CC BY
40
УДК 631.171+637.131
АККУМУЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
МОЛОКА НА ФЕРМАХ
А.Б. Коршунов, кандидат технических наук Б.П. Коршунов, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: koral314@yandex.ru
Аннотация. На основе проведенных исследований предложена классификация основных аккумуляционных установок для охлаждения молока на фермах. Показано, что в настоящее время наибольшее распространение получили трубчатые льдоаккумуляторы змеевикового и батарейного типа, которые, в основном, используют для получения ледяной воды и поддержания ее температуры в диапазоне 0,5-2,0°С посредством накопления льда на погружном испарителе. Отмечено, что при создании оптимальных режимов первичной обработки молока на фермах значительная экономия энергии может быть получена за счет применения в системах охлаждения комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода круглогодового действия и льготного ночного тарифа на электроэнергию. Сформулированы требования к типоразмерному ряду таких установок и даны основные характеристики. Определены значения требуемых емкостей льдохранилищ для молочных ферм на 100, 200 и 400 коров с годовым удоем от одной коровы 4000, 5000 и 6000 л соответственно. Показана перспективность охлаждения молока на фермах при помощи грунтовых льдохранилищ с экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания, в которых замораживание грунта и воды осуществляется за счет грунтовой охлаждающей термоустановки с двухфазными термосифонами, дана схема их размещения. Предложенные аккумуляционные установки позволяют обеспечить сохранение высокого качества молока и снизить удельный расход электроэнергии на его охлаждение.
Ключевые слова: аккумуляционные установки, охлаждение молока, энергосбережение, льдоаккумуляторы, льдохранилища, природный холод.
Введение. Одной из основных задач в первичной обработке молока на фермах является сохранение высокого качества производимого молока за счет своевременного и надежного его охлаждения. Применение традиционных способов первичной обработки молока не всегда приводит к желаемым результатам. Поэтому основным и, пожалуй, единственным способом сохранения высокого качества молока является его быстрое охлаждение. Однако для реализации такого способа охлаждения необходимо значительно увеличить хладопроизводительность действующих холодильных машин на фермах, что приводит к увеличению энергозатрат на этот технологический процесс [1-3].
Исследования, проводимые по проблеме снижения удельного расхода электроэнергии на производство и переработку молока, показали актуальность конкретного направления научно-технического поиска и востребованность инженерных решений в области разра-
ботки энергосберегающих аккумуляционных установок на основе рационального использования природно-энергетических ресурсов с применением льдоаккумуляторов и льдохранилищ [4].
Результаты исследования. На основе проведенных исследований предложена классификация основных аккумуляционных установок для охлаждения молока на фермах (рис. 1). В настоящее время наибольшее распространение получили трубчатые льдоакку-муляторы змеевикового и батарейного типа. Льдоаккумуляторы, в основном, используют для получения ледяной воды и поддержания ее температуры в диапазоне 0,5-2,0°С посредством накопления льда на погружном испарителе. За счет большого количества намороженного льда льдоаккумулятор может компенсировать пиковые нагрузки, накапливать лед в ночные часы, а также существенно снизить требуемую хладопроизводитель-ность и электрическую мощность компрес-
сорного и вспомогательного оборудования. Однако все они имеют общий недостаток -лед намораживается на поверхности испарителя, что увеличивает термическое сопротивление, снижает температуру кипения хладагента, повышает расход электроэнергии на аккумулирование холода, приводит к
увеличению металлоемкости и массы аккумуляторов. Кроме того, малые скорости плавления льда и ограниченная теплообмен-ная поверхность при разрядке приводят к относительно большим перепадам температур хладоносителя при пиковых тепловых нагрузках.
Рис. 1. Классификация основных аккумуляционных установок для охлаждения молока на фермах
Для интенсификации таяния льда и ускорения охлаждения воды в периоды пиковых тепловых нагрузок возможна подача сжатого воздуха. В последнее время стали применять льдогенераторы в комбинации с накопительными баками, что позволяет в системах охлаждения использовать льдосодержащие пульпы (ЛСП) - айс-сларри, бинарный лед, жидкий лед и т.п. [5].
Преимуществами этого способа являются сниженные эксплуатационные расходы на единицу холода, так как ЛСП можно получать при льготном ночном тарифе, а также небольшие капитальные затраты, поскольку при аккумуляции холода используется менее производительное оборудование. При концентрации льда 25% по массе хладоемкость ЛСП на порядок превышает хладоемкость воды с околонулевой температурой. Для охлаждения жидких пищевых продуктов могут быть использованы удобные и компактные зероторы, которые заполнены теплоаккуму-лирующим веществом с температурой плавления не выше температуры термостатиро-вания охлаждаемого объекта [5]. Эти устройства позволяют достигать определенных энергетических преимуществ. Значительная экономия энергии может быть получена за
счет применения в системах для охлаждения молока на фермах комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода с использованием экологически чистых хладоносителей с низкой температурой замерзания [6]. На основе результатов исследований, проведенных совместно с ОАО «МСКХО», сформулированы требования к типоразмеру установок для охлаждения молока с использованием природного и искусственного холода, основные характеристики которых представлены в таблице 1, предложены технологические схемы энергосберегающих систем охлаждения.
