Технико-экономические показатели получения порошков сельхозпродуктов с помощью солнечной энергии

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Одним из способов уменьшения потерь и длительного хранения плодов и овощей является их сушка. Как правило, высушенные в целом виде или большими частями сельхозпродукты (СХП) содержат 15-18% остаточной влаги. Такое влагосодержание не позволяет длительно хранить продукты. Через некоторое время они начинают плеснет, поражаются микроорганизмами. Высокое содержание воды приводит к тому, что фрукты и овощи легко поражаются фитопатогенными микроорганизмами, и хранение их после сбора урожая является сложной задачей.

Одним из путей длительного хранения СХП является переработка его в порошковидное состояние. В таком состоянии продукты содержат меньше влаги и при герметичной упаковке хранятся годами [1].

Ежегодно в Кыргызстане производится несколько миллионов тонн фруктовой, плодовой и бахчевой СХП. По данным ученых, в условиях Кыргызстана, где отсутствует промышленные хранилища, доля теряемой продукции отдельных видов СХП достигает до 30%.

В порошковом состоянии сельхозпродукты, как известно, хранятся долго и удобны в потреблении. Этому способствует малая остаточная влажность порошковых продуктов, составляющая не более 3-8%. Это намного меньше, чем в обычных сушеных сельхозпродуктах — 15-18% [2].

Переработка СХП в порошковидное состояние одновременно решает несколько проблем: снижение потерь урожая, решение проблемы с хранением (не нужно строить дорогостоящие хранилища и поддерживать в них микроклимат с помощью специального оборудования), существенно (в 8-10 раз) уменьшить транспортные расходы, отпадает необходимость охлаждать продукты во время транспортировки и т.д.

В работах описана разработанная нами солнечная сушильная установка (ССУ) для получения порошков сельхозпродуктов [3-5]. Приведены результаты экспериментов по сушке сельхозпродуктов и температурные режимы с целью получения их порошков. Новизна технического решения разработанных ССУ состоит в том, что они позволяют высушить жидковязкие СХП до низкой (3-8%) остаточной влажности даже при низких значениях солнечной радиации благодаря использованию контактирующих с продуктами нагревательных элементов.

Как известно, для испарения 1 кг воды требуется 2450 кДж тепла [6]. При существующих мировых объемах производства порошковых продуктов, составляющих несколько миллионов тонн, для получения такого количества порошков потребуется огромное количество тепла. Разработанная техническая схема получения порошков СХП, при котором сушка осуществляется с помощью экологически чистой и бесплатной солнечной энергии. Обязательным и важным этапом, во многом определяющим эффективность такой схемы является преобразование лучистой энергии солнечной радиации в тепловую энергию и подвод ее к высушиваемому СХП. Предлагаемая нами техническая схема получения порошков СХП с помощью солнечной энергии должна состоять из следующих основных этапов (операций), показанных на Рисунке 1.

Продукты превращаются в жидковязкое состояние и раскладываются в поддоны, которые размещаются в камере сушки (КС) солнечной сушильной установки радиационноконвективного типа (РКССУ) и начинается процесс их сушки. После достижения необходимой степени сушки (остаточной влажности, не превышающей 3-8%) они вынимаются из КС. При этом теплота к высушиваемым продуктам подводилась тремя способами: 1-радиационным путем (непосредственно солнечной радиацией) и конвекцией; 2-инфракрасным нагревом и конвекцией; 3-контактным подводом теплоты и конвекцией. Эксперименты по сушке жидковязких СХП проводились в ССУ в следующих вариациях:

• а)    воздушно-солнечная сушка пастеризованного продукта в поддоне (П), без нагревательных элементов;

• б)    воздушно-солнечная сушка пастеризованного продукта в поддоне с нагревательными элементами, (П+НЭ);

• в)    воздушно-солнечная сушка пастеризованного продукта в поддоне с нагревательными элементами, контактирующими с продуктом (П+НЭК);

• г)    сушка пастеризованного продукта в ССУ в поддоне (П) без нагревательных элементов;

• д)    сушка пастеризованного продукта в ССУ поддоне с нагревательными элементами, (П+НЭ);

• е)    сушка пастеризованного продукта в ССУ поддоне с нагревательными элементами, контактирующими с продуктом, (П+НЭК).

Рисунок 1. Блок-схема технического решения получения порошков сельхозпродуктов с помощью солнечной энергии

Исследованы экономические аспекты получения порошков сельхозпродуктов с помощью солнечной энергии. Критерием ценности технической схемы получения порошков СХП является в первую очередь качество получаемой продукции, гарантированные сроки хранения и конечно же, экономическая эффективность (ЭЭ). Для этого нами составлена технико-экономическая схема материальных и трудовых затрат при получении порошков СХП по разработанной нами технической схеме (с помощью солнечной энергии), которая приведена на Рисунке 2.

Затраты, обозначенные позициями 1-6 будут одинаковыми как для традиционного, так и для метода получения порошков с помощью солнечной энергии. Главное отличие расходов в рассматриваемых двух случаях составляют затраты, обозначенные в п.7 — затраты на сушку жидковязкого СХП в радиационно-конвективной солнечной сушильной установке (РКССУ).

Затраты на электроэнергию (п. 14) в нашем варианте намного ниже, чем для классических вариантов. В нашем варианте нет оборудования, потребляющего

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 8. №5. 2022

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 8. №5. 2022

электроэнергию для производства тепловой энергии, необходимой для сушки или для создания вакуума при вакуумно-сублимационной сушке.

Затраты на расходные материалы (вода, ГСМ и др., п. 15.), также внутрифабричные затраты (п.16) будут низкими, чем в сравниваемых традиционных вариантах.

