Теоретическое обоснование возможности увеличения коэффициента полезного действия двигателя комбайна

Номер документа 7620150007

РУБРИКА:
15. Использование нетрадиционных источников энергии

РУБРИКА ГРНТИ:
55.57.37. Машины для уборки, обмолота и сбора урожая

АТРИБУТЫ:
Отрасли: Сельское хозяйство
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Статья
Номер:
Автор (принявший орган): ФГБОУ ВПО "Ярославская ГСХА", 150042, г.Ярославль, Тутаевское ш., 58, (4852) 55-95-37, В.А. Николаев , д.т.н.. доцент кафедры механизации сельскохоз. произв., Р.С. Подгорнов, студент 5 курса
Дата: 30.01.2015
Регион: Ярославская область
Источник информации: Журнал "Вестник АПК Верхневолжья" №1 (25) Март 2014

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

Коэффициент полезного действия современных дизельных двигателей не превышает обычно 40%. Существует возможность значительно увеличить КПД двигателей, установленных на зерноуборочных комбайнах. Более 60% энергии, заключённой в дизельном топливе, теряется в окружающую среду в процессе преобразования в механическую энергию в дизельном двигателе. Основным направлением потерь является перенос тепла с отработанными газами в систему охлаждения. Эта энергия, не совершая никакой полезной работы, рассеивается в окружающую среду. В зерноуборочных комбайнах существует уникальная возможность использования этой энергии для частичной сушки зернового вороха.

На территории Ярославской области уборка зерновых проходит в сложных погодных условиях. Кроме того, хлебная масса имеет повышенную влажность ввиду неравномерного созревания зёрен в колосе. Те из них, которые находятся в верхушке колоса, пребывают в момент уборки в стадии восковой спелости, хотя остальные зёрна находятся в стадии полной спелости. Это приводит к тому, что зерновой ворох в бункере комбайна имеет обычно влажность свыше 23% [1].

Для того, чтобы зерно хорошо сохранялись, нужно уменьшить его влажность до 16%. Избыточную влажность снимают путём сушки в сушилках. Частичная сушка зерна в комбайне позволит уменьшить затраты энергии на сушку в сушилках и получить значительную экономию. Кроме того, экономия может быть достигнута за счёт уменьшения бункерного веса зернового вороха, перевозимого транспортным средством. Предварительная очистка зернового вороха также будет более качественной в связи с увеличением его сыпучести. Частично высушенный зерновой ворох легче выгружать из бункера комбайна и транспортировать нориями и конвейерами сушильно-сортировального пункта. Частично высушенный зерновой ворох менее подвержен самосогреванию при необходимости длительного хранения до его сушки в сушильно-сортировальном пункте.

Подсчитаем возможности уменьшения влажности зернового вороха путём использования энергии дизельного двигателя комбайна. Исходные данные для расчёта:

- мощность двигателя СМД 22, N=103 кВт [2];

- коэффициент полезного действия двигателя, η=38%;

- вместимость бункера комбайна ?Енисей 1200?, Vб=4,5м3;

- плановая урожайность, Q = 2*103 кг/га;

- ширина захвата жатки комбайна, b = 4 м ;

- скорость комбайна, v = 1 м/с;

- количество тепла, необходимое для уменьшения влажности зернового вороха на 6% [1],

qспр = 310 кДж/кг;

- теплотворная способность дизельного топлива, qm = 42,7 МДж/кг;

- объёмный вес зернового вороха, γ = 0,75 т/м3;

- удельный эффективный расход топлива двигателем, g=180 г/кВт*ч;

- предполагаемый к.п.д. оборудования,ηоб =0,8.

Пропускная способность комбайна по зерну составит:

q=Q·b·v; q= 0,2·4·1=0,8 кг/с                                     (1)

Масса зернового вороха в бункере будет равна:

mб= γ· Vб ; mб = 0,75·4,5=3,375 m                              (2)

Время заполнения бункера:

τ = mб /q; τ = 3375/0,8 = 4218с = 70 мин = 1,16 ч.     (3)

Количество топлива, необходимое для намолота одного бункера зерна:

mТ = g*N*τ*10-3$                                                          (4)

mТ = 180*103*1,16*10-3  ≈21 кг.

При этом из топлива выделяется энергия:

QТ  = qm * mТ ;                                                                  (5)

QТ = 42,7*103*21 = 896,7 *103кДж.

Энергия, рассеивающаяся в окружающую среду:

Q ос = QТ *(1- η)                                                             (6)

Q ос = 896,7*103*0,62 = 556*103 кДж/бункер.

Можно использовать на сушку зернового вороха:

Qсуш = Q ос * ηоб;

Qсуш = 556 * 103*0,8 = 445 *103 кДж.                             (7)

Количество теплоты, необходимое для сушки 1кг зернового вороха:

qс = Qсуш / mб ; qс = 445*103/3375 = 0,132*103 кДж/кг    (8)

Из пропорции вычисляем возможное уменьшение влажности зернового вороха:

ΔW = qс * Wср / qспр ; ΔW =  132*6/310 ≈2,5 %.               (9)

Для реализации идеи разработан зерноуборочный комбайн, представленный на рисунке1. Конструкция защищена патентом. К зерновому шнеку 2 зерноуборочного комбайна присоединён шнек подъёма 1, а к нему – загрузочный шнек 12.

