Введение к работе
Актуальность темы исследований. Основами продовольственной безопасности РФ являются увеличение объемов производства основных видов животноводческой и растениеводческой продукции. Рост поголовья и повышение продуктивности скота, птицы, основных видов сельскохозяйственных культур должны происходить при одновременном поддержании высокого качества конечного продукта. Достижение поставленных задач невозможно без улучшения условий содержания сельскохозяйственных животных и произрастания растений. Это подразумевает создание оптимальных параметров микроклимата животноводческих помещений и помещений защищенного грунта, а также создание условий для безопасного и высокопроизводительного труда работников сельскохозяйственных предприятий.
Одной из причин, вызывающих нарушение воздушно-газового режима атмосферы помещения и, как следствие, влекущих за собой ухудшение условий труда, качества продукции, сокращение срока службы зданий и сооружений, является эксплуатация мобильной техники, на которой используются дизельные двигатели, обладающие меньшей токсичностью и большей экономичностью по сравнению с бензиновыми аналогами. Вместе с тем постоянное использование их способствует накоплению в воздушной среде помещений токсичных компонентов (ТК) отработавших газов (ОГ).
Поэтому создание экологически безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими мобильными энергетическими средствами (МЭС) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой, решение которой вносит значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.
Для решения указанной проблемы предлагается комбинированный метод, включающий модернизацию системы питания и отвода ОГ дизельного ДВС и создание устройств отвода ОГ из помещения.
Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» в 1987-2013 годах и долгосрочной целевой программы «Улучшение экологической обстановки в Рязанской области» на 2010-2015 годы от 13.10.2009 г. №273.
Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС используются следующие методы: изменение конструкции ДВС, применение альтернативных видов топлива, улучшение качества топлива, оптимизация режимов работы ДВС, поддержание технически исправного состояния МЭС, очистка ОГ. Однако использование разработанных средств снижения токсичности ОГ на основе существующих способов недостаточно эффективно в виду низкой степени очистки, высокой стоимости и небольшого срока службы устройств и помещений сельскохозяйственного назначения.
Анализ работ В.А. Звонова, Б.И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В.А. Лиханова,
С.В. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девянина, И.Е. Либерова, Е.В. Лунина и других авторов показал, что предлагаемые способы направлены на снижение токсичности различными путями, но это не решает проблемы вредного влияния ОГ на растения, организм человека и животных, так как постоянно происходит накопление вредных веществ (ВВ) в помещении, где ведутся работы с использованием МЭС с дизельными ДВС.
Вопросы о закономерностях состояния воздушной среды и обеспечении экологической безопасности помещений сельскохозяйственного назначения с используемыми в них МЭС изучены недостаточно.
Цель и задачи. Улучшение условий жизнедеятельности (человека, животных, растений) в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энергетическими средствами с дизельными двигателями внутреннего сгорания путем снижения токсичности отработавших газов за счет совершенствования системы питания, а также посредством отвода отработавших газов из помещений.
Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:
-
Разработать и обосновать конструктивно-технологические схемы устройств предварительного пароозонирования и обогащения присадкой сжиженного газа воздушного заряда, жидкостного нейтрализатора, электрического сажевого фильтра, отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств работающих в помещениях сельскохозяйственного назначения.
-
Разработать аналитическую модель воспламенения и горения дизельного топлива совместно с присадкой сжиженного газа и обосновать оптимальные параметры устройства обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа при совершенствовании системы питания дизельного двигателя.
-
Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройства для предварительного пароозонирования воздушного заряда системы питания дизельного двигателя.
-
Разработать математические модели процесса нейтрализации отработавших газов и обосновать оптимальные параметры электрического сажевого фильтра (ЭФ) и жидкостного нейтрализатора (ЖН).
-
Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройств отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств из помещений сельскохозяйственного назначения.
-
Провести проверку предложенных способов и разработанных устройств в лабораторных и производственных условиях и дать оценку технико-экономической эффективности их использования для обеспечения экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы улучшения состояния воздушной среды в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими в них МЭС с ДВС путем разработки теоретических положений и обобщения закономерностей, в результате которых предложены:
- метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС;
- математические модели сажевого фильтра и системы удаления ОГ из помещений;
- математические модели системы обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа, пароозонирования воздушного заряда;
- математическая модель системы влажной очистки ОГ.
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена 15 патентами РФ на полезную модель.
