Математическая модель и методология исследования и синтеза гибридных систем охлаждения сельхозпродукции с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.5.013

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И СИНТЕЗА ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОЛЕДЯНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

И ЖИДКОГО ЛЬДА

А. С. Дорохов, член-корреспондент РАН

A.И. Учеваткин, доктор технических наук И.Г. Ершова, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Е-mail: eig85@yandex.ru

B.М. Богоявленский, кандидат технических наук ФГОУ ВО РГАУ-МСХ им. К.А. Тимирязева Е-mail: volbog1948@yandex.ru

Аннотация. Представлены математическая модель и методология исследования и синтеза гибридных систем охлаждения (ГСО) сельхозпродукции (на примере молока) с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда, обеспечивающих существенное сокращение энергозатрат на обработку сельхозпродукции. Разработаны математическая модель и методология исследования и синтеза ГСО с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда, позволяющие смоделировать и оптимизировать эффективные режимы функционирования автоматизированных звеньев (АЗ) и линии в целом, разработаны алгоритмы функционирования СУ, обоснованы контролируемые и регулируемые параметры, эффективный рабочий цикл функционирования АЗ и системы в целом в их взаимосвязи. В общем виде, математическая модель исследования и синтеза ГСО сельхозпродукции с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда включает совокупность частных математических выражений, связанных между собой, описывающих различные возможные режимы функционирования подсистем естественного и искусственного охлаждения, осуществляющих накопление и регулирование потоков энергии в суточных и годовых циклах. Установлено, что ГСО позволяют существенно сократить потребление электрической энергии, снижение энергозатрат за счет применения льготного тарифа, рекуперации энергии и использования природных источников теплоты и холода. Установлена закономерность эффективности и возможности влияния на их работу холодной воды и жидкого льда и более эффективных хладоносителей, включающих использование низкозамерзающих растворов.

Ключевые слова: гибридные системы охлаждения и хранения сельхозпродукции, теплохолодильные системы, водоледяные аккумуляторы холода, холодильные системы с жидким льдом, источники искусственного и природного холода, атмосферный воздух, грунтовая вода, жидкий и водный лед, хладоотдача.

Введение. В настоящее время важной проблемой является энергосбережение; многие ученые занимаются решением создания энергосберегающих технологий [9-13]. Разработка математической модели и методологии исследования и синтеза гибридных систем охлаждения (ГСО) сельхозпродукции (на примере молока) с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда, обеспечивающих существенное сокращение энергозатрат на обработку сельхозпродукции, является актуальной задачей [1-8]. Ги-

бридными системами охлаждения (ГСО) являются системы, включающие источники холода различной природы - с искусственными источниками (холодильные установки), вакуумные системы охлаждения и естественные источники холода атмосферного воздуха, грунтовой воды, теплохолодильные системы (ТХС), льдоаккумуляторы и т.п., обобщенные единой интегрированной системой управления (СУ) в суточном и годовом циклах. ГСО обладают высокой аккумулирующей способностью (хладоемкостью),

хладовосприятием и хладоотдачей. Математическая модель ГСО представлена как совокупность математических выражений, описывающих подсистемы естественного и искусственного охлаждения и водоледяных аккумуляторов холода, осуществляющих накопление и регулирование потоков энергии в суточных и годовых циклах, а также СУ, в которую входит описание работы регулируемых звеньев, осуществляющих непосредственное регулирование потоков хладо-носителя и охлаждаемого продукта. При этом учитывалась возможность влияния на их работу воды и более эффективных хладо-носителей, включающих использование низ-козамерзающих растворов и жидкого льда.

Жидкий лед представляет собой смесь микроскопических ледяных кристалликов с жидкостью. Жидкий лед формируется в льдогенераторе при переохлаждении водо-ледяной суспензии, получаемой за счет испарения под вакуумом определенного количества воды. Выделяющийся при этом холод способствует кристаллизации водного раствора, формируя водоледяную смесь - жидкий лед [5-8]. Внедрение ГСО для обработки и хранения сельхозпродукции в местах ее производства позволяет значительно сократить затраты на энергию. При этом, наряду с искусственными и естественными источниками холода, используется регенерируемая энергия, выделяемая при охлаждении сельхозпродукции. Важнейшую роль играют ГСО с использованием водоледяных аккумуляторов и жидкого льда, позволяющие накапливать и наиболее выгодно распределять тепловую энергию в суточных и годовых производственных циклах и значительно сократить затраты на электроэнергию за счет использования льготных ночных тарифов.

Энергоэффективность ГСО имеет большое значение для экономики каждой страны. В России на производство холода расходуется более 15% всей вырабатываемой электроэнергии [5]. Повышение энергоэффективности равнозначно снижению энергоемкости технологических процессов, т.е. затрат энергии на производство единицы продукции, в т.ч. холода. Однако по этому показателю

Россия уступает многим развитым странам, в т.ч. Японии - в 6 раз, Европе - в 3-4 раза [5]. Энергоэффективность в холодильной технике определяется возможностью получать большую хладопроизводительность при наименьшем расходе электроэнергии. Поэтому для моделирования функционирования и оценки современного оборудования по критерию энергоэффективности необходимо учесть применение эффективных технологий использования рекуперативной энергии, вырабатываемой источниками искусственного холода и энергии естественного холода [5].

