Comparative evaluation of energy efficiency of ploughing units on the basis of tractors with diesel and gas-turbine engines

Full Text

Перспективность использования ГТД в наземных условиях не вызывает сомнений. Об этом свидетельствуют результаты научных исследований и практических работ, выполненных зарубежными [1, 2] и отечественными [3-10] специалистами за последние три четверти века. ГТД применяются в конструкции автомобилей [5], строительных и дорожных машин [3], тракторов [2, 3], транспортных машин [7]. Это подтверждает их существенные преимущества по сравнению с поршневыми двигателями по ряду эксплуатационно-энергетических, эргономических, экологических, массогабаритных и технико-экономических параметров [7, 9-11]. Указанные обстоятельства способствуют продолжению интенсивных исследований в данном направлении. Как показывают их результаты, в практике использования ГТД выявлен ряд новых положительных факторов, существенно влияющих на распространение этих двигателей в разных отраслях (железнодорожный, автомобильный, речной и морской транспорт, горнодобывающая промышленность, военно-промышленный комплекс и др.). Что касается сельского хозяйства, то повышение эффективности технологий с.-х. производства неразрывно связано с рациональным выбором и агрегатированием средств механизации технологических процессов. Поэтому научно обоснованный выбор энергетических средств с целью обеспечения энергоэффективности технологических процессов - актуальная задача. Исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показали перспективность применения в сельском хозяйстве (в первую очередь в растениеводстве и на транспортных работах) тракторов, оснащенных автотракторными ГТД [4, 6, 7, 9, 10-13]. Проведены исследования по сравнительной оценке энергетической эффективности использования пахотных агрегатов на базе тракторов К-701 и К-701 «Турбо» с серийным и газотурбинным двигателями. Применяемые в настоящее время методы оценки эффективности технических средств, технологических процессов и технологий производства с.-х. продукции по затратам труда и экономическим показателям в ряде случаев недостаточны, поскольку эти показатели имеют существенные колебания, определяемые политикой ценообразования, и не позволяют установить и прогнозировать уровень необходимых затрат энергии. Энергетический анализ позволяет оценивать применяемые и новые технические средства и их перспективность с точки зрения энергетической эффективности. Сравнительную оценку эффективности использования технических средств целесообразно провести по затратам совокупной энергии на технологические процессы, т.е. по показателю энергоемкости технологического процесса . Энергоемкость технологического процесса основной обработки почвы пахотными агрегатами К-701 + ПЛН-9-35 и К-701 «Турбо» + ПЛН-9-35 можно определить по формуле [12]: , (1) где - топливно-энергетические затраты на i-й технологический процесс, МДж/га; - количество израсходованного топлива, кг; - теплосодержание топлива, МДж/кг; - коэффициент, учитывающий дополнительные энергозатраты на производство топлива, МДж/кг; - энергетические затраты, пропорциональные расходу материалов при выполнении технологического процесса; - условно-постоянная часть энергетических затрат; - производительность агрегата за 1 ч сменного времени, га/ч. Количество израсходованного топлива: , (2) где , , - часовой расход топлива двигателем соответственно при рабочем ходе, на холостых переездах и поворотах и во время остановок агрегата с работающим двигателем, кг/ч; , , - соответственно чистое рабочее время, время на холостые переезды и повороты, время остановок агрегата с работающим двигателем, ч. Энергозатраты: , (3) где - энергетический эквивалент (затраты энергии на производство единицы данного вида технологического материала), МДж/кг; - расход технологического материала (семян, удобрений, пестицидов и др.) в единицу времени, кг/ч; - время смены, ч; - срок действия технологического материала. Условно-постоянная часть энергозатрат: , (4) где - энергозатраты живого труда, МДж/ч; , , - энергоемкость энергетического средства (трактора), машины и сцепки, МДж/ч. Сравнительные экспериментальные исследования работы пахотных агрегатов К-701 + ПЛН-9-35 и К-701 «Турбо» + ПЛН-9-35 проведены в хозяйствах Ленинградской обл. По их результатам определены основные показатели эксплуатационно-технологической оценки сравниваемых пахотных агрегатов (см. таблицу). Эксплуатационно-технологические показатели пахотных агрегатов на базе тракторов К-701 и К-701 «Турбо» с плугом ПЛН-9-35 Показатели