CC BY
0
3. Котенджи, Г. П. Подготовка нетелей к лактации / Г. П. Котенджи, А. А. Курочкин // Доклады ВАСХНИЛ. - 1987. -№4. - С. 32-34.
4. Курочкин, А. А. Повышение эффективности подготовки нетелей к лактации за счет совершенствования процессов и средств механизации : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.01 / Курочкин Анатолий Алексеевич. - СПб., 1993. - 42 с.
5. А. с. №1337006 СССР. Устройство для массажа вымени животных / А. А. Курочкин [и др.]. - №3878356 ; заявл. 23.03.85 ; опубл. 15.09.87, Бюл. №34. - 2 с.
6. Курочкин, А. А. Системный подход к разработке экструдера для термовакуумной обработки экструдата // Инновационная техника и технология. - 2014. - №4. - С. 17-21.
7. Курочкин, А. А. Определение основных параметров вакуумной камеры модернизированного экструдера / А. А. Курочкин, Д. И. Фролов, П. К. Воронина // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. -№4 (32). - С. 172-177.
8. Курочкин, А. А. Анализ конструктивно-технологических схем устройств для массажа вымени нетелей // Инновационная техника и технология. - 2016. - №1. - С. 29-34.
9. Курочкин, А. А. Математическое моделирование пневмосистемы устройств для массажа вымени нетелей двухкамерного типа // Инновационная техника и технология. - 2016. - №2. - С. 25-33.
10. Скроманис, А. А. Основы расчета доильных аппаратов и установок. - Елгава : ЛСХА, 1980. - 320 с.
11. Ужик, О. В. Разработка и теоретическое обоснование технологий и технических средств для молочного скотоводства : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.01 / Ужик Оксана Владимировна. - Белгород, 2014. - 388 с.
DOI 10.12737/21789 УДК 637.133.1
СЕКЦИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР ПРИРОДНОГО ХОЛОДА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА НА ФЕРМАХ
Козловцев Андрей Петрович, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Механизация технологических процессов в АПК», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев 18.
E-mail: ap [email protected]
Квашенников Василий Иванович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Механизация технологических процессов в АПК», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев 18.
E-mail: [email protected]
Константинов Михаил Маерович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Механизация технологических процессов в АПК», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев 18.
E-mail: [email protected]
Козловцева Светлана Петровна, аспирант кафедры «Механизация технологических процессов в АПК», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев 18.
E-mail: [email protected].
Ключевые слова: охлаждение, молоко, лед, намораживание, энергосбережение.
Цель исследования - поиск и обоснование новых методов, научно-методологических основ снижения энергетических затрат на охлаждение продукции молочнотоварных ферм в процессе ее производства и переработки за счет широкого использования естественного холода. В последние годы наблюдается тенденция возврата интереса к использованию естественного холода в переработке и хранении продуктов питания. Увеличению интереса к использованию природного холода способствует, прежде всего, обострение энергетических проблем. Рост мирового промышленного производства требует постоянного увеличения энергопотребления. Это ведет к постоянному повышению стоимости энергоносителей и в сельском хозяйстве довольно серьезно отражается на себестоимости получаемой продукции. Использование природного холода в охлаждении молока является очень распространенным направлением не только в научно-исследовательских работах и в новых идеях изобретателей, но и при производстве холодильной техники. Вариантом применения природного холода являются водооборотные льдоаккумуляторы для молочно-товарных ферм. Разработанные льдоаккумуляторы просты по конструкции, надежны в работе, не требуют сложного технического обслуживания, долговечны и не используют электроэнергию при наморозке льда и дальнейшего охлаждения молока. Использование таких устройств позволит снизить себестоимость производства и переработки молока на молочнотоварных фермах и перерабатывающих предприятиях, сократить затраты труда обслуживающего персонала.