При низкой температуре окружающей среды особое значение получают ГСО и ТХС, включающие естественные источники холода различной природы, объединенные единой интегрированной системой управления. В регионах с продолжительным осенне-зимним периодом ГСО и ТХС, с учетом источников природного холода наружного воздуха, грунтовой воды, наряду с источниками искусственного холода и АЗ, аккумулирующими энергию холода, эффективно функционируют круглый год. В настоящее время это - мощнейший энергоресурс, потенциал которого весьма огромен.

Применение новейших технологий обработки и хранения сельхозпродукции требует создания ГСО и ТХС, которые должны эффективно работать в условиях неравномерных тепловых нагрузок, наличия внепиковых тарифов на электроэнергию, взаимодействия с нетрадиционными источниками холода, такими, как низкопотенциальные источники естественного холода, атмосферного воздуха, грунтовой воды, водного льда, а также тепловой энергии, регенерируемой при обработке сельхозпродукции.

Создание новых и совершенствование существующих ГСО и ТХС идет как за счет увеличения их аккумулирующей способности (хладоемкости), хладовосприятия, хладо-отдачи, сокращения материалоемкости, так и за счет применения новых аккумулирующих сред и хладоносителей.

Цель исследований - разработать математическую модель и методологию исследования и синтеза ГСО с использованием во-

доледяных аккумуляторов и жидкого льда, позволяющие смоделировать и оценить оптимальные режимы функционирования АЗ и линии в целом с последующим обоснованием контролируемых, регулируемых и управляемых параметров, алгоритмов управления СУ, характера рабочего цикла функционирования АЗ и системы в целом в их взаимосвязи. СУ осуществляет контроль и функционирование АЗ по заданному алгоритму управления, куда входят: алгоритм функционирования АЗ, контроль и управление параметрами системы, описывающие законы управления СУ (следящая или адаптивная СУ).

Материалы и методы. Использование природного холода наружного воздуха и грунтовой воды позволяет полностью или частично охлаждать сельхозпродукцию природной средой, особенно в центральных и северных регионах страны, практически круглый год и при этом рекуперировать энергию, которая бесполезно сбрасывается в окружающую среду. Для этих целей в составе ГСО могут быть использованы ТХС, включающие холодильные машины различных типов: парокомпрессионные (механическая энергия), абсорбционные (тепловая энергия), термоэлектрические (электроэнергия) и др. Наиболее перспективными для ТХС являются парокомпрессионные холодильные машины. Теплообмен между теплоносителями осуществляется непосредственно через разделяющую стенку. Для нагрева и охлаждения воздуха, газа, жидкостей в испарителях и конденсаторах применяются разработанные теплообменники оригинальных конструкций, а в качестве рекуператоров теплоты - теплообменники поверхностного типа.

В математической модели приведены выражения для оценки работы тепловых звеньев: их хладоемкости, хладовосприятия и хла-доотдачи, используемых при анализе общего энергобаланса системы. СУ позволяет эффективно осуществлять контролирование, регулирование и управление случайными потоками хладоносителя и охлаждаемого продукта в случайных режимах. Схема ТХС представлена на рисунке 1 [4].

ТХС работает следующим образом. Молоко от доильных аппаратов поступает в ре-лизер 22. Датчики уровней 21 последовательно включают и отключают универсальный молочный насос 5 дискретно в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) Молоко насосом 5 подается в канал для молока 4 первой секции 2 теплообменника 1, а затем в канал для молока 6 второй секции 3 теплообменника 1. Герметизированный резервуар 8 через вентиль 11 заполняется водой из системы водоснабжения фермы. С блока управления 25 синхронно с молочным насосом 5 включается насос хладоносителя (воды) 13, холодная вода через вентиль 12 поступает в канал для хладоносителя 7 первой секции 2 теплообменника 1 и возвращается по трубопроводу в нижнюю, крайнюю секцию герметизированного резервуара 8, образованную боковой стенкой этого резервуара и теплоизолированной перегородкой 9. Граница нагретого и холодного хладоноси-теля будет подниматься по мере перекачки хладоносителя в секции, перейдет в соседнюю секцию, начнет опускаться в этой секции, потом перейдет под нижней кромкой теплоизолированной перегородки 10 в соседнюю секцию и так далее, пока теплая вода не заполнит весь резервуар 8. Нагретая вода из крайней нижней секции будет через вентили 14 и 16 расходоваться на бытовые и технологические нужды: на поение животных, подмыв вымени, промывку технологического оборудования, санитарную обработку. До-грев воды до высокого уровня осуществляется при помощи теплового доводчика 15. Таким образом, холод, поступающий с водой из источников водоснабжения, используется для предварительного охлаждения молока и регенерации тепловой энергии. Окончательное охлаждение молока производится во второй секции 3 теплообменника 1.

