Мичуринского государственного аграрного университета

1. 
   Завражнов, А.И. Индустриальные технологии интенсивного садоводства / А.И. Завражнов, В.Ю. Ланцев // Вестник Мичуринского государственного агарного университета. – 2013. - №5. - с 47-51.
   
2. 
   Протодьяконов, М.М., Тедер, Р. И. Методика рационального планирования экспериментов. – М.: Наука 1970
   
3. 
   Сясин, А.В. Факторы формирования топливного брикета // Вестник Мичуринского государственного агарного университета. – 2014. - №1.
   

Сясин Александр Валентинович

Syasin A. V

В современных условиях изношенность машинно-тракторного парка в сельскохозяйственных организациях и фермерских хозяйствах достигла критического значения [1,20]. Например, к 1 января 2013 г. в обследованных фермерских хозяйствах Тамбовской области удельный вес полностью амортизированных тракторов составлял 81%, зерноуборочных комбайнов – 92%, грузовых автомобилей – 73% [18]. К сожалению, проблема усугубляется отсутствием квалифицированных инженерных кадров [2], неразвитостью инженерной инфраструктуры в сельскохозяйственных организациях и фермерских хозяйствах [21]. Важно подчеркнуть, что подобная негативная тенденция сформировалась не вчера. Как показывают результаты многолетнего мониторинга фермерских хозяйств, эта проблема на протяжении последних 10-15 лет приобрела хронический характер [19,22], что еще более усугубляет ее отрицательное воздействие.

Как следствие этого в современных условиях сельскохозяйственные товаропроизводители не в состоянии диверсифицировать собственное производство, развивать перспективные формы интеграции на рынке сельскохозяйственной продукции [23,24], вынуждены отказываться от участия в потенциально выгодных проектах государственной поддержки сельскохозяйственных товаропропроизводителей [5,7,8,23,24,25]. Исходя из этого, особое значение приобретает разработка технологий и средств для противокоррозионной защиты техники [3,9].

Как показал анализ практики противокоррозионных работ, защитные покрытия наносят по влажной поверхности (консервация машин на открытых площадках в сырую погоду, окраска оборудования в животноводческих помещениях в период эксплуатации) [11,13]. Это приводит к увеличению пористости, снижению адгезии и, как следствие, срока их службы [4, 12]. Перед нанесением защитных покрытий с деталей необходимо удалить свободную воду и испарить оставшийся слой влаги. Если число вылетевших из воды молекул соответствует числу возвращающихся, то устанавливается динамическое равновесие пара и воды, и пар становится насыщенным. Давление Р_о насыщенного пара возрастает с повышением температуры. В атмосферном воздухе давление водяного пара Р, обычно, ниже Р_о и пар является ненасыщенным. Относительная влажность воздуха:  = 100 Р/Р_о (%), влияет на длительность сушки машин.

Использование тепловых генераторов и электрокалориферов для ускорения сушки машин оказывается неприемлемым в условиях открытых площадок хранения техники. К тому же технологическая операция по сушке влажных поверхностей относится к разряду выполняемых «по потребности», и поэтому нерационально приобретение калориферов для случайного применения.

На площадках хранения техники влагу удаляют одновременно с очисткой от пыли и растительных остатков, используя сжатый воздух, подаваемый от компрессора по обдувочному шлангу с соплом. Сжатый воздух требуется также для подкачки шин, для нагнетания и распыления консервационных жидкостей, для привода пневмоинструмента при механической очистке от ржавчины. Поэтому компрессорные установки являются основным энерготехнологическим средством для выполнения работ, связанных с консервацией машин. Затраты мощности на привод компрессоров производительностью 30 – 40 м³/ч и давлением до 1 МПа не превышают 6 кВт, что существенно ниже, чем у электрокалориферов. Из-за сравнительно небольшого объема сжатого воздуха, вырабатываемого компрессорами, его целесообразно использовать для локальной сушки поверхностей перед нанесением консервационных покрытий.

В период достаточного ресурсного обеспечения комплектовались компрессорными установками самоходные и прицепные агрегаты технического обслуживания, оснащенные многими другими приспособлениями и устройствами для выполнения различных операций по техническому обслуживанию, диагностике и регулировкам сельхозмашин. Не смотря на то, что в настоящее время производство агрегатов свернуто, сохраняется потребность в мобильных источниках сжатого воздуха для механизации работ по консервации, и в том числе – сушке машин.

Результаты и обсуждение.