Использование природного холода в охлаждении молока является очень распространенным направлением не только в научно-исследовательских работах и в новых идеях изобретателей, но и при производстве холодильной техники. Вариантом применения природного холода являются водооборотные
льдоаккумуляторы для молочно-товарных ферм, о чем можно судить по научным трудам многих ученых [1, 2, 3, 4, 5].
В нашей стране накоплен большой опыт (с 1960-х годов) использования природного холода с помощью вертикальных трубчатых парожидкостных теплопередающих устройств (термосифонов) для замораживания грунтов в арктических районах добычи полезных ископаемых.
С целью стабилизации высоковлажных слабомёрзлых грунтов под основаниями зданий и инженерных сооружений их в зимний период промораживают до температур, близких к температурам наружного воздуха (-20...-500 С).
Главным условием работоспособности термосифона, как теплопередающего устройства, является наличие разности температур АТ (температурный напор) между концами трубы - испаритель (один конец) -конденсатор (другой конец). Термосифоны начинают функционировать уже при АТ = 10 С.
В арктических районах термосифоны, именуемые термостабилизаторами грунтов, работают в области отрицательных температур -50 С.-500С АТ = 1о...35°С. Но температурный напор в пределах 5.350С можно получить при охлаждении сельскохозяйственной продукции и в более южных широтах Российской Федерации. На молочных фермах молоко, например, после тепловой пастеризации охлаждают с 65 до 50С. При нулевой температуре наружного воздуха АТ может составлять 5.600С, что является хорошим условием для использования термосифонов. Такие условия имеют место в большинстве регионов Российской Федерации в осенне-зимне-весенний период года - 100.130 суток в году.
Более того, за морозный период в регионах с резко-континентальным климатом и суровыми зимами термосифонами можно наморозить достаточное количество водного льда и использовать его в летний период до наступления нового «холодного» периода. Это позволит полностью отказаться от дорогостоящих в производстве и эксплуатации холодильных машин и в течение всего года охлаждать молоко природным холодом.
Термосифоны не потребляют электроэнергию, не требуют технического обслуживания и ремонта, срок службы их 25.35 лет. Для сравнения срок службы холодильных машин 6.8 лет [б].
Цель исследований - поиск и обоснование новых методов, научно-методологических основ снижения энергетических затрат на охлаждение продукции молочно-товарных ферм в процессе ее производства и переработки за счет широкого использования естественного холода.
Задача исследований - выявить оптимальную конструкцию аккумулятора холода для охлаждения
молока.
Материалы и методы исследований. На кафедре МТП в АПК Оренбургского ГАУ совместно с НПО «Фундаментстройаркос» г. Тюмень в 2015 г. был проведен расчёт льдохранилища с габаритами в плане 20,0х6,0 (м) глубиной 3,0 м. Стены и дно бассейна теплоизолированы слоем пеноплекса толщиной 200 мм по всему контуру. Климатические характеристики приняты по метеостанции г. Оренбурга.
Расчёты показали, что при установке в данный бассейн 120 штук термосифонов (термостабилизаторов) ТК 32/6,0 конструкции НПО «Фундаментстройаркос» в условиях Оренбургской области за декабрь, январь, февраль месяцы (90 сут.) вся вода в бассейне будет заморожена. Общая масса льда в бассейне составляет 243690 кг, что соответствует запасу холода в 243690 кг х 335 кДЖ/кг = = 0,8164-108 кДж. Таким количеством холода с учетом потерь в 10% можно охладить с 300С до 50С годовой удой от стада в 200 коров с годовой продуктивностью 4000 кг на голову. Удельная нагрузка составляет 1,7 коровы на 1 термосифон. Но удельную нагрузку на термосифон можно повысить, увеличив срок функционирования термосифонов с 90 до 130.140 суток в году, исходя из следующих соображений.
В конце февраля, начале марта, когда температура атмосферного воздуха повысится до «околонулевых» значений, вокруг испарителя каждого термосифона будет наморожен ледяной цилиндр радиусом 0,3.0,5 м.
Функционирование термосифонов с этого момента прекращается, так как период температур между испарителем и конденсатором АТ~ 00С.
