CC BY
87
Энергосберегающий метод охлаждения молочной продукции
А.А. Панин, к.т.н., А.П. Козловцев, к.т.н., В.И. Ква-шенников, дт.н, профессор, Г.С. Коровин, аспирант, Оренбургский ГАУ
По данным Росстата, в 2011 г. из всего объёма произведённого в России молока продукция высшего сорта (согласно ГОСТу Р 52054.2003) составила менее 30% из-за проблем с охлаждением молока. Среди всего комплекса операций первичной обработки молока, определяющего сортность, охлаждение являтся главнейшей технологической операцией [1].
Рынок холодильного оборудования в России сегодня перенасыщен. В продаже имеется самое разнообразное оборудование как импортного, так и отечественного производства с различными характеристиками по холодопроизводительно-сти, вместимости, установленной электрической мощности.
Но всё это оборудование объединяет одно общее свойство — ежегодное возрастание удель-
ной стоимости оборудования, руб/кВт, холодо-производительности, расхода на электроэнергию, на ремонт и техническое обслуживание.
В связи с этим в настоящее время, как никогда, актуальна проблема использования природного холода для охлаждения молока, причём круглый год.
Опубликованные научные исследования по рассматриваемой проблеме предлагают использовать естественный холод только в зимнее морозное время в комбинированных системах «холодильная машина — естественный холод». В качестве источника естественного холода предлагается в основном морозный воздух. Традиционные способы самого эффективного холодонакопления (естественный лёд) сейчас забыты и не используются вовсе по причине огромной трудоёмкости его заготовки.
Не претендуя на оригинальность, поставим вопрос так: нельзя ли с целью сокращения трудоёмкости заготовки льда соорудить рядом с
молочным отделением фермы бассейн с годовой потребностью льда глубиной, например, 5—8 м и предоставить ему возможность промерзнуть в зимнее время до дна? Ответ на этот вопрос прост: не имеет смысла, так как бассейн никогда, даже в самые морозные зимы, не промёрзнет до дна.
Вода — единственное вещество на Земле, обладающее двумя отличительными свойствами:
1) при фазовом переходе «жидкость — твёрдое тело» вода начинает твердеть с образования корочки, т.е. льда. Все остальные вещества твердеют сразу во всем объёме, подобно бетонному раствору;
2) твёрдая фаза имеет меньшую плотность (917 кг/м3) по сравнению с жидкой (999 кг/м3) По этой причине твёрдая фаза (лёд) не тонет, как у всех остальных веществ, а плавает на поверхности воды. Имея низкую теплопроводность (2,21 Вт/(м-°С)), лёд, подобно одеялу, укрывает нижерасположенные слои воды от воздействия морозного воздуха. Именно по этой причине водоёмы (пруды, озёра, реки) никогда не промерзают до дна, за редким исключением, иначе жизнь подводных обитателей в них была бы невозможна.
Наличие отмеченных особенностей воды объясняется аномальностью изменения плотности воды при охлаждении. При снижении температуры воды, например от +10°С, её плотность увеличивается только до +4°С. При дальнейшем понижении температуры плотность не увеличивается, как у всех остальных веществ, а понижается. Поэтому верхний слой воды, контактирующий с морозным воздухом, становится легче, чем нижерасположенные слои. Он продолжает пребывать наверху, постепенно превращаясь в лёд и укрывая нижерасположенные слои воды от воздействия морозного воздуха.
Однако в связи с последними научными разработками по замораживанию грунтов, известно, что бассейн любой глубины до 100 м можно проморозить за одну зиму до дна, не затрачивая при этом ни одного ватта электроэнергии, т.е. ответ на поставленный выше вопрос может быть положительным.
Этот процесс осуществляется с помощью тепловых труб [2]. Классическая тепловая труба представляет собой вытянутый в длину герметичный, как правило, тонкостенный металлический сосуд (трубу). Труба может работать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Наиболее просты по устройству вертикальные трубы, именуемые термосифонами (рис.). Нижняя часть трубы заполнена жидким аммиаком или углекислым газом, или фреоном (хладагентом). Если нижнюю часть (испаритель) поместить в среду, например в воду или грунт с температурой 0°С а верхняя оребрённая часть будет
находиться на морозном воздухе, то жидкий хладагент в испарителе будет интенсивно кипеть, забирая тепло из окружающей его среды (воды, грунта).
