CC BY
7
УДК 631.171+637.131 DOI 10.51794/27132064-2021-1-27
МЕТОД РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ХОЛОДА В ТЕХНОЛОГИЯХ ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГИОНОВ
А.Б. Коршунов, кандидат технических наук, доцент Б.П. Коршунов, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: koral314@yandex.ru
Аннотация. Одним из основных направлений в первичной обработке молока на фермах является снижение энергозатрат и сохранение высокого качества производимого молока за счет своевременного и надежного его охлаждения с использованием природного холода и комбинированных льдоаккумуляторов. Для решения указанных задач проводятся исследования по рациональному использованию потенциала природного холода, которые показали, что во всех зонах для охлаждения и хранения сельскохозяйственной продукции могут быть эффективно применимы комбинированные холодильные системы, использующие природный холод различной конфигурации и комплектации, включающие системы грунтового охлаждения. Дан метод расчета основных параметров, определяющих эффективность работы энергосберегающей системы с использованием аккумуляторов холода для различных климатических регионов России. Показано, что одним из путей снижения требуемого объема аккумулятора холода является двухступенчатое охлаждение продукта с предварительным охлаждением. Обоснованы преимущества применения природного холода с водоледя-ными аккумуляторами для охлаждения и хранения животноводческой продукции. Создание энергосберегающих охлаждающих систем с аккумулированием природного холода позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, увеличить надежность, значительно сократить удельный расход энергии на охлаждение продукции и расширить объемы использования технологического холода, являющегося наиболее экологически чистым консервантом продукции животноводства.
Ключевые слова: энергосберегающая система охлаждения, молоко, природный холод, экосол, аккумуляция, потенциал природного холода, хладоноситель.
Введение. Приоритетными задачами работников животноводческой отрасли и моло-коперерабатывающих предприятий АПК является увеличение объемов производства молока и сохранение его качества, что позволит повысить конкурентоспособность отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках. Для решения этой задачи необходим переход к более прогрессивным и ресурсосберегающим технологиям производства молока.
Одним из основных направлений в первичной обработке молока на фермах является снижение энергозатрат и себестоимости производимого молока за счет своевременного и надежного его охлаждения с использованием природного холода и комбинированных льдо-аккумуляторов. Поэтому организация рационального расхода накопленного холода при
охлаждении молока в теплообменных аппаратах аккумуляционного действия имеет большое значение при расчете и технико-экономическом обосновании охлаждающих систем.
Цель исследования - сократить энергоемкость процесса охлаждения и хранения молока и других животноводческих продуктов при сохранении их качества.
Материалы и методы. Для решения указанных задач в ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по рациональному использованию потенциала природного холода (ППХ) в различных агроклиматических регионах страны. Анализ ППХ показал, что практически во всех зонах страны для охлаждения и хранения сельхозпродукции могут быть использованы энергосберегающие комбинированные холодильные системы, использующие природный хо-
лод с применением аккумуляторов как природного холода наружного воздуха и грунта, так и искусственного холода.
Результаты исследования. Для решения задач, связанных с использованием природного холода на животноводческих фермах, в ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых «умных систем» для первичной обработки молока: комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода с использованием экологически безопасных хла-доносителей с низкой температурой замерзания; бесфреоновых систем охлаждения с применением природного холода и вакуумных холодильных установок; пастеризационно-охла-дительных установок, работающих на основе комбинированного применения природного холода и эффекта Пельтье и др.
Основными параметрами, определяющими эффективность работы энергосберегающей системы с использованием аккумуляторов холода, являются:
1. Аккумулирующая способность
£^ас = £Г=1 Г-Ь, (1)
где £ Жас - суммарная аккумулирующая способность, ккал (кДж); С£ - масса льда, кг; г - удельная теплота льдообразования, ккал/ кг (кДж/кг); п - количество аккумулирующих звеньев, шт.
2. Хладовосприятие
£^хв=£Г=1^, (2)
т з £
где £ ^Хв- суммарное хладовосприятие, ккал/ч (кДж/ч); тз £ - время загрузки /-го аккумулятора, ч.
3. Холодоотдача
£^Хо = £Г=1Т%
(3)
1р1
где £ Жхо - суммарная холодоотдача, ккал/ч (кДж/ч); Тр £ - время разгрузки /-го аккумулятора, ч.
4. Соотношение потока охлаждаемого продукта и хладоносителя. При проточном охлаждении
" (4)
Кк = — > 3,
к
производительность насоса хладоносителя, м3/ч.
