Методика экологической оценки аспирационно-водяной очистки воздуха при обработке картофеля аэродинамическим способом

Плотность массового распределения суспензии распылителями по ширине транспортерной горки характеризуется более высокими значениями равномерности распределения и составляет 11,198% - 21,184%, что особенно важно при распределении препарата по поверхности клубня и характеризует высокую равномерность распределения суспензии по поверхности горки, а также обеспечивает равномерное нанесение препарата по поверхности клубней.

ВЫВОДЫ

В результате эксперимента проведён расчёт и выбор распылителей, определено их расположение в протравливающей камере. Получены показатели плотности распределения суспензии по поверхности транспортёрной горки:

Коэффициент вариации плотности массового распределения суспензии по длине горки составляет 18,23 - 25,67 %.

Коэффициент вариации плотности массового распределения суспензии по ширине горки составляет 11,19- %21,18.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент № 2530991 РФ,МПК А01С1/08 Устройство для протравливания корнеклубнеплодов / Шкрабак B.C., Шкрабак Р. В., Мартынов А. В., Логинов Г. А., Демко П.В., опубл. 20. 10. 2014. Бюл № 29.

2. Мартынов A.B., Логинов Г.А. Оптимизация параметров рабочих органов и режимов их работы из условия экологичности процесса обработки семенного картофеля / A.B. Мартынов, Г.А. Логинов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства». - 2016. - № 90. - С. 90-96.

3. Agrardüsen und Zubehör / Katalog 2004.

4. Валге A.M. Использования систем EXCEL И MATHCAD при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства: Методическое пособие / A.M. Валге. - СПб., 2013. - 200 с.

УДК 631.362

МЕТОДИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ АСПИРАЦИОННО-ВОДЯНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ПРИ ОБРАБОТКЕ КАРТОФЕЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Н И. ДЖАББОРОВ, д-р техн. наук; A.M. ЗАХАРОВ, канд. техн. наук

ФГБНУ «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

В статье изложены основные принципы предложенного аспирационно-водяного способа очистки воздуха и методика его экологической оценки в процессе предреализационной доработки при аэродинамической очистке картофеля. Предлагаемый аспирационно-водяной способ отличается от применяемых в настоящее время способов тем, что в аспирации воздух является носителем

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

загрязняющих мелких сухих частиц, а вода определенного объема используется в качестве фильтра для полной его очистки. Объектами исследований являлись применяемые в настоящее время технические средства для предреализационной подготовки картофеля. Выполнен аналитический обзор и оценка технологии предреализационной очистки корнеклубнеплодов и соответствующих машин и оборудования. В качестве критериев оценки использованы показатели экономической эффективности и экологической безопасности технологического процесса. С точки зрения экологической безопасности использование предложенного способа при аэродинамической очистке картофеля позволит обеспечить положительное влияние на состояние окружающей среды и исключить попадание в рабочую зону и в атмосферу пылевых частиц и растительных остатков. Также значительно сниженный расход воды, используемой только для очистки воздуха, сводит к минимуму загрязнение окружающей среды. Расчет экономической эффективности проводили по таким показателям, как количество воды, использованное в процессе очистки, и общий расход электроэнергии.

Исследование проводилось в решках проекта РФФИ 16-38-00343.

Ключевые слова: аспирационно-водяной способ; аэродинамический способ; картофель; почвенная пыль; экологическая оценка.

METHODS FOR ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF ASPIRATION-WATER CLEANING OF AIR IN AERODYNAMIC TREATMENT OF POTATOES

N.I. DZHABBOROV, DSc

The article describes the basic principles and environmental assessment of proposed aspiration-water method to clean the air during the pre-sale aerodynamic treatment of potatoes. The distinctive feature of this method is that in aspiration, the air is a carrier of polluting small dry particles and a certain amount of water is used as a filter to remove them. The research objects were currently applied technical aids for pre-sale potato treatment. An analytical review and assessment of the technology and related machines and equipment for pre-sale cleaning of root crops was performed. Indicators of economic efficiency and environmental safety of the technological process were taken as evaluation criteria. In terms of ecological safety, the use of the proposed method within aerodynamic cleaning of potatoes will ensure a positive effect on the state of environment, keep away the dust particles and plant residues from the working zone and the atmosphere. Significantly reduced consumption of water, which is used only for air cleaning, will also minimize the environmental pollution. Such indicators as the amount of water used in the cleaning process and the total electric energy input were used to calculate the economic efficiency.

The study was performed within the Russian Foundation for Basic Research project 16-38-00343

Keywords: aspiration-water method; aerodynamic method; potatoes; soil dust; ecological assessment. ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия в развитых производственных компаниях все большую популярность приобретает действенное средство для создания нормальных условий работы -аспирация.

