CC BY
16
УДК 631.171+637.131 DOI 10.51794/27132064-2021-3-22
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА И НАГРЕВА ВОДЫ НА ФЕРМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
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 эффективных путей снижения затрат энергии и повышения экологической чистоты технологического процесса охлаждения и хранения молока на животноводческих фермах является применение энергосберегающих бесфреоновых установок. В связи с этим перспективными являются исследования, направленные на создание умных энергосберегающих технологических схем и оборудования с использованием термоэлектрических модулей для охлаждения молока и одновременного получения горячей воды для разных типоразмеров ферм. Для решения задач, связанных с использованием термоэлектрических модулей и естественного холода на животноводческих фермах, в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых умных систем для тепловой обработки молока. Предложена математическая модель расчета тепловых нагрузок на холодные и горячие спаи термоэлектрических батарей. Представлена технологическая схема термоэлектрической установки для первичной обработки молока и нагрева воды на фермах. В предлагаемой установке используется непосредственное охлаждение молока с одновременным нагревом воды для технологических нужд фермы в быстром тонкослойном режиме, что является наиболее качественным и энергетически выгодным режимом. В таких системах установленная мощность термоэлектрических батарей сокращается на 7075% по сравнению с номинальной мощностью, в результате чего система становится конкурентоспособной с традиционно применяемыми в сельском хозяйстве системами пастеризации и охлаждения. Ключевые слова: охлаждение молока, энергосбережение, альтернативные источники энергии, эффект Пельтье, естественный холод, доильный робот.
Введение. Одним из эффективных путей снижения затрат энергии и повышения экологической чистоты технологического процесса охлаждения и хранения молока на животноводческих фермах является применение энергосберегающих бесфреоновых установок, которые могут стать важнейшими альтернативными источниками энергии.
К основным бесфреоновым установкам, кроме установок естественного холода, можно отнести термоэлектрические установки, работающие на основе эффекта Пельтье. В связи с этим перспективными являются исследования, направленные на создание умных энергосберегающих технологических схем и оборудования с использованием термоэлектрических модулей для охлаждения молока и одновременного получения горячей воды для разных типоразмеров ферм, линий производства персонифицированных про-
дуктов питания с доильными роботами и др. Кроме того, актуальными являются исследования, направленные на создание комбинированных охладительно-пастеризационных и теплохолодильных установок с использованием термоэлектрических модулей и естественного холода.
Цель исследования - сократить энергоемкость процесса охлаждения и хранения молока и других животноводческих продуктов при сохранении их качества.
Материалы и методы. В ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых умных систем для тепловой обработки молока. Анализ альтернативных источников энергии показал, что термоэлектрические модули могут быть использованы при создании умных энергосберегающих технологических схем и оборудования для охлаждения молока
и одновременного получения горячей воды для разных типоразмеров ферм, линий производства персонифицированных продуктов питания с доильными роботами и др.
Результаты исследования. Работа термоэлектрических модулей обусловлена наличием связи между тепловыми и электрическими процессами и особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородных металлов. Преимущество данных элементов по сравнению с холодильными установками состоит в бесшумности их работы, высокой надежности, отсутствии вибрации, возможности каскадного соединения, а также в возможности перехода из режима охлаждения в режим нагревания (за счет изменения направления тока) и др.
Для изготовления термоэлектрических батарей применяется обширный класс металлов, занимающих по электропроводности промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Это германий, кремний, теллур, селен и другие металлы. Термоэлектрические элементы устройства располагаются непосредственно на теплообмен-ных пластинах с образованием холодных и горячих каналов, по которым протекает (противотоком) молоко с водой, при этом молоко охлаждается до 4°С; одновременно происходит нагрев воды на технологические нужды фермы, что повышает рекуперативные свойства оборудования, сокращает материалоемкость теплообменного аппарата, уменьшает занимаемую площадь, исключает досборку и монтаж оборудования на месте применения. При этом значительно снижаются расходы на поддержание оборудования в работоспособном состоянии.
Экологичность установки увеличивается за счет отсутствия каких-либо вредных выбросов (например, фреона), а также исключения потерь от нагревательных элементов, так как в рекуперативном теплообменнике они не монтируются. Кроме того, применение термоэлектрического модуля с пошаговым увеличением температуры нагрева воды или понижением температуры охлаждения молока сокращает количество используемых термоэлектрических элементов, а следова-
тельно, капитальные и эксплуатационные затраты. Процессы получения низких температур с использованием эффекта Пельтье являются обратимыми процессами.
Экономичность работы термоэлектрических батарей, как и любой холодильной машины, определяется величиной холодильного коэффициента е, который рассчитывается из выражения:
—, (1)
А к '
где до - хладопроизводительность, кВт; А - затраченная работа на производство холода, кВт-ч; Х - время работы, ч.
Математическая модель, описывающая тепловую нагрузку на рабочую поверхность термобатарей Qx, выглядит следующим образом:
= = (2) где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-°С; ¥ - площадь рабочей поверхности термоэлектрических батарей, м2; Хн - температура воздуха в помещении, °С; Хх - температура теплообменной поверхности, °С.
