CC BY
51
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
УДК 637.02
ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОРОВЬЕГО МОЛОКА
Д.А. Чернецов, кандидат технических наук, преподаватель
ТОГАПОУ "Колледж техники и технологии наземного транспорта им. М.С. Солнцева"
В.П. Капустин, доктор технических наук, профессор
Аль Лами Садек Фенжан Хаснави, магистрант
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
E-mail: black777780@mail.ru
Аннотация. На основе анализа существующих способов и средств первичной обработки молока разработана их классификация и установлено, что одним из эффективных путей снижения затрат энергии, сохранения качества молока и повышения надежности систем охлаждения является применение комбинированных технологических систем (КТС) первичной обработки молока. Разработана математическая модель оптимизации КТС, которая зависит от объема выпускаемого молока, расстояния от предприятия-производителя до пункта приема или использования, количества дней в году с положительными и отрицательными значениями температуры, наличия современной техники для первичной обработки молока, степени воздействия на экологическую среду. Предложена КТС предварительного охлаждения молока в потоке с использованием проточных охладителей, сбором подогретой воды и дальнейшим ее использованием для поения животных, определены режимы ее эффективной работы. Проведены испытания КТС в животноводческом хозяйстве АО «Голицыно» Никифоровского района Тамбовской области, на основании которых установлено, что потребление электроэнергии на охлаждение одной тонны молока сокращается на 15-17 кВт, при этом вода для поения животных нагревается до +10-15°С. Внедрение КТС первичной обработки молока охлаждения молока с использованием природного холода для Тамбовского региона позволяет получить годовой экономический эффект на ферме с содержанием 50 коров не менее 25758 рублей со сроком окупаемости в 2,5 года.
Ключевые слова: способы и средства, комбинированная система, параметры, режимы работы, первичная обработка, качество молока, энергоемкость.
Коровье молоко является ценным пищевым продуктом: оно содержит более 200 компонентов, важнейшими из которых являются легкоусвояемые белки, жиры, углеводы, минеральные соли, витамины и многие другие вещества, необходимые для обеспечения нормального роста и жизнедеятельности организма человека. Оно используется для детского питания и как диетический и лечебный продукт при малокровии, туберкулезе, гастрите, отравлениях, заболеваниях печени, почек, желудочно-кишечного тракта [1].
В связи со вступлением России во Всемирную торговую организацию наша молочная отрасль оказалась в крайне сложном положении. Существующие требования к качеству и безопасности молока высшего сорта в России оказались в 7-10 раз ниже, чем в странах Всемирной торговой организации (ВТО). Согласно стандартам Европейского Союза
молоко, соответствующее нашим требованиям 1-го и 2-го сорта, считается непригодным к потреблению и должно утилизироваться. В настоящее время в Российской Федерации производится 90% такого молока [2].
Традиционные системы первичной обработки молока на сегодняшний день не позволяют выполнять требования новых стандартов качества. Одна из основных проблем - время охлаждения свежевыдоенного молока, которая составляет согласно стандартов РФ от 2 до 3 часов. За это время в наших условиях бактериальная обсемененность возрастает в тысячи раз. Такое охлаждение не позволяет остановить рост неблагоприятной микрофлоры, увеличение содержания токсинов, выделяемых вредными микроорганизмами и исключить влияние этих факторов на качество молока. Для сохранения качества молока после доения его необходимо
мгновенно охладить до того, как в нем начнут размножаться вредные для здоровья бактерии. При использовании технологии мгновенного охлаждения температуры молока от плюс 35°С до плюс 4°С снижают за несколько минут и даже секунд в сравнении с 2-3 часами.
На охлаждение одной тонны свежевыдо-енного молока тратиться 30-35 кВтч электроэнергии. А с учетом современных тенденций постоянного роста тарифов на электрическую энергию важной проблемой становятся затраты на электроэнергию.
Существующие технологии и установки (рис. 1) для первичной обработки молока не удовлетворяют требованиям сельскохозяйственного производства и обладают рядом недостатков: большая металлоемкость, низкая надежность, высокий расход электроэнергии; негативное воздействие на окружающую среду и т. д. Поэтому вопросы применения систем для охлаждения молока с использованием природного холода требуют продолжения исследований и разработок.
Основными резервами повышения эффективности использования систем первичной обработки молока является: снижение начальной бактериальной обсеменённости молока путем качественного и своевременного удаления механических примесей, а также улучшения режима промывки и санитарного состояния оборудования; выбор рациональной схемы компоновки системы исходя из условий производства и технических возможностей оборудования; выбор рационального режима хранения молока на основе начальных показателей качества молока, продолжительности хранения и условий доставки его потребителю.
