CC BY
4
Литература
1. Пейль А.К., Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Повышение эффективности параболического концентратора солнечной энергии // StudNet. 2020. Т. 3. N° 11. С. 111.
2. Андреев Л.Н., Юркин В.В., Басуматорова Е.А. Эффективность применения систем частичной рециркуляции воздуха в свиноводческих помещениях // Известия Оренбургского государственного аграрного университета 2020. № 5 (85). С. 140 - 144.
3. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Мониторинг состояния воздушной среды вблизи крупных животноводческих комплексов Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 179 - 181.
4. Ашихмин А.А., Андреев Л.Н., Суринский Д.О. Влияние электроотпугивателя птиц на энергетическую эффективность производства продукции растениеводства
Тюменской области // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II всерос. (национ.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 290 -294.
5. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Особенности конструкций электрофильтра-озонатора в АПК // Молодёжь и инновации: матер. XV Всерос. науч.-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Тюмень, 2019. С. 279 - 283.
6. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Разработка системы удаления вредностей из воздушной среды животноводческих помещений // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 4 (33). С. 223 - 231.
7. Захидов Р.А., Вайнер А.А. Параболоид гипербо-лоидные концентрирующие системы и их точность // Гелиотехника. 1977. № 1. С. 42 - 49.
Александр Константинович Пейль, аспирант. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, pejl.ak@asp.gausz.ru
Леонид Николаевич Андреев, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, andreevln@gausz.ru
Alexander K. Peil, postgraduate. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, pejl.ak@asp.gausz.ru
Leonid N. Andreev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, andreevln@gausz.ru
-Ф-
Научная статья УДК 631.31
ао1: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-177-181
Система аккумулирования и использования природного холода годовой потребности и результаты исследования её функционирования
Андрей Петрович Козловцев1, Владимир Александрович Шахов1,
Максим Борисович Фомин1, Василий Иванович Квашенников1,
Мария Игоревна Попова1, Денис Викторович Портнов1,
Зоя Вячеславовна Макаровская2
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Московский государственный университет пищевых производств
Аннотация. В статье представлены научно-методологические основы снижения энергетических затрат при охлаждении молочной продукции в процессе её производства на молочно-товарных фермах за счёт применения природного холода. Увеличению интереса к использованию природного холода способствует прежде всего обострение энергетических проблем, связанных с ростом мирового промышленного производства. Такая тенденция приводит к постоянному увеличению стоимости энергоносителей, и в сельском хозяйстве довольно серьёзно отражается на себестоимости получаемой продукции. Применение естественного холода в процессе охлаждения молочной продукции является очень распространённым направлением не только в научно-исследовательских работах и новых идеях изобретателей, но и при конструировании холодильных машин. Вариантами применения природного холода являются водооборотные льдоаккумуляторы для молочно-товарных ферм. Предлагаемый льдоаккумулятор простой по конструкции, надёжен в работе, не требует сложного технического обслуживания, долговечен и не использует электроэнергию для наморозки льда и дальнейшего охлаждения молока. Использование такого устройства позволит снизить себестоимость производства при переработке молока на молочно-товарных фермах и сократить затраты на обслуживание.
Ключевые слова: охлаждение, пищевые продукты, природный холод, аккумуляторы холода, энергосбережение.
Для цитирования: Система аккумулирования и использования природного холода годовой потребности и результаты исследования её функционирования / А.П. Козловцев, В.А. Шахов, М.Б. Фомин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 177 - 181. doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-177-181.
Original аrticle
The system of accumulation and use of natural cold of the annual demand and the results of the study of its functioning
Andrey P. Kozlovtsev1, Vladimir A. Shakhov1, Maxim B. Fomin1, Vasily I. Kvashennikov1,
Maria I. Popova1, Denis V. Portnov1, Zoya V. Makarovskaya2
1 Orenburg State Agrarian University
2 Moscow State University of Food Production
Abstract. The article presents the scientific and methodological basis for reducing energy costs when cooling dairy products in the process of its production on dairy farms through the use of natural cold is a popular task in the modern world. The increase in interest in the use of natural cold contributes, first of all, to the aggravation of energy problems associated with the growth of global industrial production. This trend, of course, leads to a constant increase in the cost of energy resources, and in agriculture it has a rather serious impact on the cost of production. The use of natural cold in the process of cooling dairy products is a very common direction not only in research works and in new ideas of inventors, but also in the design of refrigeration machines. A variant of the use of natural cold is water-circulation ice accumulators for dairy farms. The proposed ice accumulator is simple in design, reliable in operation, does not require complex maintenance, is durable and does not use electricity when freezing ice and further cooling milk. The use of such a device will reduce the cost of production and processing of milk on dairy farms and reduce maintenance costs.
