Технологические особенности и режимы предреализационной обработки клубней картофеля аэродинамическим способом

растениеводства_

УДК 519.873:631.362.36

DOI 10.24411/0131-5226-2018-10064

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И РЕЖИМЫ ПРЕДРЕАЛИЗАЦИОННОИ

A.M. Захаров, канд. техн. наук

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург,Россия

Актуальность темы исследований связана с проблемой снижения затрат энергии на технологические процессы послеуборочной и предреализационной обработки корнеклубнеплодов. Учитывая растущее потребление воды в промышленной сфере, ограниченные запасы пресных вод во многих регионах нашей страны, природно-климатические условия, а также возрастающие экологические требования к технологиям и техническим средствам необходима разработка нового подхода в технологии послеуборочной и предреализационной обработки корнеклубнеплодов. На основе подробного анализа литературы и практики было установлено, что затраты на такую обработку можно существенно снизить путем разработки и внедрения новых технических средств, работающих с учетом комбинации основных законов аэродинамики и механики. В лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования на установке ПОКАС-1 ИАЭП с целью получения данных, позволяющих установить технологические особенности и режимы предреализационной обработки корнеклубнеплодов на примере картофеля аэродинамическим способом. Исследовались различные аэрогидротермодинамические режимы работы установки. При этом варьировались частота вращения барабана, температура подаваемого через форсунки воздуха, а также продолжительность опыта. На основе анализа и обобщения результатов эксперимента были установлены технологические особенности аэродинамического способа, заключающиеся в возможности регулировки температурного режима и частоты вращения барабана в камере; изменения направления, давления и температуры направленного воздушного потока в очистительной камере; высокой степени очистки выходящего из очистительной камеры воздуха водяным фильтром. Кроме того указанный способ обеспечивает существенное снижение удельных затрат энергии на обработку корнеклубнеплодов, экологическую безопасность технологии и улучшение условий труда работников.

Ключевые слова: аэродинамическая очистка; корнеклубнеплод; экспериментальное исследование; режим работы; почвенная частица; степень очистки, картофель.

Для цитирования: Джабборов Н.И., Захаров A.M. Технологические особенности и режимы предреализационной обработки клубней картофеля аэродинамическим способом // Технологии и

животноводства. 2018. № 3 (96). С. 111-119.

TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS AND OPERATION MODES OF PRE-SALES

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

AERODYNAMIC TREATMENT OF POTATO TUBERS

N.I. Dzhabborov, DSc (Engineering);

A.M. Zakharov, Cand. Sc.

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2018. Вып. 96_

The relevance of the study topic is related to the problem of reducing energy costs for technological processes of post-harvest and pre-sales treatment of root and tuber crops. Considering the growing water consumption in the industrial sector, the limited fresh water reserves in many regions of the country, natural and climatic conditions, as well as increasingly stringent environmental requirements for technologies, machines and equipment, new approach to the technology of post-harvest and pre-sales treatment of roots and tubers is required. The detailed analysis of the literature and practical experience showed that the cost of such treatment could be significantly reduced by developing and implementing new tools, which would work with a combination of the basic laws of aerodynamics and mechanics. Experimental studies were carried out under laboratory conditions on POKAS-1 installation designed in IEEP in order to obtain the data allowing to establish the technological characteristics and operation modes of aerodynamic pre-sales treatment of root and tuber crops through the example of potatoes. Different aerohydrothermodynamic modes of operation were investigated under various drum rotation frequency, temperature of the air supplied through the nozzles, as well as the experiment duration. Analysis and summary of the experiment findings allowed specifying the technological characteristics of the aerodynamic treatment, which included variable temperature and drum rotation frequency control in the chamber; adjustability of direction, pressure and temperature of the air flow in the chamber; and high cleaning degree of the exhaust air with a water filter. In addition, this method was found to provide a significant reduction in the unit cost of energy for the root or tuber crop treatment, the environmental compliance of the technology and improved working conditions for operators.

