автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии уборки незерновой части урожая с разработкой режимов и параметров установки для изготовления утеплительных плит

На правах рукописи

МИШИН МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ НЕЗЕРНОВОЙ ЧАСТИ УРОЖАЯ С РАЗРАБОТКОЙ РЕЖИМОВ И ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УТЕПЛИТЕЛЬНЫХ ПЛИТ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мичуринск - наукоград РФ, 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Кондратьев Владимир Яковлевич доктор технических наук, старший научный сотрудник Зазуля Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дементьев Александр Иванович кандидат технических наук, профессор Хмыров Виктор Дмитриевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Пензенская государственная

сельскохозяйственная академия (ПГСХА)

Защита состоится « 8 » декабря 2004г. совета К 220.041.01 при Мичуринском адресу: 393760, г. Мичуринск, ул. диссертационного совета

в 12 часов на заседании диссертационного государственном аграрном университете по Интернациональная 101, зал заседания

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Ж

Михеев Н.В.

Й-Оббб

Зi9$£ /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Центральное место в сельском хозяйстве занимает растениеводство, а именно производство зерновых культур. Зерновые обеспечивают большую часть возрастающей потребности населения в пище (около 88% энергии человек получает из растений в виде углеводов, белков, жиров и около 80% витаминов, минеральных солей и других физиологически незаменимых веществ).

Побочным продуктом производства зерна является солома. Объем соломы в среднем по сортам и культурам в полтора раза больше объема зерна. Главной причиной появления излишков соломы стало использование нефти и природного газа. В то же время работники сельского хозяйства всего мира убедились, что «синтетические» удобрения, в особенности азот, производимые главным образом посредством химических процессов, энергию для которых дают минеральные углеводороды, — привлекательный и эффективный заменитель навоза.

В результате улучшения сортов и использования нефтепродуктов стали получать большие урожаи зерна и соломы. Солому, на которую приходится более половины сухого вещества урожая, стали рассматривать как нежелательную. Ежегодно возобновляющийся источник энергии расточительно теряется, в то время как расходуются ограниченные запасы ископаемых углеводородов.

Поэтому необходимы технологии, позволяющие использовать солому, например в качестве утеплительного материала.

В связи с этим разработка технологии использования соломы в качестве утеплительных плит сельскохозяйственного назначения является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка технологии использования соломы зерновых культур в качестве утеплителя путем горячего прессования.

Объект исследования. Процесс горячего прессования соломы зерновых культур.

Методика исследований. Те таись на

основе известных положений,

теории

прессования и были направлены на получение аналитических зависимостей, определяющих влияние режимных параметров установки на основные показатели получаемого продукта. Научная новизна.

Исследован процесс прессования соломы с применением нагрева. Теоретически выявлена зависимость прочности и теплопроводности утеплительных плит из соломы от усилия прессования. Обоснованы оптимальные параметры температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки при производстве утеплительных плит из соломы. Практическая значимость.

Разработан способ производства утеплительных плит из соломы зерновых культур (патент РФ № 2220043).

Разработана технологическая схема производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

Обоснована экологически чистая технология, позволяющая за счет использования соломы повысить энергоотдачу от производства зерновых культур. Реализация результатов исследования:

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского государственного аграрного университета.

Лабораторная установка внедрена в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета. Аналитические и экспериментальные исследования включены в курсы лекций и лабораторных занятий по дисциплине: «Основы проектирования и строительства перерабатывающих предприятий». Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены и одобрены на юбилейной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов Мичуринского государственного аграрного университета посвященная 70-летию

университета, г.Мичуринск 2001г.; Международной научно практической конференции молодых ученых и специалистов «Аграрная наука в начале XXI века» г.Воронеж 2002г.; 54 научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А Костычева. г.Рязань 2003г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, в том числе патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти гав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 137 страницах, содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 9 приложений. Список использованной литературы включает 122 наименования, из них 28 на иностранном языке.

Автор выражает благодарность первому руководителю безвременно ушедшему из жизни профессору Кондратьеву Владимиру Яковлевичу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ. Обоснована актуальность темы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ технологий производства зерновых культур и использования

незерновой части урожая Приведен анализ существующих технологий использования незерновой части урожая зерновых культур. Установлено, что наиболее перспективным способом использования соломы является производство утеплительных плит. Были проанализированы существующие технологии получения утеплителя из соломы. Данный обзор выявил недостатки имеющихся в настоящее время технологий и позволил предложить новый способ производства утеплительных плит из соломы зерновых культур (патент РФ № 2220043).

Для достижения поставленной цели было намечено решение следующих задач:

1. Провести анализ факторов, влияющих на процесс производства утеплительных плит из соломы;

2. Теоретически исследовать и экспериментально проверить зависимости между прочностью соломенных брикетов, усилием прессования и коэффициентом теплопроводности соломенных брикетов;

3. Установить зависимость прочности и коэффициента теплопроводности соломенных брикетов от температуры нагрева, усилия прессования, времени выдержки и влажности;

4. Выявить резервы повышения энергоотдачи от производства зерновых культур за счет разработки технологии использования растительных отходов и дать экономическую оценку предложенной технологии производства утеплительных плит.

