CC BY
11АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 664.8.022.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ЭНЕРГОЗАМЕЩАЮЩЕ-ГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА
Гербер Ю. Б., доктор технических наук, профессор;
Гаврилов А. В., кандидат технических наук, доцент;
Вербицкий А. П., кандидат технических наук, доцент;
Сироткина Э. М., инженер-технолог, лаборант кафедры
Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского»
В статье приведен обзор и анализ способов снижения энергозатрат в технологиях переработки молока, особенно при длительных тепловых процессах производства кисломолочных продуктов, которые требуют постоянных температур с узким диапазоном отклонения от нормы.
На основе разработанной программы и методики проведены исследования влияния температурных параметров работы технологического оборудования, в частности пастери-зационно-охладительной установки, на качество молочной продукции.
Ключевые слова: качество молочной продукции, энергетические затраты, тепловая обработка молочных продуктов, гелиоустройство.
USING INTEGRATED ENERGY REPLACING DEVICE FOR MILK PROCESSING
Gerber Y. B., Doctor of Engineerings Sciences, Professor;
Gavrilov A. V., Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor; Verbitsky A. P., Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor; Sirotkina E. M., Engineer, Laboratory assistant of the department; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The research and analysis of the ways to reduce energy consumption in the processing of milk, especially during long thermal processes for the production of dairy products, which require constant temperature with a narrow range of deviation from the norm has been adduced in the article.
At the basis of developed programs and research methodology influence of temperature processing parameters on the quality of milk production, research of thermal equipment, including pasteurization, cooling device has been conducted.
Key words: quality of dairy products, energy costs, heat treatment of dairy products, heliodevice.
Введение. Проведенные аналитические исследования показали, что доминирующим фактором энергозатрат в тепловых процессах переработки молока является температура и объем теплоносителя - воды. Предварительный ее подогрев с помощью энергозамещающего устройства и подача к тепловым аппаратам позволит снизить расход электроэнергии или других теплоносителей и сделает производство менее энергозатратным [1].
Анализ мировых тенденций, исследований и технических решений по снижению энергетических затрат в тепловых процессах переработки молока позволяет сделать вывод о целесообразности использования солнечной энергии в качестве дополнительного источника получения тепла и сокращение затрат электроэнергии при нагревании от бойлера. Значительные затраты энергии в тепловых процессах молокоперерабатывающего предприятия приходятся на пастеризацию молока. Температурный интервал нагрева воды до требуемого значения может составлять до 70 °С. Как показали проведенные ранее эксперименты на кафедре технологии производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования, применение энергозамещаю-щего устройства для начального подогрева воды при благоприятных погодных условиях в теплое время года может снизить этот интервал до 20-30 °С, а при неблагоприятных - до 40-50 °С [2]. Другими словами, нагрев теплоносителя от начальной температуры поступления в цех переработки на 20-40 °С можно осуществить путем использования указанного устройства. Экономия электроэнергии на подогрев каждых 100 литров воды до температуры пастеризации 82 °С от начальных 12 °С составляет, соответственно, от 2,3 до 4,5 и кВт/ч.
С целью выбора гелиоколлекторов и разработки схемы энергозамещающего устройства были проведены исследования конструктивных особенностей и схем соединения гелиоколлекторов. Обзор существующих конструкций гелиоколлекто-ров показал, что основными их типами являются: плоский солнечный коллектор -самый распространенный вид солнечных коллекторов; коллектор в виде батареи стеклянных трубок; вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде, а также с встроенным теплообменником. Кроме того, определенный интерес представляет вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками [3].
Важным преимуществом солнечных коллекторов с тепловыми трубками является их способность работать при температурах до -35 °С (полностью стеклянные солнечные коллекторы с тепловыми трубками) или даже до -50 °С (солнечные коллекторы с металлическими тепловыми трубками).
Как показали предыдущие исследования, за счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в летнее время. В осенне-весенний период от солнца можно получить до 30% необходимой энергии на отопление и до 60% от потребностей - на горячее водоснабжение [4].
Довольно распространенный и, пожалуй, наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения производственных процессов малой и средней производительности - система, представляющая
собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов.
Существуют несколько схем для подогрева воды, преимущество имеют двухконтурные схемы с принудительной циркуляцией теплоносителя - как универсальные, всесезонные и надежные в эксплуатации.