Теплая вода с температурой 15.200С, поступающая в бассейн от охладителей молока, не может контактировать непосредственно со стенкой испарителя термосифона, так она «теплоизолирована» слоем льда цилиндрического монолита. Утилизация теплоты от охлажденного молока с этого момента осуществляется только за счет таяния льда монолита, намороженного в предыдущем морозном периоде. Если бы ледяной монолит вокруг каждого испарителя к этому моменту разрушить, обеспечивая контакт воды непосредственно со стенкой испарителя, то термосифон продолжал бы функционировать и при «плюсовых» температурах вплоть до повышения температуры наружного воздуха до 50С. Однако экологически приемлемых технических решений удаления льда со стенок испарителя на сегодня не существует.
Для реализации названной идеи можно применить технологический способ, суть которого заключается в следующем.
В заглубленную (полузаглубленную или наземную) часть льдохранилища (бассейны) вставлены испарительные части термосифонов 2. В осенний период при наступлении нулевых температур атмосферного воздуха термосифоны перекачивают теплоту от воды бассейна в окружающую атмосферу, так как температура воды в бассейне после охлаждения молока в проточном (или емкостном) охладителе 12 равна 15...200С. К началу очередного доения коров вода в бассейне охладится до температуры, близкой к температуре наружного воздуха. Термосифоны функционируют круглосуточно, т.е. до тех пор, пока АТ станет близка к нулевому значению [6].
Весь объем льдохранилища состоит из двух самостоятельных, независимых друг от друга секций: оперативная секция и секция летнего резерва. Оперативная секция используется 170 суток в году: 3-я декада октября - ноябрь-декабрь-январь-февраль-март-1-я декада апреля. Охладители молока на ферме в этот период закольцованы только на эту секцию. Схема такого аккумулятора холода показана на рисунке 1.
В оперативной секции «А» ежесуточно, 2.3 раза в день (в зависимости от кратности доения) происходит интенсивный процесс тепломассообмена с окружающей средой: в часы доения в секцию поступает суточное количество теплоты (Осут.) от охлаждаемого молока, а в перерывах между дойками, в том числе, в ночные часы, термосифоны перекачивают теплоту в окружающий холодный воздух.
Вода из 5ассейна
Рис. 1. Технологическая схема двухсекционного аккумулятора природного холода: 0 - соединительное отверстие; 1 - термосифон; 2 - испаритель термосифона; 3 - поверхностный лед; 4 - лед, образованный работой термосифона; 5 - фильтр; 6 - труба подачи ледяной воды; 7 - насос; 8 - молоко; 9 - мешалка молока; 10 - трубопроводы сброса
теплой воды; 11 - краны
В секции резерва «Б» никаких массообменных процессов не происходит, вода не перемешивается и в период отрицательных температур на водной поверхности секции, вокруг испарителей термосифонов намораживается ледяной слой. Для предохранения стен секции от разрушения при намерзании льда вокруг испарителей обе секции в нижней части соединяются отверстием «О».
Результаты исследований. Нетрудно подсчитать, что в односекционном объеме льдохранилища (360 м3, 120 термосифонов, 90 суток с отрицательными температурами) секундная холодопроизводитель-ность одного термосифона равна 0,116 кВт.
В оперативной секции в результате интенсификации теплообмена за счет теплопроводности и конвективного теплообмена, холодопроизводительность одного термосифона составляет 0,3 кВт. Лёд на испарителях в этой секции может образовываться только в часы особо низких температур морозного воздуха (-25...-300С). Но в часы доения этот лед тает.
Значение (0,3 кВт) не является величиной постоянной. Оно может варьировать и по часам суток, и по дням недели, месяца. Но как средневзвешенное значение его можно принять для расчетов.