Максимальный холодильный коэффициент рассчитывается из выражения: т
Т,
м-
о
£max - '
То
Т М + 1
М = ll + z
т+тп
(3)
(4)
где То, Т - температура холодных и горячих спаев термобатарей, °С; 2 - коэффициент добротности термобатарей, М - вспомогательный коэффициент.
Количество теплоты, выделяемой на горячих спаях, с достаточной для инженерных расчетов точностью можно рассчитывать по выражению:
Qг = ЖX■;Ю, (5)
где () г - количество теплоты, выделяемой на горячих спаях, Вт; Ж - потребляемая мощность термобатарей, Вт; Ох
W =
(6)
Необходимая площадь поверхности спаев (¥с) может быть рассчитана с использованием выражения:
(7)
F = —
'с —
Qo
2
Е
где Ос - тепловая нагрузка на рабочую поверхность, Вт; до - плотность теплового потока на холодных спаях термобатареи, Вт/м2.
Плотность теплового потока на холодных спаях термобатареи определяется из выра-
жения:
Чо =
Ь(М-1)2(М + 1)
(8)
где а- удельная электропроводность, Ом-1 •см-1; I - длина термоэлемента, см.
Число пар термоэлементов П рассчитывается по выражению:
(9)
Рс
п = — ,
где Я - площадь поверхности термоэлемента, м2.
В результате получена система выражений для расчета тепловых нагрузок на холодные и горячие спаи термоэлектрических батарей.
Qx = к
?
Tг■v(1-v■m■p)-Q+0,5—[2m■p(1-0,5v)+1]
Qг = к--^-
% = 1 + (1-р)-р + (1 + р)-т-р
К =-ф ; В =-; V = — ,
Ь ' и I ' к '
т- р2 (10)
где О - абсолютное значение температуры нагреваемого и охлаждаемого объектов, °С; Лэф - эффективное, приведенное к площади поперечного сечения, значение коэффициента теплопроводности; Д и - коэффициенты удельного термического сопротивления на горячих спаях, м2-°С/Вт; I - сила тока, А; Е - суммарная термоЭДС, z- параметр добротности, К - коэффициент теплопередачи.
Проведенные исследования показали, что термохолодильные установки, работающие на эффекте Пельтье, могут быть эффективно использованы в комбинированных охладительно-пастеризационных и тепло(9х)олодиль-ных установках, использующих естественный холод. В этих установках установленная мощность термоэлектрических батарей сокращается на 70-75% по сравнению с номинальной мощностью, в результате чего система становится конкурентоспособной с традиционно применяемыми в сельском хозяйстве системами пастеризации и охлаждения. На рисунке представлена технологическая схема термоэлектрической (установки для первичной обработки молока и нагрева воды на фермах.
из артезианском скважины
молоко
п вода и и вода ц
Рисунок. Термоэлектрическая установка -Лг Д ---► вода
для первичной обработки молока и нагрева воды на фермах:
1 - устройство охлаждения и нагрева; 2 - теплоизолированная емкость; 3 - термоэлектрические элементы; 4, 5 - теплообменные пластины; 6 - холодный канал для молока; 7 - горячий канал для воды; 8, 16 - насосы подачи молока; 9, 22 - насосы подачи воды; 10, 11, 18, 20 - датчики температуры; 12, 13, 14 - регулируемые вентили; 15 - дополнительный молокопровод; 17 - резервуар-термос; 19 - дополнительные теплоизолированные резервуары для воды с разной температурой; 21 - водопровод; 23 - теплообменник; 24 - компьютер
2
2
В предлагаемой установке используется непосредственное охлаждение молока с одновременным нагревом воды для технологических нужд фермы в быстром тонкослойном режиме, что является наиболее качественным и энергетически выгодным режимом. Этим объясняется уменьшение энергоемкости и материалоемкости устройства.
Выводы. Применение термоэлектрических модулей позволяет повысить уровень автоматизации систем тепловой обработки молока на фермах, снизить капитальные и эксплуатационные затраты на сельскохозяйственных объектах, особенно небольшой мощности. Перспективными являются исследования, направленные на создание умных энергосберегающих технологических схем и оборудования с использованием термоэлектрических модулей для охлаждения молока и одновременного получения горячей воды для разных типоразмеров ферм, линий производства персонифицированных продуктов питания с доильными роботами и др.
Энергосберегающее охладительно-нагревательное оборудование на основе использования термоэлектрических модулей относительно небольшой мощности может быть эффективно использовано с роботизированным оборудованием для доения коров, где максимальное число доек в сутки находится в пределах 160-220, и молоко относительно небольшими порциями постоянно поступает в течение суток в молокопровод.
Литература:
1. Иванов Ю.А. Цифровое животноводство: перспективы развития // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2019. № 1. С. 4-7.
2. Кормановский Л.П. И малым фермам нужны высокие технологии и современная техника // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 4(19). С. 98-102.