5. Начальная температура хладоносителя в аккумуляторе холода (¿х1)
0 < ¿0 < 3 . (5)
В перерывах между процессами охлаждения запас холода должен возобновляться либо за счет охлаждения хладоносителя окружающим атмосферным воздухом с помощью приемников природного холода и грунтовых льдоаккумуляторов, либо путем подзарядки от холодильной машины в установках комбинированного действия. При охлаждении продукта в проточном теплообменнике критический объем аккумулятора холода Укр определяется по выражению:
кр ^х2-^х1 Кср = КК • Ккр • Кк)
(6)
где Кк - коэффициент кратности; qп - производительность насоса продукта, м3/ч; qx -
где Ккр- коэффициент критического объема; Ук - объем охлаждаемого продукта, м3; Кк - коэффициент кратности поступления продукта и хладоносителя.
Одним из путей снижения требуемого объема аккумулятора холода (для жидких продуктов) является двухступенчатое охлаждение продукта - с предварительным охлаждением. На первой ступени он охлаждается грунтовой водой до температуры 15°С, а на второй ступени - "ледяной" водой из аккумулятора холода. В процессе эксплуатации аккумуляторов необходимо учитывать как м а с су охл аждаемого продукта, так и температуру хладоносителя в аккумуляторе холода.
Обоснование конкретной энергосберегающей системы проводится в два этапа: по обобщенным агроклиматическим характеристикам района и требованиям к системе охлаждения . К климатическим характеристикам региона относятся: Iо - расчетная зимняя температура наружного (окружающего) воздуха, °С; ¿хс - средняя температура наиболее холодных суток, °С; ¿г - среднегодовая температура, °С; пх - продолжительность холодного периода; У - средняя скорость ветра самого холодного месяца в году, м/с; Q - хладопроизводитель-ность системы, кВт; X - коэффициент уровня аккумулирования холода. Полученное решение корректируется по требованиям конк-
ретного места установки системы. При этом учитываются конкретные условия объекта по возможности землеотвода, планировочным решениям производственных помещений, наличию и качеству систем водоснабжения, принятой технологии и режиму доения и транспортировки молока, ориентации производственных участков по сторонам света и другие факторы.
Целевая функция обоснована с учетом основного критерия, используемого при выборе конкретного варианта охлаждающей системы для данного объекта. Основной критерий формируется следующим образом.
Величина получаемой прибыли от эксплуатации системы на единицу вложенных средств. Этот критерий является функцией следующих переменных:
Пи =/(*ю;£хс;£г;пх;^С;А). (7)
В таблице 1 представлены климатические характеристики сельскохозяйственных объектов некоторых регионов страны.
Таблица 1. Климатические характеристики
Л = ^,
(10)
Регион Город-типо-представитель to, оС пх, сут. V, м/с
Северный Ярославль 67,8 222 4,4
Центральный Москва 55,4 205 4,9
Южный Краснодар 29,7 152 3,6
При выборе района размещения технологического объекта независимые переменные txc; К; пх; V целевой функции могут быть приняты постоянными. Для района размещения объекта целевая функция будет функцией только двух переменных:
Пу = К¡(¿;Л) ^тах. (8)
При этом ( выбирается для конкретного объекта. Наиболее распространенной величиной для животноводческих ферм, размещенных в различных регионах страны, принята величина (= 30 кВт. Таким образом, при решении конкретной задачи для заданного района или заданной мощности системы целевая функция является функцией одного независимого переменного - коэффициента аккумулирования Л.
П0 = К ¡(Л)^тах, 0 < Л< 1,0 (9)
где Ж - фактическая аккумулирующая способность системы, кВтч; Жб - суточная потребность в холоде холодильной системы для охлаждения требуемого количества сельскохозяйственной продукции, кВтч.
Были исследованы основные технологические и технические решения для рассматриваемых регионов. Из проведенных исследований следует, что на сельскохозяйственных объектах, расположенных в первом (северном) регионе с максимальным потенциалом холода системы охлаждения для выработки низкопотенциального холода могут быть выполнены без парокомпрессионных холодильных машин. В качестве приемника и аккумулятора природного холода может быть ис пользовано автоматизированное льдохранилище.
Во втором (центральном) регионе в рекомендуемых системах охлаждения в качестве приемника природного холода может быть использован приемник природного холода распылительного или эжекторного типа, охлаждающего в холодное время года непосредственно сельскохозяйственную продукцию, например, молоко, а в теплое время года - конденсатор подзарядной холодильной машины парокомпрессионного или вакуумного действия. Этот же агрегат может осуществлять предварительное охлаждение сельскохозяйственной продукции. В качестве аккумулятора холода рекомендуется использование водоледяного аккумулятора. Описываемая система может применяться и на сельскохозяйственных объектах первого региона России, если нет возможности размещения льдохранилища необходимого объема.
В третьем (южном) регионе в качестве источника природного холода рекомендуется система использования грунтовых вод с возвращением воды в водоносные горизонты грунта. В качестве приемника природного холода воздуха рекомендуются аппараты распылительного или водоэжекторного действия, в качестве аккумулятора холода - водо-ледяной аккумулятор с панельными испарителями. Эта система может использоваться и
во втором регионе при наличии грунтовых вод. Она является второй по уровню эффективности системой, применяемой при планировке объекта, исключающей размещение на нем основной системы. В случае отсутствия возможности для эффективного использования грунтовых вод в третьем регионе может быть использована система, рекомендуемая для второй зоны с более высоким потенциалом холода.
