CC BY
46
8. Gamon J.A., Serrano L., Surfus J.S. The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels. Oecologia. 1997. 112: 492-501.
9. Leman V.M. Kurs svetokul'tury rastenij. - M.: Vysshaya shkola, 1976.
10.SHul'gin I.A. Rastenie i solnce. - L.: Gidrometeoizdat, 1973.
УДК 631.561: 633/635 DOI 10.24411/2078-1318-2020-11149
Аспирант А.Р. РОМАНОВ
(ФГБОУ ВО СПбГАУ, romanov-arsentiy@mail.ru)
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА
НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК
Аналитический обзор технологических схем вторичной переработки молока на предприятиях АПК показал, что использование распылительной сушки в схеме с выпарным аппаратом повышает энергоэффективность производства. Распылительная сушка может работать с раствором, суспензией или пастой. Высушенный продукт состоит из отдельных частиц или агломератов (в зависимости от физических и химических свойств сырья, конструкции сушилки и рабочих условий). Использование современного оборудования позволяет получить продукт высокого качества, обладающего заданными свойствами с низкой энергоемкостью готовых изделий [1, 2].
Эффективность установок повышается за счет использования дополнительного оборудования (сепараторы, система распределения продукта, оборудование для пастеризации и выдержки, оборудование для устранения термофильных бактерий, оборудование для конденсации и вакуумирования, концентраторы, пневматические охладители, оборудование для водяного уплотнения, ультразвуковые форсунки) [1, 3, 4]. Как показала практика, внедрение этого оборудования в аппаратурно-техологические схемы переработки молока позволяет повысить качество получаемой продукции, а контрольно-измерительные приборы обеспечивают заданные технологией режимы работы на всех этапах производства, что исключает потери и повышает энергоэффективность предприятия [4, 5].
Цель исследования - выявление и обоснование методов энергосбережения в аппаратурно-технологической схеме переработки молока на стадии сушки.
Материалы, методы и объекты исследований. Объектом исследования являются методы снижения энергоемкости производства сухого молока. Исследования проведены методами анализа и синтеза аппаратурных решений в структурной схеме переработки продукта с параметром оптимизации - повышение энергоэффективности процессов.
Результаты исследований. Тепло отработанного воздуха в аппаратурно-технологической системе переработки молока можно утилизировать различными способами, в том числе и с использованием скруббера. Если скруббер использует молоко или сыворотку в качестве абсорбента, то одновременно с промывкой происходит процесс испарения. Конечно, основное назначение скруббера — это удаление порошка из отработанного воздуха во избежание загрязнения атмосферы. При этом отработанный воздух охлаждается в скруббере до температуры смоченного термометра (45°С). Его тепло используют для предварительного выпаривания молока перед подачей в выпарной аппарат. Скруббер вносит существенный вклад в экономию тепла при производстве сухого молока. Эта экономия вместе с возвратом продукта оправдывает эксплуатационные расходы и увеличивает окупаемость капиталовложений [5]. Расчет технологических параметров в процессах выпаривания и сушки проводят по стандартным методикам на I-X диаграмме состояния воздуха (диаграмме Рамзина) [5, 6, 7]. Начальная точка процесса отражает состояние воздуха на входе в скруббер. Этот воздух содержит влагу, отчасти поступившую с наружным воздухом (его обычное
влагосодержание - 7 г/кг сухого воздуха), отчасти - в результате испарения при сушке (42 г/кг сухого воздуха) для примера с двухступенчатой распылительной сушилкой, работающей при 230°С [6]. Суммарное влагосодержание - 50 г/кг сухого воздуха (начальная точка входа в систему). Если температура на выходе сушилки и входе в скруббер равна 80°С, а на выходе из скруббера - 50°С, то влагосодержание воздуха на выходе скруббера составит 65 г/кг сухого воздуха, поскольку процесс идет по адиабате. Следовательно, испарение составит 65 - 50 = 15 г влаги / кг сухого воздуха. Наиболее перспективными в настоящее время являются аппараты фирмы Vibro-Fluidizer [7]. Практика показала, что применение аппаратов фирмы Vibro-Fluidizer позволяет снизить температуру на выходе на 10-15°С. Это приводит к гораздо более мягкой сушке, особенно на критической стадии процесса (от 30 до 10% влажности), усыхание частиц не прерывается поверхностным твердением. Условия сушки близки к оптимальным показателям при переработке термолабильной продукции. Более низкая температура частиц отчасти обусловлена более низкой температурой окружающего воздуха, но также и более высоким содержанием влаги. Температура частиц оказывается близкой к температуре смоченного термометра [5, 8, 9]. Этот фактор положительно влияет и на такой важный технологический параметр, как растворимость готового порошка.
Уменьшение температуры на выходе означает более высокий КПД сушильной камеры в силу увеличения полезной разности температуры (Д^. В отдельных технологических схемах сушку проводят при более высокой температуре и при более высоком содержании сухих веществ в сырье, что еще больше повышает КПД сушилки. При этом возрастает и температура на выходе, но повышенное содержание влаги снижает температуру частиц, так что перегрев и поверхностное твердение частиц не происходит. Опыт показывает, что температура сушки может достигать 250°С или даже 275°С при сушке обезжиренного молока, что поднимает КПД сушки до 0,75.