Материал и методы исследований. На основе анализа конструктивных особенностей и схем соединения гелиоколлекторов можно сделать вывод о целесообразности использования двухконтурной системы циркуляции теплоносителя на основе вакуумных или плоских коллекторов.
Результаты и обсуждение. Для исследования нагрева воды в процессах пастеризации и сквашивания молока с целью определения коэффициента замещения электрической энергии в теплый период года разработано и изготовлено комплексное энергозамещающее устройство, принципиальная схема которого показана на рис. 1 [5].
Оно состоит из двух плоских коллекторов общей площадью 2 м2 последовательно соединенных, термоизолированного бака-аккумулятора для хранения и циркуляции нагретой воды, соединительных термоизолированных трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры.
Экспериментально-производственное энергозамещающее устройство расположено на солнечной площадке и ориентировано на юг, с углом наклона гели-околлекторов в пределах 30-40 град. в зависимости от времени года (рис. 2, 3).
Энергозамещающее устройство находится под постоянным давлением водопроводной системы, с термосифонной циркуляцией теплоносителя в гелио-коллектор и бак-аккумулятор при закрытом кране водозабора (рис. 4).
За счет вертикального размещения бака-аккумулятора, нагретые слои воды находятся в верхней части и вытесняются снизу под действием давления водопроводной воды, при открывании крана водозабора.
Рис. 4. Подсоединение трубопровода нагретой воды от энергозамещающего устройства к бойлеру
Емкость бака аккумулятора составляет 150 л, что достаточно для процесса пастеризации молока и мойки оборудования после его окончания.
Накопленная во второй половине светового дня нагретая вода энергозамещаю-щим устройством сохраняется в баке-аккумуляторе до утра за счет его теплоизоляции.
Для проверки работоспособности комплексного энергозамещающего устройства были проведены пробные исследования работоспособности теплоносителя и системы при изменении температурных параметров в гелиоколлекторе, баке-аккумуляторе.
Поисковое исследование экспериментально-производственного энергозаме-щающего устройства проводились с целью проверки аналитических результатов.
Система измерения включает в себя: 8 термопар типа К (кромель - алюмель), изготовленных из проволоки диаметром 0,3 мм и покрытых кремний - органической электроизоляцией с неизолированным спаем; контроллер Д-ИТ-81 П-И^Т; адаптер RS-485/USB; персональный компьютер и программное обеспечение для регистрации экспериментальных данных. Система обеспечивает измерение и регистрацию температуры в диапазоне - 40...65 оС при максимальной частоте регистрации 0,1 Гц. Контроллер оснащен встроенным термометром сопротивления для учета температуры холодного соединения термопар и программного преобразования электрических сигналов термопар и термометра сопротивления в температуру горячего спая термопары согласно номинальной характеристики преобразования термопар типа К. Система позволяет записывать сигналы термопар на жесткий диск персонального компьютера.
На рис. 5 приведена диаграмма изменения параметров теплоносителя и окружающей среды в ходе работы энергозамещающего устройства.
Рис. 5. Диаграмма изменения температурных параметров экспериментально-производственного энергозамещающего устройства, полученная 02.05.2016 г.: 1 - температура нагрева абсорбера гелиоколлектора; 2 - температура нагрева воздуха под стеклом коллектора; 3 - температура воды на выходе из второго гелиоколлектора; 4 - температура воздуха на солнечной стороне; 5 - температура воды на выходе из первого гелиоколлектора; 6 - температура воздуха в тени; 7 - температура воды на входе в коллектор; 8 - температура воды в баке аккумуляторе.
На оси абсцисс представлено количество точек замера с периодичностью 30 сек, а на оси ординат - значение температуры параметров теплоносителя и окружающей среды.
Данные, полученные при замерах, показывают, что даже в начале весенне-летнего периода состоялся нагрев теплоносителя на величину ~ 57°С. Это показывает потенциальные возможности использования солнечной энергии в тепловых процессах переработки молока. Это даст возможность уменьшить необходимый температурный диапазон догрева воды на 25-30 оС. Благодаря этому экономия электроэнергии за этот день составила около 3,4 кВт на каждые 100 л воды.