Аспирация отличается от вентиляции тем, что в вентиляции работа системы сосредоточена на управлении потоками воздуха как таковыми, а в аспирации воздух используется лишь в качестве носителя, а работа системы сосредоточена на удалении мелких сухих частиц[1].

Система аспирации - это совокупность технических средств, обеспечивающая эффективное удаление взвешенных примесей, пылевых отходов, частиц сыпучих неорганических и органических смесей и т.д. из рабочих зон производственных помещений с целью снижения их концентрации и воздействия на организм человека, а также их утилизацию[1].

Назначением системы аспирации является предотвращение распространения вредных выбросов от источника в воздух рабочей зоны, атмосферу или окружающую среду. Устройство аспирации, как правило, требуются на деревообрабатывающих, дробильных и других предприятиях лёгкой и тяжёлой промышленности, технологический процесс на которых происходит с выделением вредных веществ [2].

Эффективность системы оценивается по так называемой степени невыбивания, то есть соотношения удалённых вредностей к вредностям, избежавшим утилизации системой местных отсосов и поэтому попавшим в воздух рабочей зоны.

Существует два вида систем аспирации - это модульные и моноблочные[2].

Модульные системы используются на крупных производствах с сильной запыленностью рабочих пространств, где моноблочные устройства аспирации справиться не могут. Требуется высокая производительность при простоте обслуживания, ведь постоянная потребность в очистке большого количества небольших сборников слишком трудоемка.

При всей простоте принципа действия наибольшее распространение получила моноблочная система, при которой у каждого рабочего места, загрязняющего воздух, установлены устройства пылеудаления. Они бывают стационарными или передвижными. Такая аспирация - это аналог пылесоса со своим бункером, подлежащим регулярной чистке. К преимуществам моноблочных систем относят мобильность и автономность. Моноблочность позволяет размещать установку вблизи от источников выделения загрязнений и обеспечивает простоту подключения к магистралям центральных систем аспирации [3].

При обработке корнеклубнеплодов в процессе предреализационной доработки одним из главных требований, которое предъявляют к машинам, является эффективность очистки. Существующие способы можно разделить на два вида: водный и сухой, без использования воды, как среды, в которой происходит очистка. Мойка картофеля имеет высокие показатели по эффективности очистки, однако вместе с этим увеличиваются и эксплуатационные затраты. При мойке сильно загрязненных клубней картофеля, снижается не только качество очистки, но и производительность моечных машин, при этом расход воды на мойку увеличивается. Кроме этого эксплуатация моющих машин требует наличия системы канализации, отстоя, очистки загрязненной воды, удаления остатков очистки, что является объектом загрязнения окружающей среды. Машинам для сухой очистки, соответственно, вода не требуется, однако они обладают одним существенным недостатком. Этим недостатком является распространение в рабочей зоне и вблизи машины пыли почвенных частиц, которая мешает работникам дышать, угрожает их здоровью и состоянию окружающей среды. Для повышения эффективности и экологической безопасности процесса предреализационной доработки и очистки картофеля аэродинамическим способом возникла необходимость в разработке аспирационно-водяного способа фильтрации и очистки воздуха.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектами исследований являлись применяемые в настоящее время технические средства для предреализационной подготовки и очистки картофеля. Проведен аналитический обзор технологии предреализационной очистки корнеклубнеплодов и соответствующих технических средств, оценка их эффективности и экологической безопасности. В качестве критериев оценки предлагается использовать показатели экономической эффективности и экологической безопасности технологического процесса (стоимость воды и электроэнергии для очистки 1 т картофеля, а также уровень концентрации пыли и почвенных частиц, как в рабочей зоне, так и в атмосфере).

Требования к методам и средствам измерений, которые следует соблюдать при получении экологических характеристик указаны в ГОСТ Р 54578 2011 [4].

Методы измерений массовой концентрации пыли делятся на прямые (весовой или гравиметрический метод), и косвенные (измерения с помощью пылемеров).

Измерения должны проводиться по аттестованной методике измерений с учетом положений настоящего стандарта и специфики конкретного производства.

Весовой или гравиметрический метод определения массы частиц пыли, отобранных на фильтр пылеотборника, заключается в том, что масса частиц определяется взвешиванием, а по результатам измерений расхода воздуха и продолжительности отбора пробы определяется ее объем.

