин (приложения 4 и 6);

Т – нормы годовой загрузки машин, ч (приложение 5);

W_ч – часовая производительность, га/ч, т/ч [9].

Для тракторов, самоходных комбайнов и автомобилей энергетический коэффициент α_м принимают равным 120, а для прицепных и навесных машин α_м=104 МДж/кг.

Энергозатраты Е_м на перевозку автомобилями грузов массой m_г на расстоянии L определяют по формуле

(12.20)

Нормы отчислений для автомобилей грузоподъемностью 2 т и более составляют а_а = 3·10^-6 1/км, а_р =2·10^-6 1/км.