Одним из эффективных путей снижения энергозатрат, повышения надежности систем охлаждения и экологической чистоты процесса охлаждения молока на фермах является разработка и применение энергосберегающих комбинированных систем первичной обработки молока.
При обосновании комбинированных технологических систем первичной обработки коровьего молока должны учитываться сле-
дующие требования:
- качество молока в результате первичной обработки не должно снижаться;
- себестоимость молока и уровень воздействия на окружающую среду не должны повышаться;
- количество наименований молочной продукции не должно сокращаться.
Таким образом, КТС является функцией следующих факторов [3]:
КТС =/(Ж,5,К,Тт,ЭК) , (1)
где Ж - годовой объем производства молока, т; £ - расстояние от предприятия производителя молока до пункта приема или использования, км; К - климатические условия: количество дней в году с положительными и отрицательными значениями температуры, °С; ТТ - наличие современной техники для первичной обработки молока; ЭК -степень воздействия на экологическую среду, %.
Для обеспечения сохранения качества молока и экономии энергии на базе кафедры «Агроинженерия» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» разработан вариант комбинированной технологической системы предварительного охлаждения молока в потоке с использованием проточных охладителей, сбором подогретой воды в промежуточных емкостях и дальнейшим ее использованием для поения животных (рис. 2).
Целью экспериментальных исследований является оценка соответствия технологическим требованиям разрабатываемой энергосберегающей комбинированной системы предварительного охлаждения молока в потоке с использованием проточных охладителей, сбором подогретой воды в промежуточных емкостях и дальнейшим ее использованием для поения животных, определение относительной погрешности измерения температур рабочих жидкостей и их зависимости от параметров и режимов работы технологической системы обработки молока на фермах. Водонапорная башня 5 наполняется артезианской водой температурой плюс 8-12°С посредством насоса и располагается на расстоянии до 200 м от коровника.
1. По способу обработки
Без обработки
Очистка
т
г
От механических примесей
1
От микробиологи-ческих примесей
Бактериофу-гипопапис
Химическая
Фильтры
По фильтрую-щему элементу
По конструкции
По принципу действия
Прямоточные
Противоточные
Перекрестные
Парное молоко
Тканные
Нетканые
Ионнообмен-ники
— Пластинчатые
Трубчатые
Сеператоры-очистители
Дисковые Бактериофуги
Пилинлрические
Плоские
Цеттюбежные! Круглые
Напорные
— Самотечные
Охлаждение Очистка и охлаждение Охлаждение и хранение Сепарирование Пастеризация
т
1
2. По средству обработки
Охлаждение хладоносителем
Испарение хладагента
Машинное
Во флягах |ОхладителиI |Танкн-охладители
По взаимодей-ствию с воздухом
По профилю рабо-чей поверхности
По числу секций
По конструкции
Очищенное молоко
Очищенное и охла-жденное молоко
По форме
По способу дви-жения продукта
По направлению движения сред
Резервуары-охладители
Открытые
Закрытые
В трубах под землей
По конструктивным особенностям
Трубчатые
Пластинчатые
Односекционные
Многосекционные
Однорядные
Многорядные
По виду при-вода
3. По виду продукта
4. По использованию продукта
Гравитационное
Л1
Открытые
Полуза-крытые
Закрытые
По способу обработки
По источ-нику энергии
По характеру процесса
Молочные заводы
£
Предприятия по ПС-реработке молока
и
и
Ручные
Электрические
Комбини-рованные
Непрс-рывные
Периодические
Термические
Холодные
Паровые
Электрические
Инфра-красныс
УФ-облу-чатели
Высокочастотные вибраторы
Сливки и обрат
Пастеризованное молоко
Торговые предприятия
Масло сливочное
Кисломолочные продукты
Пункты общественного питания
Творог
Удовлетворение собственных _нужд потребителя_
Рис. 1. Схема классификации способов и средств первичной обработки молока
Рис. 2. Схема экспериментального образца комбинированной системы первичной обработки коровьего молока: 1 - танк-охладитель молока;
2 - проточный охладитель; 3 - емкость промежуточная; 4 - автопоилка; 5 - водонапорная башня
Затем вода подается по трубопроводу под землей к проточному охладителю 2 (рис. 3). Через охладитель 2 также проходит парное молоко с температурой плюс 35-38°С, при этом оно отдает теплоту холодной воде, а само предварительно охлаждается до температуры плюс 8-10°С и поступает в танк-охладитель 1.
Рис. 3. Охладитель проточного типа, используемый в разработанной комбинированной системе первичной обработки молока
Затем подогретая вода до температуры плюс 10-15°С поступает в промежуточные емкости 3 (рис. 4), расположенные на требуемой высоте (5-6 м), что позволяет в дальнейшем подавать воду в поилки животных 4.