Выводы. Предложенный метод расчета позволяет обеспечить рациональный расход накопленного холода при охлаждении молока в теплообменных аппаратах аккумуляционного действия, что имеет большое значение при расчете и технико-экономическом обосновании холодильных установок и систем управления. Создание энергосберегающих охлаждающих систем с аккумулированием природного холода позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, увеличить надежность, значительно сократить удельный расход энергии на охлаждение молока при сохранении его высокого качества и расширить объемы использования технологического холода, являющегося лучшим и наиболее экологически чистым консервантом продукции животноводства.
Литература:
1. Иванов Ю.А. Цифровое животноводство: перспективы развития // Вестник ВНИИМЖ. 2019. № 1. С. 4-7.
2. Тихомиров И.А. Ресурсосберегающие технологии производства высококачественного молока // Вестник ВНИИМЖ. 2018. № 4. С. 92-99.
3. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-мо-лочных отделений животноводческих ферм. М., 2010.
4. Цой А.П. Классификация хладоносителей и их анализ // Казахстан-холод 2015. Алматы, 2015. С. 161-164.
5. Калнинь И.Н. Энергоэффективность и экологическая безопасность холодильных систем // Холодильная техника. 2008. № 3. С. 12-14.
6. Коршунов А.Б. Влияние энергосберегающих систем с использованием природного холода на энергоемкость процесса охлаждения молока // С.-х. машины и технологии. 2020. Т. 14, № 3. С. 39-44.
7. Коршунов Б.П., Коршунов А.Б. Аккумуляция холода: резерв повышения энергоэффективности охлаждения и хранения животноводческой продукции // Вестник ВИЭСХ. 2018. № 1. С. 38-44.
Literatura:
1. Ivanov YU.A. Cifrovoe zhivotnovodstvo: perspektivy razvitiya // Vestnik VNIIMZH. 2019. № 1. S. 4-7.
2. Tihomirov I.A. Resursosberegayushchie tekhnologii proizvodstva vysokokachestvennogo moloka // Vestnik VNIIMZH. 2018. № 4. S. 92-99.
3. Coj YU.A. Processy i oborudovanie doil'no-molochnyh otdelenij zhivotnovodcheskih ferm. M., 2010.
4. Coj A.P. Klassifikaciya hladonositelej i ih analiz // Ka-zahstan-holod 2015. Almaty, 2015. S. 161-164.
5. Kalnin' I.N. Energoeffektivnost' i ekologicheskaya bezo-pasnost' holodil'nyh sistem // Holodil'naya tekhnika. 2008. № 3. S. 12-14.
6. Korshunov A.B. Vliyanie energosberegayushchih sis-tem s ispol'zovaniem prirodnogo holoda na energoemkost' processa ohlazhdeniya moloka // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2020. T. 14, № 3. S. 39-44.
7. Korshunov B.P., Korshunov A.B. Akkumulyaciya holoda: rezerv povysheniya energoeffektivnosti ohlazhde-niya i hraneniya zhivotnovodcheskoj produkcii // Vestnik VIESKH. 2018. № 1. S. 38-44.
METHOD OF NATURAL COLD'S APPLICATION EFFECTIVENESS CALCULATING AT LIVESTOCK PRODUCTS' PROCESSING AND STORAGE TECHNOLOGIES, TAKING INTO ACCOUNT THE REGIONS' CLIMATIC
CHARACTERISTICS
A.B. Korshunov, candidate of technical sciences, professor's associate
B.P. Korshunov, candidate of technical sciences Federal scientific agroengineering center VIM
Abstract. One of the main directions of the primary milk processing on farms is energy consumption reducing and produced milk high quality maintaining due to its timely and reliable cooling by natural cold and combined ice accumulators using. To solve these problems, studies on the natural cold potential's rational use, that have shown that in all areas for agricultural products' cooling and storing, there are natural cold's combined refrigeration systems of various configurations and configurations, including ground cooling systems using are being conducted, that can be effectively used. A method for the main parameters calculating that the energy-saving system using efficiency of cold storage batteries for Russian various climatic regions determining is given. It is shown that one of the ways of the cold storage battery's required volume reducing is product's two-stage cooling with precooling. The natural cold using advantages with water-ice accumulators for livestock products' cooling and storage are justified. The energy-saving cooling systems with the natural cold accumulation's creation allows capital and operating costs to reduce, reliability to increase, the specific energy's consumption for products' cooling and the technological cold volume's using, that is animal products' the most environmentally friendly preservative, significantly to reduce.
Keywords: energysave cooling system, milk, natural cold, ecosalt, accumulation, natural cold's potential, coolant.