При обдувке машин сжатым воздухом качество и скорость сушки зависят от его влажности, и чем она ниже, тем быстрее испаряется вода и высыхает поверхность. Однако в замкнутом невентилируемом помещении испарившаяся вода способствует повышению относительной влажности окружающего воздуха. Если температура машины опустится ниже температуры окружающего воздуха, то на ее поверхности возможна конденсация воды.

При включении вытяжной вентиляции в помещении создается разрежение, в результате которого парциальное давление водяного пара понижается на величину Р, а относительная влажность воздуха уменьшается:

(1)

где ψ_н = 100Р/Р_о - влажность воздуха в невентилируемом помещении, %;

Δψ = 100ΔР/Р_о - величина уменьшения относительной влажности воздуха за счет разрежения от вытяжной вентиляции, %.

Как видим, дополнительное разрежение, создаваемое в помещении вытяжной вентиляцией, благоприятствует сушке машины. В случае высокой влажности атмосферы в струе осушающего воздуха появляется водный конденсат, увлажняющий обдуваемую поверхность. Образование конденсата в сжатом воздухе обусловлено следующими причинами. Во время работы компрессора температура сжимаемого воздуха существенно возрастает. Например, в нагнетательном трубопроводе компрессора У43102 при давлении 0,7 МПа температура воздуха достигает 170 ^оС. Так как при данной температуре давление насыщенного водяного пара – 0,78 МПа выше, чем в компрессоре, то относительная влажность сжатого воздуха меньше 100 %. По мере охлаждения в ресивере и водоотделителе температура воздуха уменьшается, а влажность  увеличивается, достигая 100 %, и затем начинается конденсация воды из насыщенного пара.

Относительная влажность  воздуха определяется как по давлению Р, так и по плотности  пара [17]:

, (2)

где  - плотность пара, содержащегося в воздухе, кг/м³; _о - плотность насыщенного пара при температуре окружающего воздуха, кг/м³.

Если до сжатия окружающий воздух имел температуру Т₁, давление Р₁, и содержал водяной пар плотностью ₁, то после сжатия компрессором до давления Р₂, плотность ₂ пара возрастет:

, (3)

где Р₁ - давление атмосферы, МПа; Р₂ = (Р_и +Р₁) - абсолютное давление сжатого воздуха, МПа; Р_и - избыточное давление сжатия, регистрируемое манометром компрессора, МПа; _о1 - плотность насыщенного пара при температуре Т₁, кг/м³.

С учетом разъяснений формула (3) примет вид:

. ⁽⁴⁾

При температуре Т_к начала конденсации воды из пара (в точке росы) плотность ₂ равна плотности _ок насыщенного пара. Формула (4) показывает, что с увеличением давления Р_и сжатия воздуха, его влажности  и начальной температуры Т₁ (соответствующей _о) повышается температура Т_к (соответствующая _ок) начала конденсации воды из сжатого воздуха.

Зная влажность окружающего воздуха, производительность и давление компрессора, можно определить массу конденсата, который выделится из сжатого воздуха при его охлаждении. Масса воды, содержавшейся в объеме воздуха, сжимаемом компрессором в течение 1 ч:

, (5)

где Q - производительность компрессора по объему сжимаемого воздуха при нормальных условиях (при 0 ^оС и давлении атмосферы - 0,1 МПа), м³/ч.

В сжатом воздухе, охлажденном до температуры Т₃  Т_к, содержится насыщенный пар воды плотностью _о3 в количестве:

, (6)

Из сжатого воздуха в виде конденсата выделится вода в количестве:

В действительности, при работе компрессора не всегда удается охладить сжатый воздух в ресивере и водоотделителе до исходной температуры (температуры атмосферы). Он продолжает охлаждаться в шланге при подаче к обдувочному соплу. При этом из воздуха выделяется конденсат, который осаждается на стенке шланга и по ней перемещается к отверстию сопла. Работа водоотделителя оценивается коэффициентом конденсатоудаления:

где m_у – уловленная масса конденсата, кг.