Разрабатываемые системы включают: приемники естественного холода наружного воздуха и аккумуляторы искусственного и естественного холода наружного воздуха и грунта. В качестве хладоносителя используются воздух, вода или экологически безопасный хладоноситель с низкой температурой замерзания (экосол, экофрост и др.) [7].
Перспективным является разработка технологий и технических средств аккумуляции холода в виде льда с применением льдохранилищ не только наземного, но и грунтового типа за счет замораживания грунтов в холодный период года.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(35)-2019
115
Таблица 1. Аккумуляционные холодильные установки
Параметры Тип
МО-2Сх МО-3Сх МО-4Сх МО-5Сх МО-6Сх
Хладопроизводительность, кВт
- в агрегатированном варианте 14 21 28 35 70
- с использованием выносного воздушного конденсатора 16 24,2 32,2 40,3 80,5
Производительность по молоку, т/ч
- в агрегатированном варианте 0,4 0,6 0,85 1,0 2,0
- с использованием выносного воздушного конденсатора 0,46 0,69 0,98 1,15 2,3
Хладопроизводительность компрессорно-ресиверного агрегата, кВт 3,6 5,0 7,6 10,5 17,1
Компрессор К150С8 К300С8 К400С8 К500С8 К600С8
Выносной воздушный конденсатор КГ-12Г КГ-22Г КГ-27Г КГ-35Г КГ-57Г
Объем ресивера, л 10 12 12 16 30
Площадь поверхности испарителей, м2 6 10 12 14 20
Вместимость аккумулятора холода, м3 0,9 1,1 1,2 1,3 2,0
Масса намораживаемого льда, т 0,34 0,48 0,5 0,75 1,7
Установленная мощность, кВт 2,0 3,0 4,0 5,0 10,0
Использование льдохранилищ в системах охлаждения молока на фермах позволяет не только снизить затраты электроэнергии, но и повысить надежность процесса при сохранении высокого качества молока. Основным фактором, определяющим аккумулирующую способность льдохранилища, является его вместимость.
В результате проведенных исследований определены значения требуемых емкостей ЛХ для молочных ферм на 100, 200 и 400 коров с годовым удоем от одной коровы 4000, 5000 и 6000 л соответственно (таблица 2). Из данной таблицы видно, что применение предварительного охлаждения молока уменьшает требуемую емкость ЛХ в 2 раза. В настоящее время в ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по разработке технологии охлаждения молока на фермах при помощи грунтовых льдохранилищ с экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания, в которых замораживание грунта и воды осуществляется за счет грунтовой охлаждающей термоустановки (ГТУ) с двухфазными термосифонами.
На рисунке 2 представлен один из вариантов размещения двухфазных термосифонов грунтовой термоохлаждающей установки в очищенной силосной траншее с бетонированными стенками. Каждый двухфазный термосифон за активный (холодный) период своей работы намораживает ледяной цилиндр в воде или грунте, а в совокупности
все установленные термосифоны могут замораживать грунтовый массив практически любой конфигурации и объема. Грунтовые охлаждающие термоустановки включаются в работу автоматически при температурах атмосферного воздуха ниже температуры грунта, они не требуют затрат электроэнергии, обслуживания, срок службы составляет десятки лет, а использование экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока до необходимой температуры в течение всего года без применения холодильных машин.
Таблица 2. Значения требуемых емкостей ЛХ для молочных ферм на 100, 200 и 400 коров
Типо- Годовой удой, л/год
размер с предварительным без предварительного
фермы, охлаждением охлаждения
гол. 4000 5000 6000 4000 5000 6000
100 75 90 110 150 187 225
200 150 188 225 300 375 450
400 300 375 450 600 750 900
— © @ @ © © © © © © © © ©
1,5 *-» 3,0 *-» 3,0 *-» 3,0 *-> 3,0 *-> 3,0 *-> 1,5 *-»
Рис. 2. Схема размещения двухфазных термостабилизаторов грунтовой термоохлаждающей установки
Выводы. Использование аккумуляционных установок для охлаждения молока на фермах является одним из наиболее эффективных путей снижения энергозатрат и сохранения его качества. Энергосберегающие системы охлаждения на основе комбинированных аккумуляторов холода обладают определенными преимуществами по сравнению с применяемыми в настоящее время холодильными установками и могут найти большое распространение во всех регионах страны. Комбинированные аккумуляторы позволяют аккумулировать как природный, так и искусственный холод в течение круглого года, используя при этом льготный ночной тариф на электроэнергию.