Key words: aerodynamic treatment, root and tuber crop, experimental study, operation mode, soil particle, cleaning degree, potato.

For citation. Dzhabborov N.I., Zakharov A.M. Technological characteristics and operation modes of pre-sales aerodynamic treatment of potato tubers. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3

Введение

Картофель является высоко

распространённой культурой, которая выращивается в большинстве стран мира [1]. Площади, занимаемые под картофель, в нашей стране в основном располагаются в Сибири, на Урале, в Нечернозёмной зоне и других областях. Для получения высокой урожайности этой культуры необходимо грамотно подходить, как к организации самого производства, так и к ее переработке. Питательная ценность клубней имеет огромное значение для здоровья человека, а по сбору сухого вещества с единицы площади картофель занимает одно из первых мест, среди других культур. Возможности использования картофеля для технических целей по истине велики, он может служить

использоваться в качестве корма для животных. Значение картофеля велико и в

агротехнике возделывания картофеля позволяет почве оставаться рыхлой, чистой от сорняков и богатой питательными веществами. Питательная ценность клубней имеет огромное значение для здоровья человека, а по сбору сухого вещества с единицы площади картофель занимает одно из первых мест, среди других культур. Картофель является источником витамина С, В1, В2, РР, В6, а также каротина [2].

На сегодняшний день мировой рынок предъявляет высокие требования к качеству картофеля. Пропорционально росту качества производимого картофеля и других корнеклубнеплодов растут и затраты на их производство. На сегодняшний день известно два способа подготовки корнеклубнеплодов к реализации в торговых сетях, это мойка и очистка сухим способом [3]. Оба варианта, на фоне современных тенденций за экономию энергии, денежных и

трудовых затрат, обеспечения экологической безопасности и охраны труда имеют свои недостатки.

Используя при подготовке к реализации корнеклубнеплодов сухой способ очистки нужно учитывать, что распространение почвенной пыли будет негативно сказываться как на состоянии здоровья работников, так и на состоянии окружающей среды, а производители, использующие мойку сталкиваются с большим расходом пресной воды, а так же с затратами электроэнергии на сушку. При этом использование моющих машин требует наличия системы канализации, отстоя, очистки загрязнённой воды, удаления остатков очистки, что является объектом загрязнения окружающей среды[1].

Учитывая растущее потребление воды в промышленной сфере, ограниченные запасы пресных вод во многих регионах нашей страны, природно-климатические условия, а так же возрастающие экологические требования к технологиям и техническим средствам необходима разработка нового подхода в технологии послеуборочной и предреализационной подготовки

корнеклубнеплодов к реализации в торговых сетях.

На основе подробного анализа литературы и практики, было установлено,

корнеклубнеплодов можно существенно снизить путем разработки и реализации новых технических средств, работающих с учетом комбинации основных законов аэродинамики и механики [4-5].

Ранее исследовались способы сепарации и очистки клубней картофеля с учетом их аэродинамических свойств [6-7].

Была разработана математическая модель перемещения клубня по щеточной поверхности [8], обоснованы оптимальные параметры и режимы работы машины для

мойки картофеля [9], скомпонована технологическая линия мойки картофеля для фермерских хозяйств [10].

Таким образом, в ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ был разработан и исследован аэродинамический способ предреализационной подготовки

корнеклубнеплодов. Как показали экспериментальные исследования,

аэродинамический способ очистки лишен вышеперечисленных недостатков и способен отвечать всем условиям современных требований и норм ГОСТ Р51808-2013 «Картофель продовольственный».

Материалы и методы

Объектом экспериментальных

исследований являлся технологический процесс предреализационной обработки

аэродинамическим способом (рисунок 1) в экспериментальной установке ПОКАС-1 ИАЭП.