Испытания комбинированной системы первичной обработки молока проводились в животноводческом предприятии АО «Голи-цыно» Никифоровского района Тамбовской области на ферме с содержанием 50 коров.
Рис. 4. Промежуточные емкости для подогретой воды
Экспериментальный образец позволил:
- воспроизводить среднестатистические значения температур рабочих сред - наружного воздуха, воды, молока;
- воспроизводить различные режимы подачи потоков молока;
- проводить оценку относительной погрешности показаний датчиков температур при различных режимах работы.
Для определения режимов работы комбинированной системы: высоты и производительности водонапорной башни, был выполнен расчет потерь в системе. Из технологических и экономических соображений наиболее целесообразно, когда производительность систем первичной обработки молока равняется производительности соответствующих систем доения коров или является несколько меньше последних. Необходимая пропускная способность Q системы обработки молока определяется по формуле [4]:
Q =
т-С-с-к
Р
(2)
365рлТц
где т - количество коров на ферме, голов; G - среднегодовой надой на корову, кг; с - коэффициент месячной неравномерности поступления молока, характеризуется отношением максимального месячного надоя к среднемесячному показателю; кр - коэффициент неравномерности разового надоя; рл -коэффициент, учитывающий длительность лактации коров; Тц - длительность цикла разового доения, ч.
Потребность фермы в воде на поение животных определяется наличием групп животных и среднесуточными нормами водо-потребления по формуле:
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
Фср.сут. = 1т1 ' 41 , (3)
где тI - количество животных /-го вида; д - норма воды на одно животное /-го вида, л [5]; п - количество видов животных.
Водопровод разбит на наружный и внутренний участки длиной, соответственно, 200 и 150 м. При движении в трубах вода встречает два вида сопротивлений: трение по длине трубопровода и местные сопротивления. Суммарные потери напора в водопроводе определяются по формуле:
1 ^в = Лтр + ЛМс, (4)
где йтр - потери напора на преодоление сил трения по трубе, м; ймс - потери напора на преодоление местных сопротивлений, м.
Высоту расположения водонапорного бака определяют из условия обеспечения необходимого напора в наиболее удаленной (диктуемой) точке потребления, пользуясь уравнением У. Бернулли [6]:
Яб = Ясв+1Л , (5)
где Нб - высота расположения днища водонапорного бака над поверхностью земли, м; Нсв - свободный напор, м.
В наружной водопроводной сети на фермах свободный напор согласно СНиП должен быть не менее 10 м [7]. Результаты расчетов приведены в таблице.
В результате испытаний определена интенсивность охлаждения молока в зависимости от способов охлаждения (рис. 5). Из рисунка видно, что при предварительном охлаждении молока водой с последующим охлаждением в танке-охладителе (кривая 1) время охлаждения до плюс 5°С примерно в 4 раза меньше, чем в варианте с наморозкой льда в охладителе (кривая 2) и в 6 раз меньше, чем при прямом охлаждении, т.е. в молочных танках, в которых температура продукта понижается за счет непосредственного контакта с испарителем и хладагентом, в качестве которого применяется фреон (кривая 3) [8]. Экономический эффект в сфере эксплуатации и производства определяется путем сравнения приведенных затрат на охлаждение молока энергосберегающей системой с использованием природного холода (новый вариант) и установкой охлаждения молока с
использованием только искусственного холода (базовый вариант).
Таблица. Результаты расчета водонапорной башни
Показатель Наружный участок Внутренний участок Водопровод
Требуемая пропускная способность системы обработки молока, м3/сут 0,57
Потребность в воде на поение животных, м3/сут 6,5
Скорость течения воды, м/с 0,1 0,4 -
Диаметр трубы, м 0,05 0,025 -
Длина участка, м 200 150 350
Потери на трение по длине, м 0,041 0,98 1,021
Потери на местные сопротивления, м 0,004 0,12 0,124
Суммарные потери, м - - 1,145
Свободная высота, м - - 10
Высота водонапорного бака, м - - 11,145
1,0 1,5
Рис. 5. Интенсивность охлаждения молока:
1 - предварительное охлаждение молока водой с последующем охлаждением в танке-охладителе;
2 - с наморозкой льда; 3 - прямое охлаждение
Выводы.
1. Разработка и применение комбинированной системы первичной обработки молока является эффективным путем снижения затрат.
2. Разработанная комбинированная система обеспечивает:
- сокращение времени выхода на режим охлаждения танка-охладителя, что позволяет снизить потребление электроэнергии;
- сокращение фазы интенсивного размножения бактерий;
- сохранение качества молока;
Journal of VNHMZH №4(28)-2017
173
- возможность длительного хранения молока;
- повышение продуктивности животных в результате поения их подогретой водой.
