Энергосберегающая система охлаждения молока с использованием комбинированных водоледяных аккумуляторов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 637.133.1

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ВОДОЛЕДЯНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Б.П. Коршунов, кандидат технических наук, зав. отделом

А.И. Учеваткин, доктор технических наук, главный научный сотрудник

Ф.Г. Марьяхин, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

A.Б. Коршунов, кандидат технических наук, зав. отделом

B.В. Иванов, аспирант

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]

Аннотация. Наморозка водного льда является весьма энергоемким процессом. На производство 1 т водного льда затрачивается около 90 кВт.ч. электроэнергии. Поэтому весьма актуальным при охлаждении молока является разработка и внедрение энергосберегающих режимов работы холодильного оборудования при получении льда в аккумуляторах с применением природного холода. В статье дано описание различных технологических схем комбинированных водоледяных аккумуляторов с использованием природного холода. В зависимости от объема молока, поступающего на охлаждение, представлена методика расчета количества аккумулированной энергии в виде льда и мощности холодильного оборудования, необходимой для наморозки льда. Источники искусственного холода в таких системах работают в качестве доводчиков. Конструкция аккумулятора холода обеспечивает его работу во всем диапазоне температур наружного воздуха в течение круглого года. Приемник - аккумулятор природного холода устанавливается на открытом воздухе вне производственного помещения, а подзарядная холодильная установка в производственном помещении. В зимний период он работает как аккумулятор природного холода, в летний -подзарядная холодильная установка, используя внепиковую электроэнергию, заряжает холодом аккумулятор холода комбинированного действия, который затем используется для охлаждения молока. В качестве подзарядных могут использоваться любые холодильные установки. Проведенные исследования показали, что предложенные схемы комбинированных водоледяных аккумуляторов можно использовать как базовые модели для дальнейшего совершенствования энергосберегающих систем охлаждения молока на фермах. Предложенная методика расчета аккумулированной энергии в виде льда для охлаждения молока позволит обеспечить рациональные производство и расход холода водного льда, полученного с применением природных и искусственных источников и с использованием внепиковой электроэнергии. Ключевые слова: водоледяной аккумулятор, подзарядная холодильная установка, приемник природного холода, энергетический баланс, лед, охлаждение молока, хладоноситель.

Введение. Одним из путей снижения энергозатрат на охлаждение и хранение молока на фермах и сохранение его высокого качества является аккумуляция холода и использование энергии льда, поэтому организация рационального расхода холода водного льда при охлаждении молока в теплообмен-ных аппаратах аккумуляционного действия имеет большое значение. В связи с растущим дефицитом и подорожанием энергетических ресурсов, вопрос получения льда в водоле-дяных аккумуляторах с использованием природного холода приобретает большое практическое значение.

Эти аккумуляторы могут применяться при модернизации холодильных систем, использующих водный лед для накопления естественного и искусственного холода, улучшения графиков потребления тепловой энергии, совершенствования энергобаланса хозяйств, использования льготного ночного тарифа и оптимизации режимов работы электрооборудования холодильных установок.

Одним из наиболее эффективных путей решения указанных задач является создание и совершенствование управления системами, использующими водный лед в качестве аккумулирующей среды.

В этих системах используется экологически безопасная технология, позволяющая сократить расход и обеспечить более выгодное использование тепловой энергии.

Таким образом, применение систем, аккумулирующих холод, обеспечивает эффективное использование природного холода наружного воздуха, уменьшение потребляемой мощности холодильного оборудования, сокращение капитальных, эксплуатационных затрат и объема закупок оборудования по импорту.

Источник искусственного холода работает в более рациональном стабильном режиме. Увеличивается надежность работы холодильных систем, повышается экологическая безопасность окружающей среды [1-6].

Методология проведения работ. В основе разработки лежат исследования процесса наморозки льда [7-9]. Наморозка водного льда является весьма энергоемким процессом. На производство 1 т водного льда за-

трачивается около 90 кВтч энергии. Поэтому весьма актуальными при охлаждении молока являются разработка и внедрение энергосберегающих режимов работы холодильного оборудования при получении и расходовании льда в аккумуляторах с применением природного холода.

Экспериментальная база, ход исследования. На рис. 1 представлена схема с использованием комбинированного аккумулятора холода водоледяного типа в варианте наружной установки.

В теплоизолированном водоледяном аккумуляторе холода 1 располагается испаритель 14, выполненный в виде трубной решетки с ребрами, помещенной в воду. На его поверхности намораживается лед. На корпусе льдоаккумулятора крепится конденсатор 2, компрессор 3. Воздуходувка 5 подает наружный воздух в распылитель 6. Воздух, поднимаясь наверх, интенсивно перемешивает воду, способствуя ее охлаждению.

