CC BY
2
УДК 637.03 DOI 10.51794/27132064-2022-4-85
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА НА ПАСТБИЩНЫХ ДОИЛЬНЫХ ЦЕНТРАХ
О.А. Герасимова, доктор технических наук, доцент С.М. Иванов, преподаватель
ФГБОУ ВО Великолукская государственная сельскохозяйственная академия
E-mail: olga-gerasimova311@rambler.ru
Е.А. Тихонов, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО Петрозаводский государственный университет
E-mail: tihonov@petrsu.ru
Аннотация. В настоящее время особенно остро стоит вопрос увеличения объемов производства высококачественного молока. Достичь требуемых показателей производства молока можно за счет использования пастбищ в летний период. Также необходимо обеспечить его высокое качество при отправке на перерабатывающее предприятие. При этом самым важным технологическим процессом является охлаждение. Установлено, что для охлаждения 1500 кг парного молока от исходной температуры 36°С до 4°С необходимо отвести и рассеять в окружающую среду тепловую энергию порядка 2,13-105 кДж. Если при этом продолжительность охлаждения не будет выходить за пределы предусмотренного ГОСТом 2-часового временного интервала, то для рассеяния такой энергии холодопроизводительность проточных охладителей должна составлять не менее 30 кВт, т.е. более чем в 4 раза превышать холодопроизводительность любого холодильного агрегата, эксплуатируемого в настоящее время в условиях стационарных ферм. Как правило, это сложные, громоздкие и металлоемкие устройства, эксплуатация которых потребует возведения специальных помещений, массивных фундаментов и, что не менее важно, повышения уровня квалификации обслуживающего персонала. Для условий пастбищного доения разработана установка для охлаждения молока с использованием экологически чистого хладоносителя - пропиленгли-коля. Установка позволяет осуществлять качественное с точки зрения простоты конструкции, доступности в управлении процессом и энергосбережения выполнение данного процесса. Ключевые слова: молоко, охлаждение, пастбищный доильный центр, качество молока.
Для цитирования: Герасимова О.А., Иванов С.М., Тихонов Е.А. Энергосбережение в процессе охлаждения молока на пастбищных доильных центрах // Техника и технологии в животноводстве. 2022. № 4(48). С. 85-89.
Введение. Молоко занимает важное место в питании человека. В нем содержатся все необходимые для жизнедеятельности человека вещества: белки, углеводы, жиры, минеральные вещества, витамины, ферменты, которые идеально сбалансированы и легко усваиваются организмом [1]. Именно универсальный состав молока объясняет его ценность с точки зрения физиологии. Молоко удовлетворяет потребности организма в кальции, фосфоре и рибофлавине. Также в нем содержатся полноценный белок, богатый незаменимыми аминокислотами, витамины А и В1 [1]. Молоко сопровождает человека от рождения в течение всей жизни и оказывает весьма значимое влияние на здоровье. Оно не только является основным
продуктом питания, но и имеет защитные функции. Молочный белок нейтрализует тяжелые металлы и другие вредные для здоровья вещества. Содержание фосфора и витаминов способствует предотвращению развития авитаминозов.
Согласно «Техническому регламенту на молоко и молочную продукцию» [2], молоко - это продукт нормальной физиологической секреции молочных желез сельскохозяйственных животных, полученный от одного или нескольких животных в период лактации при одном и более доении, без каких-либо добавлений к этому продукту или извлечений каких-либо веществ из него. Экономическая ценность коровьего молока во многом превышает ценность молока любого другого
вида. Коровье молоко получают на фермах крупного рогатого скота, в фермерских хозяйствах. Основная доля молока в Псковской области производится в сельхозпредприятиях. Молоко, отправляемое сельхозпредприятиями на перерабатывающие предприятия, является молоком-сырьем. Согласно Приложению 2 «Технического регламента на молоко и молочную продукцию» [2], сырое молоко в зависимости от бакобсемененности, а именно - от количества мезофильных аэроб-
ных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) в 1 см3, а также от количества соматических клеток в 1 см3, делится на три сорта: высший, первый и второй. Содержание КМАФАнМ допускается не более 1х105 КОЕ (колоние-образующих единиц) в 1 см3 (г) для высшего сорта и не более 4х106 для второго.