Перспективным является также применение льдохранилищ как наземного, так и грунтового типа с экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания. Использование грунтовых льдохранилищ с двухфазными термосифонами позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока в течение всего года без применения холодильных машин, при этом не требуется электрическая энергия на производство холода, а срок службы составляет десятки лет.
Предложенные аккумуляционные установки позволяют обеспечить сохранение высокого качества и снизить удельный расход электроэнергии на охлаждение молока в 1,53 раза в зависимости от региона, где установлено оборудование.
Литература:
1. Ресурсосберегающие технологии производства высококачественного молока / Тихомиров И.А. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2018. № 4. С. 92-99.
2. Текучев И.К., Иванов Ю.А., Кормановский Л.П. Проблемы реализации технологических новаций в животноводстве // АПК: Экономика, управление. 2017. № 5. С. 21-29.
3. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-мо-лочных отделений животноводческих ферм. М., 2010.
4. "Smart ice" умная система получения ледяной воды // Молочная промышленнсть. 2013. № 7. С. 71-72.
5. Коршунов Б.П. Аккумуляция холода: резерв повышения энергоэффективности охлаждения и хранения с.-х. продукции // Вестник ВИЭСХ. 2018. № 1. С. 38.
6. Лапшин В.Д. Способы получения льдосодержащих пульп // Холодильная техника. 2013. № 6. С. 46-49.
7. Пат. 2655732 РФ. Энергосберегающая холодильная установка с комбинированным аккумулятором природного и искусственного холода для с.-х. ферм / Коршунов Б.П. и др. Заяв. 03.08.17; Опубл. 29.05.18
Literatura:
1. Resursosberegayushchie tekhnologii proizvodstva vy-sokokachestvennogo moloka / Tihomirov I.A. I dr. // Ve-stnik VNIIMZH. 2018. № 4. S. 92-99.
2. Tekuchev I.K., Ivanov Y.A., Kormanovskij L.P. Prob-lemy realizacii tekhnologicheskih novacij v zhivotnovod-stve // APK: Ekonomika, upravlenie. 2017. № 5. S. 21-29.
3. Coj YU.A. Processy i oborudovanie doil'no-moloch-nyh otdelenij zhivotnovodcheskih ferm. M., 2010.
4. "Smart ice" umnaya sistema polucheniya ledyanoj vody // Molochnaya promyshlennost'. 2013. № 7. S. 71-72.
5. Korshunov B.P. Akkumulyaciya holoda: rezerv povy-sheniya energoeffektivnosti ohlazhdeniya i hraneniya s.-h. produkcii // Vestnik VIESKH. 2018. № 1. S. 38.
6. Lapshin V.D. Sposoby polucheniya l'dosoderzhashchih pul'p // Holodil'naya tekhnika. 2013. № 6. S. 46-49.
7. Pat. 2655732 RF. Energosberegayushchaya holodil'naya ustanovka s kombinirovannym akkumulyatorom pri-rodnogo i iskusstvennogo holoda dlya s.-h. ferm / Korshunov B.P. i dr. Zayav. 03.08.17; Opubl. 29.05.18
THE ACCUMULATIVE INSTALLATIONS FOR MILK COOLING ON FARMS
A.B. Korshunov, candidate of technical sciences
B.P. Korshunov, candidate of technical sciences Federal research agroengineering centre VIM
Abstract. On the conducted researches basis the classification of the main accumulative milk cooling installations on farms is offered. It is shown that at present the most widespread are tubular ice accumulators of coil and battery type, which are mainly used for ice water to produce and its temperature in the range of 0,5-2,0°C by ice accumulating on a submersible evaporator to maintain. It is noted that at optimal regimes of primary milk processing on farms creating, significant energy savings can be obtained through the combined natural and artificial cold accumulators at yearround cooling systems and electricity preferential night tariff using. A type-sized number of such installations' requirements are formulated and the main characteristics are given. The required ice storage capacities' values on dairy farms for 100,200 and 400 cows with annual milk yield per one cow of4000, 5000 and 6000 liter respectively, were determined. The milk cooling prospects on farms at soil ice storage facilities with ecologically friendly cool agents with low freezing point, where the soil and water freezing by a ground cooling's thermal installation with two-phase thermosyphons is carried out, the scheme of their placement is given. The proposed accumulative installations allow to ensure milk cooling high quality preserving and the specific energy consumption reducing. Keywords: accumulative installations, milk cooling, energy saving, ice accumulators, ice storages, natural cold.
Journal of VNIIMZH №3(35)-2019
117