Keywords: refrigeration, food products, natural cold, cold accumulators, energy saving.
For citation: The system of accumulation and use of natural cold of the annual demand and the results of the study of its functioning / A.P. Kozlovtsev, V.A. Shakhov, M.B. Fomin et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89 (3): 177 - 181. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-177-181.
Рынок молока и молочной продукции является важнейшей составляющей агропродоволь-ственного рынка. Максимальный уровень удовлетворения потребностей населения в молоке находится в прямой зависимости от состояния молочно-товарного комплекса, которое на сегодняшний день в РФ характеризуется прогрессирующей тенденцией спада производства молока, снижением численности поголовья коров и их годовой продуктивности. Причиной сложившейся ситуации является нерентабельность молочнотоварных ферм (МТФ), возникшая вследствие превышения себестоимости производства молока над его закупочной стоимостью [1]. Поэтому повышение рентабельности МТФ - важнейшая задача на сегодняшний день.
Вышеобозначенная задача нашла отражение в новой программе Министерства сельского хозяйства РФ по развитию агропромышленного комплекса до 2025 г. К этому времени планируется увеличить производство молока на 1,3 млн т [2]. Оренбургская область также включена в число участников программы. Для достижения поставленной задачи необходимо сохранить существующие меры государственной поддержки и закрепить тенденцию к снижению себестоимости производства молока. Это возможно за счёт внедрения альтернативных источников энергии в производственный процесс его первичной переработки, в частности для охлаждения.
На сегодняшний день подавляющая часть производимого в РФ молока охлаждается холодом машинной выработки, в то время как важнейший возобновляемый энергетический ресурс - природный холод - практически не используется. Но даже самые прогрессивные модели холодильных
машин имеют множество серьёзных неустранимых недостатков. Это сложное конструктивное исполнение, использование в системе хладагента фреона. Также холодильные машины энергоёмки, так как на охлаждение каждой тонны молока затрачивается до 29 кВт-ч электроэнергии, в то время как тарифы на электроэнергию с каждым годом растут [3, 4]. Всё это в будущем может повлечь за собой необходимость полного отказа от охлаждения холодом машинной выработки. В связи с этим имеет смысл вновь обратить внимание на использование естественного холода. Уже сейчас ведутся разработки в области энергосберегающих технологий охлаждения молока. Наиболее популярным направлением в этой области является использование естественного холода в форме водного льда [5]. Температуры, которые могут быть получены с помощью водного льда, оказываются достаточными для охлаждения молока, что обусловлено его доступностью и такими свойствами, как большая скрытая теплота плавления 335 кДж/кг и низкая температура тающего льда [6 - 8].
Материал и методы. Традиционно лёд заготавливали путём выколки на естественных водоёмах и доставки к месту использования. Этот способ предусматривал высокие трудозатраты. Для сокращения трудозатрат возникает идея приблизить водоём к месту использования, соорудив глубокий бассейн в непосредственной близости к МТФ. Такой бассейн обеспечил бы круглогодовое охлаждение молока и полный отказ от холодильных машин. Но как аналог природного водоёма он не решит проблему накопления льда годовой потребности. Причиной этому служат аномальные свойства воды: лёд не тонет, а плавает на поверхности воды. У воды
твёрдая фаза легче жидкой, лёд поднимается наверх. Если изменить процесс на границе с холодным воздухом и опускать лёд, то процесс замерзания пойдёт гораздо быстрее, чем он идёт на самом деле. [9, 10]. Значит, лёд в бассейне следует затапливать принудительно, послойно.
Одним из способов послойного намораживания льда является накопление в заглублённом льдохранилище (рис. 1) [11], в котором ледяные пласты, достигнув заданного значения, затапливаются путём откачки воды из льдохранилища. Но в этом случае лёд неизбежно примерзает к стенкам горловины льдохранилища. В природе не существует материалов с полностью не при-мерзаемой поверхностью [11 - 13].
В связи с названной проблемой отлипания льда от поверхности горловины мы предлагаем нагревать её проводом НеаШпе. Конструкция льдохранилища, реализующая эту идею, представлена на рисунке 1.
Рабочий процесс осуществляется следующим образом. Перед наступлением морозного периода льдохранилище 1 заполняется водой до середины горловины. При замерзании первого слоя до толщины 10 см оператор включает нагревательную обмотку горловины 4 для отлипания пласта льда от горловины по всему периметру. После отлипания пласта оператор включает насос 2 и перекачивает воду из бассейна в ёмкость 12, установленную на крыше молочного отделения. Вместе с уровнем воды в бассейне опускается намороженный пласт льда 6 и удерживается в затопленном положении фиксаторами 5. Затем
вода из ёмкости 12 самотёком возвращается в бассейн, где её уровень поднимается до середины горловины. Далее процесс повторяется с последующими пластами.