Структурная классификация известных схем первичной обработки молока на ферме приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Технологическая схема процесса первичной обработки молока
Сельхозпредприятия вынуждены бороться за качество заготавливаемого молока. Чем выше его сортность, тем большую прибыль предприятие может получить. Решением проблемы высокой бактериальной обсеме-ненности молока-сырья, на первый взгляд, является предотвращение его загрязнения в процессе производства, первичной обработки, хранения и транспортировки на перерабатывающие предприятия. Особое значение
своевременность выполнения технологического процесса охлаждения молока приобретает в летний период на пастбищных доильных центрах (ПДЦ). ПДЦ расположены на расстоянии от животноводческих объектов в 10-15, а то и более километров, т. е. транспортировка молока занимает много времени, особенно при отсутствии хороших дорог. Поэтому на ПДЦ важно не только произвести молоко, богатое витаминами и микроэлемен-
тами, но и сохранить его для сдачи высшим сортом, чтобы хозяйство получило достаточную прибыль.
Материалы и методы. Свежевыдоенное молоко с температурой 35-36°С представляет собой благотворную среду для размножения большинства микробов, поэтому, если молоко своевременно не охладить, это приведет к повышению его кислотности и скисанию.
Охлаждение молока является наиболее важной операцией в процессе первичной обработки молока, обеспечивает удлинение его бактерицидной фазы, т. е. периода сохранения в молоке бактерицидных веществ, предотвращающих развитие в нем микроорганизмов и его порчу. Наиболее важными биологическими свойствами молока являются продолжительность бактерицидной фазы и кислотность. Продолжительность бактерицидной фазы зависит от температуры молока, и при отсутствии охлаждения молоко теряет свои свойства через 2 часа после доения [3]. Но если охладить молоко во время доения, то химические процессы и микробиологический рост будут замедлены, а качество молока сохранится. Охлаждение является эффективным методом сохранения качества молока на высоком уровне [4].
Охлаждение молока преследует две цели: сдерживание бактериальной загрязненности; повышение срока хранения молока. При температуре, равной температуре тела, бактерии размножаются очень активно, и молоко, в котором количество бактерий изначально было незначительным, быстро скисает. Количество бактерий может доходить до нескольких миллионов, если происходит задержка с охлаждением (рис. 2). Быстрое охлаждение способствует уменьшению числа бактерий в молоке и, соответственно, повышению качества молока и продолжительности его хранения. Поэтому появляется возможность транспортировать молоко не после каждой дойки, а один раз в день. Это необходимо и в том случае, когда из-за организационных или экономических трудностей осуществлять доставку молока с ПДЦ на молочный завод не всегда возможно. Например, в случаях, когда транспортировка моло-
ка после каждой дойки занимает много времени и экономически невыгодна.
правмжиле/ьнас/ль хранения, ч Рис. 2. Изменение числа вредных микроорганизмов в зависимости от температуры молока и продолжительности хранения
В существующих в настоящее время системах охлаждения в качестве охлаждающего вещества используются хладоносители, которые замерзают при отрицательных температурах наружного воздуха [5]. Поэтому для расширения диапазона рабочих температур хладоносителей, используемых при охлаждении произведенного молока-сырья, предлагается использование хладоносителя с низкой температурой замерзания - пропи-ленгликоля. Пропиленгликоль (1,2-пропи-ленгликоль, пропандиол) - бесцветная густая жидкость со слабым характерным запахом, смешивается с водой и спиртом, обладает гигроскопическими свойствами.
Основные характеристики пропиленгли-коля при использовании в качестве хладагента по сравнению с водой, другим популярным теплоносителем:
- плотность 1037 кг/м3, показатель примерно равен аналогичному показателю воды (1000 кг/м3). Это значит, что при замене воды на пропиленгликоль нагрузка на систему охлаждения практически не изменится;
- температура кристаллизации пропилен-гликоля -60°С. Вода замерзает при 0°С, а при охлаждении почти не расширяется;
- удельная теплоемкость 2480 Дж/(кгК), почти в два раза ниже, чем у теплоносителя на основе воды. Благодаря этому, обеспечивается быстрый прогрев системы;
- температура кипения +187°С. Температура кипения воды +100°С;
- теплопроводность 0,218 Вт/(мК), практически в 3 раза ниже по сравнению с водой;
- показатель динамической вязкости 56 мПас. У воды он всего 0,894 мПас. Это -минус, т. к. для работы с пропиленгликолем насосу потребуется более высокая мощность.
