CC BY
37
УДК 637.133.1
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОХЛАЖДЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ МОЛОКА НА ФЕРМАХ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ХОЛОДА
А.Б. Коршунов, кандидат технических наук Б.П. Коршунов, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: koral314@yandex.ru
Аннотация. Одной из основных задач развития животноводческой отрасли является совершенствование технологии охлаждения и хранения молока на фермах за счет цифровизации, энерго- и ресурсосбережения. Для решения этой проблемы была разработана система охлаждения молока в потоке с использованием природного холода и экологически чистых хладоносителей с низкой температурой замерзания. Были исследованы энергетические режимы и определены оптимальные параметры оборудования, обеспечивающие наибольшую энергоэффективность процесса охлаждения молока на фермах. Проведенные испытания разработанного и изготовленного макетного образца энергосберегающего модуля системы охлаждения молока с использованием природного холода и хладоносителей с низкой температурой замерзания показали сокращение затрат на электроэнергию при охлаждении в среднем в 2 раза. Предложена технологическая схема системы с использованием грунтовой термоохлаждающей установки (ГТУ) с двухфазными термостабилизаторами и хладоносителем с низкой температурой замерзания. Система охлаждения молока с ГТУ может быть установлена и в условиях самых удаленных животноводческих ферм, комплексов и на пастбищах, так как здесь имеется возможность наиболее эффективно применять источники природного холода. Термостабилизаторы ГТУ не требуют затрат электроэнергии, обслуживания, срок службы составляет десятки лет, а использование экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока до необходимой температуры в течение всего года без применения холодильных машин.
Ключевые слова: энергоэффективность, охлаждение молока, природный холод, хладоноситель с низкой температурой замерзания, грунтовые термоохлаждающие установки (ГТУ), двухфазные термостабилизаторы.
Введение. Одним из основных условий развития животноводческой отрасли является снижение себестоимости производства молока за счет цифровизации, энерго- и ресурсосбережения. Исследования, проводимые по решению этой проблемы, показали актуальность конкретного направления научно-технического поиска и востребованность инженерных решений в области аккумулирования холода и разработки «умных» систем охлаждения молока, обеспечивающих рациональное использование природно-энергетических ресурсов.
Основной причиной, заставляющей исследовать эту проблему сегодня, является, с одной стороны, постоянно увеличивающаяся доля вырабатываемой электроэнергии для производства холода. В настоящее время эта доля уже превышает 20%. С другой стороны,
существуют значительные различия стоимости электроэнергии в дневное и ночное время; так, стоимость 1 кВт-ч в ночное время может быть ниже до 4 раз. Немаловажным обстоятельством является повышение надежности охлаждающих систем, что особенно важно на фермах при первичной обработке молока и другой продукции животноводства.
Постановка проблемы. В существующих системах охлаждения молока и аккумулирования холода используется, в основном, холодная вода. Этому способствует ее доступность, хорошие теплофизические свойства, пожаро- и взрывобезопасность и т.п. В то же время, как показали многочисленные испытания оборудования, использующего природный холод в охлаждающих системах, ее применение ограничено из-за сравнительно высокой температуры замерзания, что
приводит к разрыву водопровода и выходу из строя охлаждающих установок. Кроме того, из-за очень низкой концентрации ее энергии в накопительном баке, необходимы технические средства большой массы и объема.
Для решения этой проблемы проводятся исследования по разработке комбинированных аккумуляторов и замене ледяной воды альтернативными хладоносителями с низкой температурой замерзания [1-4].
Результаты исследований. По результатам исследований, проведенных сотрудниками Центра совместно с МГУИЭ, в качестве хладоносителя в охлаждающих установках был выбран экосол-40. Он обладает относительно малой вязкостью, в том числе и при низких температурах, что улучшает его циркуляцию и теплопроводимость в применяемых системах. Удельная теплоемкость эко-сола почти такая же, как у молока. Кроме того, при понижении температуры экосол уменьшается в объеме, в связи с этим разрыв труб исключен. Для охлаждения хладоноси-теля (экосола) предусмотрен приемник природного холода с вентилятором, который устанавливается на открытом воздухе.
Для фермы 50 голов с удоем 5000 литров были проведены исследования по обоснованию основных параметров приемника природного холода с экологически чистым хла-доносителем с низкой температурой замерзания. На рис. 1 представлен график моделирования процесса охлаждения молока с использованием природного холода и движением хладоносителей с низкой температурой замерзания по замкнутому контуру, из которого видно, что необходимая поверхность теплообмена приемника природного холода находится в пределах 9-12 м .