эксплуатационно-технологической оценки К-701 + ПЛН-9-35 К-701 «Турбо» + ПЛН-9-35 Установочная глубина обработки, см Рабочая скорость, м/с Режим и передача коробки передач Средняя ширина захвата агрегата, м Время основной работы, ч Коэффициент рабочих ходов Объем выполненной работы, га Производительность за 1 ч сменного времени, га Расход топлива, кг/га 23 3,6 III-4 3,22 2,75 0,54 10,79 2,2 18,5 25 4,1 III-4 3,2 3,75 0,65 18,7 2,59 20,3 Приведенные в таблице данные показывают, что у агрегата на базе К-701 «Турбо» установленная глубина обработки (вспашки) на 2 см больше, время основной работы на 1 ч больше, объем выполненной работы больше практически на 1 га, производительность за 1 ч сменного времени больше на 0,39 га по сравнению с агрегатом на базе трактора К-701 с дизельным двигателем. Вместе с тем благодаря более глубокой вспашке, более высокой скорости движения (4,1 м/с против 3,6 м/с у агрегата на базе К-701), большей приспособленности тяговой характеристики ГТД и трактора с ним к внешним нагрузкам, сокращающей количество переключений передач, расход топлива у трактора с ГТД составил 20,3 кг/га против 18,5 кг/га у трактора с дизелем (ниже на 8,85%). На основе полученных эксплуатационно-технологических показателей с применением выражений (1)-(4) определены значения энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы пахотными агрегатами. У агрегата К-701 + ПЛН-9-35 она составляет 1208,2 МДж на 1 га, у К-701 «Турбо» + ПЛН-9-35 - 1212,45 МДж на 1 га. Как видно из результатов расчета, энергоемкость технологического процесса, выполняемого этими агрегатами, примерно равна. При этом масса трактора К-701 с дизельным двигателем равна 13,4 т, а масса трактора К-701 с ГТД - 12,53 т. Часовой расход топлива при номинальной мощности двигателя трактора К-701 составляет 55 кг/ч, а у К-701 «Турбо» - 92 кг/ч. Норма амортизационных отчислений на трактор К-701 - 10%, на К-701 «Турбо» - 5%. Отчисления на текущий ремонт трактора К-701 (6,8%) больше, чем на ремонт трактора К-701 «Турбо» (3,5%). При этом отчисления на техническое обслуживание трактора К-701 (2,5%) больше, чем на обслуживание трактора К-701 «Турбо» (1,5%). Преимущество трактора К-701 с дизельным двигателем заключается в том, что его часовой расход топлива при номинальной мощности меньше, чем у трактора К-701 «Турбо». Несмотря на повышенный часовой расход топлива, трактор К-701 «Турбо», оснащенный ГТД, за счет высокой производительности, меньшей массы и отчислений на амортизацию, текущий ремонт и техническое обслуживание достаточно эффективен. В подтверждение приведем вкратце результаты испытаний рассматриваемых пахотных агрегатов, проведенных на полях совхоза им. Ленсовета (в пригородной зоне Санкт-Петербурга). Вспашка обоими агрегатами проводилась в одно и то же время, через день после скашивания травы на силос. Были обеспечены абсолютно идентичные условия испытаний. Начало опыта показало, что пахотный агрегат на базе трактора К-701 смог осуществить вспашку только после съема одного корпуса отвала плуга, тогда как для агрегата с трактором К-701 «Турбо» этого не потребовалось. Сравнение результатов испытаний показало, что производительность агрегата с трактором К-701 «Турбо» на 24,5% выше, чем у агрегата с трактором К-701. Несмотря на различие в стендовом удельном расходе топлива на 20% в пользу трактора с дизелем, погектарный расход топлива у пахотного агрегата с трактором К-701 «Турбо» был на 10% ниже, чем у агрегата с трактором К-701. Выполненные работы по повышению топливной экономичности ГТД привели к достижению удельного расхода топлива в пределах 210-230 кг/(кВт·ч) за счет повышения температуры цикла до 1350 °С благодаря керамической проточной части ГТД. Это позволяет ГТД обеспечить стендовый удельный расход топлива, как у лучших дизелей. Кроме того, тракторы с ГТД обеспечивают снижение энергоемкости технологических процессов на 25-30%, что может существенно повысить энергетическую эффективность технологий производства с.-х. продукции. Изложенное открывает реальную перспективу широкого применения тракторов с ГТД в сельском хозяйстве (так, уже объявлено о начале серийного производства автомобилей с ГТД в Японии и США).

About the authors

V. S Shkrabak

Saint-Petersburg State Agrarian University

Email: v.shkrabak@mail.ru

N. I Dzhabborov

Institute for Agricultural Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production

R. V Shkrabak

Saint-Petersburg State Agrarian University

D. S Fedkin

Institute for Agricultural Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production

References

Supplementary files