12

воздух

молоко

воздух

Рис. 1. Принципиальная схема оборудования для получения ледяной воды с использованием

аккумулятора льда наружной установки:

1- водоледяной аккумулятор холода; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 - пульт управления; 5 - воздуходувка; 6 - распылитель; 7 - насос хладоносителя; 8 - теплообменник для молока; 9 - вентилятор; 10 - люк воздушный; 11 - датчик давления; 12 - датчик температуры наружного воздуха; 13 - распределительная труба; 14 - испаритель; 15 - датчик температуры хладоносителя

Насос хладоносителя 7 подает ледяную воду в теплообменник для молока 8, расположенный в производственном помещении, а нагретая вода подается в аккумулятор холода 1 через распределительную трубу 13. Наружный воздух в холодное время года через открытый люк 10 с вентилятором 9 подается в льдоаккумулятор 1 с трубами комбинированного испарителя 14, охлаждает воду и намораживает лед на поверхности труб и ребрах комбинированного испарителя 14. Воздух выходит из льдоаккумулятора 1 че-

рез его или нижнюю часть. Пульт управления 4, электрически соединенный с датчиками давления 11, наружного воздуха 12, температуры 15 и толщины льда, осуществляет управление холодильным оборудованием во всем диапазоне температур наружного воздуха.

На рис. 2 представлен вариант функциональной схемы энергосберегающей системы охлаждения молока с аккумуляцией холода с установкой водоледяного аккумулятора внутри производственного помещения.

из доильного помещения

1 гр. 2 гр. 3 гр.

А А

4 гр.

9

Молоко ---хладоноситель

хладоагент

Рис. 2. Функциональная схема энергосберегающей системы охлаждения молока с аккумуляцией холода:

1 - групповые счетчики молока (датчики); 2 - вакуумированный релизер; 3 - молочный насос с обратным клапаном; 4 - датчик общего учета молока; 5 - теплообменник; 6 - резервуар-термос для хранения молока; 7, 12, 14 - датчики температуры; 8 - компрессорно-конденсаторный агрегат; 9 - испаритель; 10 - аккумулятор холода; 11 - выносной конденсатор; 13 - градирня водоледяного типа; 15 - блок управления; 16 - датчик

толщины наморозки льда

Молоко с доильной установки, через групповые счетчики молока 1 поступает в вакуумированный релизер 2 с установленными в нем датчиками уровня, управляющими работой универсального молочного насоса с обратным клапаном 3. Далее молоко поступает через датчик общего учета молока 4 в теплообменник 5, где охлаждается и попадает в резервуар-термос для хранения молока 6 с датчиком температуры 7.

Холод в виде ледяной воды и водного льда накапливается в аккумуляторе холода 10. Лед намораживается на испарителе 9, соединенном с компрессорно-конденсаторным агрегатом 8.

Охлаждающая система выполняется в двух вариантах: с конденсатором, встроенным в компрессорно-конденсаторный агрегат 8, и выносным конденсатором 11, установленным на открытом воздухе. Выносной конденсатор позволяет использовать естественный холод наружного воздуха в холодное время года и ночное время суток для снижения температуры конденсации хладо-агента и повышения эффективности холодильной установки.

В аккумулятор холода 10 при отрицательной температуре наружного воздуха по сигналу датчика температуры 12 поступает холод в виде ледяной воды от градирни во-доледяного типа, расположенной на открытом воздухе 13. При этом увеличивается хладовосприятие и аккумулирующая способность системы за счет дополнительного объема аккумулятора.

Система охлаждения работает следующим образом. По сигналу датчика температуры хладоносителя 14 с блока управления 15 включается компрессорно-конденсатор-ный агрегат 8, который понижает температуру хладоносителя и намораживает лед. Массу льда, накопленного в аккумуляторе 10, можно оценить при помощи датчика 16.

Сигналы о количестве остаточного холода в аккумуляторе 10 и молока, поступающего на охлаждение с доильных аппаратов, полученные с датчиков 1, 4 и 16 направляются в блок управления 15, где определяется количество льда, которое должно быть допол-

нительно наморожено для поддержания нужного запаса холода в пределах аккумулирующей способности аккумулятора 10 и с использованием льготного тарифа на электроэнергию.

Конденсатор 11, отводящий теплоту в окружающую среду, может выполняться как в агрегатированном, так и выносном вариантах.

В первом случае он отводит теплоту в производственное помещение, повышая температуру конденсации.