Предметом исследований являлись технологические особенности и режимы предреализационной обработки

корнеклубнеплодов аэродинамическим

экспериментальной установке (рисунок 1).

Рис. 1. Экспериментальная установка ПОКАС-1 ИАЭП для предреализационной обработки

аэродинамическим способом 1-насос-вентилятор; 2-камера с барабаном; 3-

сепаратор (водяной фильтр); 4-насос-вентилятор; 5-рег\тятор частоты вращения барабана

ISSN 0131-5226. Теоретический _ИАЭП. 2018.

и научно-практическии журнал. Вып. 96_

Целью исследований является получение экспериментальных данных, позволяющие установить технологические особенности и режимы предреализационной обработки корнеклубнеплодов аэродинамическим

способом.

Экспериментальные исследования

предреализационной обработки картофеля овальной формы, сорта «Удача», урожая 2017 года.

Температура окружающей среды при проведении экспериментов была 21 °С. Средняя масса проб картофеля во всех повторностях эксперимента составлял 2,5 кг. Повторность проведения всех вариантов эксперимента - трехкратная.

В качестве агента очистки использовалась вода в емкости 3 (рисунок 1) объемом 5 л, что позволяет очищать проходящий через сепаратор (фильтр) воздух до необходимых параметров.

Общий вес установки составил 125 кг, при этом вместимость резервуара воды для очистки воздуха составляет 5 литров, а максимальная вместимость барабана для корнеклубнеплодов (картофеля) - 15 кг.

Была разработана программа и методика экспериментальных исследований, где подробно был изложен перечень параметров и показателей работы экспериментальной установки и подробная методика их измерения.

В частности определялись:

- максимальная загрузка барабана, кг;

- время опыта, мин;

-1.

- частота вращения барабана, мин" ;

- температура воздуха на входе в вентилятор,

°С;

- температура воздуха на выходе из форсунки в барабане °С;

- первоначальная масса картофеля до очистки, кг;

- масса картофеля после очистки, кг.

Экспериментальные данные обработаны по методике, изложенной в работе [5].

Результаты и обсуждение

Технологические особенности, которые зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала (влажность, твердость, температура, геометрические

технических средств предреализационной обработки возникают на основе создания особого аэротермодинамического режима для эффективного отделения почвенных частиц с очищаемой продукции и вывода загрязненного воздуха из системы очистки в фильтрующий элемент.

Технологический эффект - это совокупность результатов, обусловленных возможностью снижения энергетических затрат и трудоемкости работы, повышения экологической безопасности процесса предреализационной очистки

корнеклубнеплодов.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в 2016 - 2018 гг. позволили получить репрезентативные данные, основные из которых опубликованы в работах [4, 5].

Исследовались различные аэрогидро-термодинамические режимы работы экспериментальной установки. При этом варьировались частота вращения барабана, температура подаваемого через форсунки воздуха, а также время опыта.

Также проводились сравнительная оценка различных режимов работы установки ПОКАС-1 ИАЭП с контрольным вариантом.

Контрольный вариант представлял собой фиксированное значение частоты вращения барабана п — 20 мин-1, без подачи воздуха с определенным для всех вариантов время опыта.

Графическая зависимость массы отделившихся примесей от температуры воздуха на выходе из форсунки при

постоянной частоте вращения барабана п — 20 мин-1 представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость массы отделившихся почвенных частиц от температуры воздуха на выходе из форсунки (при постоянного частоте вращения барабана п — 20 мин-1; 1 - контроль;

2-е изменением температуры воздуха)

Как видно из рис. 2, на контрольном варианте опыта происходит незначительная очистка вследствие контакта между клубнями картофеля. Масса почвенных частиц, отделившихся от клубней, составила всего 9,5 г.

Далее, при создании различных аэрогидротермодинамического режима в камере с барабаном (рис. 1, позиция 2), происходит существенное увеличение массы отделившихся почвенных частиц от поверхности клубней.