2. Теоретические предпосылки определения параметров установки для

получения утеплительных плит из соломы Раздел посвящен изучению факторов, влияющих на процесс производства прессованных плит из соломы.

Исследованию процесса прессования растительных материалов посвящены публикации многих авторов: Аверьяновой Г. А., Пузанова В.В., Стейнифорта А.Р., Танского В.В., Особова В.И. и д.р.

Из литературного обзора выяснили, что основными факторами, влияющими на процесс производства плит из соломы, являются:

• усилие прессования, определяющее плотность получаемого материала;

• температура нагрева, влияющая на изменение свойств клейких веществ, содержащихся в соломе;

• время выдержки в прессе при определенном давлении и температуре;

• влажность исходного сырья.

Выбор уровня варьирования усилия прессования Зависимость плотности от усилия прессования описывается уравнением предложенным В.И Особовым:

где С, [кПа] и а, [м3/кг] - коэффициенты, зависящие от свойств материала;

е - основание натурального логарифма; р0 - начальная плотность, кг/м3; р -конечная плотность, кг/м3.

Приведенное уравнение называют главной кривой сжатия слоя соломы. На рисунке 1 представлен график данной функции.

■ Главная кривая сжатия слоя соломы

Для того, чтобы найти усилие прессования для получения брикетов соломы независимо от других факторов, определили зависимость от этого усилия прочности и коэффициента теплопроводности.

Рассмотрев ряд образцов из соломы, спрессованной до различной прочности, определили, что приемлемой для транспортировки брикетов утеплителя является плотность от 420 до 525 кг/м3. Дальнейшее увеличение плотности явно отрицательно скажется на способности сохранять тепло.

Из уравнения главной кривой сжатия (1) определили, что необходимое усилие прессования, при котором получена такая плотность, от 1000 до 1600кН/м2.

Из графика (рис. 1) видно, что участок от 1000 до 1600кН/м2 можно представить в виде прямой линии. Ошибка при этом будет не более ошибки опыта. Тогда зависимость плотности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600кН/м2, с достаточной точностью можно аппроксимировать уравнением следующего вида:

где р - плотность, кг/м3; к и Ь - коэффициенты; Р - усилие прессования,

кН/м2;

Для нахождения значений коэффициентов к и Ь составили систему уравнений:

[420 = Ы000+б| (3)

[525 = ¿-1600+6]

Выразив из первого уравнения Ь и подставив во второе, получим:

Получили зависимость плотности от усилия прессования в пределах от 1000 до 1600кН/\Г.

р = 0,175 -Р + 245 (4)

На рисунке 2 представлен график данной функции.

Справедливо предположить, что прочность получаемых брикетов из соломы прямо пропорциональна плотности. И с учетом того, что приращение плотности невелико также можно выразить линейной зависимостью.

П = кх-р + Ь1 (5)

Проведя преобразования, нашли значения коэффициентов и Ь( и получили зависимость прочности от плотности:

Я = 2,86-/?-451,2 (6)

Зная зависимость прочности от плотности, выразили зависимость прочности от усилия прессования. Для этого в выражение (6) вместо р подставили зависимость ротР (выражение 4), получили:

Я = 0,5 • Р + 249,5 (7)

Известно, что чем больше плотность материала, тем больше коэффициент теплопроводности, то есть материал с большой плотностью лучше проводит тепло, что является отрицательным качеством для теплоизоляции. Поэтому необходимо было установить зависимость коэффициента теплопроводности от плотности материала, в нашем случае соломы.

Принимаем, что в небольших пределах изменения плотности, зависимость от нее коэффициента теплопроводности имеет линейный характер. Тогда можно записать:

Х = к2-р + Ъг (8)

где коэффициент теплопроводности; плотность брикета; некоторые коэффициенты.

Проведя проверку получили, что при плотности 420кг/м3 соломенная плита имеет теплопроводность 0,081Вт/мК, а при плотности 525кг/м3 - 0,088Вт/мК.

Выполнив преобразования, получили зависимость коэффициента теплопроводности от плотности:

Затем выразили зависимость теплопроводности от усилия прессования. Для

этого в уравнение (9) вместо р подставили выражение (4) и получили зависимость коэффициента теплопроводности от усилия прессования соломы:

Далее определили зависимость между прочностью и теплопроводностью для нахождения оптимального соотношения между ними. Для этого в уравнение (10) подставили выражение (7) и получили зависимость теплопроводности от прочности:

Получили, что при прочности 1,05МПа соломенная плита будет иметь теплопроводность, равную 0,0875Вт/мК. Данная прочность недостаточна для использования утеплительных плит. В свою очередь камышитовая плита имеет коэффициент теплопроводности равный 0,105Вт/м-К. Поэтому изучили возможность изготовить соломенные плиты с большей прочностью и с коэффициентом теплопроводности менее 0,105Вт/м-К. Применение нагрева при прессовании дает возможность увеличить прочность за счет склеивания соломы.

По уравнению (10) находим усилие прессования, при котором можно

получить данное значение коэффициента теплопроводности.