Во втором случае он выносит теплоту в окружающую среду, снижая температуру конденсации и улучшая энергетический режим работы холодильной машины. Холодильный коэффициент при этом повышается.

Результаты исследования. Количество молока, полученного за г-ю дойку, которое необходимо охладить, является случайной величиной. Оно определяется как

Т

Mj = m

M Т

(1)

где М - расчетное количество молока, которое требуется охладить за г-ю дойку, кг;

4мТ ] - оценка математического ожидания

количества молока, которое требуется охладить за г-ю дойку за период Т, кг.

Количество холода, необходимое для охлаждения ожидаемого за г-ю дойку молока, определяется выражением:

Wi = Ц ■ т[мТ ]■ 0(12 - г1) - ^ЕХ, (2)

где Жг - количество холода, которое должно быть аккумулировано для охлаждения молока, поступившего за г-ю дойку, кВтч.; £ - коэффициент потерь; с - теплоемкость цельного молока, кВтч/кгград.; t2, tl - начальная и конечная температура молока, °С; Жех - количество природного холода, поступившего за цикл охлаждения, кВтч.

Расчетное количество электроэнергии Эг, необходимое для охлаждения, полученного за г-ю дойку молока, составит:

Э =

а • £ • m

М i

c • At

s

(3)

где а - коэффициент запаса; Дt - диапазон температуры охлаждения молока, °С; е -холодильный коэффициент.

Энергетический баланс аккумуляционной холодильной установки с использованием природного холода описывается уравнением

; Шкомп ] =2 ]}^конд

ш =уГш ' -Ш" ] •

гг комп X ш комп ;гг компз?

Шконд = X Гш0; Шкомп ]

(4)

где Жо - энергия, поступающая от охлаждаемой среды, кВтч; Жкомп - энергия, поступающая в систему и расходуемая компрессором на осуществление термодинамического цикла и преодоление объемных и механических потерь, кВтч; Жконд - энергетическая нагрузка на конденсатор, кВтч; шкомп - энергия на осуществление термодинамического цикла, кВт ч; Шкомп - энергия,

расходуемая компрессором на преодоление объемных и механических потерь, кВт ч; №ех - энергетическая нагрузка на приемник естественного холода, кВтч.

Уравнение энергетического баланса описывается уравнением

Шо = м- С-(I! - 12) , (5)

где М - охлаждаемое количество молока, кг; с - теплоемкость молока, кВтч/кгград.

Остальные составляющие уравнения (4) рассчитываются по формулам

ш комп

£

(6)

тах

£

о

тах

Т - Т

Т к Т о

(7)

комп

- Ш О £

ШЕХ = Шо {при Шконд = 0).

кумуляторе холода водоледяного типа источником искусственного холода, необходимо затратить количество электроэнергии, определяемое выражением:

^ Ш -1

Э1 =-, (10)

£

где Эг - количество электроэнергии, необходимое для намораживания льда в аккумуляторе в расчетном режиме, кВт ч; I - коэффициент потерь при намораживании льда; Жг - тепловая энергия, необходимая для охлаждения молока, поступившего за г-ю дойку, кВтч.

Длительность цикла наморозки льда для охлаждения молока, поступившего за г-ю дойку, определяется по выражению

Ш -1

; (11)

ТI =

йо

где Тг - длительность цикла наморозки льда для охлаждения молока поступившего за г-ю дойку, ч; Qo - хладопроизводитель-ность холодильной машины, кВт.

Величина Тг может быть использована при расчете аккумулирующей способности аккумуляционных комбинированных холодильных машин. Количество молока М1, которое может быть охлаждено на 30°С 1 тонной водного льда, определяется по выражению

М1 =

Лс - /

1 - 92

где £тах - максимальный (теоретический) холодильный коэффициент;

где То , Тк - абсолютные температуры кипения и конденсации хладоагента, К.

(8) (9)

Для намораживания льда, необходимого для охлаждения М количества молока в ак-

= 2,8 т , (12) с - - г2) 1,09 - 30 У)

где Лс - количество льда, т; / =92 - скрытая теплота фазового перехода для водного льда, кВтч/т; с = 1,09 - теплоемкость цельного молока, кВтч/тград.

Вывод. Предложенные водоледяные аккумуляторы могут применяться при модернизации холодильных систем, использующих водный лед для накопления естественного и искусственного холода, улучшения графиков потребления тепловой энергии, сов ершенствования энергобаланса хозяйств, использования льготного ночного тарифа и оптимизации режимов работы электрооборудования, при этом энергозатраты на охлаждение молока сокращаются в 1,5-2 раза.