Существенное увеличение массы отделившихся почвенных частиц от поверхности клубней зависит от технологических особенностей

установленных режимов работы установки.

Технологические особенности

аэродинамического способа заключаются в возможности:

- регулировки температурного режима и частоты вращения барабана в камере;

изменения направления, давления и температуры направленного воздушного потока в очистительной камере;

высокой степени очистки воздуха, выходящего из очистительной камеры, водяным фильтром;

- существенного снижения удельных затрат энергии на очистку корнеклубнеплодов [4];

- обеспечения экологической безопасности

жизнедеятельности работников.

Особенности взаимодействия общего и направленного воздушного потока, его температуры, частоты вращения барабана и взаимоконтакта клубней на процесс очистки заключаются в следующем:

1 - отделение прилипших к клубню почвенных частиц происходит на основе создания особого аэротермодинамического режима для эффективного их отделения с очищаемой продукции и вывода загрязненного воздуха из системы очистки в фильтрующий элемент;

2 - аэротермодинамический режим создает эффект иссушивания прилипшей к клубням почвы, в которой за счет активной потери влажности нарушаются внутренние связи, происходит их разрыв и образуются трещины, это хорошо видно на рис. 3;

3 - напор воздушного потока, попадая в трещины срывает верхний слой прилипшей почвы, а потом, постепенно высушивает и снимает последующие слои вплоть до кожуры клубня, на рис. 4 это представлено наглядно.

Эффекту разрыва внутренних связей способствует такое явление, как расширение самого клубня в процессе его нагревания, поэтому, процесс ослабления и разрушения внутренних связей происходит как снаружи прилипшего слоя почвы, так и внутри, в месте контакта кожуры клубня и внутреннего слоя почвы.

Возможность изменения таких параметров, как температура и напор потока воздуха позволяет регулировать процесс иссушивания почвы и в целом очистки клубней. Так же активное воздействие на

КБЫ 0131-5226. Теоретический _ПАЭП. 2018.

и научно-практическии журнал. Вып. 96_'

процесс отделения прилипшеи почвы оказывает движение клубней во вращающемся барабане. Под действием силы тяжести клубни в процессе вращения контактируют со стенками перфорированного барабана и друг с другом. При этом совершая вращательные и перекатывающиеся движения, за счет соударений и трения друг о друга происходит дополнительное отделение прилипшей почвы от клубней.

Взаимный контакт совместно с действием направленного воздушного потока повышает степень очистки. Из-за отсутствия непосредственного контакта с внешними острыми углами и предметами повреждения отсутствуют, контакт клубней между собой не приводит к повреждениям за счет природной эластичности и прочности клубни и его кожуры.

Пылеобразные микрочастицы, образованные в процессе частичного отрыва от прилипшей к клубням почвы, уносятся воздушным потоком в водяной фильтр, и, проходя сквозь слой воды, оседают в ней, а более крупные и тяжелые частицы, проходя сквозь отверстия перфорированного барабана падают вниз в специальную емкость.

Рис. 3. Разрыв внутрипочвенных связег/ и образование трещин после аэротермодинамического воздействия

Рис. 4. Разрыв внутрилочвенных связегI и локальное снятие воздушным потоком верхних слоев прилипшей почвы

Соотношение микрочастиц, выводимых воздушным потоком и крупных тяжелых частиц почвы, в процессе проведения экспериментальных исследований в среднем составило 15-18 % к 82-85% соответственно. Данное соотношение может метаться в зависимости от степени загрязнённости

аэрогидротермодинамического режима очистки.

На рис. 5 представлены зависимости массы отделившихся почвенных частиц от температуры воздуха на выходе из форсунки и частоты вращения барабана.