рт Л-0.069 =0,087-0,069и1500кЯ/л<2 11,67-10-* 11,67-10

Так как при усилии прессования ниже 1000кН/м2 брикеты из соломы имеют низкую прочность и непригодны для транспортировки и закладки, то уровень варьирования усилия прессования составил от 1000 до 1500кН/м2.

Выбор уровня варьирования температуры нагрева

Есть сведения, что эффект склеивания соломы осуществляется за счет лигнина, содержащегося в соломе, и происходит это уже при нагревании от 80°С в результате размягчения лигнина при нагреве и выделении эпоксидных остатков.

Экспериментально установлено, что при температуре 160оС солома начинает тлеть. Поэтому величина варьирования температуры нагрева в экспериментах составила от 80 до 160°С.

и

Выбор уровня варьирования времени выдержки соломы в прессе

Нижний предел времени выдержки был выбран исходя из времени, необходимого для прогрева всего слоя прессуемой соломы (5±1см) и составил 8 мин., а верхний предел выбран исходя из минимальных потерь производительности процесса, и составил 15мин. Отсюда интервал варьирования времени выдержки составил от 8 до 15мин.

Выбор уровня варьирования влажности соломы

Средняя влажность убираемой в поле соломы составляет 16 - 18%, а солома в стогах высыхает до 12%, поэтому интервал варьирования влажности составил от 12 до 18%.

Исходя из выбранных уровней варьирования факторов, получили математическую модель с ограничениями по минимальным и максимальным значениям факторов.

Затем были определены коэффициенты подобия для промышленной установки.

При физическом подобии природа процесса в сопоставимых явлениях сохраняется. Отсюда можно сделать вывод, что для получения значений параметров технологического процесса изготовления утеплительных плит, эти параметры можно получить на геометрически подобной лабораторной установке. Это многократно удешевляет и ускоряет исследование процесса.

Обозначив условия натурные - Н, а лабораторные (модель) - М, можно записать:

Ун= Яхх,Х2,..Хт) (12)

(13)

где ун, Ум - обобщенные координаты натуры и модели соответственно; Х( -параметры натуры, - параметры модели.

Между параметрами модели и натуры и обобщенными координатами существуют соотношения:

где ОС], СС2, Р - константы подобия.

Приняв за обобщенные координаты прочность у и теплопроводность у2, определили критерии подобия для лабораторной и полноразмерной установки.

Методика определения критериев подобия основана на анализе размерностей. Из предварительных опытов было установлено, что в процессе участвуют следующие факторы: плотность прессуемого материала - р, объем прессуемого материала - V; усилие прессования - ¥; время выдержки под давлением -1; температура нагрева - Г; мощность электронагревателей - Ж.

Тогда процесс можно записать в виде уравнения:

Ф(р,У,Р,иТ,1Г) = О (14)

Для полноразмерной установки необходимо вывести критерий подобия для мощности нагревательных плит, так как остальные критерии либо постоянные, либо просто пересчитываются в зависимости от площади плиты.

Для дальнейших расчетов необходимо было выбрать систему единиц. В качестве трех независимых переменных были приняты: усилие прессования - Р, время выдержки - X и температура нагрева - Т. Далее записали определяемый параметр (мощность нагревательных плит) в выбранной системе единиц.

И _¿г-Г3-Г°_ ¿2-Г3-Г° (15)

И* •[<№ " [2-Г1 .[£• -г] е-ги-1>-т>

Определив значения показателей степени в полученном выражении, и подставив их вместо а, Р, у (выражение 15), получили критерий подобия для мощности нагревательных плит.

-=-2— отсюда следует, что ¡Гн = —-—-—- ~ —-

2 2 "и ~ 2 ,3 г2

об Ьи об ' н об

а так как Ь2Н= Б,,, а 8об) где

- площадь поверхности натуры, а

- площадь поверхности образца, то

В результате анализа получены аналитические зависимости:

плотности от усилия прессования в пределах от 1000 до 1600кН/м2; прочности плит из соломы от плотности в пределах от 420 до

525кг/м3;

прочности плит из соломы от усилия прессования на участке от 1000 до 1600кН/м2;

коэффициента теплопроводности от плотности соломы в пределах от420до525кг/м3;

коэффициента теплопроводности от усилия прессования соломы в пределах от 1000 до 1600кН/м2;

коэффициента теплопроводности от прочности соломенных плит в пределах от 750 доЮ50кПа.

3. Методика экспериментального исследования

В задачу эксперимента по определению зависимости прочности и коэффициента теплопроводности соломенной плиты от факторов влияющих на процесс прессования входило определение опытных значений коэффициента теплопроводности и прочности при различных комбинациях действующих факторов.

Исследования проводились на экспериментальных установках, представленных на рисунках 3,4.

Установка представляет собой гидравлический пресс с электрическими плитами подогрева. На основании 7 (рис. 3) установлена рама, которая с одной стороны фиксируется штифтом 3 и может поворачиваться вокруг оси второй стойки за счет шарнира 8. Так же на основании через изолятор закреплена нижняя нагревательная плита 6. Изолятор изготовлен из асбоцементного листа толщиной 10 мм, и установлен для уменьшения потерь теплоты от нагревательной плиты.

