CC BY
42
Природный холод - приоритетное направление при охлаждении молока
В.И. Квашенников, д.т.н., профессор, В.А. Шахов, д.т.н., профессор, А.А. Петров, к.т.н., А.П. Козловцев, к.т.н., А.А. Панин, к.т.н., Г.С. Коровин, аспирант, М.И. Попова,
аспирантка, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Коровье молоко — ценнейший натуральный пищевой продукт для человека. Это обусловлено его химическим составом и высокой биологической ценностью. В состав молока входит более 100 компонен-
тов: жиры, белки, углеводы, минеральные вещества, витамины, ферменты, гормоны и др. Своевременное охлаждение молока до оптимальной температуры сохраняет его полезные природные свойства и обеспечивает высокое качество изготовления молочных продуктов. Хранение неохлаждённого молока более двух часов делает его дальнейшую переработку бессмысленной: продукция не выдерживает срок хранения и становится небезопасной для здоровья.
Оптимальная температура для хранения молока 3—5°С, при этой температуре жизнедеятельность бактерий практически прекращается и молоко может храниться до 3 суток. Поэтому температура охлаждения является основным параметром, определяющим бактериальную обсеменённость и кислотность молока.
Материал и методы исследования. Использование современных систем охлаждения – актуальная задача для большинства хозяйств, занимающихся молочным направлением. Рынок холодильного оборудования в России на сегодняшний день перенасыщен, в продаже имеется самое разнообразное оборудование как импортного, так и отечественного производства с различными характеристиками по холодопроизводительности, вместимости, установленной электрической мощности [1].
Всё это оборудование трудоёмко в обслуживании, энергоёмко, имеет высокую стоимость. На охлаждение каждой тонны молока с использованием холодильных машин затрачивается до 29 кВт • ч электроэнергии. Кроме того, из-за недостаточно высокой надёжности указанных машин и нередко низкой квалификации обслуживающего персонала возникают отказы в работе, приводящие к ухудшению качества молока.
Поэтому сегодня, как никогда, актуальна проблема применения природного (естественного) холода для круглогодичного охлаждения молока на молочнотоварных фермах [2]. Основным условием работы таких установок является наличие определённого количества дней в году с отрицательной температурой — индекс холода Q = ^ ( х Ц) (t/ — среднесуточная температура окружающего воздуха в зимний период, град; Dt — количество дней года с температурой ниже 0°C) должен составлять не менее 400 градусосуток.
Анализ температурных данных показал, что климатические условия на большей части России обеспечивают отрицательные температуры наружного воздуха 120—150 сут. в году. Больше половины территории России располагается в зоне вечной мерзлоты. По данным Росгидромета, в Уральском регионе и прилегающих областях средняя температура имеет следующие значения (табл.).
Анализируя существующие направления использования природного холода, выявили, что наиболее дешёвым и доступным источником в
большинстве регионов является естественный лёд. Его использование в качестве источника холода объясняется ценным физическим свойством — высокой теплотой плавления, равной в обычных условиях 335 кДж/кг.
Использованием естественного холода для охлаждения жидкостных продуктов, разработкой конструктивных схем, приборов, приспособлений для этих целей занимается большое число специалистов — ученых, инженеров, изобретателей.
Проведя анализ существующих конструкций для охлаждения молока, мы выявили, что основными их недостатками являются:
1. Незащищённость стен льдохранилища от разрушения при замерзании воды;
2. Невозможность механизации работ при выемке и использовании льда. Лёд необходимо вручную выкалывать и доставлять к месту использования;
3. Талая вода, получаемая при плавлении льда во время охлаждения, не используется повторно для замораживания, а сливается в канализацию.
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 холода предлагается в основном морозный воздух. Традиционные способы холодонакопления (естественный лёд) сегодня забыты и не используются вовсе [3].
Результаты исследования. С учётом выявленных недостатков, а также в соответствии с данными Росгидромета в Уральском регионе нами предложена универсальная установка, использующая естественный холод для заморозки льда и последующего охлаждения молока [4]. Она позволит значительно снизить затраты на электроэнергию, обслуживание и ремонт оборудования, исключить утечку фреона и фреоновых масел, а также будет доступна для использования в отдалённых регионах. В этой установке процесс охлаждения осуществляется с помощью тепловых труб, которые представляют собой вытянутые в длину герметичные, как правило, тонкостенные металлические сосуды с запаянными концами. Труба может работать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Наиболее просты по устройству вертикальные трубы — термосифоны.