Затраты на зарплату персоналу (п. 17) для нашего случая также будут низкими поскольку обслуживать ССУ будет меньшее количество персонала.

Рисунок 2. Схема основных затрат для получения порошков СХП с помощью солнечной энергии: 1 - затраты на приобретение СХП, 2 - затраты на перевозку СХП к месту производства (цеху, заводу), 3 - затраты на очистку СХП, 4 - затраты на мойку СХП, 5 - затраты на разделку СХП, 6 - затраты на измельчение СХП, 7 - затраты на сушку СХП в ССУ, 8 - затраты на измельчение сухого СХП на порошок, 9-затраты на контроль качества порошка СХП, 10 - упаковку порошка СХП, 11 -внутрицеховые производственные затраты, 12 - капитальные затраты (здания и технологическое оборудование), 13 - затраты на амортизационные расходы оборудования, 14 - затраты на электроэнергию, 15 - затраты на расходные материалы (вода, ГСМ и др.), 16 - внутризаводские затраты, 17 - затраты на зарплату персоналу (включая отчисления в социальный фонд и налоги), СЦ -сушильный цех (завод), С - склад готовой продукции

Поскольку наши РКССУ опытные, лабораторные, то на их стоимостных показателях возможно сделать только приблизительные оценки об экономической эффективности разработанной технической схеме. В этом смысле мы ограничимся лишь оценкой энергозатрат при классическом варианте сушки продуктов и сушкой в наших РКССУ.

Примем следующие допущения, вытекающие из результатов наших экспериментов:

• 1.    В среднем СХП состоят из 90% влаги;

• 2.    Остаточную влажность порошков СХП, полученных на наших РКССУ примем равными 5%. Тогда, с 1 кг влажного (исходного) продукта получаем 105 г порошка с остаточной влажностью 5%;

• 3.    С 1 кг исходного продукта испаряется 895 г влаги.

Для испарения 895 гр. влаги потребуется 2219,6 кДж энергии. Тогда, для получения 1 кг порошка из СХП с исходной влажностью 90% потребуется испарять 8,523 кг влаги. Для этого потребуется 21139,04 кДж или 21,14 МДж тепловой энергии.

Рассмотрим два варианта получения тепловой энергии из двух различных источников: от электрической энергии и от сжигания среднестатического бурого угля Кыргызстана с удельной теплотой сгорания 18 МДж/кг.

Предположим, что КПД калорифера, работающего от электрической энергии равен 75%. Тогда, для получения 21,14 МДж тепловой энергии потребуется 7,34 кВт час электроэнергии.

При цене электрической энергии в 2,1 сома за 1 кВт час, для получения 1 кг порошка СХП потребуется 15,42 сома.

При получении тепловой энергии сжиганием угля (примем КПД теплового генератора, работающего на твердом топливе 50%) для выработки 21,14 МДж тепловой энергии приходиться сжигать 2,35 кг угля с теплотой сгорания 18 МДж/кг.

При наблюдающейся средней рыночной цене угля в 5 сом/кг, для этого потребуется 11,75 сом.

Количественную оценку можно производить на основе выражения, разработанной для случая оценки экономической эффективности от внедрения установок на возобновляемых видах энергии, направленной на экономию ресурсов традиционных видов энергии [7]:

Э = ( Эт – Эр )П·τ – [(Зр+Ар Lр)/ Lр – (Зт+Ат Lт)/ Lт]

где Эт и Эр — соответственно стоимости энергозатрат на производство единицы продукции (МДж/кг или кВт·час/кг), выработанной на традиционной и разработанной ССУ, П — средний объём производства продукции в единицу времени (кг/час), τ — продолжительность производственного процесса в течение года (час), Зр и Зт — затраты на изготовление (включая и разработку) традиционной и разработанной установок (сом или доллары США), Ар и Ат — соответственно амортизационные расходы на традиционную и разработанную установки (сом/год или доллары США/год), Lт и Lр — сроки службы традиционной и разработанной установок (час или год).

Из данных литературных источников продуктов можно сделать вывод, что в среднем для получения 1 кг сухого порошка на вакуумно-сублимационных сушильных установках в среднем расходуется до 5 кВт часов электрической энергии [8].

Поэтому, в силу указанных выше причин, в первом приближении мы оценили экономическую эффективность разработанной технологии и установок Э как сэкономленные энергоресурсы Эт при производстве определенного количества порошков СХП по разработанной технологии и установках выражением:

Э ≈ Эт

Рассчитанные экономические эффективности классических технологий для вариантов использования электрической энергии (Ээ) и угля (Эу) и предлагаемой технической схемы в РКССУ в зависимости от объемов производства (П) порошков приведены в Таблице.

Таблица

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

П, тонна	1	5	10	100	1000	10000
Ээ, тыс. сом	15,42	77,10	154,20	1542,00	15420,00	154200,00
Эу, тыс. сом	11,759	58,795	117,59	1175,90	11759,00	117590,00

Таким образом, при внедрении в практику в промышленном масштабе разработанной технической схемы получения порошков сельхозпродуктов с помощью солнечной энергии позволить экономить энергетические ресурсы на миллионы сом, существенно снизить потери урожая при хранении, в определенной степени решит проблему обеспечения продовольственной безопасности страны, проблему занятости населения, позволит повысить экспортный потенциал страны, улучшит экологическую ситуацию в стране, также транспортные расходы при их перевозке почти в 10 раз.

Кроме этого, использование экологически чистой солнечной энергии позволит существенно сократить выбросы парниковых газов, и в первую очередь СО 2 и улучшить экологическую ситуацию в стране.

Следует отметить, что эти расчеты носят приблизительный характер, поскольку учесть достаточно точно все расходы возможно только при производстве продукции на действующем промышленном оборудовании и на созданной ССУ промышленного типа.