Блок из трёх насосов 3 засасывает охлаждающую жидкость через всасывающие трубопроводы 23,24, 25 и направляет: в масляно-жидкостный теплообменник 4, а оттуда по напорному трубопроводу 26 в радиатор системы охлаждения смазки двигателя; по трубопроводу 5 в двигатель 7, а оттуда по напорному трубопроводу 8 в радиатор системы

охлаждения двигателя; по трубопроводу 6 в воздушно-жидкостный теплообменник 9, а оттуда по напорному трубопроводу 17 в радиатор системы охлаждения наддуваемого в двигатель воздуха18. Все радиаторы смонтированы в бункере 15, а трубопроводы и двигатель покрыты теплоизолирующим слоем. Турбокомпрессор 10 двигателя по трубе выхлопной 11 направляет отработанные газы в смеситель в верхней части шнека подъёма. На бункере имеется козырёк 16 и установлен электродвигатель 14 с червячным редуктором 13. Вблизи бункера расположен вентилятор 22, приводимый в движение от электродвигателя привода вентилятора 19. В кабине размещены БУС 20 (блок управления и сигнализации) и дисплей 21. Перфорированное днище 12 (рис. 2) разделяет бункер на контактную сушилку ?К? и контактно-конвективную сушилку ?КК? с клапанами 14 и 15. В верхней части бункера расположен загрузочный шнек с сепарирующей решёткой 6, имеется стенка 8, к которой присоединён выравнивающий клапан 5. В бункере размещены датчики давления 3, 4, 10, 13 и датчик ударного воздействия 11. Под клапанами расположена труба рециркуляционная 9, выходящая как в верхнюю часть контактно конвективной сушилки, так и через затвор в выгрузную трубу (на схеме не показаны).

Перед началом уборки зерновых затвор, клапан контактной сушилки и клапан контактно-конвективной сушилки закрыты. Механизатор, начиная уборку, включает БУС и вентилятор. Зерновой ворох, поступающий на зерновой шнек, перемещается в шнек подъёма, а сверху в смеситель поступают отработанные газы. Снизу, через полый вал шнека подъёма в смеситель поступает воздух. Отработанные газы, смешиваясь с воздухом, охлаждаются и получают вращательное движение. Большая их часть по спирали движется навстречу поступающему зерновому вороху, нагревая его, снимая поверхностную влагу. Меньшая часть смеси отработавших газов с воздухом попадает в

загрузочный шнек, высушивая поступающий туда с шнека подъёма зерновой ворох и выдувая лёгкие примеси.

Зерно, проходя через сепарирующую решётку, очищается от крупных примесей, которые загрузочный шнек выталкивает наружу. Из пространства между сепарирующей решёткой и выравнивающим клапаном зерно поступает в контактную сушилку. Выравнивающий клапан обеспечивает равномерное распределение поступающего зерна по ширине контактной сушилки. Положение выравнивающего клапана регулируют электродвигателем через червячный редуктор. В контактной сушилке происходит ин тенсивная сушка зерна. БУС, получая сигналы от датчиков, производит настройку оптимального положения клапана контактной сушилки, чтобы зерно не перегревалось от контакта с радиатором охлаждения двигателя.

Поток воздуха, создаваемый вентилятором, подхватывает зерно, высыпающееся из контактной сушилки, и по рециркуляционной трубе направляет его в контактно- конвекционную сушилку, заполняя её. Пар и пыль вылетают через щель ?Щ? (рис. 2) под козырьком бункера. Высыпающееся из контактно-конвекционной сушилки через клапан зерно подхватывает поток воздуха и по рециркуляционной трубе возвращает в контактно-конвекционную сушилку. БУС производит настройку оптимального положения клапана контактно-конвективной сушилки, предотвращая перегрев зерна от длительного контакта с радиаторами охлаждения смазки и наддуваемого воздуха. Часть потока воздуха, создаваемого вентилятором, проникает снизу через клапан контактной сушилки и клапан контактно-конвективной сушилки в бункер, создавая подпор воздуха, необходимый для выноса пара из бункера через щель ?Щ?.

Когда к комбайну подъедет транспортное средство, механизатор открывает затвор, направляя поток зерна через выгрузную трубу в транспортное средство. Происходит разгрузка контактной и контактно-конвективной сушилки от зерна. Ход заполнения сушилок и сушки зерна механизатору показывает дисплей.

 

Выводы

В ходе расчётов выявлена целесообразность использования энергии дизельного двигателя комбайна для частичной сушки зернового вороха.  Сушка зернового вороха в комбайне позволит:

а) уменьшить влажность зернового вороха не менее, чем на 2,5%;

б) увеличить к.п.д. двигателя, как тепловой машины, до 80%;

в) уменьшить затраты топлива: на сушку зерна в сушилке, его перевозку от поля до сушилки и на перемещение комбайна по полю;

г) улучшить сохранность зернового вороха до сушки в сушилке.