Среднесуточная температура по областным центрам Южного Урала
Областной центр Среднесуточная температура, °С Среднегодовой индекс
январь февраль март ноябрь декабрь холода, градусосуток
Курган -17,7 -16,6 -8,6 -7,2 -14,3 1939,4
Челябинск -15,8 -14,3 -7,4 -6,2 -12,9 1705,5
Екатеринбург -15,5 -13,6 -6,9 -6,8 -13,1 1685,3
Уфа -14,9 -13,7 -6,7 -5,1 -11,2 1553,4
Оренбург -14,8 -14,2 -7,3 -4 -11,2 1550
Самара -13,5 -12,6 -5,8 -3,4 -9,6 1350,7
Q '--Терыоетаоилиагер-ТКЗ;! б.Оо^п'фты*-
Рис. 2 - Расчётная область
£.fc 3jBj3 +.2 5. а 7,7 3 3-д
Рис. 5 - Температурное поле на конец первого лета
Рис. 5 – Температурное поле на 1 декабря
2.1 а,а.а л.ъ е-е ?.?
Рис. 3 – Температурное поле перед началом работы
термостабилизатора (30 октября)
Рис. 4 – Температурное поле на конец первой зимы работы ТК (15 марта)
Нижняя часть трубы заполнена жидким фреоном R22. Если нижнюю часть (испаритель) поместить в воду с температурой выше 0°С, а верхняя, оребрён-ная, часть будет находиться в морозном воздухе, то жидкий фреон в испарителе будет интенсивно кипеть, забирая тепло из окружающей его среды, образовывая лёд.
Пары фреона, поднимаясь по трубе вверх, соприкасаются с внутренней холодной, промороженной поверхностью конденсатора и конденсируются, выделяя теплоту в окружающий морозный воздух. Жидкий фреон по стенкам трубы стекает вниз, в испаритель, где снова испаряется. Процесс идёт непрерывно до тех пор, пока разность температур на концах трубы (тепловой напор) не станет минимальной (5°С).
Таким образом, термосифон перекачивает тепло от воды в окружающий морозный воздух, вода замерзает. При повышении температуры воздуха до положительных значений термосифон перестаёт функционировать, но тепло в обратную сторону, т.е. из окружающего воздуха в замороженную воду не передаёт, т.к. он является тепловым диодом [5, 6].
Для выявления качества функционирования предложенной системы мы провели экспериментальные исследования и построили графики по следующим параметрам (рис. 1–6).
Льдохранилище с размерами 20,0x6,0 м, глубиной 3,0 м заглублено в грунт и наполнено водой. Теплоизоляция из пеноплэкса толщиной 200 мм выполнена по контуру всего сооружения. Для замораживания воды термостабилизаторы ТК32/6,0 без муфты поставлены с шагом 1x1 м в количестве 120 шт.
Термостабилизаторы начинают работать в первый год с 25 ноября, в последующие годы с 1 декабря по март.
Климатические характеристики приняты по метеостанции Оренбург.
Вывод. Согласно прогнозным расчётам и результатам проведённых исследований, при работе термостабилизаторов в исследуемом бассейне за зимний период вокруг термосифонов наморозится 330695 кг льда, что достаточно для круглогодичного охлаждения молока от 100 коров с продуктивностью от одной коровы более 4000 кг/гол • год.
Литература
1. Козловцев А. П. Терминология при производстве и эксплуатации ледогенераторов / А.П. Козловцев, В.И. Квашенников,
A. А. Панин, В.А. Шахов, Г.С. Коровин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 2.
2. Квашенников В.И., Козловцев А.П., Панин А.А. Инновационный метод охлаждения сельскохозяйственной продукции // Материалы XVI Междунар. симпозиума по машинному доению сельскохозяйственныхживотных. Минск. : НПЦНАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2012. 383 с.
3. Васильева Е.Н., Деревянко В.А., Макуха А.В. Динамика замораживания грунта с помощью тепловых труб // Труды Красноярского государственного университета. 2005. 233 с.
4. Патент на изобретение 2014115170/13(023678), 2015. Хранилище для пищевых продуктов с аккумулированием холода /
B. И. Квашенников, ВА. Шахов, АП. Козловцев, А.А. Панин, И.В. Герасименко, Г.С. Коровин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВЙО «Opel (бур теки й государственный аграрный университет». Опуб. Бюл. № 08, 2015.
5. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 1№2014121902 РФ. Термосифон с термонасадкой / В.И. Квашенников, ВА. Шахов, А.П. Козловцев, А.А. Панин, И.В. Герасименко, Г.С. Коровин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет».
6. Квашенников В.И. Энергосберегающая технология заготовки естественного льда на молочных фермах/ В.И. Квашенников, В А. Шахов, А.П. Козловцев, Г.С. Коровин, Н.П. Крючин // Научное обозрение. Научный журнал. 2015. № 4.