1 - винт предварительного прессования; 2 - пресс с верхней нагревательной плитой; 3 - место разъединения верхней полурамы; 4 - блок управления включения нагревательных плит; 5 - матрица; 6 - нижняя нагревательная плита; 7 - основание со стойками; 8 - механизм поворота верхней полурамы.

Рис. 3 - Общий вид лабораторной установки для получения плит из соломы зерновых культур

Сверху нагревательной плиты размещается матрица 5, которая представляет собой металлический короб, с внутренним размером 200x100мм. Сбоку в матрице имеется отверстие для установки термопары, которая контролирует температуру непосредственно в прессуемой соломе. Эту термопару условно называем контрольной. Для контроля усилия прессования в гидравлическую систему пресса в полость высокого давления был врезан манометр.

На рисунке 4 представлены лабораторные установки, на которых определялась теплопроводность (рис. 4а) и прочность (рис. 4 б, в), полученных соломенных плит. Для реализации опытов использовали методику активного планирования многофакторных экспериментов, предусматривающую такое сочетание факторов, которое позволяет при минимальном числе опытов выявить их влияние на всем поле.

а) б) в)

1,5- рама; 2 - холодильник; 3 - нагревательная плита; 4 - контрольно-управляющий прибор; 6 - стойка; 7 - динамометрическая скоба; 8 - испытуемый образец; 9 - индикатор; 10 - опоры.

Рис. 4 - Общий вид установок для определения теплопроводности и прочности образцов 4. Результаты экспериментального исследования Представлены результаты исследований на лабораторных установках, подтверждающие правильность теоретических разработок и позволяющие уточнить режимы технологического процесса производства утеплительных плит из соломы.

Согласно методике, описанной в третьей главе, была проведена серия опытов на лабораторной установке. В результате которых, были изготовлены соломенные плиты размером 200х100х50мм (рис. 5) и определены значения их прочности и теплопроводности (рис. 4).

Рис. 5 - Соломенные плиты, полученный на лабораторной установке.

Расчет коэффициентов позволил получить следующие уравнения регрессии, без учета малозначимых факторов:

где у! - прочность образца; у2 - теплопроводность образца; XI - температура нагрева; х2 - усилие прессования; х3 - время выдержки под давлением.

Проверка по Р-критерию (критерий Фишера) показала, что данное уравнение адекватно описывает процесс при 95%-ном уровне значимости.

Анализ полученного уравнения регрессии показывает, что на прочностные свойства образцов существенное влияние оказывает: температура нагрева (хО, усилие прессования (х^) и время выдержки под давлением (х,). Максимальное значение прочности и теплопроводности достигается при наибольших значениях температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки.

На рисунке 6 представлены графики, полученные теоретически (по уравнению 7) и практически. Расхождение графиков находится в пределах ошибки опыта, что доказывает справедливость сделанного в теории предположения о линейном характере зависимости прочности от усилия прессования.

Рис. 6 - Зависимость прочности утеплительной плиты из соломы от усилия прессования, теоретическая и практическая.

Полученные в результате опытов уравнения (18) и (19) дают возможность определить, при каких значениях температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки будут получены необходимые значения прочности и усилия прессования.

Проведя преобразования, получили зависимость прочности от температуры нагрева при минимальных значениях усилия прессования и времени выдержки:

На рисунке 7 приведена зависимость прочности и теплопроводности от наиболее значимого фактора - температуры нагрева.

Рис. 7 - Зависимость прочности и теплопроводности от температуры нагрева при усилии прессования 1000 кН/м2 и времени выдержки 8 мин.

Анализ зависимостей позволяет заключить следующее:

1. Прочность и теплопроводность имеют линейную зависимость от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки в изучаемом диапазоне.

2. Наиболее значимым фактором при производстве плит является температура нагрева.

3. Оптимальными параметрами для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур по предложенной технологии являются: температура нагревательных плит пресса - 160°С;

усилие прессования - 1000кН/м2;

время выдержки в прессе - 8минут. 4. При таких параметрах технологического процесса плиты будут иметь следующие свойства: прочность -1,44Мпа;

коэффициент теплопроводности 0,096Вт/мК

5. Разработка схемы технологического процесса и технико-экономическая оценка эффективности производства утеплительных плит из соломы зерновых культур

Предложена следующая схема технологического процесса:

Рис. 8 - Схема технологического процесса производства утеплительных плит из соломы

Для разработки технологии производства соломенных утеплительных плит был выбран наиболее распространенный способы уборки соломы: подбор из валка и прессование в рулоны (01500 мм, ширина 1400 мм).

Преимущество данного способа, в отличие от аналогов состоит в том, что не производится энергоемкого процесса измельчения соломы. В результате при прессовании целая солома переплетается и увеличивается прочность получаемых утеплительных плит. Отпадает необходимость в оклеивании плит бумагой.

Оценка эффективности производства плит из соломы проводилась на основе

биоэнергетической оценки производственных процессов. Затраты на производство плит из соломы складываются из затрат энергии на ее прессование на поле и транспортировки к месту использования и затрат связанных непосредственно с получением плит. Расчет прямых и косвенных затрат показал, что на производство утеплительных плит из соломы затрачивается 1209МДж/т.