Молоко, протекающее по каналу для молока 6, охлаждается хладоносителем, протекающим по каналу для хладоносителя 17. Хладоноситель поступает из приемника-аккумулятора естественного холода или доводчика-охладителя 18. Подключение источника холода осуществляется кранами 19 и 20 с бло-

ка управления 25 по сигналам датчиков температуры 23 и 24. В качестве доводчика-охладителя 18 может быть использована парокомп-рессионная холодильная установка с герметичным компрессором или термоэлектрические батареи, работающие на эффекте Пельтье.

Рис. 1. Теплохолодильная система для ферм: 1 -

двухсекционный теплообменник; 2 - первая секция; 3 - вторая секция; 4 - входной канал для молока первой секции; 5 - молочный насос; 6 - входной канал для молока второй секции; 7 - канал для хладоносителя первой секции 2; 8 - герметизированный резервуар;

9 - теплоизолированные перегородки первой группы;

10 - теплоизолированные перегородки второй группы;

11 - вентиль системы водоснабжения; 12 - регулирующий вентиль; 13 - водяной насос; 14 -вентили для потребления теплой воды; 15 - тепловой доводчик; 16 - вентиль для потребления нагретой

воды различных температурных уровней; 17 -выходной канал для хладоносителя второй секции; 18 - водоохлаждающий доводчик; 19, 20 -переключающие вентили; 21 - датчики уровней; 22 - молочный релизер; 23, 24 - датчики температуры; 25 - блок управления

Применение ТХС для ферм экономит большое количество энергии, уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты, повышает надежность системы. При вместимости резервуара 8, равной 1 т, позволит охладить на предварительном этапе до 15°С более 300 кг молока, полученного за одну дойку. В холодное время для охлаждения 1 т молока потребуется не более 3 кВт-ч/т, а при охлаждении традиционными, применяемыми на фермах, системами охлаждения удельные затраты энергии на 1 т молока составляют более 30 кВт-ч/т. При этом регенерируется энергия для нагрева воды для технологических нужд. Это дает значительную экономию тепловой и электрической энергии, невостребованной или безвозвратно теряемой.

На рисунке 2 представлена функционально-структурная схема ГСО охлаждения сельхозпродуктов с использованием аккумуляторов холода во-доледяного типа (льдогенераторов). Такая система обеспечивает существенное сокращение затрат на энергию. ГСО, выполненные по представленной схеме, рассчитаны на использование в местах производства и хранения сельхозсырья.

Предельная температура наружного воздуха ограничивается температурой -25°С. Поэтому при исследовании, моделировании и расчетах ГСО и ТХС следует учесть, что среднегодовая температура воздуха в средней полосе России ниже 7°С и держится 200 дней в году. Аккумуляторы холода ГСО 2 и 3, аккумулирующие естественный и искусственный холод, могут попеременно заряжаются от двух источников холода - холодильной машины 1 и природного холода - в любое время года. Блок управления 21, соединенный электрически со всеми исполни-

тельными механизмами и датчиками ГСО: температуры наружного воздуха 14, хладо-носителя 13, молока 15, уровня 16, обеспечивают синхронный режим работы молочного насоса 5, насоса хладоносителя 6, вентиляторов льдогенератора 3, аккумулятора холода 2, холодильной машины 1 с учетом использования льготного тарифа на электроэнергию, что сокращает затраты на оплату электроэнергии до 50%. Наиболее выгодными хладоносителями для подобных систем являются вода и лед. Повышенная аккумулирующая способность (хладоемкость) аккумуляторов холода 2 и 3 позволяет накапливать холод во время действия льготного ночного тарифа на электроэнергию, существенно сокращая эксплуатационные затраты. Поэтому ГСО находят широкое применение в системах, использующих естественный и жидкий лед, а также в грунтовых охлаждающих термоустановках, в которых аккумулирующей средой являются масса грунта со льдом и грунтовая вода [5, 6]. Они перспективны при сооружении хранилищ продукции, особенно в северных и центральных регионах страны. К аккумулирующим м средам и хладоносителям предъявляются следующие требования: высокая аккумулирующая способность, низкая коррозионная активность, отсутствие намерзания на теплообменных поверхностях при изменении агрегатного состояния, низкая стоимость.