Задачами дальнейших исследований является переоборудование системы на двухконтурный режим циркуляции теплоносителя и исследования технологических возможностей устройства при производстве различных молочных продуктов в зависимости от времени года, величины солнечной радиации и температуры окружающей среды.
Выводы: 1. В работе проведено поисковое исследование экспериментально-производственного энергозамещающего устройства для предварительного подогрева воды для тепловых процессов переработки молока. Проведенный поисковый эксперимент показал, что даже в начале весенне-летнего периода возможен нагрев теплоносителя на величину ~ 57 °С, что согласуется с расчетными данными и позволит экономить электроэнергию в тепловых процессах переработки молока.
2. Экспериментально-производственное энергозамещающее устройство показало потенциальные возможности уменьшения необходимого температурного диапазона догрева воды, в рассмотренном случае на 25-30 оС, благодаря чему экономия электроэнергии составила около 3,4 кВт на каждые 100 л воды.
Список использованных источников:
1. Гербер Ю. Б. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в отраслях АПК / Научные труды ЮФ «Крымский агро-технологический университет» НАУ (технические науки) - Симферополь, 2008. - Вып. 113. - С. 3-6.
2. Гербер Ю. Б. Энергоемкость и энергосодержание технологии производства молока / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «Крымский агротех-нологический университет». - Симферополь, 2012. - Вып. 146. - С. 12-17.
3. Бекман У. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. Бекман, С. Клейм, Д. Деффи, - М.: Энергоиз-дат. - 1982. - 76 с.
References:
1. Gerber Y. B. Prospects for the use of renewable energy sources in the agribusiness sectors / Proceedings Law Firm Crimean Agriculture technology University» UNAM (engineerings sciences). - Simferopol, 2008. - Vol. 113. -P. 3-6.
2. Gerber Y. B. Energy intensity and energy content of the milk production / Proceedings of technology L F NUBiP Ukraine «Crimean Agriculture technology university». - Simferopol, 2012. - Vol. 146. - S. 12-17.
3. Bekman U. Raschet systems of sun teplosnabzheniya / U. Bekman, C. Klaym, D. Deffi, - M.: Energoizdat. -
1982. - 76 p.
4. Schlesser J. E., Armstrong D. J., Cinar A., Ramanauskas P., Negiz A. Automated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization // J. Dairy Sci. - 1997. - V. 80. - №10 -Р. 2291-2296.
5. Устройство для комплексного нагревания сушильного агента. №35615, Украша МПК (2006) u200805875, F24J 2/06 - заявл. 06.05.2008, опубл. 25.09.2008, Бюл. 18. Авторы: Гербер Ю. Б., Ковтун В. М., Гаврилов А. В.
Сведения об авторах:
Гербер Юрий Борисович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора Академии биоресурсов и природопользования по учебной работе, профессор кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», е-тай: gerber_1961@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»;
Гаврилов Александр Викторович -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», заместитель декана факультета механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции Академии биоресур-
4. Schlesser J. E., Armstrong D. J., Cinar A., Ramanauskas P., Negiz A. Automated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization // J. Dairy Sci. - 1997. - V. 80. - №10 -P. 2291-2296.
5. An apparatus for heating integrated desiccant. №35615, Ukraine IPC (2006) u200805875, F24J 2/06 -appl. 06.05.2008, publ. 25.09.2008, Bull. 18. Authors: Gerber Y. B., Kov-tun V. M., Gavrilov A. V.
Information about the authors:
Gerber Yriy Borisovych - Doctor of Engineerings Sciences, Professor, the deputy director of the Academy of Life and Environmental Sciences on educational work, Professor of department of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: gerber_1961@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe;
Gavrilov Alexander Viktorovich -Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor, Associate Professor of department of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», deputy of dean of faculty of mechanization of production and technology of processing
сов и природопользования по учебной работе, е-таП: tehfac@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»;
Вербицкий Алексей Петрович -кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», е-таЛ: aleksey195883@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»;
Сироткина Эльмира Михайловна -инженер-технолог, лаборант кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»
of agricultural produce of the Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: tehfac@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe;
Verbitsky Alexey Petrovich -Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor, head of department of department of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: aleksey195883@ mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Ver-nadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe;
Sirotkina Elmira Mihaylovna -engineer, assistant of the department of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Uni-versity», e-mail: aleksey195883@mail. ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