Эффективность технологического процесса определялась сравнением энергозатрат на производство утеплителя применяемого в настоящее время (керамзит). Энергетические затраты на производство керамзита составляют ЗОООМДж/т.

Таким образом, разница в энергетических затратах между получением плит из рулонов соломы и производством керамзита составила: 1800МДж/т, следовательно условие эффективности выдерживается.

Учитывая равенство 1кВт-ч = 3,6МДж получили, что затраты на производство утеплительных плит из соломы составляют О,ЗЗкВт-ч/кг или 0,83руб/кг. Аналогичный расчет показал, что затраты на производство керамзита составляют 2,08руб/кг. Разница в затратах на производство соломенных плит утеплителя и керамзита составляет 1,25руб/кг. Следовательно, производство плит экономически выгодно.

Общие выводы

1. Анализ обзорного материала показал, что объем соломы по массе сухого вещества в полтора раза превышает объем производства зерна. Из всей массы соломы только 18 - 20% находит рациональное использование. Установлено, что из всего многообразия способов использования излишков соломы наиболее эффективным является - производство утеплительных плит для помещений сельскохозяйственного назначения. Проведенные исследования показали, что на процесс производства утеплительных плит из соломы зерновых культур влияют следующие факторы: температура нагревательных плит пресса; усилие прессования; время выдержки в прессе.

2. Теоретически исследовано и экспериментально проверено, что зависимость прочности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600 кН/м2 является линейной и имеет следующий вид:

р = 0,175 ■ Р + 245, [кг/м3];

3. Экспериментальными исследованиями получена зависимость изменения прочности утеплительных плит от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеющая линейный характер:

у, = 1,342 + 0,351 + 0,172 *2 + 0,082 х3

где у - прочность соломенной плиты; X] - температура нагрева, Хг - усилие прессования и х3 - время выдержки под давлением.

Оптимальными параметрами для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур по предложенной технологии являются: температура нагревательных плит пресса - 160°С; усилие прессования - 1000кН/м2; время выдержки в прессе - 8 минут.

4. Зависимость коэффициента теплопроводности утеплительных плит из соломы от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеет линейный характер и описывается следующим уравнением:

уг = 0,09375 + 0,00738 *, + 0,0035 х2 + 0,00175 х,

где XI - температура нагрева, х1 - усилие прессования и х3 - время выдержки под давлением. Наибольшее влияние оказывает температура нагрева;

5. Разработанная технология позволяет получать утеплительные плиты из соломы со следующими показателями: размер плит 1000x500x50 мм.; прочность плит от 0,74 до 1,74Мпа; коэффициент теплопроводности от 0,080 до 0,096Вт/мК.;

6. Энергетические затраты на производство утеплительных плит из соломы составляют примерно 1209МДж/т. В денежном выражении (по ценам на 2004 г.) себестоимость производства одной утеплительной плиты составляет 10,75руб. (0,83руб/кг). Энергозатраты на производство керамзита, который в данный момент является наиболее распространенным утеплителем, составляют примерно ЗОООМИж/т. В денежном выражении 2,08руб/кг. Таким образом, разница в энергетических затратах между получением плит из рулонов соломы и производством керамзита составила 1800МДж/т. или 1,25руб/кг. Экономическая оценка данной технологии показывает ее эффективность и целесообразность

применения в сельскохозяйственном производстве.

7. Наиболее целесообразно применение плит для утепления потолочных перекрытий с последующей гидроизоляцией и нанесением стяжки из бетона, а также стен каркасных зданий. Рекомендуется для утепления складских и других помещений сельскохозяйственного назначения.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Горшенин В.И., Кондратьев В.Я., Михеев Н.В., Мишин М.М. Эксергические системы энергосбережения в сельскохозяйственном производстве // Вестник МичГАУ. - Мичуринск 2001. - Т.1. - №4. - С. 11 - 14.

2. Мишин М.М. Выявление способов повышения энергоотдачи от производства зерновых культур // Аграрная наука в начале XXI века. Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. - Воронеж, 2002. - Ч.Ш. - С. 165 - 169.

3. Кондратьев В.Я., Мишин М.М. Основные параметры технологического процесса изготовления утеплительных плит из соломы зерновых культур. // Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения. -Екатеринбург. УрОНРАН, 2003. - С. 311 - 312.

4. Кондратьев В.Я., Мишин М.М. Способ изготовления строительных и утеплительных плит из соломы зерновых культур // Патент на изобретение №2220043.-М.: 2003.

Отпечатано в типографии МичГАУ Подписано в печать 29.10.04г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная №1. Усл.печл. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 11281

Мичуринский государственный аграрный университет 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101. E-mail: mgau@mich.ru

*Z1B57

РНБ Русский фонд

2005-4 20666

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I Анализ технологий производства зерновых культур и использование незерновой части урожая.

1.1 Способы использования соломы в сельском хозяйстве.

1.2 Использование излишков соломы на несельскохозяйственные цели.

1.3 Применение соломы в качестве материала для сельскохозяйственного строительства.

1.4 Выводы и классификация способов использования соломы.

1.5 Цель и задачи исследования.

Глава 2 Теоретические предпосылки определения параметров установки для получения утеплительных плит из соломы.