Перспективной основой аккумулирующей среды для ГСО являются гидраты. В основе разработки лежат исследования процесса наморозки льда [5-8]. Эти вещества по внешнему виду, при фазовом переходе 5-8°С, обладают характеристиками, сходными со льдом. Установлено, что наморозка водного льда является энергоемким процессом, и на производство 1 т льда затрачивается в среднем 90 кВт-ч. Однако в технологиях охлаждения, в том числе в ГСО, все большее распространение в качестве хладоносителей получает жидкий лед [5-8]. Жидкий лед представляет собой смесь микроскопических ледяных кристалликов с жидкостью. Жидкий

лед формируется в льдогенераторе 3 при переохлаждении водоледяной суспензии, получаемой за счет испарения под вакуумом определенного количества воды. Выделяющийся при этом холод способствует кристаллизации водного раствора, формируя водо-ледяную смесь - жидкий лед. Это позволяет использовать теплообменные аппараты меньших типоразмеров, а именно - трубы и насосное оборудование, повышающие эффективность хладопередающих систем при передаче холода на большие расстояния, что позволит использовать их в системах централизованного хладоснабжения [6].

Рис. 2. Функционально-структурная схема ГСО

сельхозпродуктов с использованием аккумуляторов холода водоледяного типа:

1 - холодильная машина; 2 - комбинированный аккумулятор-теплообменник естественного и искусственного холода; 3 - льдогенератор и аккумулятор естественного, искусственного холода

(накопительный бак); 4 - теплообменник для молока; 5 - молочный насос; 6 - насос хладоносителя; 7 - испаритель; 8 - вентилятор; 9 - жалюзи; 10, 11 - поплавковые клапаны; 12 - люк; датчики температуры: 13 - хладоносителя, 14 - наружного

воздуха, 15 - молока; 16 - датчик уровня; 17, 18, 19 - вентили; 20 - трубопроводы; 21 - блок управления; 22 - датчик потока молока; 23 - датчик потока хладоносителя

В зависимости от концентрации растворенных в воде солей рабочая температура жидкого льда изменятся от 0°С до -4°С. Поэтому представленная схема ГСО допускает формирование различных форм и размеров кристаллов льда. Область применения ГСО сельхозпродукции описываемого типа - фермерские, крестьянские хозяйства, молокоприемные пункты, хранилища сельхозпродукции, молоковозы.

Результаты и обсуждение. ГСО с использованием естественного и жидкого льда характеризуются теми же параметрами, которыми оцениваются и обычные холодильные системы с льдоаккумуляторами холода.

Основная часть энергии поступает в технологическую линию от электрической сети, остальная - в виде тепловой энергии с молоком и водой. Подводимая энергия затрачивается на перемещение молока по трубопроводам, центробежную очистку, тепловую обработку (нагрев, охлаждение), нагрев воды, промывку оборудования, а часть рассеивается в окружающую среду, уходит с отработанной водой, молоком.

Количественная оценка материальных и энергетических потоков выполнена на основании уравнения энергетического баланса технологической линии как единой системы, которая в общем случае имеет вид [1-4]:

М К п

]=1т=1г=1

М К п (1)

= £ £ )+ ()

]=1 т=1г=1

М К п

]=1т=1г=1

где Wl - количество энергии, подводимой к 1-му устройству т-й машины у-го звена; - количество энергии, затрачиваемой 1-м

устройством т-й машины у-го звена на выполнение полезной работы; - количество энергии, теряемой /-устройством т-машинойу-го звена; М - количество у-х звеньев в технологической линии; К - количество т-х машин в у-м звене технологической линии; п - устройства, потребляющие энергию в т-й машине.

При расчетах значений энергетических потоков и составлении энергетических балансов линий звеньев, использующих тепловую энергию, в качестве «нулевого энергетического уровня» принимается энергетическое состояние сельхозпродукции или воды при нулевой температуре. Поэтому общая хладопроизводительность ГСО (кВт)

естественного холода атмосферного воздуха (кВт), грунтовой воды (кВт) и искусственного холода (кВт) при их одновременной работе рассчитывается по выражению [6-8]

Жо = £[Жв;Жг;Жи ]; (2)

т

(3)

= т[ав]. £ ,

г=1

/ Л

^=ш[ег]- £ ; и«=Он • £ ;

к=1 §=1

где т[ев]; /й[бг]; <2и - оценка математического ожидания хладопроизводительно-сти источников естественного холода, соответственно, атмосферного воздуха, грунтовой воды, и хладопроизводительности источника искусственного холода, кВт; Ак \tg - длительность к, g - импульсов при дискретном регулировании хладопроизводи-тельности естественных источников холода атмосферного воздуха, грунтовой воды и источника искусственного холода, ч; к, /, т -количество импульсов. (1)

В качестве основных удельных технических показателей льдоаккумуляторов приняты: хладоемкость де; хладовосприятие дв; хладоотдача дх. Эти величины рассчитываются по формулам [6-8]:

_ г - О _ г - О г - О

^ ~ ' ув = 7/ Г", Ух =

V

V -т3

V-т,

(4)

где де - удельная аккумулирующая способность (хладоемкость), Дж/м3; дв - удельное холодовосприятие (хладовосприятие), Дж/м3-ч; дх - удельная хладоотдача, Дж/м3-ч; г - удельная теплота льдообразования, Дж/кг; С - масса льда, кг; V - объем льдоаккумуляторов, м3; тз, тр - время зарядки и разрядки-намораживания и таяния льда, ч.