Рис. 5. Зависимости массы отделившихся почвенных частиц

Анализ экспериментальных данных, графических зависимостей и разработанных эмпирических математических моделей [4] показывает, что оптимальным режимом работы экспериментальной установки для предреализационной подготовки картофеля является его функционирование при частоте вращения барабана п — 20 мин-1 и температуре воздуха на выходе из форсунки t = 40,0° С.

Выводы

Установлены технологические особенности предреализационной обработки корнеклубнеплодов на примере картофеля, особенности взаимодействия общего и направленного воздушного потока, его температуры, частоты вращения барабана и взаимоконтакта клубней на процесс очистки, которые в дальнейшем способствуют совершенствованию аэродинамического способа, разработке эффективных технических средств очистки

корнеклубнеплодов.

Технологические особенности

аэродинамического способа заключаются в

возможности регулировки температурного режима, частоты вращения барабана в камере, изменения направления, давления и температуры воздушного потока, степени очистки воздуха, выходящей из очистительной камеры с водяным фильтром, существенного снижения удельных затрат энергии на очистку корнеклубнеплодов, обеспечения экологической безопасности

жизнедеятельности работников.

Существенное увеличение массы отделившихся почвенных частиц с поверхности клубней зависит от технологических особенностей

установленных режимов работы установки.

Установлено, что оптимальным режимом работы экспериментальной установки ПОКАС-1 ИАЭП для предреализационной подготовки картофеля является его функционирование при частоте вращения барабана п — 20 мин-1 и температуре воздуха на выходе из форсунки г = 40,0° С.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Camire M., Kubow S., Donnelly D. Potatoes and Human Health. Critical reviews in food science and nutrition. 2009; 49: 823-840. DOI: https://doi.org/10.1080/10408390903041996

2. Scott R.K., Wilcockson S.J. Application of physiological and agronomic principles to the development of the potato industry (Harris P.M. (eds.) The Potato Crop. 1978. Springer, Boston, MA: 678-704. DOI: https://doi.org/10. 1007/978-1-4899-7210-1 18

3. Фомин И.М., Логинов Г.А., Захаров A.M. Технико-технологическая модернизация картофелеводства в товаропроизводящих хозяйствах Северо-Запада РФ //Сборник научных докладов ВИМ. 2011. том 1. с. 95103.

4. Джабборов Н.И., Захаров A.M., Зыков A.B. Оценка эффективности применения аэродинамического способа для предреализационной обработки картофеля //Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 2(95). С. 136-143. DOI: 10.24411/0131-52262018-10040.

5. Джабборов Н.И., Захаров A.M. Методика экологической оценки аспирационно-водяной очистки воздуха при обработке картофеля аэродинамическим способом //Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 91. С. 138-146.

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'

6. Hallee N. D.. Aerodynamic Properties of Potatoes and Associated Soil Materials, Transactions of ASAE. 1972. 15 (2): 03030307. DOI: 10.13031/2013.37892.

7. Ghasem Abedi, Shamsollah Abdollahpour, Mohammad Reza Bakhtiari. Aerodynamic properties of potato tubers to airflow separation from stones and clods. Int. J. Vegetable Sci. 2018. DOI: https://doi.org/10.1080/19315260.2018.1478920

8. Захаров A.M. Математическая модель перемещения клубня картофеля по щеточной поверхности //Технологии и технические

средства механизированного производства

животноводства. 2017. № 92. С. 140-147.

9. Орешин Е.Е., Устроев A.A., Захаров A.M. Оптимизация параметров и режимов работы машины для мойки картофеля //Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 3 (13). С. 182184.

10. Устроев A.A., Захаров A.M., Логинов Г. А. Технологическая линия мойки картофеля для фермерских хозяйств //Техника и оборудование для села. 2016. № 6. С. 34-36.