Плотность экосола меняется в зависимости от температуры наружного воздуха; были проведены исследования по выбору электродвигателя насоса для приемника природного холода и определения зависимости потребляемой мощности насоса экосола в зависимости от температуры наружного воздуха (рис. 2). Как видно из графика, электропривод насоса вполне обеспечивает работу системы охлаждения в осенне-зимний период.
Температура наружного воздуха, °С Рис. 1. График моделирования процесса охлаждения молока с использованием природного
холода и движением хладоносителей с низкой температурой замерзания по замкнутому контуру
-Й^—
I с; н
§ 5 « Я 1 £ О 11-
ю о (О О сх 5 н Я о К -9-
-30
-20
30
-10 0 10 20
Темпер атура наружного в оз духа. °С
Рис. 2. График зависимости потребляемой мощности насоса экосола от температуры наружного воздуха
Как уже отмечалось, немаловажным фактором сохранения высокого качества молока является его быстрое охлаждение. Особенно это важно в условиях летних молочно-товар-ных ферм. Для быстрого охлаждения молока в потоке предложена технологическая схема системы с использованием грунтовой термоохлаждающей установки (ГТУ) с двухфазными термостабилизаторами и хладоносите-лем с низкой температурой замерзания.
На рис. 3 представлена технологическая схема разработанной системы охлаждения молока на пастбищах, состоящей из грунтовой термоохлаждающей установки (ГТУ), грунтового льдоаккумкулятора с пластиковыми трубками, заполненными хладоносите-лем, проточного теплообменника, циркуляционного насоса для подвода и отвода хла-доносителя и трубопроводной системы.
Лоигпа! оГ УШТ^Н №1(33)-2019
133
IV ".V "Л ^ ^ ^ ^ "
Рис. 3. Технологическая схема системы охлаждения молока на пастбищах: 1 - молоко-провод доильной установки; 2 - релизер; 3 - вакуумный насос; 4 - датчики уровней; 5 - молочный насос; 6 - проточный пластинчатый теплообменник; 7 - блок управления; 8 - насос хладоносителя; 9 - резервуар-термос для охлажденного молока; 10 - вентили; 11 - регулируемый вентиль; 12 - датчик температуры молока; 13 - датчик хладоносителя; 14 - молоко-провод; 15 - грунтовый льдоакумулятор; 16 - пластиковые трубки; 17 - тепловые трубы термостабилизаторов; 18 - нижняя часть тепловых труб с пропаном; 19 - испарительная часть;
20 - воздушный конденсатор
Система работает следующим образом. После дойки молоко из молокопровода доильной установки 1 поступает в релизер 2, который вакуумируется насосом 3. Датчики уровней 4 последовательно включают и отключают универсальный молочный насос 5 в зависимости от уровня молока в релизере. Молоко насосом 5 подается в канал проточного теплообменника 6. Таким образом, молоко в проточном пластинчатом теплообменнике движется дискретно (импульсами). С блока управления 7 синхронно с молочным насосом 5 или по заданной программе
молоко
хладоноситель вакуумпровод
включается насос 8, и хла-доноситель из пластиковых трубок 16, расположенных в грунтовом льдоаккумуля-торе 15, через вентиль 10 попадает в пластинчатый теплообменник 6, где охлаждает молоко, после чего возвращается обратно в грунтовый льдоаккумуля-тор 15, образуя замкнутый контур. Охлажденное молоко направляется в резервуар-термос 9.
Когда температура молока в резервуаре-термосе 9 выше +6°С и нет дойки, открывается вентиль 11, и молоко по дополнительному молокопроводу 14 направляется в проточный теплообменник 6 для охлаждения. В этом случае экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания циркулирует по тому же замкнутому контуру, что и при первичном охлаждении молока. Температура молока и хладоносителя контролируется при помощи датчиков температуры 12 и 13. Для замораживания грунта в льдоаккумуляторе 15 используются двухфазные термостабилизаторы 17 [5, 6].
Обработанное по предложенной технологии молоко охлаждается практически сразу же после дойки, что позволяет сохранить его высокие качества без применения холодильных машин.
Выводы. Предлагаемая система обладает высокой надежностью, большей хладопроиз-водительностью, аккумулирующей способностью, уровнем автоматизации и уменьшенными затратами на электроэнергию. Этим объясняется ее более высокая энергоэффективность в режимах аккумулирования и использования природного холода. Энергозатраты на первичную обработку молока снижаются в 1,5-3,0 раза в зависимости от агроклиматического региона страны.