С целью обеспечения равномерного прогрева горловины по всей высоте и минимизации времени отлипания ледяного пласта от стенок горловины необходимо рассчитать шаг намотки нагревательного провода НеаШпе (Ш) по формуле, выведенной теоретически:
Ш = 2b = Ain^o.
у r-Tj -
(1)
где То - температура непосредственно под нагревательным проводом, К; Тя -температура окружающей среды, К; Т - температура стенки, К; ¥ - постоянное значение.
У =
5РлСл
Kz
где 5 - толщина слоя льда, которую предстоит расплавить, м;
рл, сл - соответственно плотность льда, кг/м3. удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К); К - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); г - толщина стенки, м. В результате расчёта получим, что шаг намотки нагревательного провода для горловины из алюминия толщиной 3 мм, при температуре нагревательного провода 60 °С, температуре морозного воздуха -10 °С, составит 56 мм. При горловине из оцинкованной стали толщиной
Рис. 1 - Схема системы аккумулирования и использования природного холода годовой потребности методом затопления ледяных пластов:
1 - льдохранилище; 2 - насос; 3 - минимальный уровень воды; 4 - нагревательная обмотка горловины льдохранилища; 5 - фиксаторы затопленных пластов; 6 - затопленный ледяной пласт; 7 - вентилятор; 8 - пластинчатый теплообменник-охладитель; 9, 10 - вентили; 11 - труба; 12 - ёмкость для воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» (СОУ)
3 мм и аналогичным температурным условием шаг намотки нагревательного провода составит не более 29 мм.
Результаты исследования. Для подтверждения теоретических расчётов были проведены эксперименты с применением методики теплови-зионного исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища посредством тепловизора «Testo 875», а также методики определения времени отлипания ледяного пласта от стенок горловины.
Результаты эксперимента по определению времени отлипания ледяного пласта от стенок горловины показали, что из всех исследуемых образцов (алюминий, оцинкованная сталь, пластик, бетон) скорейшим образом происходит отлипание льда от образца из алюминия или оцинкованной стали при шаге намотки нагревательного провода Heatline 15 мм и его удельной мощности 20 Вт/м, что подтверждают теоретические расчёты (рис. 2).
—♦— алюминий -А- пластик
—оцинкованная сталь бетон
Рис. 2 - График зависимости времени
отлипания льда от стенок горловины льдохранилища из бетона, пластика, оцинкованной стали, алюминия от удельной мощности нагревательного провода при шаге намотки 15 мм
Результаты проведённого тепловизионного исследования подтвердили полученные данные и показали, что нагревательный провод с шагом 15 мм и удельной мощностью 20 Вт/м, закреплённый на горловине льдоаккумулирующей ёмкости из материала алюминий, позволит обеспечить равномерный нагрев и оптимизировать время отлипания ледяного пласта.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
- установка, содержащая заглублённую теплоизолированную ёмкость с горловиной, обшитой алюминием, на наружной поверхности которой с шагом намотки 15 мм закреплён нагревательный провод НеаШпе удельной мощностью 20 Вт/м, позволит повысить интенсивность намораживания льда вследствие того, что после затопления очередного слоя на границе с морозным воздухом
оказывается открытая незамёрзшая поверхность воды, которая эффективно замерзает и образует новый слой льда;
- охлаждая молоко на МТФ с помощью естественного холода в виде водного льда с использованием предлагаемой системы аккумулирования природного холода, можно значительно сократить затраты на электроэнергию, техническое обслуживание и ремонт оборудования. При этом снизится себестоимость продукции и повысится рентабельность производства, улучшится экологическая ситуация.
Литература
1. Россия в условиях ВТО: аграрный аспект: монография / К.Г. Бородин, В.Д. Гончаров, С.В. Иванова [и др.]. М., 2015. 279 с.
2. Федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства на 2017 -2025 годы [Электронный ресурс]. URL: https://mcx.gov.ru/activity/state-support/ programs/technical-program/
3. Терминология при производстве и эксплуатации ледогенераторов / В.И. Квашенников, В.А. Шахов,
A.П. Козловцев [и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 2. С. 30 - 31.
4. Пат. на изобретение № 2561745 РФ. Хранилище для пищевых продуктов с аккумулированием холода / В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, Г.С. Коровин,
B.А. Шахов; Опубл. 10.09.2015 г.; Бюл. № 25.
