CC BY
18
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
МОЛОЧНОЙ ПРОДУКЦИИ
В.И. Квашенников, доктор технических наук, профессор А.П. Козловцев, кандидат технических наук, доцент
A.А. Панин, кандидат технических наук, доцент
B.А. Шахов, доктор технических наук, профессор Г. С. Коровин, инженер
Оренбургский государственный Аграрный университет E-mail: korovin19891@mail.ru
Совершенствование и рост выпуска автоматизированных холодильных установок сегодня вытеснили технологии использования естественного холода для охлаждения молока. Традиционные способы холодонакопле-ния природного концентратора холода - естественного льда, не используются по причине огромной трудоемкости его заготовки. Однако в связи с последними научными разработками по замораживанию грунтов с помощью термосифонов, заготовку годовой потребности льда для молочной фермы или молокоперерабатывающего предприятия можно произвести, не затрачивая ни механической, ни электрической энергии. Ключевые слова: термосифон, ковш-качалка, льдохранилище, бассейн.
В России исследовательскими разработками и производством термосифонов занимаются ООО «Ньюфрост», г. Протвино Московской области; НПФ «Проектстройстаби-лизатор», г. Москва; ЗАО «Фундамент Север Проект», г. Москва; НПО «Фундаментстрой-аркос», г. Тюмень.
Названные компании используют свою продукцию в арктических районах РФ для промораживания вечной мерзлоты в зимнее время до более низких температур под зданиями, нефтехранилищами, дорогами и другими инженерными сооружениями в местах добычи полезных ископаемых. Но термосифоны в зимний морозный период с успехом можно использовать в регионах с резко континентальным климатом для замораживания воды в бассейнах, сооруженных рядом с мо-
локоперерабатывающими предприятиями, таких, как Урал, Сибирь, Алтай и др.
По данным японских ученых термосифоны экономически целесообразно использовать в регионах, где годовой индекс холода составляет не менее 400 градусосуток. На Южном Урале (Оренбургская, Челябинская область, республика Башкортостан) по сред-немноголетним данным (22 года) средний индекс холода равен 1229 градусосуток.
Один вертикальный естественно действующий термосифон с длиной испарителя 5 м за 90-100 суток зимнего периода со среднесуточной температурой -15°С способен наморозить 8-10 тысяч кг льда, что достаточно для охлаждения годового удоя от 8-10 коров при среднегодовом надое 4000 кг/гол и охлаждении с 30 до 5°С.
Термосифоны в морозный период функционируют круглосуточно. Они не потребляют электроэнергию, не требуют технического обслуживания, эксплуатационный срок 30-45 лет. Но при использовании термосифонов возникает проблема предохранения стен бассейна от разрушения, так как намораживание льда в водном бассейне происходит по всей глубине бассейна от придонных до верхних слоев. Лед намораживается вокруг испарителя в форме цилиндрического монолита высотой, равной длине испарителя, т. е. 5-8 м. Длина испарителя чуть меньше глубины бассейна.
Термосифоны начинают функционировать при температурах окружающего воздуха от -5°С и ниже. К этому времени водная поверхность бассейна уже будет покрыта
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
льдом, так как замораживание начинается при температуре воздуха 0°С. Образование льда на испарителе термосифона происходит фактически внутри замкнутого объема бассейна. В связи с тем, что объем льда больше объема воды, из которой он образовался, внутри подледного пространства возникает избыточное давление, способное разрушить стены бассейна. В связи с этим необходимы конструктивные решения, исключающие этот негатив. Кроме того, в производственных условиях возникает необходимость контроля динамики намораживания льда: массовой скорости за месяц (кг/мес), за неде-лю(кг/нед), за сутки(кг/сут), суммарной массы льда за зимний сезон, заготовленной на предстоящий весенне-летне-осенний период.
Динамика намораживания льда зависит от температуры наружного воздуха, скорости ветра, конструктивных особенностей термосифона, вида заправленного в термосифон хладогента (аммиак, углекислота или фреон). Известные способы контроля весьма сложны, трудоемки и дорогостоящи. Нами предлагается простой и дешевый способ ликвидации вышеназванного негатива с одновременным контролем динамики намораживания льда.
Для этой цели внутренняя часть бассейна (рис. 1) соединяется дренажной трубой 5 с ковшовым измерителем массы воды 7, расположенной в молочном отделении фермы или специальном помещении. Каждая половина ковша-качалки 9 имеет вместимость 0,05-0,1 м3.