Для определения массы частиц пыли их собирают на фильтр, установленный в пробоотборнике, просасывая через него рассчитанный объем воздуха с помощью побудителя расхода (аспиратора). Для проведения отбора проб применяют следующее оборудование:

- фильтры подходящего диаметра для использования в фильтродержателях;

- побудитель расхода, обеспечивающий постоянный расход воздуха с отклонением ± 5 % номинального значения (в некоторых случаях может быть встроенным в портативный индивидуальный пробоотборник);

- портативный расходомер с погрешностью не более ± 5 %;

- термометр для измерения температуры в соответствующем диапазоне температур воздуха рабочей зоны, ценой деления не более 1°С (при необходимости);

- барометр для измерения атмосферного давления (при необходимости);

- часы или таймер для определения продолжительности отбора проб;

- вспомогательные приспособления (такие как гибкие резиновые шланги, ремни для крепления индивидуальных пробоотборников, пинцеты с плоскими губками для обращения с фильтрами, контейнеры для транспортирования фильтров и т. д.).

За основной критерий экологической оценки технологии производства сельскохозяйственной продукции принят показатель массовой концентрации пыли.

Массовую концентрацию пыли С, мг/м , вычисляют по формуле [4]:

•1000.

с _ т - т0

В случае прямого измерения объема V, дм , протянутого воздуха

•1000,

_ т - то

V

где т- масса фильтра после отбора пробы, мг; т0- масса фильтра до отбора пробы, мг; с/объемный расход воздуха, дм3/мин; I- продолжительность отбора проб, мин.

В нормативных требованиях для охраны здоровья трудящихся установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) пыли и других вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений [5]. Под ПДК понимается концентрация пыли в мг/м3, которая при работе не более 40 часов в неделю и в течение всего трудового стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в здоровье трудящегося или его последующих поколениях.

Все методы и средства измерений запыленности воздуха должны обеспечивать определение массовой концентрации пыли с размером частиц от 0,5 до 70 мкм в воздухе в диапазоне от 1 до 10 ПДК с основной относительной погрешностью, не превышающей 25 % при доверительной вероятности 0,95. При концентрации более 10 ПДК погрешность не нормируется.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При работе машин на линиях для послеуборочной доработки корнеклубнеплодов в рабочую зону попадает большое количество почвенных частиц, которые имеют свои физико-химические характеристики, отличающиеся от других материалов. Образование пыли, в процессе отделения почвы от корнеклубнеплодов зависит в основном от размера, формы и массы почвенных частиц. На линии доработки поступают корнеклубнеплоды с различным содержанием и влажностью прилипшей почвы. Это зависит от типа почв на полях, на которых выращивают и убирают корнеклубнеплоды, технологического процесса, выполняемого уборочными машинами, от природно-климатических условий.

Поэтому для определения концентрации почвенной пыли и выбора системы фильтрации воздуха необходимо в первую очередь знать гранулометрический состав почв. По H.A. Качинскому выделяют следующие фракции [6], представленные в таблице 1.

Таблица 1

Фракции почвы

Наименование фракции Размер фракции, мм

Камни 13

Гравий 3-1

Песок: крупный 1-0,5

среднии 0,5-0,25

мелкии 0,25-0,05

Пыль: крупная 0,05-0, 01

средняя 0,01-0,005

мелкая 0,005-0,001

Ил: грубый 0,001-0,0005

тонкий 0,0005-0,0001

Коллоиды < 0,0001

Физическая глина < 0,01

Физический песок > 0,01

Анализ способов очистки корнеклубнеплодов показывает, что в исследуемом технологическом процессе встречаются фракции от 0,01 до 1 мм [7].

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Для аэродинамической очистки с аспирационно-водяной фильтрацией воздуха наиболее приемлема моноблочная система, которая состоит из вентилятора, сепаратора

(фильтра) и ёмкости для отходов.

Схема очистки воздуха аспирационно-водяным способом представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема очистки воздуха аспирационно-водяным способом

Рабочий процесс заключается в следующем: воздух необходимой температуры и влажности, под определенным давлением, созданным компрессорной установкой 1, распыляется через форсунки в камеру рабочей зоны 2, где под его действием происходит очистка корнеклубнеплодов. Созданная, в процессе очистки пылевая взвесь вместе с растительными остатками и другими частицами из рабочей зоны высасывается насосом-вентилятором 3 через сепаратор 4 (фильтр), в котором и остаются все примеси, соответственно, не попадая в атмосферу. В качестве агента очистки используется вода в емкости определенного объема, что позволяет очищать проходящий через сепаратор (фильтр) воздух до необходимых параметров. Поглощение водой почвенной пыли на линиях и в машинах для доработки корнеклубнеплодов обеспечивает эффективное снижение концентрации пыли и почвенных частиц, как в рабочей зоне, так и в атмосфере и улучшает условия труда работающих.

Расход воды при аэродинамическом способе очистки и при мойке корнеклубнеплодов значительно отличаются. На обработку 1 тонны корнеклубнеплодов с использованием мойки тратится до 6 тонн воды, а на обработку этого же количества материала аэродинамическим способом для очистки воздуха потребуется около 100 литров. Вместе с тем, использованную для мойки воду, перед сливом ее в стоки или канализационные воды так же необходимо очистить от посторонних примесей. Стоимость 1 м3 воды в Санкт-Петербурге на 30.03.2017 года составляет 20,38 руб. [8]. Стоимость воды на обработку 1 т корнеклубнеплодов с использованием мойки составляет до 123 руб., а аэродинамическим способом, всего 2,05 руб. Это показывает насколько экономически выгодно использовать аэродинамический способ очистки.

