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, исчисляемых 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 отличии 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, химии катов, семян и т.д., м;

А – урожайность, т/га.

Так как l ₁ = 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 можно записать

(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 коэффициента соответствуют 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 машины В 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 захвата В 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]

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 для n_в, оценивают энергетическим эквивалентом = 0, 6…0, 9, а более тяжёлую в сравнении с указанной для n_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 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 (Приложение 4);

Т – нормы годовой загрузки машин, ч;

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.