Работа выполнена по проекту РФФИ № 16–38–00343. В статье приведены разработанные на основе теоретических исследований математические модели для определения технико-экономических показателей — производительности машины и энергоемкости технологического процесса очистки картофеля аэродинамическим способом. Установлена тесная связь энергоемкости технологического процесса очистки от производительности машины, плотности, влажности и температуры клубней и примеси, вместимости и частоты вращения чаши, температуры направленного воздушного потока и коэффициента поглощения тепла. Приведены расчетные формулы и методика определения удельных энергозатрат на привод рабочих узлов, на подогрев и подачу целенаправленного воздуха, систему вытяжки воздуха и его фильтрации.
Ключевые слова: аэродинамический способ очистки, технологический процесс, производительность машины, энергоемкость процесса, энергоемкость машины, удельные затраты энергии, энергетический эквивалент
Разработке и исследованию машин для сортирования и послеуборочной обработки картофеля и других клубнеплодов посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых. В качестве примера можно привести работы Н. Н. Колчина, В. В. Миткова, И. М. Фомина, Г. А. Логинова и других [1–6]. Анализ показывает, что известные способы сухой и мокрой очистки клубнеплодов, хотя являются достаточно эффективными, но требуют совершенствование с точки зрения обеспечения экологической безопасности, энергетической и экономической эффективности.
Предлагаемый аэродинамический способ относится к сухим способам очистки картофеля. Аэродинамический способ очистки включает в себя использование определенной воздушной нагрузки на поверхность клубня, а также создание постоянного потока воздуха с постоянной положительной температурой для вывода загрязненного воздуха из системы очистки в фильтрующий элемент.
При таком способе очистки на поверхность клубня подается направленный воздушный поток с определенным давлением и температурой.
Разработка мобильных или стационарных технических средств должна быть осуществлена на основе определенных научных принципов с прогнозированием показателей оценки эффективности их функционирования в конкретных условиях производства. В качестве примера можно привести работу [7], где подробно изложены научные основы синтеза высокопроизводительной техники для обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур. Одним из основных показателей эффективности технических средств является их производительность.
Производительность машины для очистки картофеля аэродинамическим способом представляет собой ее способность обеспечивать предреализационную очистку клубней в тоннах в единицу времени. Производительность машины 
для очистки картофеля аэродинамическим способом зависит от вместимости и частоты вращения чаши, плотности определенного объема клубней, твердости и влажности примеси и поверхности клубней, их температуры, а также от коэффициента поглощения тепла клубнями и почвенной примеси.
С учетом этого производительность машины для очистки картофеля аэродинамическим способом можно подсчитать по формуле:
, т/ч(1)
где
вместимость чаши, м3; 
плотность определенного объема материала, т/м3; 
частота вращения чаши, мин-1; 
поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент 
определяется по формуле:
(2)
первоначальная твердость примеси и поверхности клубни до очистки, кг/см2; 
твердость примеси и поверхности клубни в начале образования твердой корки, г/см2; 
первоначальная влажность примеси и поверхности клубни до очистки, %; 
влажность примеси и поверхности клубни в начале образования твердой корки, %; 
температура примеси и поверхности клубня до очистки, оС; 
температура направленного воздушного потока на клубни, оС; 
коэффициент поглощения тепла клубнями и почвенной примеси.
С учетом выражения (1) и (2) общая формула для определения производительности машины для аэродинамической очистки картофеля можно представить в виде:
(3)
Энергоемкость технологического процесса представляет собой затраты энергии, необходимой для осуществления технологического процесса. Энергоемкость средств механизации (тракторов, сельскохозяйственных машин, стационарных машин для переработки и очистки продукции и т. д.) представляет собой затраты энергии на их производство и ремонт [8]. Энергетическая эффективность технологического процесса — показатель, устанавливающий соотношение между оптимальным значением энергии, соответствующим максимуму коэффициента полезного действия энергоресурсов, затрачиваемых на технологический процесс, и реальных (достигнутых в определенных условиях) затрат энергии на технологический процесс [9].
Энергетическая эффективность любого технологического процесса зависит от величины его энергоемкости. Применительно к мобильным сельскохозяйственным агрегатам, применяемым в растениеводстве, в работах [7–11] приведены детерминированные и вероятностные модели расчета и оптимизации энергоемкости технологических процессов и соответствующих технических средств. Эти модели не в полной мере описывают технологический процесс очистки клубнеплодов аэродинамическим способом.
Энергоемкость технологического процесса 
аэродинамического способа очистки картофеля можно определить по формуле:
, МДж/т(4)
где 
затраты энергии, выраженные расходом электрической энергии, МДж/т; 
затраты энергии, содержащейся в жидкости (воды) в фильтрующем элементе, МДж/т; 
энергоемкость машины для очистки картофеля аэродинамическим способом, МДж/ч; 
энергетические затраты живого труда на единицу времени, МДж/ч; 
производительность машины для очистки картофеля аэродинамическим способом, т/ч.
Затраты энергии, выраженные расходом электрической энергии
определяется по выражению:
, МДж/т(5)
где 
удельные затраты энергии на привод чаши, (кВт∙ч) /т; 
удельные затраты энергии на образование общего потока воздуха в системе, (кВт∙ч)/т; 
удельные затраты энергии на образование и подачи сжатого направленного потока воздуха на клубни, (кВт∙ч)/т; 
удельные затраты энергии на подогрев воздуха в системе, (кВт∙ч)/т; 
переводной коэффициент, учитывающий КПД (коэффициент полезного действия) электростанции и сетей, 
. (1 кВт∙ч=3,6МДж); 
коэффициент, учитывающий дополнительные затраты энергии на производство 1 кВт∙ч электрической энергии.