Расчет ТХС с жидким льдом имеет свои особенности. Согласно данным [6], при концентрации льда 25% по массе действуют соотношения:

1 2

К1общ » К2общ ; 4 » Чв ;

(5)

К1общ=750...1250ВгГмК ; К2общ =10___30 Вт/мК;

где К1общ,К2общ- общие коэффициенты теплопередачи при производстве жидкого льда и для статических систем хранения 1 2

льда; чЖ »ч2 - хладоемкость жидкого льда и воды с околонулевой температурой (со статическим льдом).

Для оценки энергоэффективности ГСО разработана диаграмма для оценки энергетических потоков, использующих для тепло-, хладоснабжения природные источники теплоты и холода, аккумуляторы тепловой энергии и парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ) (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма энергетических потоков гибридных энергосберегающих теплохолодильных

систем: 41,42 - хладоноситель; 43,44,45 - хладо-*

агент; N - дополнительная энергия; ( - теплообменник для молока; - аккумулятор холода; - испаритель; - компрессор; - конденсатор ПКХМ, (водяной), рекуператор; - водонагреватель; т - насос ледяной воды; П - вентилятор наружного воздуха.

Входящие тепловые потоки, кВт: ^ -

с молоком, поступающим на охлаждение в звено ( (теплообменник для молока); о2 -

с грунтовой водой в звено (аккумулятор холода); - с воздухом в звено (аккумулятор холода); Q4 - с грунтовой в^дой в звено ( - (конденсатор) - рекуператор.

Входящие электрические потоки, кВт:

N1 - в звено т (насос хладоносителя); N2 -в звено П (вентилятор); N5 - в звено

(компрессор); N - дополнительная электроэнергия в звено ( (водонагреватель).

Исходящие потоки тепловой энергии (потери), кВт: оО - с охлажденным пото-

о

ком молока; - с охлаждающим потоком

о

воздуха при естественном охлаждении; О° - в звене (конденсатор); оО - в звене

( (водонагреватель).

Исходящие потоки электрической энергии (потери), кВт: N° - в звене т

(насос хладоносителя); N° - в звене П (вентилятор); N° - в звене (4 (компрессор). Выходные тепловые потоки, кВт: -

теплопроизводительность теплового звена; ОвЬ1Х - мощность выдаваемого теплового потока.

Уравнение баланса мощностей энергетических потоков имеет вид [4-6]: а в с 0 d 0

I Ое + 1 ^ - £ ОМп= О5 (6)

е=1 f=1 g=1 п=1

Овьх =1 ]-оо; (7)

где (О, N у - мощность поступающих

в ТХС тепловых и электрических потоков, о о

кВт; , Nп - мощность тепловых и электрических потерь, кВт.

Энергетическая эффективность холодильного оборудования оценивается коэффициентами преобразования энергии, к которым

относится холодильный коэффициент. Для ГСО, работающих круглый год в различных температурных режимах и временных интервалах, средневзвешенный холодильный коэффициент можно рассчитать по формуле:

nQi-ё==/

(8)

п

ния понижается. Теплота таяния льда О составляет 80 ккал/кг (335 кДж/кг). Теплоемкость льда при температуре 0...-20°С с достаточной точностью можно принять равной 0,5 ккал/(кг-град.) [2,1 кДж/(кг-град.)].

Расход льда за расчетный период Ор (кг) рассчитывается по формуле:

• (10)

где (; Ь^ - теплота, отводимая от охлаждаемого продукта, и работа, которую нужно затратить при этом на г-м временном интервале, кВт-ч; п - количество временных интервалов.

ГСО, использующие искусственный и природный холод, функционируют в двух основных режимах:

режим А: 1п2 < 1т; 1п2 <1г< режим Б: 1п2>1пв; 1п2<1г<1п1 (9)

где ¿п2 - начальная и требуемая температура охлаждения сельхозпродукции, °С; (нв>(г - средневзвешенная температура наружного воздуха и грунтовой воды, °С.

В режиме А работают источники искусственного холода. Охлаждение ведется за счет переноса основных тепловых потоков охлаждаемой продукции в более теплую окружающую среду.

В режиме Б работают источники естественного холода наружного воздуха и грунта. Охлаждение продукции ведется за счет переноса основных тепловых потоков от охлаждаемой продукции в холодную окружающую среду. В этом режиме не требуется затрат энергии на передачу теплоты окружающей среде, и основной потребитель энергии холодильной машины - компрессор - может быть отключен. Естественный и жидкий лед образуется в ГСО при замораживании воды от естественных и искусственных источников холода. Плотность льда зависит от температуры и количества вмораживаемых пузырьков воздуха.