2.1 Энергосбережение при производстве зерновых культур.

2.2 Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента.

2.3. Определение коэффициентов подобия для промышленной установки.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Методика экспериментального исследования.

3.1 Программа исследований.

3.2 Описание экспериментальной установки для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

3.3 Методика определения теплопроводности образцов.

3.4 Методика определения прочности образцов.

Глава 4 Результаты экспериментального исследования.

4.1 Исследование зависимости прочности и коэффициента теплопроводности соломенных брикетов от температуры нагрева, усилия прессования, времени выдержки и влажности.

4.2 Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на прочность плит из соломы.

4.3 Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на теплопроводность плит из соломы.

4.4 Выбор оптимальных параметров для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5 Разработка схемы технологического процесса и технико-экономическая оценка эффективности производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

5.1 Технологическая линия для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

5.2. Экономическая оценка эффективности технологического процесса производства утеплительных плит из соломы зерновых культур.

Центральное место в сельском хозяйстве занимает растениеводство, а именно производство зерновых культур. Зерновые обеспечивают большую часть возрастающей потребности населения в пище (около 88% энергии человек получает из растений в виде углеводов, белков, жиров и около 80% витаминов, минеральных солей и других физиологически незаменимых веществ). В целом растительные продукты составляют 93% рациона человека, около 80% побочной биомассы растений участвуют в формировании плодородия почвы. Растения способны синтезировать в процессе фотосинтеза биологически ценные вещества, используя для этого практически неограниченные энергетические и сырьевые ресурсы природной среды (солнечную радиацию, СОг, азот, кислород, воду, минеральные вещества и др.) [79].

Побочным продуктом производства зерна является солома. Объем соломы в среднем по сортам и культурам в полтора раза больше объема зерна. Раньше практически весь объем соломы использовался сельскохозяйственными производителями на свои нужды. Главной причиной появления излишков соломы стало использование нефти и природного газа. Лошади, волы и буйволы, которые во всем мире веками являлись источниками энергии для сельского хозяйства, были вытеснены двигателями внутреннего сгорания. Солома больше стала не нужна для подстилки или кормления получивших отставку тягловых животных. В то же время работники сельского хозяйства всего мира убедились, что «синтетические» удобрения, в особенности азот, производимые главным образом посредством химических процессов, энергию для которых дают минеральные углеводороды, — привлекательный и эффективный заменитель навоза. После второй мировой войны эти удобрения в большинстве крупных районов зерносеяния вытеснили навоз, став главным средством поддержания плодородия почвы. Скот, который держали в районах земледелия главным образом для того, чтобы получать навоз, стал многим работникам сельского хозяйства в этих районах не нужен. Даже там, где он оставался, использовали мало соломы для подстилки, потому что труд крестьян, необходимый для работы с подстилочным навозом, подорожал [72].

Одновременно с резким сокращением использования соломы для кормления животных и подстилки сокращалось ее использование и для других целей. Солому теперь гораздо реже, чем раньше, используют для покрытия крыш, для плетения корзин или упаковочной тары, не говоря уже о других традиционных способах ее использования. Стало обычным оставлять ее на поле либо в виде высокой стерни, либо там, где ее сбросит комбайн.

В результате улучшения сортов и использования нефтепродуктов стали получать большие урожаи зерна и соломы. Солому, на которую приходится около половины сухого вещества урожая, стали рассматривать по большей части как нежелательную. Ежегодно возобновляющийся источник энергии теряется, в то время как расходуются ограниченные запасы ископаемых углеводородов, как утверждают некоторые [118] расточительно.

Из вышесказанного следует, что необходимы технологии, позволяющие получать из соломы топливо для промышленных и бытовых нужд, строительные материалы, утеплители и учитывая, что в соломе содержится целлюлоза, получение низкосортной бумаги, картона и другой подобной продукции.

Поэтому исследование процесса изготовления утеплительных плит несомненно актуальная задача.

Цель работы

Разработка технологии использования соломы зерновых культур в качестве утеплителя путем горячего прессования.

Объект исследования

Процесс горячего прессования соломы зерновых культур.

Научная новизна - исследован процесс прессования соломы с применением нагрева;

- теоретически обоснована прочность утеплительных плит изготовленных из соломы в зависимости от их теплопроводности;

- обоснованы оптимальные параметры температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки при производстве утеплительных плит из соломы.

Практическая значимость

- разработан способ производства утеплительных плит из соломы зерновых культур (патент РФ № 2220043);

- разработана технологическая схема производства утеплительных плит из соломы зерновых культур;

- обоснована экологически чистая технология, позволяющая за счет использования соломы повысить эффективность производства зерновых культур.

На защиту выносятся

- обоснование возможности использования соломы в качестве сырья для производства утеплительных плит;

- теоретические исследования технологического процесса прессования соломы;

- экспериментальные исследования и рекомендации по выбору рациональных параметров технологического процесса получения утеплительных плит из соломы.

Реализация результатов исследования

- результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского государственного аграрного университета [Приложение А];

- лабораторная установка внедрена в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета. Аналитические и экспериментальные исследования включены в курсы лекций и лабораторных занятий по дисциплине: «Основы проектирования и строительства перерабатывающих предприятий» [Приложение А].