Принцип работы ковша-качалки 9 хорошо известен. По мере увеличения объема льда Ул, намораживаемого вокруг испарителя термосифона, соответствующий объем воды по дренажной трубе 5 вытесняется в ковшовый измеритель. В момент накопления массы воды в рабочей половине ковша, равной критической величине, ковш открывается. Накопленная доза воды по сливной трубе попадает на поверхность бассейна, где растекается тонким слоем и промораживается морозным воздухом. Количество срабатываний ковша-качалки регистрируется датчиком (на рис. 1 не показан), соединенным с ком-
пьютером. Информация о количестве срабатываний ковша-качалки обрабатывается на компьютере с целью получения данных о динамике намораживания льда, количества намороженного льда, числового значения индекса холода (градусосуток). Для вычисления названных показателей к компьютеру подсоединяются датчики температуры льда по глубине бассейна. Дренажная труба 5 (рис. 1), напорная и возвратная трубы 11 и 13 должны быть проложены ниже уровня промерзания грунта. Охлаждение молока происходит ледяной водой с температурой 0... +1°С, которая центробежным погружным насосом 4 подается в напорный трубопровод 11 и далее через пластинчатый охладитель молока 12 по возвратной трубе 13 возвращается в бассейн. Величина А^Л связана с массой намороженного льда, а динамика изменения АУЛ может характеризовать динамику образования льда в бассейне.
8
ледяной водой из бассейна, оборудованного термосифонами: 1- конденсатор термосифона; 2- испаритель термосифона; 3- ледяной слой; 4- погружной насос ледяной воды; 5- дренажная труба; 6-вентиль; 7- корпус измерителя объема воды; 8- регулятор объема дозы; 9- ковш-качалка; 10- счетчик расхода воды; 11- напорный трубопровод ледяной воды; 12- пластинчатый охладитель; 13- возвратная труба
При возрастании объема намороженного льда Ул часть воды ДУВ вытесняется из бассейна по дренажной трубе 5 в ковшовый измеритель 7. Выясним связь объема воды ДУВ
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(16)-2014
97
массой льда М л. Уравнение баланса массы льда М л и массы воды М в, из которой он образовался, имеет вид:
М л= М в, (1)
УлРл = УвРВ (2)
где рл, рв - соответственно плотность льда и воды.
Уравнение баланса объемов при образовании льда: Ул= Ув + (3) После подстановки значения льда из (3) в (2) и преобразований получим: дув _ Рв-Рл^в _ Рв- Рл .
Vb
VB
Рл
VлPл = VвPв (4)
Но —- = Р - коэффициент объемного расширения воды при превращении ее в лед.
(5)
Таким образом: Рв Рл = В
Рл
С учетом этого формула (4) будет иметь вид: * (6)
VB = AVb-
Умножая левую и правую часть уравнения (6) на рв и учитывая формулу (1), получим:
(7)
М = AV —
1»1Л в ^
Pz = к
(8)
воды (м3), который поступит в измеритель при замораживании 300 м воды в бассейне с замкнутым объемом. Объем Д^ составит:
300м3 • 999,841 кг/м3
= 27,148м3
Тогда М л= к ДУв (9)
После подстановки численных значений рв и рл в формулы (5) и (8)
Рв = 999,841 кг/мз при 0°С [2]; рл = 916,8 кг/м3 получим р= 0,0906 или 9,06%,
к = 11049 кг/м , к - является величиной постоянной и имеет конкретный физический смысл. Это масса льда, приходящаяся на единицу объема воды, вытесненной из замкнутого объема бассейна в процессе намерзания льда (кг льда на м3 вытесненной воды).
Зная суммарный объем воды, прошедший через измеритель, можно вычислить массу льда, образовавшегося в бассейне.
Например равен 10л, т. е. 0,01 м . Тогда Мл = 11049 кг/м3 0,01 м3 = 110,49 кг.
Формула (9) позволяет легко решать обратную задачу, например, вычислить объем
11049 кг/ 3
м3
Выводы
1. Использование термосифонов для намораживания льда в бассейнах, сооружаемых вблизи молокоперерабатывающего предприятия, может полностью в течение года заменить холодильные машины, используемые сегодня на данных предприятиях.
2. Для предохранения стен бассейна, имеющих поверхностный слой льда, от разрушения при работе термосифонов воду, находящуюся в подводном объеме под избыточным давлением, необходимо отводить в измеритель массы (объема).
3. Масса льда, намороженного термосифонами в подледном объеме бассейна, вычисляется по формуле: М л=11049 AVB
где A^B - объем воды, отведенной из подледного объема бассейна, м3.
4. Сочетание способов намораживания с помощью термосифонов и послойного намораживания увеличит общую скорость намораживания льда в льдохранилище.
Литература:
1. http:// festival.1september.ru
2. Инновационный метод охлаждения сельскохозяйственной продукции // Вестник ВНИИМЖ. 2013.
Improvement and growth in the output of automated chillers been replaced by technology use natural cold to cool the milk. Traditional methods of natural hub holodonakopleniya cold -natural ice is not used because of the complexity of his huge piece. However, in connection with the latest scientific developments in freezing soils using thermosyphon workpiece annual demand for ice dairy farm or dairy enterprise can be made without spending any mechanical or electrical energy.
Keywords: thermosyphon, bucket-chair, ice storage pool.
УДК 637.115:621.865.8+637.13