5. Босин И.Н. Применение естественного холода для охлаждения молока. Саранск: Мордовское областное правление ВАНТО, 1989. 52 с.
6. Квашенников В.И., Шахов В.А., Козловцев А.П. Природный холод - приоритетное направление при охлаждении молока // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 6 (56).
C. 90 - 93.
7. Энергосберегающая технология заготовки естественного льда на молочных фермах / В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.П. Козловцев [и др.] // Научное обозрение. 2015. № 1. C. 17 - 22.
8. Анализ процесса охлаждения простейшими ёмкостными охладителями при использовании природного холода на малых фермах / В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.П. Козловцев [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 1 (57). С. 92 - 95.
9. Предпосылки использования естественного холода в системах охлаждения молока в условиях Оренбургской области / А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, В.А. Шахов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 4 (60). C. 84 - 86.
10. Вычисление изменений температурных режимов в простейших ёмкостных охладителях молока на малых фермах / В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.П. Козловцев [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 1 (57). C. 47 - 49.
11. Круглогодовое использование природного холода в условиях молочно-товарных ферм Южного Урала: рекомендации / А.И. Завражнов, А.П. Козловцев, В.И. Квашенников [и др.]. Мичуринск, 2016.
12. Квашенников В.И., Козловцев А.П., Панин А.А. Инновационный метод охлаждения сельскохозяйственной продукции [Охлаждение молока на фермах с использованием природного холода и тепловых труб] // Материалы
XVI Международного симпозиума по машинному доению 13. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед: Физиче-
сельскохозяйственных животных / НПЦ НАН Беларуси ские свойства. Современные методы гляциологии. Л.: по животноводству. Минск, 2012. С. 303 - 307. Гидрометеоиздат, 1980. 384 с.
Андрей Петрович Козловцев, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, ap_kozlovcev@mail.ru
Владимир Александрович Шахов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, shahov-v@ya.ru
Максим Борисович Фомин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, mbfom@mail.ru
Василий Иванович Квашенников, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf31@orensau.ru
Мария Игоревна Попова, кандидат технических наук. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf34@orensau.ru
Денис Викторович Портнов, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf31@orensau.ru
Зоя Вячеславовна Макаровская, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств». Россия, 125080, г. Москва, Волокаламское шоссе, 11, mgupp@mgupp.ru
Andrey P. Kozlovtsev, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, ap_kozlovcev@mail.ru
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, shahov-v@ya.ru
Maxim B. Fomin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, mbfom@mail.ru
Vasily I. Kvashennikov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf31@orensau.ru
Maria I. Popova, Candidate of Technical Sciences. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf34@orensau.ru
Denis V. Portnov, рostgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf31@orensau.ru
Zoya V. Makarovskaya, Doctor of Technical Science, Professor. Moscow State University of Food Production. Russia, 125080, Moscow, Volokalamskoe shosse, 11, mgupp@mgupp.ru
-Ф-
Научная статья УДК 621.3
doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186
Автономная ветроэнергетическая установка
Виктор Гаврилович Петько1, Ильмира Агзамовна Рахимжанова1,
Максим Борисович Фомин1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Сергей Александрович Соловьёв3
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Тюльганский электромеханический завод
3 Российская академия наук, Президиум РАН
Аннотация. В работе рассмотрены ветроэнергетические установки, обеспечивающие бесперебойность энергоснабжения потребителей, удалённых от централизованных электрических сетей. В условиях непостоянства скорости ветра это достигается параллельной работой ветрогенератора и генератора автономной электростанции с тепловым двигателем. Отмечено, что наибольший эффект как в техническом, так и в экономическом плане может быть получен, если ветротурбина и тепловой двигатель нагружены на один и тот же генератор. Тепловой двигатель подсоединяется к валу генератора только в том случае, если мощность ветротурбины недостаточна для привода генератора. Предложена ветроэнергетическая установка, работающая по такому принципу. В ней предусмотрена также догрузка генератора вплоть до номинальной его мощности, когда мощность ветротурбины при увеличении скорости ветра начнёт превышать мощность потребителей генератора. Догрузка осуществляется подключением балластных резисторов, отдающих выделяемое в них тепло в систему водоснабжения или отопления. Предусмотрено ограничение мощности ветротурбины путём автоматического поворота лопастей. Выполнение вышеизложенных функций осуществляется системой управления по сигналам, поступающим от датчиков скорости и направления ветра, датчиков частоты вращения вала ветротурбины, датчика температуры воды в системе водоснабжения, датчиков тока и частоты напряжения генератора. В качестве исполнительных органов системы управления используются коммутаторы балластных резисторов, исполнительные электродвигатели в системе ориентации головки ветроустановки и в системе ограничения мощности.