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены и одобрены на юбилейной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов Мичуринского государственного аграрного университета посвященной 70-летию университета, г. Мичуринск 2001г.; Международной научно практической конференции молодых ученых и специалистов «Аграрная наука в начале XXI века» г. Воронеж 2002г.; 54 научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора Костычева П.А., г. Рязань 2003г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы, в том числе патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 137 страницах, содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 9 приложений. Список использованной литературы включает 122 наименования, из них 28 на иностранном языке.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Анализ обзорного материала показал, что объем соломы по массе сухого вещества в полтора раза превышает объем производства зерна. Из всей массы соломы только 18 - 20% находит рациональное использование. Установлено, что из всего многообразия способов использования излишков соломы наиболее эффективным является — производство утеплительных плит для помещений сельскохозяйственного назначения. Проведенные исследования показали, что на процесс производства утеплительных плит из соломы зерновых культур влияют следующие факторы: температура нагревательных плит пресса; усилие прессования; время выдержки в прессе.

2. Теоретически исследовано и экспериментально проверено, что зависимость прочности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600 кН/м является линейной и имеет следующий вид: р = 0,175 • Р + 245 , [кг/м3]

3. Экспериментальными исследованиями получена зависимость изменения прочности утеплительных плит от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеющая линейный характер: ух = 1,342 + 0,351 хх + 0,172 х2 + 0,082 х3 где yi - прочность соломенной плиты; х\ - температура нагрева, х2 -усилие прессования и хз - время выдержки под давлением. Оптимальными параметрами для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур по предложенной технологии являются: температура нагревательных плит пресса -прессования - 1000кН/м ; время выдержки в прессе

105

160°С; усилие 8 минут.

4. Зависимость коэффициента теплопроводности утеплительных плит из соломы от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеет линейный характер и описывается следующим уравнением: у2 = 0,09375 + 0,00738 хх + 0,0035 х2 + 0,00175 х3 где X] - температура нагрева, х2 - усилие прессования и Хз - время выдержки под давлением. Наибольшее влияние оказывает температура нагрева.

5. Разработанная технология позволяет получать утеплительные плиты из соломы со следующими показателями: размер плит 1000x500x50мм, прочность плит от 0,74 до 1,74Мпа, коэффициент теплопроводности от 0,080 до 0,096Вт/м-К.

6. Энергетические затраты на производство утеплительных плит из соломы составляют примерно 1200МДж/т. В денежном выражении (по ценам на 2004 г.) себестоимость производства одной утеплительной плиты составляет 10,75руб. (0,83руб/кг). Энергозатраты на производство керамзита, который в данный момент является наиболее распространенным утеплителем, составляют примерно ЗОООМДж/т. В денежном выражении 2,08руб/кг. Таким образом, разница в энергетических затратах между получением плит из рулонов соломы и производством керамзита составила 1800МДж/т. или 1,25руб/кг. Экономическая оценка данной технологии показывает ее эффективность и целесообразность применения в сельскохозяйственном производстве.

7. Наиболее целесообразно применение плит для утепления потолочных перекрытий с последующей гидроизоляцией и нанесением стяжки из бетона, а также стен каркасных зданий. Рекомендуется для утепления складских и других помещений сельскохозяйственного назначения.

Разработанная технология принята для внедрения в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского государственного аграрного университета.

1. Аверьянова Г. А., Пузанов В. В. Двухосное сжатие одиночного стебля льна. Труды ЛСХА. 1981.-Вып. 189.-Елгава. С. 22.26.

2. Акчабаев А.А, Тайгиев Т.Т. Стереорегулярная модель.- Изд. Вузов. Строительство. 1992. - № 9,10. - С. 67-71.

3. Алферов С. А. Закономерности при сжатии соломы. Сельхозмашина, 1957. №3. с. 6 - 10.

4. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. М.: Стройиздат. - 1978. - 224 с.

5. Бабушкина М.И. Жидкое стекло в строительстве. Кишинев.: Изд. КАРТЯ МОЛДОВЕНЯСКЭ. -1971. - 215 с.

6. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. и др. Теплотехника: Учебник для вузов.: Под ред. А.П. Баскакова. -М.: Энергоиздат, 1982. -264с.

7. Батырбаев Г.А. Дробленые стебли хлопчатника наполнитель бетона. - Строит, матер. -1971. - №6. - С. 12-14.

8. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1976.—608 с.

9. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962

10. Березанцев В. Г. Расчет оснований сооружений. — Л.: Стройиздат, 970.-207 с.

11. Бизов В.И., Юшков В.В. Коробетон как строительный материал. -Лесная промышленность. 1992.- №2.- С.20-21.

12. Большая Российская энциклопедия. М.: Наука, 2002.

13. Брауне Ф.Э., Брауне Д.А., Химия лигнина, пер. с англ., М. 1964.

14. Бурмистрова М. Ф.,Колюлькова Г. Г. и др. Физико-механические свойства сельскохозяйственных растений. —М.: Сельхозгиз, 1955.— 360 с.