Кроме того, существует огромная разница в энергозатратах. В линии мойки обязательно присутствует съемщик влаги, он выполняет отдельную операцию по осушению корнеклубнеплодов перед затариванием их в потребительскую тару и представляет собой самостоятельную машину, на что требуется дополнительные затраты энергии. В

аэродинамическом способе эта операция отсутствует. Соответственно суммарная мощность машины для аэродинамической очистки 1 кВт, а мощность моечной машины и съемщика влаги составит не менее 1,5 кВт. С учетом того, что стоимость 1 кВт электроэнергии в Санкт-Петербурге с 01.01.2017 года составляет 3,7 руб., аэродинамический способ очистки представляет собой энергетически и экономически выгодным технологическим процессом.

В целом, установленные прогнозные оценочные показатели позволяют заключить, что предложенный аэродинамический способ очистки корнеклубнеплодов более эффективен и экологически безопасен по сравнению с применяемыми в настоящее время технологиями и техническими средствами.

ВЫВОДЫ

Так как предреализационная подготовка корнеклубнеплодов напрямую связана с отделением примесей и почвенных частиц, без распространения их в воздухе реализовать этот процесс невозможно. Предложенный аспирационно-водяной способ является эффективным средством в борьбе за чистоту окружающего воздуха, как в рабочей зоне, так и в атмосфере в целом. Частицы почвенной пыли и растительных остатков проходя через сепаратор (водяной фильтр) практически полностью остаются в нем и оседают на дно, откуда по мере накопления загрязнений удаляются.

Экономический эффект использования аспирационно-водяного способа очистки воздуха при аэродинамической очистке картофеля складываются из двух основных составляющих, первой из которых является энергоэффективность. При использовании классической технологии подготовки корнеклубнеплодов для реализации, помимо машины для мойки в процессе участвует ряд вспомогательного оборудования и соединяющих их передающих транспортеров, суммарная мощность которых в 1,5 раза выше мощности затрачиваемой при очистке аэродинамическим способом, что при использовании в течение года может принести значительный экономический эффект.

Второй составляющей экономического эффекта является ресурсосбережение в процессе очистки. Объемы использования воды разными способами существенно отличаются, отношение может достигать 1/60. Кроме того системы канализации, очистки и фильтрации использованной воды перед сливом ее в окружающую среду так же требуют технического обслуживания, что является дополнительной статьей затрат.

Подводя итог, с точки зрения экологической безопасности использование аспирационно-водяного способа очистки воздуха при аэродинамической очистке картофеля обеспечивает положительное влияние на состояние окружающей среды, так как попадание в рабочую зону и в атмосферу пылевых частиц и растительных остатков сводятся к минимуму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бошняков E.H. Аспирационно-технологические установки предприятий цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1987. - 160 с.

2. Аэродинамические основы аспирации: монография / И.Н. Логачев, К.И. Логачев. - Санкт-Петербург: Химиздат, 2005. 659 с.

3. Обеспыливающая вентиляция: монография. Том 2 /В.А. Минко, И.Н. Логачев, К.И. Логачев, O.A. Аверкова, Р.Н. Шумилов, Т.Н. Ильина, C.B. Староверов, А.Ю. Феоктистов, Ю.А. Феоктистов, В.Г. Шаптала, A.B. Минко, А.И. Алифанова, А.Б. Гольцов, В.М. Киреев, E.H. Попов, A.C. Семиненко //Белгород: изд-во БГТУ, 2010. - 565 с.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

4. ГОСТ Р 54578 2011 «Воздух рабочей зоны. Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия. Общие принципы гигиенического контроля и оценки воздействия». Москва Стандартинформ 2012.

5. ГОСТ - 12.1.005 - 88 «Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Москва Стандартинформ 2008.

6. Почвоведение: учебники и учебные пособия для высших с.-х. учеб. заведений / И.С. Кауричев [и др.]; под ред. И.С. Кауричева. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Колос, 1982496 с.

7. Сысуев, В. А. Исследование отделения примесей щёточными рабочими органами / В. А. Сысуев, О. В. Суханов // Научные проблемы технического обеспечения агропромышленного комплекса Нечернозёмной зоны РСФСР: матер, конф. - Сиб. НИПТИММЭСХ НЗ, 1991. - С. 98-99.

8. http://enargys.ru/skolko-stoit-l-kubometr-vodyi/ (Дата обращения 09.03.2017 в 10.089ч).