После отделения массы m_у конденсата от сжатого воздуха, влажность воздушной струи при выходе из сопла уменьшится, так как насыщенный пар воды при расширении воздуха станет ненасыщенным. Относительная влажность ₃ воздушной струи:

Подставляем в формулу (7) выражения (5) для m и (6) для m₃:

Так как температура Т₃ воздушной струи близка к температуре Т₁ окружающего воздуха, то плотность пара ρ_о3 = ρ_о1, а влажность струи:

Относительная влажность ₃ воздушной струи зависит от исходной влажности  окружающего воздуха, коэффициента К_от конденсатоудаления и давления Р_и сжатия. Если конденсат не удален, то К_от = 0, а влажность струи максимальна ψ_3(max) = ψ и равна влажности окружающего воздуха. Если весь конденсат удален, то К_от = 1, а воздушная струя имеет минимально возможную влажность:

Избавиться от конденсата и повысить качество сушки машин целесообразно подогревом сжатого воздуха. установлено [14], что относительная влажность воздуха уменьшается в среднем в 1,8 раза при повышении его температуры на каждые 10 ^oС в интервале от 0 до 100 ^оС. Используя выражение (8), получим эмпирическую формулу для определения влажности осушающего воздуха при нагреве:

где Т – величина повышения температуры воздуха при нагреве, ^оС.

Рисунок 1. Изменение относительной влажности (ψ) струи в зависимости от температуры (Т) нагрева

В случае незначительного конденсатоудаления (К_от  0), что характерно для компрессорных установок, работающих на площадках хранения техники, относительная влажность ψ_н(min) нагретой воздушной струи:

Из (10) следует, что при повышении на 20 ^оС температуры струи воздуха, его относительная влажность снизится с 95 до 30 %, а при нагреве на 30 ^оС - до 17 %. На рисунке 1 приведены рассчитанные по (9) зависимости относительной влажности  воздушной струи от температуры Т ее нагрева и коэффициента К_от конденсатоудаления при давлении компрессора Р_и = 0,4 МПа и влажности окружающего воздуха  = 95 %.

Заштрихованное поле рисунка 1 заключает область определения относительной влажности  воздушной струи при изменении коэффициента К_от конденсатоудаления от 0 до 1,0. Как видим, нагрев воздуха позволяет существенно компенсировать недостатки водоотделителя в компрессоре. Разность относительных влажностей не нагретых струй (при Т = 0) по границам области определения (К_от = 0,0…1,0) составляет 75 %, а при их нагреве на 20 ^оС она понижается до 25 %.

Так как выходящая из сопла воздушная струя расширяется, не совершая внешнюю работу, и на небольшой длине - без теплообмена с окружающим воздухом, то в ней протекает адиабатический процесс. Применительно к идеальному газу при адиабатическом процессе температура Т и объем V связаны соотношением [17]:

При адиабатическом процессе изменение температуры ΔТ воздушной струи:

Из (11) следует, что при V₂ > V₁ (расширение воздуха) величина ΔТ < 0, т.е. воздух охлаждается, и чем больше степень его сжатия, тем ниже температура после расширения. При обдувке влажной поверхности охлажденным воздухом производительность и качество сушки снижаются. Поэтому для обеспечения качественной сушки локальных поверхностей машин подогрев воздуха необходим. Мощность, затрачиваемая на нагрев воздуха от температуры Т₁ до Т₂ (на величину Т), рассчитывается по формуле [6]:

где с - теплоемкость воздуха, с = 1006 Дж/(кг^оС); _в - плотность воздуха при нормальных условиях (н.у.), _в = 1,3 кг/м³; Q - производительность компрессора при н.у., Q = 0,0075 м³/с; _т - коэффициент теплопотерь при нагреве.

В зависимости от коэффициента теплопотерь (_т = 0,5-0,9) затраты мощности на нагрев воздуха на Т = 20 ^оС составят 215-390 Вт. В обдувочном шланге в качестве подогревателя такой мощности допустимо использовать проволочную спираль, а ее питание осуществлять от понижающего трансформатора или автотракторного генератора.

Подача сжатого воздуха по обогреваемому шлангу позволит улучшить качество локальной сушки поверхностей рабочих органов сельхозмашин перед консервацией или окраской. При этом следует ожидать повышения производительности труда и усиления защитных свойств нанесенных покрытий [16].

На основании выполненных теоретических исследований нами создана установка для локальной сушки машин. Она состоит из следующих узлов: ручной тележки, ресивера, воздухонагревателя, воздушного и обдувочного шлангов, электрического кабеля и пульта управления.

Установка имеет двухкаскадную систему нагрева воздуха. Первый каскад представляет собой ресивер с ТЭНами, второй – размещен в обдувочном шланге в виде спирали из стальной сварочной проволоки  1,2 мм, подключенной к трансформатору на 36 В. Обдувочный шланг d_у = 12 мм оснащен насадкой со сменными соплами различного сечения. Воздух к установке поступает от компрессора по шлангу, электропитание нагревателей – от сети 380/220 В по кабелю.