Поскольку расход воздуха, включая воздух из аппарата Vibro-Fluidizer, составляет 42000 кг/ч, то испарение в скруббере равно 630 кг/ч, т.е. 3,5% от общего испарения. Однако экономия тепла достигается только при условии, что абсорбентом служит продукт - обезжиренное молоко или сыворотка. При производстве сухого цельного молока абсорбентом служит вода. Температура в скруббере создает благоприятные условия для роста бактерий. Поэтому скруббер можно использовать лишь при условии, что это не помешает производству первосортного молока. Если установка эксплуатируется согласно инструкции, которая предусматривает промежуточную чистку через 10 часов работы, бактериальное обсеменение будет минимальным, т.к. это время значительно меньше времени развития бактерий. Как и подогрев воздуха конденсатом, использование скруббера дает комплекс преимуществ, поскольку скруббер не только утилизирует тепло, но и очищает воздух и обладает существенной производительностью по испарению. Однако часть этих преимуществ теряется, поскольку каждые 10 часов требуется выполнять чистку. Поэтому скрубберы с продуктом в качестве абсорбента не часто применяются в молочной промышленности. Рассматриваемая система энергосбережения, кроме двухступенчатой сушки, требует совместной работы выпарного аппарата и распылительной сушилки. Однако бывают ситуации, когда работает только распылительная сушилка. Поэтому были разработаны рекуператоры тепла, работающие только с распылительной сушилкой [10, 11, 12].
Рекуператор позволяет использовать тепло отработанного воздуха распылительной сушилки, имеющего температуру 80-95°С, например, для подогрева сушильного воздуха. Но ее можно применять и для нагрева моющей жидкости или для обогрева помещений. Существует две системы рекуперации тепла: «воздух-воздух», «воздух-жидкость-воздух».
Для повышения эффективности теплообмена можно установить также рукавный фильтр, поскольку даже при оптимальном подборе скорости воздуха сепаратор не позволяет полностью исключить отложения на теплообменной поверхности [7]. Рекуператор можно эксплуатировать несколько дней без чистки, но если чистка необходима, для этой цели в аппарат встраивается система безразборной мойки. Если рекуператор охлаждает
отработанный воздух ниже температуры конденсации (которая зависит от влагосодержания воздуха), то энтальпия конденсации тоже используется для подогрева. В этом случае рукавный фильтр перед рекуператором необходим для предотвращения отложений на границе влажной зоны.
В рекуператорах типа «воздух-воздух» (рис. 1) сушильный воздух подогревается отработанным воздухом, движущимся через теплообменник в противотоке.
Рис. 1. Блок-схема рекуператора типа «воздух-воздух»
Теплообменник представляет собой пучок труб, внутри которых течет отработанный теплый воздух, а снаружи - приточный холодный воздух. Встраивание такого оборудования в уже действующую установку может оказаться трудным и дорогим делом, если для этого потребуются длинные воздуховоды большого диаметра, которые без теплоизоляции будут терять сбереженное тепло. Новые установки легче оснастить такими рекуператорами, так как их можно спроектировать с учетом минимизации длины воздуховодов. Температура, до которой можно подогреть воздух, зависит от температуры выходящего воздуха. Поэтому такой тип рекуператора больше всего подходит для одноступенчатой распылительной сушилки, где выходящий воздух имеет высокую температуру. Окружающий воздух подогревается от 10 до 52°С, выходящий воздух охлаждается от 93 до 51°С. Расчет, проведенный по методике [12], показал, что без рекуператора расход топлива составляет 175 кг/ч, расход электроэнергии — 120 кВт. С рекуператором расход топлива составляет 140 кг/ч, расход электроэнергии — 135 кВт.
Топливо
Рис. 2. Расход топлива в схемах сушки молока
Фактическая экономия составляет 18%.
Для упрощения монтажных работ целесообразно использовать рекуператор типа «воздух-жидкость-воздух» (рис. 3).
Теплый воздух
Подача
мающей жидкости
Возврат мающей жидкости
Подогрев воздуха
\ 7 Охлажденный V воздух
Рис. 3. Блок-схема рекуператора типа «воздух-жидкость-воздух»
Данная система представлена двумя теплообменниками, между которыми циркулирует промежуточный теплоноситель, например, вода. В условиях холодных зим, когда температура теплоносителя может опускаться ниже нуля градусов, в воду добавляют антифриз. Поскольку коэффициент теплообмена для пары сред «воздух-вода» выше, чем для пары «воздух-воздух», такая система эффективнее, чем рекуператор типа «воздух-воздух», несмотря на наличие двух теплообменников [7]. Теплообменник для выходящего воздуха представляет собой пучок труб, внутри которых движется запыленный воздух. По межтрубному пространству в противотоке движется вода. Приточный воздух нагревается в обычном теплообменнике из оребренных труб. Для циркуляции воды используется центробежный насос. Окружающий воздух подогревается от 10 до 60°С. Выходящий воздух охлаждается от 93 до 44°С.