Использование пропиленгликоля как хла-доносителя стало возможным благодаря низкой температуре замерзания вещества, которая равна -60°С. Стоит отметить, что в чистом виде пропиленгликоль не применяется для охлаждения, т. к. при понижении температуры он становится вязким и менее подвижным. Чтобы этого не происходило, вещество смешивают с водой в определенной пропорции [5]. Плюсы хладоносителя с про-пиленгликолем в составе: продолжительный период эксплуатации; экологичность; пожа-робезопасность; экономичность.
Результаты. Предложена установка, использующая естественный холод [6]. На рисунке 3, в пространстве между дном камеры 1 и камерой 2, в верхней части которой размещены распылительные форсунки 3 и вытяжной вентилятор 4, во встречном потоке воздуха внедрен радиатор, в котором интенсифицируется испарение пропиленгликоля со смачиваемых поверхностей змеевиково-го трубопровода 5 со свежевыдоенным молоком, которое движется в резервуар 14, в результате чего происходит мгновенное охлаждение молока, что обеспечивает получение высококачественного молока. В нижней части камеры 1 размещается емкость 6 для скапливания распыляемого пропиленглико-ля, откуда выбирается с помощью центробежного насоса 7 и подается в распылительные форсунки 3, образуя замкнутую систему охлаждения хладоносителя по принципу градирни. Трубчатый змеевик 5 имеет верхнюю часть предварительного охлаждения, а его нижняя, придонная часть находится в аккумуляторе холода с хладоносителем с низкой температурой замерзания, пропиленглико-лем 8, который представляет собой резервуар с поперечными перегородками для изменения направления потока пропиленгликоля
и увеличения пути его движения к патрубку отбора с охлаждением поверхностью слоев горизонтальным воздушным потоком от вытяжного вентилятора 4. Дно емкости 6 отделяет нижнюю придонную часть камеры 1, в которой обеспечивается низкотемпературное охлаждение хладоносителя 8. В нижней придонной части камеры 1 размещено продолжение змеевика 5 для быстрого низкотемпературного охлаждения молока. Охлаждение обеспечивается системой по принципу теплового насоса, включающего испаритель 9, конденсатор 10, компрессор 11, дроссельную заслонку 12, трубопроводы 13. Конденсатор 10 обеспечивает получение теплой воды, используемой в технологических целях при содержании крупного рогатого скота.
к технологической шиш паенш
Рис. 3. Разработанная установка для охлаждения молока
Рабочий процесс осуществляется следующим образом. Свежевыдоенное молоко из молокопровода поступает в змеевиковый теплообменник 5, одновременно включается компрессор 11 теплового насоса. Распыляемая форсунками 3 жидкость смачивает верхнюю часть змеевика и сливается в резервуар 6, а центробежный насос обеспечивает циркуляцию пропиленгликоля. Его охлаждение осуществляется с помощью теплового насоса, включающего испаритель, хладагент которого имеет низкую температуру замерзания, конденсатор, обеспечивающий получение горячей воды для технологических целей, а также компрессор, дроссельную заслонку и трубопроводы.
Установка включает аккумулятор холода и корпус, в котором размещен конденсатор в виде трубчатого змеевика, систему подачи пропиленгликоля к змеевику конденсатора, содержащую связанную с системой водоснабжения фермы подающую трубу с распылительными форсунками и дистанционно управляемый вентиль для порционной подачи и периодического смачивания змеевика конденсатора, вытяжной вентилятор, смонтированный перед распылительными форсунками. В пространство в виде камеры между распылительными форсунками в ее верхней части и аккумулятором холода в нижней части во встречном потоке воздуха, внедрен радиатор, по теплообменному змеевику которого движется в системе от доильной установки охлаждаемое молоко в резервуар-охладитель. Аккумулятор холода представляет собой резервуар с поперечными перегородками для изменения направления потока пропиленгликоля и увеличения пути его движения к патрубку отбора с охлаждением поверхностных слоев горизонтальным воздушным потоком от вытяжного вентилятора.