15. Бухаркин В.Н., Свиридов С.Г., Рюмина З.П. Производство арболита в лесной промышленности. -М.: Сельхозгиз, 1969. 65 с.

16. В. И. Кругов, И. М. Грушко, В. В. Попов и др. Основы научных исследований. М.: Высш. шк., 1989.

17. Василенко П. М., Погорелый JI. В. Основы научных исследований.-Киев: Вищашк., 1985.

18. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е доп. и перераб. М.: «Высшая школа», 1976

19. Вербестель Д., Корнблюм Г. Плиты из льняных частиц // Тез. докл. межд. конф. по ДСП и ДВП. Женева. - 1957. - Пер. № 7285/7 ВИНИТИ. - 1960.-28 с.

20. Георгиевский Н.Н. Журнал русского физ.-хим. общества. 1903. Вып.8. 35 с.

21. Горшкова В.А. Ячмень Центрального Черноземья.- Воронеж: Центр.-Черноземное кн.изд-во, 1979.- 127 с.

22. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е доп. и перераб. М.: «Высшая школа», 1973

23. Данко П.Е., Попов А.Г. Высшая математика в упражнениях и задачах Ч. I. Изд. 2-е. Учеб. пособие для втузов. М.: «Высшая школа», 1974

24. Дворкин Л.Н., Мироненко А.В., Ковтун A.M. Бесцементный арболит на костре льна. Научн-техн. Сб. ЦНИИЭПСЕЛЬСТРОЯ, 1989.-вып. 11.-С.32-33.

25. Дроздов П.И., Колесников B.C., Золотухина В.В. Плиты страмит. -Строит, материалы. 1964. №8. - С.30-31.

26. Дроздов П.И., Колесников B.C., Золотухина В.В., Бабенков Н.И. Производство и применение соломенных плит типа страмит. -Сельское строительство. 1964. -№9. - С.21.

27. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. JL: Энергия, 1974.

28. Евсеев Г.А. Исследование процессов гидратации цемента в присутствии водорастворимых экстрактивных веществ древесины (на примере получения арболита). Автореф. дис. канд. техн. наук. М:. -1971.22 с.

29. Ермичев В.А., Янченко B.C. Результаты испытания прибора для определения теплофизических свойств кормов. Совершенствование механизированных технологий производства молока и говядины. Т. 2. Подольск ВНИИМЖ, 1993.

30. Жуков В.П., Филонов А.А. Использование лузги подсолнечника для производства строительных плит. Механическая обработка древесины. -1969. -№3. -С.9-10.

31. Завадский Г.В., Белозерова Н.Г. Исследование композиционного материала на основе растворимого стекла. Изв.вузов. Строительство и архитектура. - 1980. - №6. - С. 61-62.

32. Завалишин Ф. С., Мацнев М. Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства. М.: Колос, 1982.

33. Зиганшин А.А., Шарифуллин Л.Р. Озимая рожь,- М.: Россельхозиздат, 1981.-216 с.

34. Ильченко J1.B. Технология и свойства строительных плит из отходов производства табака и хлопчатника. Авт. дисс. канд. техн. наук. -Новосибирск. - 1995. - 21 с.

35. Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины. Перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1989. - 527с.

36. Ковалев Н.Г., Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Сельскохозяйственные материалы (виды, состав, свойства). М.: РЖ «Родник», журнал «Аграрная наука», 1998. - 208с., ил. 113. - (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений).

37. Колесников B.C. Исследование теплоизоляционных строительных материалов на основе растительных отходов с/х производств и промышленности Казахстана. Авт. дисс. канд. техн. наук. - Ростов на Дону. - 1975.- 16 с.

38. Коренев Г.В., Тарасенко А.П. Прогрессивные способы уборки и борьба с потерями урожая. М.: Колос, 1983.- 175 с.

39. Корольков П.Т., Душкин А.Н. Гречиха и просо: Интенсивные приемы возделывания в ЦЧЗ.- Воронеж: Центр,-Черноземн. кн.изд-во, 1989,109 с.

40. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -М.: «Наука», 1974

41. Кретович В. JL, Основы биохимии растений, 5 изд. М., 1971.

42. Крутов П.И., Склизков Н.И., Терновский А.Д. Строительные материалы из местного сырья в сельском строительстве М: Стройиздат. -1978. - 284 с.

43. Крутов П.И., Наназашвили И.Х., Склизков Н.И., Савин В.И. Справочник по производству и применению арболита. Под ред. Наназашвили И.Х. М.: Стройиздат. - 1987. - 208 с.

44. Курдюмова В.М., Ильченко JI.B. Композиционные древесные плиты с новыми наполнителями. Деревообработка - 1991. - №2. С.9-11.

45. Лапин В.В., Меркулова Н.Н. Водостойкий деревобетон на арболитовых заполнителях. Инф. Листок Новосибирской ЦНТИ. 1989.-№79-89.-2 с.

46. Мальцев П. М., Емельянова Н. А. Основы научных исследований.-Киев: Вища шк., 1982.

47. Матвеев М.А., Смирнов Р.А. Новый теплоизоляционный материал на основе жидкого стекла. Труды МХТИ им. Д.И.Менделеева. 1954. -Вып. 19. С. 205-206.48.