REFERENCES

l.Camire M., Kubow S., Donnelly D. Potatoes and Human Health. Critical reviews in food science and nutrition. 2009; 49: 823-840. DOI: https://doi.org/10.1080/10408390903041996 2.Scott R.K., Wilcockson S.J. Application of physiological and agronomic principles to the development of the potato industry (Harris P.M. (eds.) The Potato Crop. 1978. Springer, Boston, MA: 678-704. DOI:

https://doi.org/10.1007/978-1-4899-7210-1 18

3.Fomin I.M., Loginov G.A., Zakharov A.M. Technical and technological modernisation of potato growingn in commodity producing farms of the North-West of the Russian Federation. Sbornik nauchnyh dokladov VIM [Collection of scientific reports of VIM]. 2011; vol. 1: 95-103.

4.Dzhabborov N.I., Zakharov A.M., Zykov A.V. Otsenka effektivnosti primeneniya aerodinamicheskogo sposoba dlya predrealizatsionnoi obrabotki kartofelya [Evaluation of aerodynamic method of pre-sale treatment of potatoes]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. N 2

5.Dzhabborov N.I., Zakharov A. M. Methods for environmental assessment of aspiration-water cleaning of air in aerodynamic treatment of potatoes. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; N 91: 138-146.

6.Hallee N. D.. Aerodynamic Properties of Potatoes and Associated Soil Materials, Transactions of ASAE. 1972. 15 (2): 0303-0307. DOI: 10.13031/2013.37892.

7.Ghasem Abedi, Shamsollah Abdollahpour, Mohammad Reza Bakhtiari. Aerodynamic properties of potato tubers to airflow separation from stones and clods. Int. J. Vegetable Sci. 2018. DOI: https://doi.org/10.1080/19315260. 2018.1478920.

8.Zakharov A.M. Matematicheskaya model' peremeshcheniya klubnya kartofelya po shchetochnoi poverkhnosti [Mathematical model of the movement of potato tubers on brushing surface]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. N 92: 140-147.

9.Oreshin E.E., Ustroev A.A., Zakharov A.M. Optimizatsiya parametrov i rezhimov raboty mashiny dlya moiki kartofelya [Optimisation of

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_

parameters and operation modes of potato washing machine]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve. 2015. N 3

10.Ustroev A.A., Zakharov A.M., Loginov G.A.

Tekhnologicheskaya liniya moiki kartofelya dlya fermerskikh khozyaistv [Technological potato washing line for private farms]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2016. N 6: 34-36.

УДК 631 117:55 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10065

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВ ИЗ ТРАВ

В.Д. Попов, д-р техн. наук, академик РАН; Я.С. Соловьев

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

В Северо-Западном районе России кормовые культуры занимают около 1500 тыс. га и составляют около 70% от объема посевных площадей. Затраты на корма составляют 50-60% и более в структуре затрат на производство животноводческой продукции. Отрасль кормопроизводства представляет собой сложную иерархическую систему. Она сопряжена со многими факторами, которые влияют на эффективность технологических процессов производства кормов из трав. Поэтому оценка эффективности является актуальной задачей. В статье дан анализ методов и критериев оценки технологических процессов, которая возможна на основании комплексной проверки или статистических данных по результатам испытаний машин. Сбор достоверной информации о факторах, которые влияют на эффективность процессов, а также формирование соответствующих массивов данных представляет собой достаточно трудоемкую задачу. При сопоставлении большого числа факторов, влияющих на технологический процесс, необходимо использовать специальные методы поиска рационального решения. Такие методы отличаются от методов решения однокритериальных задач. Предлагается использовать комбинированный метод экспертной оценки с применением обобщения (агрегирование, свертка) на каждом иерархическом уровне.

Ключевые слова: кормопроизводство; оценка эффективности; технологический процесс; корма из трав; метод экспертной оценки.

Для цитирования: Попов В.Д., Соловьев Я.С. Методы оценки эффективности технологических процессов производства кормов из трав // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 119-129.

METHODS FOR EVALUATING EFFICIENCY OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF

GRASS FODDER PRODUCTION

V.D. Popov, DSc (Engineering); Ya. S. Solovev