Фактические затраты электрической энергии можно определить с помощью счетчиков электрической энергии.
Удельные затраты энергии на привод чаши 
определяется по формуле:
, (кВт∙ч)/т(6)
где 
расход электрической энергии на привод чаши за 1 час, (кВт∙ч)/ч; 
производительность машины для аэродинамической очистки картофеля, т/ч, выражения (19) и (20).
Удельные затраты энергии 
на образования общего потока воздуха в системе можно определить по выражению:
, (кВт∙ч)/т(7)
где 
расход электрической энергии на образование общего потока воздуха в системе, (кВт∙ч)/ч.
Удельные затраты энергии на образование и подачи сжатого направленного потока воздуха на клубни 
определяются по формуле:
, (кВт∙ч)/т(8)
где 
расход электрической энергии на образования и подачи сжатого направленного потока воздуха на клубни за единицу времени, (кВт∙ч)/ч.
Удельные затраты энергии 
на подогрев воздуха в системе определяются по формуле:
, (кВт∙ч)/т(9)
где 
затраты электрической энергии на подогрев воздуха в системе, (кВт∙ч)/ч.
Затраты энергии, содержащейся в жидкости (воды) в фильтрующем элементе 
(МДж/т) можно определить по формуле:
, МДж/т(10)
где 
объем воды для очистки загрязненного потока воздуха при очистке 1 т продукции, м3/т; 
энергосодержание 1 м3 воды, МДж/м3.
Энергоемкость машины 
для очистки картофеля аэродинамическим способом (МДж/ч) определяется из следующей зависимости:
, МДж/ч(11)
где 
масса машины для очистки клубней аэродинамическим способом, кг; 
энергетический эквивалент машины, МДж/кг; 
отчисление на (реновацию) полное восстановление машины, %; 
отчисления на ремонт и техническое обслуживание (ТО) машины, %; 
нормативная годовая загрузка машины, ч; 
зональная годовая загрузка машины, ч.
Энергетические затраты живого труда
на единицу времени (МДж/ч) можно определить по зависимости:
(12)
где 
количество обслуживающего персонала, чел.; 
энергетический эквивалент затрат живого труда, МДж/ч.
Разработанные математические модели позволяют рассчитать производительность машины и энергоемкость технологического процесса очистки клубнеплодов (картофеля) аэродинамическим способом. Математические модели учитывают многочисленные факторы, влияющие на показатели эффективности и качества технологического процесса очистки клубнеплодов аэродинамическим способом.
Адекватность предложенных математических моделей, построенных аналитически, в дальнейшем будут проверены на основе проведения экспериментальных исследований экспериментального образца машины для очистки картофеля аэродинамическим способом. При этом сопоставляются результаты измерения параметров и показателей машины и технологического процесса в целом, с результатами предсказания предложенных математических моделей в идентичных условиях.
Литература:
- Колчин Н. Н. Машины для сортирования и послеуборочной обработки картофеля / Н. Н. Колчин. — Минск, 1966. — 300 с.
- Технологическая линия подготовки корнеплодов / В. В. Митков [и др.] // Техника в сельском хозяйстве. — 1983. — № 11. — С. 18–19.
- Митков В. В. Обоснование конструктивной схемы устройства для сухой очистки корнеплодов / В. В. Митков // Научно-техн. бюл. по механизации и электрификации животноводства. — Запорожье, 1983. — С. 52–56.
- Логинов Г. А., Фомин И. М., Орешин Е. Е., Захаров А. М. Экологические требования к технико-технологическим решениям при производстве картофеля / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2010. № 82. С. 51–57.
- Орешин Е. Е., Степанов А. Н., Захаров А. М. Повышение эффективности сухой очистки картофеля щеточными валами / Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2013. № 31. С. 214–220.
- Фомин И. М., Захаров А. М. Энергетическая эффективность картофелеводства от технико-технологических решений /Техника и оборудование для села. 2012. № 1. С. 26–27.
- Добринов А. В., Джабборов Н. И., Дементьев А. М., Евсеева С. П., Лобанов А. В. Разработать научные основы синтеза высокопроизводительной техники для обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур с прогнозированием эксплуатационных показателей и экспериментальный образец многооперационного агрегата блочно-модульной структуры //ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, Заключительный отчет о НИОКР за 2006–2010 гг, № ГР 01200852548, Инвентарный номер 022.011.00447, СПб-Павловск, 2010. — 67 с.
- Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. — М.: ВИМ, ЦНИИМЭСХ, ВИЭСХ, 1995. — 96 с.
- Джабборов Н. И., Добринов А. В., Эвиев В. А., Федькин Д. С. Основы повышения энергоэффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы. — СПб; Элиста: Изд-во Калм. ун-та, 2016. — 168 с.
- Джабборов Н. И. Вероятностно-статистический метод определения энергоемкости технологических процессов в растениеводстве / Методические указания. Тадж. НИИНТИ, Душанбе, 1992. — 41 с.
- Джабборов Н. И.,Эвиев В. А.Эффективность использование техники по топливно-энергетическим затратам // Тракторы и сельскохозяйственные машины.– 2005. – № 4. – С. 26–28.