Система охлаждения молока с ГТУ может быть установлена и в условиях самых удаленных животноводческих ферм, комплексов и на пастбищах, так как здесь имеется возможность наиболее эффективно применять источники природного холода. Термостабилизаторы ГТУ не требуют затрат электроэнергии, обслуживания, срок службы составляет десятки лет, а использование экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока до необходимой температуры в течение всего года без применения холодильных машин.
Литература:
1. Эглит А.Я., Кириллов В.В., Брусенцев А.А. Проблемы холодоснабжения молокозаводов // Холодильная техника. 2012. № 12. С. 26-27.
2. Маринюк Б.Т., Баранник В.П. Экологически безопасные хладоносители, особенности применения, свойства // Холодильная техника. 2004. № 3. С. 12-13.
3. Коршунов А.Б., Иванов В.В. Математическая модель охлаждения молока на фермах с использованием природного холода и хладоносителей с низкой температурой замерзания // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 1. С. 42-47.
4. Пат. 2655732 РФ. Энергосберегающая холодильная установка с комбинированным аккумулятором природного и искусственного холода для животноводческих ферм / Коршунов Б.П. и др. 2018. Бюл. № 16.
5. Временное руководство по теплотехническому расчету охлаждающих термоустановок / Баясан Р.М. и др. М.: ВНИИГАЗ, 1984.
6. Галкин М.Л., Рукавишников А.М., Генель Л.С. Термостабилизация вечномерзлых грунтов // Холодильная техника. 2013. № 10. С. 44-47.
Literatura:
1. EHglit A.YA., Kirillov V.V., Brusencev A.A. Proble-my holodosnabzheniya molokozavodov // Holodil'naya tekhnika. 2012. № 12. S. 26-27.
2. Marinyuk B.T., Barannik V.P. EHkologicheski bezo-pasnye hladonositeli, osobennosti primeneniya, svojstva // Holodil'naya tekhnika. 2004. № 3. S. 12-13.
3. Korshunov A.B., Ivanov V.V. Matematicheskaya model' ohlazhdeniya moloka na fermah s ispol'zovaniem pri-rodnogo holoda i hladonositelej s nizkoj temperaturoj za-merzaniya // Vestnik VIEHSKH. 2016. № 1. S. 42-47.
4. Pat. 2655732 RF. EHnergosberegayushchaya holodil'-naya ustanovka s kombinirovannym akkumulyatorom pri-rodnogo i iskusstvennogo holoda dlya zhivotnovodche-skih ferm / Korshunov B.P. i dr. 2018. Byul. № 16.
5. Vremennoe rukovodstvo po teplotekhnicheskomu ras-chetu ohlazhdayushchih termoustanovok / Bayasan R.M. i dr. M.: VNIIGAZ, 1984.
6. Galkin M.L., Rukavishnikov A.M., Genel' L.S. Termo-stabilizaciya vechnomerzlyh gruntov // Holodil'naya tekhnika. 2013. № 10. S. 44-47.
MILK COOLING AND STORAGE ON FARMS TECHNOLOGY IMPROVEMENT ON THE NATURAL
COLD BASIS USING
A.B. Korshunov, candidate of technical sciences
B.P. Korshunov, candidate of technical sciences Federal research agroengineering centre VIM
Abstract. One of the livestock industry main objectives is milk cooling and storage technology on farms through dig-italization, energy and resource saving improving. To solve this problem, a system of milk cooling at natural cold in flow and ecologically friendly coolants with low freezing point using was developed. The energy regimes were investigated and equipment optimal parameters ensuring the greatest energy efficiency of milk cooling process on farms were determined. The held tests of developed and manufactured layout sample of energy-saving module of the milk cooling system using natural cold and coolants with low temperature of freezing had showed an energy costs' reducing during cooling on average in 2 times. A technological scheme of the system with a ground thermal cooling unit (GTU) using with two-phases thermostabilizers and a coolant with low freezing temperature is proposed. The milk cooling system with GTU can be installed in the most remote livestock farms, complexes and pastures conditions, so as there is an opportunity of natural cold's the most effective sources using. The GTU heat stabilizers don't require electro energy costs, serving, their working life is tens years, and ecologically friendly coolant with a low freezing temperature using it can allow milk cooling process's reliability till required temperature throughout the year without the refrigeration machines using to improve.
Keywords: energy efficiency, milk cooling, natural cold, coolant with low temperature of freezing, ground thermal cooling units (GTU), two-phase thermostabilizers.
Journal of VNIIMZH №1(33)-2019
135