В среднем плотность естественного льда р = 920 кг/м3. Объемная масса льда Ру = 500600 кг/м3. В методике расчета принято, что при атмосферном давлении температура тая-

а

л

где Еа - суммарный расход холода за расчетный период, ккал.

Объем аккумулятора для льда может быть рассчитан по формуле:

V = ^ ; (11)

л Ь • Ру

где - объем аккумулятора, м3; -

расход льда за расчетный п ериод, (9); а = 1,2 - коэффициент запаса; Ь =0,9 - коэффициент заполнения аккумулятора с учетом расчетных пустот; Ру = 500-600 - объемная масса льда, кг/м3.

Кратность количества охлаждаемого продукта к количеству расходуемого на охлаждение льда К может быть рассчитана из выражения:

ал . (12)

К

С -(¿1 - / 2 )'

где С = 0,94 - теплоемкость продукта при температуре 30°С, ккал/(кг-град.); Ь - температура охлаждаемой и охлажденной воды, °С.

Количество аккумулированного холода

(ккал) рассчитывается по формуле:

= Тох-т, (13)

где Тох - мощность охлаждения, кВт; Ат -длительность рабочего цикла, ч.

Требуемая хладопроизводительность Q установок для охлаждения:

а=• (н - *к) • Сж, (14)

где 0ож - объемный расход охлаждающей жидкости, м3/ч; Ш, Ы - начальная и конечная температура жидкости, °С; Сж -удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, кДж/кг-°С.

При оценке работы ГСО и ТХС и составлении энергетического баланса необходимо

учитывать дополнительную энергию на подведение низкопотенциальной теплоты к холодильной машине и отведение выделяемой теплоты потребителю.

При анализе энергоэффективности эти потоки должны быть учтены как затраты энергии на отведение теплоты конденсации рабочего хладоагента от конденсатора и рекуператора потребителю и отведение холода от испарителя холодильной машины. В зависимости от принятой структурной схемы ТХС эти величины могут различаться при одинаковой хладопроизводительности холодильных машин.

Оценку энергоэффективности ТХС, использующих природный холод, рекомендуется производить с помощью энергетических показателей преобразования электрической энергии в холод Етх и теплоту Ет [6-8].

Эти показатели рассчитываются по выражениям:

Оо

Е = Етх

Eтt =

1 (ком • ^к • Nис ) От ,

е =

N.

(16)

ком

Энергетическая эффективность тепловых звеньев ТХС с учетом энергии, затрачиваемой на отведение теплоты конденсации, оценивается коэффициентом преобразования

_ °т

№кт

N.

(17)

ком

Энергетическая эффективность холодильной системы с учетом энергии, затрачиваемой на отведение холода от испарителя ТХС, оценивается коэффициентом преобразования

. (18)

Мкх =

N

В случае одновременной выработки холода и теплоты при соответствующих значениях коэффициентов преобразования (обычно в теплое время года) показатель энергетической эффективности работы ТХС Ехт (кВт) должен вычисляться по формуле [1]:

бо + 6т . (19)

Е = Ехт

N.

ком

_, (15)

1 ( ^ком • ^ к • Nис )

где О - хладопроизводительность холодильной машины, кВт; N • N • N м ' ' ^ ком • к • ис

- соответственно, энергетическая мощность, потребляемая компрессором холодильной машины на отведение теплоты от конденсатора и испарителя, кВт; О - теплопроиз-

водительность тепловых звеньев, кВт.

Энергетическую эффективность выработки холода оценивают холодильным коэффициентом £

Оо

где От (О5, рис. 3) - теплопроизводи-тельность теплового звена, кВт.

Использование жидкого льда позволяет создать принципиально новые централизованные системы хладоснабжения сельхоз-объектов, энергоэффективность которых в 23 раза выше существующих систем охлаждения [7]. Это объясняется следующими факторами:

- снижением в ГСО затрат на производство жидкого льда, а также его транспортировку к местам охлаждения и хранения сельхозпродукции за счет применения трубопроводных систем меньшей мощности;

- значительным увеличением интенсивности теплопередачи от источника холода к охлаждаемому объекту благодаря увеличению площади контакта охлаждаемой поверхности кристаллов льда с хладоносителем;

- возможностью производить основной энергозатратный процесс выработки и аккумулирования холода в наиболее выгодное внепиковое время суток при использовании льготного тарифа на электроэнергию;

- возможностью создания типоразмерно-го ряда унифицированных энергосберегающих охлаждающих систем производства и хранения льда для различных сельхозобъек-тов;

- значительным увеличением аккумулирующей способности оборудования.