Выводы. Разработана установка для охлаждения молока на пастбищных доильных центрах с использованием экологически чистого хладоносителя - пропиленгликоля.
Анализ показал, что применение естественного холода для охлаждения молока с применением естественного холода является основой энергосбережения для рассматриваемых условий эксплуатации.
Литература:
1. Горбатова А. А., Гунькова П.И. Биохимия молока и молочных продуктов. СПб., 2010. 336 с.
2. Технический регламент на молоко и молочную продукцию: ФЗ № 88. М., 2008.
3. Босин И.Н. Применение естественного холода для охлаждения молока. Саранск, 1989. 52 с.
4. Улитенко А. Быстрое охлаждение молока на летних фермах // Молочная пром-сть. 2002. № 9. С. 17-18.
5. Шаповаленко А. Новый хладоноситель в старом оборудовании - способ повышения эксплуатационной безопасности // Холодильная техника. 2006. № 8. С. 40.
6. Пат. 190030 RU. Холодильная установка для ферм / Шилин В.А. и др. Заяв. 31.10.18; Опубл. 14.06.19.
Literatura:
1. Gorbatova A.A., Gun'kova P.I. Biohimiya moloka i mo-lochnyh produktov. SPb., 2010. 336 s.
2. Tekhnicheskij reglament na moloko i molochnuyu pro-dukciyu: FZ № 88. M., 2008.
3. Bosin I.N. Primenenie estestvennogo holoda dlya ohla-zhdeniya moloka. Saransk, 1989. 52 s.
4. Ulitenko A. Bystroe ohlazhdenie moloka na letnih fer-mah // Molochnaya prom-st'. 2002. № 9. S. 17-18.
5. SHapovalenko A. Novyj hladonositel' v starom oboru-dovanii - sposob povysheniya ekspluatacionnoj bezopas-nosti // Holodil'naya tekhnika. 2006. № 8. S. 40.
6. Pat. 190030 RU. Holodil'naya ustanovka dlya ferm / SHilin V.A. i dr. Zayav. 31.10.18; Opubl. 14.06.19.
ENERGY SAVING IN THE MILK COOLING PROCESS ON PASTURE MILKING CENTERS O.A. Gerasimova, doctor of technical sciences, docent S.M. Ivanov, lecturer
FGBOU VO ofVelikiye Luki state agricultural academy E.A. Tikhonov, candidate of technical sciences, docent FGBOU VO of Petrozavodsk state university
Abstract. Currently, the highquality milk total volume increasing issue is particularly acute. It is possible the required milk production's indicators through summer pastures using to achieve. It is also necessary its high quality at processing plant sending to ensure. At the same time, this most important technological process is cooling. It was found that to cool of fresh milk 1500 kg from the 36°C initial temperature to 4°C, it is necessary about of 2,13*105 kJ of thermal energy into the environment to divert and dissipate. If at the same time the cooling duration does not exceed the GOST limits provided by 2-hour time interval, then such energy to dissipate, the flow coolers' cooling capacity it should be at least 30 kW, and more than in 4 times of any refrigeration unit operated in stationary farms' cooling capacity to exceed. As a rule, these are complex, bulky and metal-intensive devices which operating the special premises construction, massive foundations and equal importantly, personnel service skill level's improving will require. For pasture milking conditions using, the milk cooling installation with propylene glycol - that is environmentally friendly coolant has been developed. This installation allows highquality execution of this process, from design's simplicity point of view, as well as management accessible and energy saving to realize. Keywords: milk, cooling, pasture milking center, milk quality.
For citation: Gerasimova O.A., Ivanov S.M., Tikhonov E.A. Energy saving in the milk cooling process on pasture milking centers // Machinery and technologies in livestock. 2022. № 4(48). p. 85-89.