Пары хладагента, поднимаясь по трубе вверх, соприкасаются с внутренней холодной, промороженной поверхностью конденсатора и конденсируются, выделяя теплоту в окружающий морозный воздух. Капельки жидкого хладагента по стенкам трубы стекают вниз, в испаритель, где снова испаряются. Процесс идёт непрерывно до тех пор, пока разность температур на концах трубы (тепловой напор) не станет минимальной (5°С). Если, например, морозный воздух имеет температуру -15°С, то на наружной стенке испарителя будет -10°С.
Теплопроводность термосифона в 2,5—3 тыс. раз выше теплопроводности меди. А медь, как известно, имеет наивысший из всех веществ коэффициент теплопроводности 390 Вт/(м-°С).
Таким образом, термосифон перекачивает тепло от грунта или воды в окружающий морозный воздух. Грунт или вода замерзают по всей глубине бассейна. При повышении температуры воздуха до положительных значений термосифон перестаёт функционировать, но тепло в обратную сторону, т.е. из окружающего воздуха в замороженный грунт или воду, не передаёт [3]. Термосифон является тепловым диодом. Термосифоны не затрачивают электроэнергии, не нуждаются в техническом обслуживании, срок их службы 40—50 лет.
Рис. - Термосифон:
1 - атмосферный воздух; 2 - ребристый конденсатор; 3 - зона испарения; 4 - хладагент
Климатические данные по Оренбургской области
Месяц
Широта 51.767 Долгота 55.1 январь февраль март апрель июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь среднее за год
Среднее значение температуры за 22 года -10,8 -10,9 -5,92 5,88 15,4 21,1 22,9 21,0 14,6 5,99 -3,47 -9,75 5,60
Минимум -15,2 -15,6 -10,4 1,17 9,39 15,0 17,1 15,5 9,93 2,45 -6,42 -13,8 0,85
Максимум -7,15 -6,76 -1,68 10,0 19,8 25,5 27,1 25,1 18,7 9,43 -0,76 -6,06 9,54
Применение термосифонов для намораживания льда, по данным японских учёных, считается эффективным в областях, где индекс холода не менее 400 градусо-дней.
Индекс холода вычисляется по формуле:
е=Е ('< • А),
где II — среднесуточная температура окружающего воздуха в зимний период, град.
Д — количество дней года с температурой ниже 0°С.
По данным метеослужбы, в Оренбургской области за последние 22 года наблюдались следующие средние значения температур (табл.).
Индекс холода, рассчитанный по данной таблице, для Оренбургской области в среднем за 22 года равен:
• максимальный 1850 град.-дней;
• минимальный 681 град.-день;
• средний 1229 град.-дней.
Тепловые расчёты, основанные на данных
таблицы, показывают, что один термосифон тепловой мощностью (холодопроизводительностью) 0,3 кВт может при среднем индексе холода наморозить 9390 кг льда, при максимальном 11718 кг
Для молочной фермы на 400 коров с годовым удоем 4500 кг/гол годовая потребность льда
при охлаждении молока с 30°С до 4°С составит 546—467 кг. Вместимость хранилища льда при этом должна быть равна 596 м3.
В тёплые зимы льда может не хватить. В этом случае свежевыдоенное молоко необходимо охлаждать на 2-ступенчатых охладителях: на первой ступени — водопроводной водой с 30 до 10—13°С, на второй ступени — льдом из льдохранилища с 10—13°С.
Для замораживания воды в расчётном объёме льдохранилища потребуется 57 термосифонов с длиной испарителя 8—10 м. Стоимость одного термосифона 8—10 тыс. руб. Расчёты показывают, что использование льдохранилища, оборудованного термосифонами, с годовой потребностью льда с учётом сроков службы позволит снизить затраты на охлаждение молока в 2,5 раза по сравнению с самыми современными холодильными машинами.
Литература
1. Васильев Е.Н., Деревянко В.А., Макуха А.В. Динамика замораживания грунта с помощью тепловых труб // Труды Красноярского госуниверситета. 2005. 233 с.
2. Савин И.К.Система охлаждения с использованием естественного холода // Труды Петрозаводского университета. 2005. 264 с.
3. Квашенников В.И., Козловцев А.П., Панин А.А. Инновационный метод охлаждения сельскохозяйственной продукции // Сб. науч. тр. ГНУ ВНИИМЖ. М.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2012.