Выводы. Разработаны математическая модель и методология исследования и синтеза ГСО с использованием природного холода и аккумуляторов льда, в том числе жидкого льда, позволяющие смоделировать ТХС

повышенной экономической эффективности, обеспечивающие сокращение энергозатрат охлаждения и хранения сельхозпродукции в местах ее производства. ТХС с льдоаккуму-ляторами обладают высокой аккумулирующей способностью (хладоемкостью), хладо-восприятием, холодоотдачей. Хладоноситель - вода, широкодоступна, характеризуется высоким уровнем экологической безопасности. СУ осуществляет контроль и функционирование АЗ по заданному алгоритму управления, куда входят: алгоритм функционирования АЗ, контроль и управление параметрами системы, описывающие законы управления СУ (следящая или адаптивная СУ).

Установлено, что одним из перспективных направлений для снижения затрат электроэнергии является применение природного холода в ГСО с аккумулированием холода в виде льда (в т.ч. жидкого льда). Использование жидкого льда позволяет создать новые ГСО, энергоэффективность которых в 2-3 раза выше существующих систем охлаждения.

В условиях различных регионов России внедрение ГСО для первичной обработки и хранения сельхозпродукции в местах ее производства позволяет значительно сократить затраты на энергию. При этом эффективно используется регенерируемая энергия, выделяемая при охлаждении продукции. Значительную роль играют льдоаккумуляторы, позволяющие накапливать и наиболее выгодно распределять тепловую энергию в суточных и годовых производственных циклах и тем самым сократить затраты на электроэнергию за счет использования льготных ночных тарифов и природного холода. Установлено, что одним из перспективных направлений для снижения затрат электроэнергии является применение природного холода в ГСО с аккумулированием холода в виде льда (в т.ч. жидкого льда). Предложенные энергосберегающие системы позволяют на 30-45% уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, существенно повысить надежность, до 3-5 раз сократить энергозатраты на охлаждение и хранение сельхозпродукции и значительно расширить объемы использования природного холода в АПК.

Энергоэффективность ГСО определяется и оценивается использованием диаграммы энергетических потоков и показателей преобразования электрической энергии в холод и теплоту. Количественная оценка материальных и энергетических потоков выполнена на основании уравнения энергетического баланса АЗ и линии, как единой системы.

ГСО могут быть использованы во всех агроклиматических регионах Российской Федерации при сооружении животноводческих хозяйств, молокоприемных пунктов, энергосберегающих хранилищ сельхозпродукции и других объектов, расположенных в местах ее производства. Применение ГСО сохраняет качество производимой сельхозпродукции и сокращает потери при хранении за счет более высокой надежности, ремонтопригодности, простоты обслуживания оборудования. На животноводческом комплексе 400 коров суммарный экономический эффект от применения ГСО за счет сокращения затрат на энергию, повышения качества и сохранности продукции может быть повышен на 25-30%. Дальнейшее повышение энергоэффективности ГСО должно осуществляется за счет применения следящих и адаптивных охлаждающих систем, использующих источники различной природы, естественного холода и теплоты, рекуперированной и аккумулированной энергии, искусственного и естественного холода комбинированных систем охлаждения и льда, объединенных единой интегрированной СУ.

Литература:

1. Синтез системы управления дискретно-регулируемых электроприводов системы охлаждения технологических линий обработки с.-х. продукции / Учеват-кин А.И. и др. // Вестник МГАУ. 2007. № 1(21). С. 21.

2. Методика исследования технологических систем обработки с.-х. продукции как объект управления / Учеваткин А.И. и др. // Вестник МГАУ. 2007. № 1.

3. Учеваткин А.И., Марьяхин Ф.Г. Математическая модель и метод расчета режимов работы электроприводов системы контроля и регулирования потоков молока и хладоносителя в энергосберегающих системах охлаждения // Вестник ВИЭСХ. 2017. № 3. С. 81-89.

4. Применение природного холода в АПК. М., 2015.

5. Рукавишников А.М., Литовченко М.В. Энергетическая эффективность сегодня - экономический выигрыш завтра // Холодильная техника. 2012. № 5. С. 9.

6. Карякин А.И. Free cooling glint: естественная экономия // Холодильная техника. 2013. № 5. С. 38-40.

7. Маринюк Б.Т. Оценка расхода энергии при получении водного льда в холодильных установках различных типов // Холодильная техника. 2008. № 12. С. 20.

8. Менин Б.М. Перспективы использования систем накопления и хранения льда в Израиле // Холодильная техника. 2014. № 9. С. 48-53.

9. Белов А.А. Моделирование оценки факторов влияния на процесс электрогидравлической обработки воды // Вестник НГИЭИ. 2018. № 11. С. 103-112.

10. Родионова А.В. Обоснование выбранной частоты электромагнитных излучений при физиопрофилакти-ке крольчат // Нива Поволжья. 2012. № 1(22). С. 108.

11. Моделирование процесса нагрева зерна в СВЧ-по-ле универсального электротехнического модуля при различных алгоритмах работы электрооборудования // Вестник аграрной науки Дона. 2016. Т. 1, № 33. С. 12.

12. Дорохов А. Эффективность оценки с.-х. техники и запасных частей // Вестник МГАУ. 2015. № 1(65).