3. Режимы работы комбинированной системы первичной обработки молока с использованием природного холода при температуре наружного воздуха t меньше плюс 24°С позволяют сократить потребление электроэнергии на охлаждение одной тонны молока с плюс 35-38°С до плюс 8-10°С на 15-17 кВт, при этом нагревая воду для поения животных до плюс 10-15°С.
4. Внедрение комбинированной системы первичной обработки молока охлаждения молока с использованием природного холода для Тамбовского региона позволяет получить годовой экономический эффект на ферме с содержанием 50 коров не менее 25758 руб. со сроком окупаемости в 2,5 года.
Литература:
1. Химия, микробиология и экспертиза молока и молочных продуктов / С.В. Лаптев и др. Бийск, 2009.
2. Иванов Ю.А. Качество молока и эффективность его производства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2012. №2. С. 22-24.
3. Обоснование рациональных режимов использования оборудования для первичной обработки молока / В.И. Доровских и др. // Наука в центральной России.
2016. №3(21). С. 9-15.
4. Бабкин В.П. Механизация доения коров и первичной обработки молока. М., 1986. 271 с.
5. Нормы расходов воды потребителей систем с.-х. водоснабжения: ВНТП-Н-97 (утв. Минсельхозпродом РФ от 14.02.1995 г. Протокол НТС №1).
6. Гусев В.П. Основы гидравлики. Томск, 2009. 172 с.
7. Скляр П.А. Проектирование технологических линий в животноводстве. Кишенев, 2014. 136 с.
8. Доровских В.И. Принципы управления качеством технологических процессов в молочном животноводстве // Наука в центральной России. 2014. №6. С. 22.
Literatura:
1. Himiya, mikrobiologiya i ehkspertiza moloka i moloch-nyh produktov / S.V. Laptev i dr. Bijsk, 2009.
2. Ivanov YU.A. Kachestvo moloka i ehffektivnost' ego proizvodstva // Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekh-nologii. 2012. №2. S. 22-24.
3. Obosnovanie racional'nyh rezhimov ispol'zovaniya oborudovaniya dlya pervichnoj obrabotki moloka / V.I. Dorovskih i dr. // Nauka v central'noj Rossii. 2016. №3(21). S. 9-15.
4. Babkin V.P. Mekhanizaciya doeniya korov i pervichnoj obrabotki moloka. M., 1986. 271 s.
5. Normy raskhodov vody potrebitelej sistem s.-h. vodos-nabzheniya: VNTP-N-97 (utv. Minsel'hozprodom RF ot 14.02.1995 g. Protokol NTS №1).
6. Gusev V.P. Osnovy gidravliki. Tomsk, 2009. 172 s.
7. Sklyar P.A. Proektirovanie tekhnologicheskih linij v zhivotnovodstve. Kishenev, 2014. 136 s.
8. Dorovskih V.I. Principy upravleniya kachestvom tekh-nologicheskih processov v molochnom zhivotnovodstve // Nauka v central'noj Rossii. 2014. №6. S. 22.
A STUDY OF COW'S MILK COOLING COMBINED SYSTEM D.A. Chernetsov, candidate of technical sciences, lecturer
TAGAPOU "College of engineering and technology land transport after M.S. Solntsev" V.P. Kapustin, doctor of technical sciences, professor Al Lamy Sadek Fenjan Hasnawi, magistrant FGBOY VO "Tambov state technical university",
Abstract. Based on the analysis of primary milk processing existing ways and tools their classification is developed and is founded that one of the most effective ways of energy costs reducing, milk quality and cooling systems' reli ability improving is the of combined technology systems (KTS) of milk primary processing using. A mathematical model of KTS optimization is developed, that depends on the produced milk volume, distance from the milk manufacturer producer till the reception or use point, the number of days in an year with temperature positive and negative values, the modern primary milk processing equipment availability, ecological environment impact degree. The KTS of milk pre-cooling in a flow with a flow-through coolers, heated water collecting and its subsequent using for watering animals are proposed, regimes of its effective work are identified. KTS tests on AO "Golitsino" ofNikifo-rovsky region of Tambov district livestock farm on the basis of that it was established that the electricity consumption for one ton of milk cooling is reduced in 15-17 kWt, when watering animals' water is heated up to +10-15°C. The Tambov region KTS introduction for primary milk processing, milk cooling with natural cold using allows to obtain the annual economic effect on the farm with 50 cows maintenance not lesser than 25758 rubles and a payback period for 2,5 years.
Keywords: ways and tools, the combined system, parameters, regimes of operation, primary processing, milk quality, energy consumption.