Среднесуточное количество теплоты поступающей в оперативную секцию в осенне-зимне-весенний период (170 суток) Оср. равно
о, =
тУ\\ 365
С (Ч - гя),
(1)
где т - число коров на ферме, гол;
У - годовая продуктивность коров, кг/(гол.год); в - коэффициент годовой неравномерности надоев;
С - удельная теплоемкость молока, кДж/(кгград.);
П ¡к - соответственно начальная и конечная температура воды, прошедшей через охладитель молока и поступающей в бассейн
200• 4000-1,35 _ „ кДж
Ор =-• 3,93 • (30 - 5) = 290712— .
365 сут
Среднесуточное количество теплоты, отводимое из оперативной секции одним термосифоном:
Я = 0,3кДж• 24ч • 3600с = 25920 кДж /сут. с ч
Количество термосифонов, необходимых для оперативной секции определим по формуле
ш Оср 290712
N = —- =-= 11,2 шт.
Яр 25920
Принимаем 12 термосифонов.
С наступлением весенне-летне-осеннего периода - со 2-й декады апреля на 2-ю декаду октября (включительно) - охлаждение молока ведется только ледяной водой из секции летнего резерва за счет таяния льда, так как термосифоны не работают. Но, кстати, они тепло в обратную сторону не перекачивают. Общее количество холода, которое должно быть накоплено в секции летнего резерва: Осум равно
Осу-=тЬ • ° •С{к -4)л, (2)
где в2 - коэффициент неравномерности надоев, 1,35;
О - длительность весенне-летне-осеннего периода, 195 сут; П - коэффициент, учитывающий потери холода в этот период, 1,1,
Осу- = 200 • 4306050 1,35 • 195 • 3,93 • (30 - 5) • 1,1 = 62357794 кДж.
Количество холода, накапливаемого за 90 сут одним термосифоном в секции летнего резерва при его мощности 0,116 кВт:
Я = 0,116• 24 • 90 • 3600 = 902016 кДж,
где 90 сут - длительность морозного периода (декабрь, январь, февраль).
Количество термосифонов, потребное для секции летнего резерва
ЛГ , 62357794 _
N =-= 69,1 шт.
902016
Принимаем 70 термосифонов.
Суммарное количество термосифонов в двухсекционном аккумуляторе холода для молочной фермы 200 коров с годовым удоем 4000 кг/гол. и охлаждением молока с 36 до 60С равно
Nобем = 70+12=82 термосифона. Это на 38 термосифонов меньше, чем, например, в односекционном аккумуляторе природного холода.
Заключение. Использование аккумулятора природного холода на фермах позволит обеспечить процесс охлаждения молока в течение всего года без использования затрат электроэнергии. Его секционирование даст возможность увеличить длительность использования термосифонов, что приведет к сокращению их потребного количества и уменьшению объема льдохранилища.
Библиографический список
1. Бобков, В. А. Производство и применение льда. - М. : Пищевая промышленность, 1977. - 230 с.
2. Босин, И. Н. Охлаждение молока на комплексах и фермах. - М. : Колос, 1993. - 46 с.
3. Зверев, С. С. Холодильник-аккумулятор естественного холода в условиях Якутии // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2008. - №10. - С. 103-108.
4. Квашенников, В. И. К вопросу использования ледогенераторов на молочных фермах / В. И. Квашенников,
A. П. Козловцев, Г. С. Коровин, В. А. Шахов. - М. : Механизация и электрификация, 2014. - №2. - С. 30.
5. Калнинь, И. М. Актуальные направления развития техники низких температур [Электронный ресурс]. - 2007. - 11^: http://donholod.dn.ua/index/pub/aktnap.html (дата обращения: 28.05.2016).
6. Квашенников, В. И. Энергосберегающая технология заготовки естественного льда на молочных фермах /
B. И. Квашенников, А. П. Козловцев, В. А. Шахов [и др.]. - М. : Научное обозрение, 2015. - С. 17-22.
7. Васильев, Е. Н. Динамика замораживания грунта с помощью тепловых труб / Е. Н. Васильев, В. А. Деревянко, А. В. Макуха // Труды Красноярского госуниверситета. - 2005. - С. 233.