13. Ershova I.G. Heat treatment of fat-containing raw materials with energy of electromagnetic radiation // International research journal. 2016. № 09(51). С. 38-40.

Literatura:

1. Sintez sistemy upravleniya diskretno-reguliruemyh ele-ktroprivodov sistemy ohlazhdeniya tekhnologicheskih li-nij obrabotki s.-h. produkcii / Uchevatkin A.I. I dr. // Ve-stnik MGAU. 2007. № 1(21). S. 21.

2. Metodika issledovaniya tekhnologicheskih sistem obrabotki s.-h. produkcii kak ob"ekt upravleniya / Uchevatkin A.I. I dr. // Vestnik MGAU. 2007. № 1.

3. Uchevatkin A.I., Mar'yahin F.G. Matematicheskaya model' i metod rascheta rezhimov raboty elektroprivodov

sistemy kontrolya i regulirovaniya potokov moloka i hla-donositelya v energosberegayushchih sistemah ohlazhdeniya // Vestnik VIESKH. 2017. № 3. S. 81-89.

4. Primenenie prirodnogo holoda v APK / B.P. Korshu-nov i dr. M., 2015. 168 s.

5. Rukavishnikov A.M., Litovchenko M.V. Energetiche-skaya effektivnost' segodnya - ekonomicheskij vyigrysh zavtra // Holodil'naya tekhnika. 2012. № 5. S. 9.

6. Karyakin A.I. Free cooling glint: estestvennaya ekono-miya // Holodil'naya tekhnika. 2013. № 5. S. 38-40.

7. Marinyuk B.T. Ocenka raskhoda energii pri poluchenii vodnogo l'da v holodil'nyh ustanovkah razlichnyh tipov // Holodil'naya tekhnika. 2008. № 12. S. 20.

8. Menin B.M. Perspektivy ispol'zovaniya sistem nakop-leniya i hraneniya l'da v Izraile // Holodil'naya tekhnika. 2014. № 9. S. 48-53.

9. Belov A.A. Modelirovanie ocenki faktorov vliyaniya na process elektrogidravlicheskoj obrabotki vody // Vestnik NGIEI. 2018. № 11. S. 103-112.

10. Rodionova A.V. Obosnovanie vybrannoj chastoty el-ektromagnitnyh izluchenij pri fizioprofilaktike krol'chat // Niva Povolzh'ya. 2012. № 1(22). S. 108.

11. Modelirovanie processa nagreva zerna v SVCH-pole universal'nogo elektrotekhnicheskogo modulya pri razli-chnyh algoritmah raboty elektrooborudovaniya // Vestnik agrarnoj nauki Dona. 2016. T. 1, № 33. S. 12.

12. Dorohov A. Effektivnost' ocenki s.-h. tekhniki i zapa-snyh chastej // Vestnik MGAU. 2015. № 1(65).

13. Ershova I.G. Heat treatment of fat-containing raw materials with energy of electromagnetic radiation // International research journal. 2016. № 09(51). S. 38-40.

THE MATHEMATICAL MODEL AND METHODOLOGY OF AGRICULTURAL PRODUCTS' HYBRID COOLING SYSTEMS BY WATER-ICE ACCUMULATORS AND LIQUID ICE USING RESEARCH AND SYNTHESIS A.S. Dorohov, RAS corresponding-member A.I. Uchevatkin, doctor of technical sciences I.G. Ershova, candidate of technical Sciences FGBNY FNAC VIM

V.M. Bogoyavlensky, candidate of technical sciences FGOU VO RGAU-MSHA after K.A. Timiryazev

Abstract. The mathematical model and methodology of research and synthesis of agricultural products (for example, milk) by (GSO) hybrid cooling systems water-ice accumulators and liquid ice using, providing agricultural products' processing energy consumption significant reduction are presented. The mathematical model and methodology of research and GSO synthesis by water-ice accumulators and liquid ice using, that allows to simulate and optimize the efficient regimes of the (AZ) automated links functioning and the line in general, as well as the SU functioning algorithms are developed, the regulated and controlled parameters, AZ functioning's effective duty cycle and their relationship's system as a whole are justified. In general, the mathematical model of GSO agricultural products' study and synthesis with water-ice accumulators and liquid ice using includes a set of particular mathematical expressions, related to each other, describing the different possible functioning regimes of natural and artificial cooling's subsystems, carrying out energy flows' accumulation and regulation at daily and annual cycles. It is established that GSO allows to reduce significantly electric energy consumption, energy costs reducing through the preferential tariffs, recovery energy and heat and cold natural sources using. Regularity of efficiency and possibility of influence on their work of cold water and liquid ice and more effective low-freezing solutions as cool agents using is established. Keywords: hybrid systems of agricultural products' cooling and storage, heat-cooling systems, water-ice accumulators of cold, refrigeration systems with liquid ice, artificial and natural cold's sources, atmospheric air, ground water, liquid and water ice, cool returning.