Литература:

1. Иванов Ю.А. Качество молока и эффективность его производства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2012. №2. С. 22-24.

2. Производство и применение льда. М., 1977.

3. Калнинь И.М. Энергоэффективность и экологическая безопасность холодильных систем // Холодильная техника. 2008. №3.

4. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-мо-лочных отделений животноводческих ферм. М., 2010.

5. Оценка энергоэффективности холодильных установок и систем // Холодильная техника. 2013. №10.

6. Юлгушев А.Э., Романюк О.В. Повышение энергоэффективности холодильных установок при работе в зимнем режиме // Холодильная техника. 2013. №12.

7. Энергосберегающее оборудование для аккумуляции холода и эффективного использования энергии льда / Коршунов Б.П. и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №2. Ч. 1. С. 132-138.

8. Пат. РФ 2557170. Энергосберегающая установка для получения ледяной воды на фермах и молокоприемных пунктах / Марьяхин Ф.Г. и др. БИ. 2015. №20.

9. Применение природного холода в АПК / Коршунов Б.П. и др. М., 2015. 168 с.

Literatura:

1. Ivanov YU.A. Kachestvo moloka i ehffektivnost' ego proizvodstva // Sel'skohozyajstvennye mashiny i techno-logii. 2012. №2. S. 22-24.

2. Proizvodstvo i primenenie l'da. M., 1977.

3. Kalnin'I.M. EHnergoehffektivnost' i ehkologicheskaya bezopasnost' holodil'nyh sistem // Holodil'naya tekhnika. 2008. №3.

4. Coj YU.A. Processy i oborudovanie doil'no-molochnyh otdelenij zhivotnovodcheskih ferm. M., 2010.

5. Ocenka ehnergoehffektivnosti holodil'nyh ustanovok i sistem // Holodil'naya tekhnika. 2013. №10.

6. YUlgushev A.EH., Romanyuk O. V. Povyshenie ehner-goehffektivnosti holodil'nyh ustanovok pri rabote v zim-nem rezhime // Holodil'naya tekhnika. 2013. №12.

7. EHnergosberegayushchee oborudovanie dlya akkumu-lyacii holoda i ehffektivnogo ispol'zovaniya ehnergii l'da / Korshunov B.P. i dr. // Al'ternativnaya ehnergetika i ehko-logiya. 2013. №2. CH. 1. S. 132-138.

8. Pat. RF 2557170. EHnergosberegayushchaya ustanov-ka dlya polucheniya ledyanoj vody na fermah i moloko-priemnyh punktah / Mar'yahin F.G. i dr. BI. 2015. №20.

9. Primenenie prirodnogo holoda v APK / Korshunov B.P. i dr. M., 2015. 168 s.

MILK COOLING SYSTEM' ENERGY SAVING WITH THE COMBINED WATER ICE ACCUMULATORS USING B.P. Korshunov, candidate of technical sciences, department head A.I. Uchevatkin, doctor of technical sciences, general research worker F.G. Maryakhin, candidate of technical sciences, leading research worker A.B. Korshunov, candidate of technical sciences, department head V.V. Ivanov, post-graduated student All-Russian research institute of agriculture electrification

Abstract. The water ice the is very energy-intensive process. The 1 ton of water ice making takes about 90 KW*h of electricity. Therefore it highly relevant at milk cooling is the energy-saving refrigeration regimes of cooling equipment development and introduction for the ice in accumulators with natural cold obtaining. The article describes the various technological schemes of combined water ice accumulators with natural cold using. Depending on the bulk of milk supplied for cooling, the method of accumulated energy in the form of ice calculating and refrigeration equipment power needed for ice freezing is presented. The sources of artificial cold in such systems work as debugging. The cold accumulation design provides its work over the outdoor temperatures entire range during the year. Receiver - accumulator of natural cold is set on the open air of the productivity areas outside, and recharging refrigeration unit are set in the working room. In winter it works as the natural cold accumulator, in summer as recharging cooling unit using off-peak electricity, charging a cold accumulator of combined operation, that then is used for milk cooling. As recharging it can be any refrigeration units. The conducted studies have shown that the proposed schemes of combined water ice accumulators can be used as basic models for further milk cooling energy-saving systems' improvement on farms. The calculating methods of the accumulated energy in the ice form for milk cooling will provide sustainable productivity and consumption of cold of water ice obtained with the natural and artificial sources and off-peak electricity using.

Keywords: water ice accumulator, recharging refrigeration unit, natural cold receiver, energy balance, ice, milk cooling, coolant.