Экспериментальные исследования технологических режимов сушки влажных поверхностей проводились при температуре окружающего воздуха +8-12 ^оС. Для сопоставимости результатов исследований, полученных на границах температурного интервала, использована шкала Т (^оС), по которой определялась разница температур воздушной струи и окружающего воздуха. Температура воздушной струи, выходящей из обдувочной насадки, измеряли на расстоянии 15 мм от сопла. Размеры отверстия сопла составляли  8,  4 и  2 мм, давление воздуха в обдувочном шланге – 0,1-0,4 МПа.

Установлено, что температура воздушной струи зависела от размера сопла и давления воздуха. Температура струи понижалась с увеличением давления воздуха, достигая минус 8 ^оС при истечении из сопла  4 мм (рисунок 2).

Температура струи из сопла  8 мм практически не отличалась от температуры окружающего воздуха в пределах исследуемого интервала давлений. Это связано с тем, что размеры сопла (8 мм) сопоставимы с каналом насадки (9 мм), и перепад давления при истечении струи незначителен.

В экспериментах с нагретым воздухом больший прирост температуры струи отмечен при его истечении из сопла  8 мм (+42 ^оС), а меньший – из сопла 2 мм (+16 ^оС). С увеличением давления нагретого воздуха от 0,1 до 0,4 МПа наблюдалось понижение на 3-5 ^оС температуры струи, истекающей из сопел диаметрами 2 и 4 мм. При подаче воздуха одновременно с включением воздухонагревателей температура воздушной струи стабилизировалась через 30 мин. Замедленный выход установки на рабочий режим связан с тем, что тепло тратилось на прогрев узлов установки.

Для снижения затрат времени на нагрев воздуха исследован режим работы, предусматривающий предварительный разогрев оборудования в течение 15 минут без подачи воздуха. При этом изучалось влияние каждого из нагревателей (ТЭНов и спирали раздельно) на температуру воздушной струи. На рисунке 3 приведены закономерности изменения температуры Т струи воздуха от длительности t обдувки. Кривая, обозначенная ТЭН, отражает изменение температуры воздушной струи при включении ТЭНов воздухонагревателя. В начале обдувки температура струи понизилась на 3 ^оС по сравнению с окружающей атмосферой, хотя сжатый воздух проходил через прогретый (до +64 ^оС) воздухонагреватель. По истечении 15-17 мин с момента подачи воздуха обдувочный шланг с насадкой прогрелись, и температура струи возросла на +25-27 ^оС.

I – c нагревом воздуха; II – без нагрева воздуха

Рисунок 3. Изменение температуры (Т) струи нагретого воздуха в зависимости от длительности (t) обдувки

В зависимости от режима нагрева (предварительный или рабочий) величина потребляемой мощности колебалась в пределах 18 %. На нее влияло изменение сопротивления спирали при нагреве и охлаждении. В опыте с подогревом воздуха от одновременно работающих ТЭНов и спирали температура воздушной струи поднялась до +42 ^оС.

Анализ полученных данных указывает на весомую долю тепловых потерь в обдувочном шланге. Поэтому увеличение мощности установки с 1,32 до 1,67 кВт (на 27 %), путем размещения в обдувочном шланге дополнительного нагревательного элемента – спирали, позволило поднять температуру осушающей струи воздуха от +26 до +42 ^оС (на 61 %). Тем самым подтверждена технологическая целесообразность попутного подогрева воздуха в обдувочном шланге.

В исследованиях по определению производительности сушки использовалась стальная пластина площадью 0,6 м², покрытая сплошным слоем ржавчины. Пластина смачивалась водой, устанавливалась горизонтально и обдувалась обычным воздухом или подогретым при давлении 0,4 МПа через сопла с диаметрами отверстий 2, 3, 4, 6 и 8 мм. Обдувка продолжалась до полного удаления видимой влаги со всей поверхности пластины. Производительность оценивалась отношением площади пластины ко времени ее сушки.

При сушке влажной поверхности сжатым воздухом основная масса свободной воды сдувалась под действием динамического напора струи. Смачивающий поверхность слой влаги может быть удален только за счет испарения. Для определения количества испаряемой влаги на ржавую поверхность стальных листов площадью по 0,6 м² равномерно разбрызгивали по 15 г воды, и посредством сопла  4 мм сушили воду с одного из них. Другой лист высыхал за счет естественного испарения влаги. Производительность сушки (г/ч) по испаряемой влаге рассчитывали по формуле:

где t₁, t₂ - время сушки листов, соответственно при обдувке воздухом и в естественных условиях, мин.

По результатам опытов производительность составила В_и = 240 г/ч.