Теоретическая и практическая значимость работы: разработанные методики расчета конструктивно-технологических параметров комплекса устройств системы питания дизельных ДВС для снижения токсичности и отвода ОГ из помещений, метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйствен-ного назначения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС имеют теоретическую значимость и получили подтверждение в практической работе.
Полученные результаты имеют большую значимость для проектно-конструкторских организаций (разработка конструкций машин и оборудования, отдельных элементов, методика обоснования конструкций и их классификация), государственных и частных предприятий, отраслевых министерств, организаций планирования (при разработке концепций, прогнозов, планов, методических рекомендаций, программ обоснования стратегий, различных нормативных документов по обеспечению продовольственной безопасности страны), в вузах (при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий, выполнении курсовых и дипломных работ).
Методология и методы исследования.
В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники, аэродинамики, электротехники и теоретической механики. При экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, а также разработанные на их основе частные методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также стенды для испытаний: САК-670 (дизель Д-21А, Д-120), КИ-8927 (трактор Т-25А, Т-30), КИ-2118А (дизель Д-243). Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с использованием современных компьютерных программ.
Положения, выносимые на защиту:
- конструктивно-технологические схемы предлагаемых устройств;
- математические модели процесса работы усовершенствованых дизельных ДВС МЭС за счет обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа и озонируемого пара на впуске и результаты их испытаний;
- математические модели нейтрализации ОГ ЭФ и ЖН и результаты их испытаний;
- математическая модель системы отвода ОГ из помещений и результаты ее испытаний;
- результаты производственной проверки предложенных устройств и результаты оценки технико-экономической эффективности предложенных усовершенствованных устройств по обеспечению экологической безопасности при работе дизельных ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их достаточной сходимостью с теоретическими данными, использованием действующих и новых разработанных методик, современной измерительной аппаратуры и разработанных новых экспериментальных стендов, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных и математических программ.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО РГАТУ, Рязань, 1988-2013 гг.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания», Кировский сельскохозяйственный институт, 1988 г.; региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в интенсификацию производства и перестройку работы АПК», Казань, 1990 г.; в Санкт-Петербургском ГАУ в 1988-1992гг.; на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья в г. Чебоксары, 1998г.; Межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», Рязанский институт МГОУ, 2004г.; Всероссийской научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы», Ульяновская ГСХА, 2005г.; Межвузовской конференции «Конструирование, использование и надежность машин с/х назначения», Брянская ГСХА, 2006г.; «Инновации в области земледельческой механики». Международной научно-практической конференции, посвященной 140-летию со дня рождения В.П. Горячкина 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса» 20-21 октября 2009 г. ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009г.; «Всероссийский конкурс на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ» 2009 г., номинация «Технические науки»; «Зворыкинский проект» программа Федерального агентства по делам молодежи, 2009 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития АПК», Уфа, 2011 г. Опытные макетные образцы тракторов оборудованных модернизированной системой питания, неоднократно демонстрировались на выставках НТТМ в г. Рязани.
Результаты исследований и хозяйственных испытаний используются в Рязанском тепличном комбинате «Солнечный», МУП «Рязанские городские распределительные сети», ГУП ПНО «Пойма» Луховицкий район Московской области, ОАО «Рыбновская сельхозтехника» Рыбновского района и Автодорсервис Клепиковского района, ООО «Агрофирма МТС «Нива Рязани» Пителинская», ООО «Агроводдорстрой» и ООО «Дорстройсервис», Сасовском дорожно-строительном предприятии «KAUF», ООО «Веста», ООО «Рязанский опытный ремонтный завод», СПК «Лакаш» Спасского района Рязанской области.
Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе и научной работе в ФГОУ ДПО «Коломенский институт переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов», ФГБОУ ВПО СПбГАУ, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии). ОАО «Проектный институт Рязаньагропромспецпроект» принял результаты исследований для внедрения при проектировании строений в АПК закрытого типа (животноводческие помещения, теплицы, склады и др.).
Результаты исследований по данной диссертации были доложены на заседании НТС министерства сельского хозяйства Рязанской области и министерства природопользования и экологии Рязанской области, одобрены и рекомендованы к широкому внедрению на предприятиях АПК.
Основные положения диссертации опубликованы в 51 научном труде, в том числе двух монографиях, в 11 научных работах в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 15 патентах РФ на полезные модели.