Расчеты, проведенные по методике [12], показали, что без рекуператора расход топлива составляет 175 кг/ч, расход электроэнергии - 120 кВт. С рекуператором расход топлива - 130 кг/ч, расход электроэнергии - 142 кВт. Фактическая экономия составляет 23%.
Вывод. Скруббер вносит существенный вклад в экономию тепла при производстве сухого молока. Эта экономия вместе с возвратом продукта оправдывает эксплуатационные расходы и сокращает сроки окупаемости капиталовложений. Выявлено, что в системах без рекуператора расход топлива составляет 175 кг/ч, расход электроэнергии - 120 кВт. В системе с рекуператором расход топлива - 130 кг/ч, расход электроэнергии - 142 кВт. Фактическая экономия составляет 23%.
Литература
1. Беззубцева М.М., Романов А.Р., Волков В.С. Интенсификация процесса распылительной сушки молока с использованием ультразвука // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2019. - № 3 (56). - С. 167-172.
2. Романов А.Р., Беззубцева М.М. К вопросу исследований процесса переработки молока с применением эффектов ультразвукового воздействия // Роль молодых учёных в решении актуальных задач АПК: сборник по материалам международной научно-практической конференции молодых учёных /СПбГАУ. - 2018. - С. 194-196.
3. Галимов М.М. Энергосбережение при распылительной сушке молока // Молочная промышленность. - 2006. - № 4. - С. 48-52.
4. Бышова Н.Г., Туников Г.М., Морозова Н.И., Мусаев Ф.А., Иванова Л.В. Инновационная технология производства молока // Международный журнал экспериментального образования. - 2013. - № 11-1. - С. 101-102.
5. Барышева Е.С., Суптеля В.С., Иванова А.В., Мликов Е.М. Сравнительный анализ биоэнергетической ценности молока и молочных продуктов // Научное обозрение. Педагогические науки. - 2019. - №5. - С. 27-30.
6. Беззубцева М.М., Волков В.С. Практикум по технологическим расчетам процессов переработки сельскохозяйственного сырья. - СПб.: СПбГАУ, 2014. - 94 с.
7. Беззубцева М.М., Волков В.С., Зубков В.В. Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции. - СПб.: СПбГАУ, 2013. - 131 с.
8. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - СПб.: ГИОРД, 2001. - 320 с.
9. Трухачев В.И., Капустин И.В., Злыднев Н.З., Капустина Е.И. Молоко: состояние и проблемы производства: монография. - СПб.: Лань, 2018. - 300 с.
10. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании: учебное пособие. -СПб.: СПбГАУ, 2012. -240 с.
Literatura
1. Bezzubceva M.M., Romanov A.R., Volkov V.S. Intensifikaciya processa raspylitel'noj sushki moloka s ispol'zovaniem ul'trazvuka // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2019. - № 3 (56). - S. 167-172.
2. Romanov A.R., Bezzubceva M.M. K voprosu issledovanij processa pererabotki moloka s primeneniem effektov ul'trazvukovogo vozdejstviya // Rol' molodyh uchyonyh v reshenii aktual'nyh zadach APK: sbornik po materialam mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchyonyh /SPbGAU. - 2018. - S. 194-196.
3. Galimov M.M. Energosberezhenie pri raspylitel'noj sushke moloka // Molochnaya promyshlennost'. - 2006. - № 4. - S. 48-52.
4. Byshova N.G., Tunikov G.M., Morozova N.I., Musaev F.A., Ivanova L.V. Innovacionnaya tekhnologiya proizvodstva moloka // Mezhdunarodnyj zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. -2013. - № 11-1. - S. 101-102.
5. Barysheva E.S., Suptelya V.S., Ivanova A.V., Mlikov E.M. Sravnitel'nyj analiz bioenergeticheskoj cennosti moloka i molochnyh produktov // Nauchnoe obozrenie. Pedagogicheskie nauki. - 2019. -№5. - S. 27-30.
6. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Praktikum po tekhnologicheskim raschetam processov pererabotki sel'skohozyajstvennogo syr'ya. - SPb.: SPbGAU, 2014. - 94 s.
7. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Zubkov V.V. Prikladnaya teoriya teplovyh i massoobmennyh processov v sistemnom analize energoemkosti produkcii. - SPb.: SPbGAU, 2013. - 131 s.
8. Gorbatova K.K. Biohimiya moloka i molochnyh produktov. - SPb.: GIORD, 2001. - 320 s.
9. Truhachev V.I., Kapustin I.V., Zlydnev N.Z., Kapustina E.I. Moloko: sostoyanie i problemy proizvodstva: monografiya. - SPb.: Lan', 2018. - 300 s.
10.Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Kotov A.V. Energoeffektivnye elektrotekhnologii v agroinzhenernom servise i prirodopol'zovanii: uchebnoe posobie. - SPb.: SPbGAU, 2012. - 240 s.