3. Ресурсосберегающие технологии производства высококачественного молока / Тихомиров И.А. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2018. № 4. С. 92-99.
4. Стребков Д.С., Тихомиров Л.А., Тихомиров А.В. Показатели потребления топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве и энергоемкости сель-хозпроизводства, их прогноз на период до 2030 года // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2018. № 4. С. 4-12.
5. Jordan R. Modeling and testing of an ice bank for milk cooling after milking // Engenharia Agrícola. 2018. № 38 (4). P. 510-517.
6. Durmaz U. An experimental investigation into heat transfer in milk cooling vessels // Scientia Iranica. 2017. № 25(3). P. 1258-1265.
7. Torres-Toledo V. On-farm milk cooling solution based on insulated cans with integrated ice compartment // International Journal of Refrigeration. 2018. № 90. P. 22-31.
8. Lee A.P. Short communication: The effect of raw milk cooling on sensory perception and shelf life of hightempe-rature, short-time (HTST)-pasteurized skim milk // Journal of Dairy Science. 2016. Vol. 99(12). P. 9659-9667.
9. Кирсанов В.В., Кравченко В.Н., Филонов Р.Ф. Применение термоэлектрических модулей в пастеризаци-онно-охладительных установках для обработки жидких пищевых продуктов. М., 2011. 88 с.
10. Коршунов А.Б. Применение энергосберегающих экологически безопасных систем для охлаждения и хранения сельскохозяйственной продукции с использованием природного холода. М., 2020. 80 с.
11. Коршунов А.Б. Влияние энергосберегающих систем с использованием природного холода на энергоемкость процесса охлаждения молока // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2020. Т. 14, № 3. С. 39-44.
12. Энергосберегающий модуль для охлаждения молока с использованием природного холода и низкотемпературных хладоносителей / Дорохов А.С. и др. // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67, № 3(40). С. 3-8.
13. Альтернативный источник энергии для автономных потребителей на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга / Мехтиев А.Д. и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. 2020. Т. 20, № 3. С. 78-87.
Literatura:
1. Ivanov YU.A. Cifrovoe zhivotnovodstvo: perspektivy razvitiya // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'-skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2019. № 1. S. 4-7.
2. Kormanovskij L.P. I malym fermam nuzhny vysokie tekhnologii i sovremennaya tekhnika // Innovacii v sel's-kom hozyajstve. 2016. № 4(19). S. 98-102.
3. Resursosberegayushchie tekhnologii proizvodstva vy-sokokachestvennogo moloka / Tihomirov I.A. i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2018. № 4. S. 92-99.
4. Strebkov D.S., Tihomirov L.A., Tihomirov A.V. Poka-zateli potrebleniya toplivno-energeticheskih resursov v sel'skom hozyajstve i energoemkosti sel'hozproizvodstva, ih prognoz na period do 2030 goda // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2018. № 4. S. 4-12.
5. Jordan R. Modeling and testing of an ice bank for milk cooling after milking // Engenharia Agrícola. 2018. № 38 (4). P. 510-517.
6. Durmaz U. An experimental investigation into heat transfer in milk cooling vessels // Scientia Iranica. 2017. № 25(3). P. 1258-1265.
7. Torres-Toledo V. On-farm milk cooling solution based on insulated cans with integrated ice compartment // International Journal of Refrigeration. 2018. № 90. P. 22-31.
8. Lee A.P. Short communication: The effect of raw milk cooling on sensory perception and shelf life of hightempe-rature, short-time (HTST)-pasteurized skim milk // Journal of Dairy Science. 2016. Vol. 99(12). P. 9659-9667.
9. Kirsanov V.V., Kravchenko V.N., Filonov R.F. Prime-nenie termoelektricheskih modulej v pasterizacionno-oh-laditel'nyh ustanovkah dlya obrabotki zhidkih pishchevyh produktov. M., 2011. 88 s.
10. Korshunov A.B. Primenenie energosberegayushchih ekologicheski bezopasnyh sistem dlya ohlazhdeniya i hra-neniya sel'skohozyajstvennoj produkcii s ispol'zovaniem prirodnogo holoda. M., 2020. 80 s.
TECHNOLOGY OF MILK HEAT TREATMENT AND WATER HEATING BY THERMOELECTRIC MODULES
USING ON THE FARM
A.B. Korshunov, candidate of technical sciences, docent
B.P. Korshunov, candidate of technical sciences Federal scientific agroengineering center VIM
Abstract. One of the most effective ways of milk cooling and storing technological process's energy costs reducing and the environmental cleanliness improving on livestock farms is the energy-saving freon-free installations using. In this regard, research aimed at smart energy-saving technological schemes' creating and cooling milk thermoelectric modules equipment's using and simultaneously hot water for farms' different sizes obtaining is promising. To solve the problems associated with the thermoelectric modules and natural cold on livestock farms using, research at the FGBNY FNAC VIM is being conducted for exist and new smart systems for milk heat treatment creating to improve. A mathematical model for calculating of thermal loads on cold and hot junctions of thermoelectric batteries is proposed. The technological scheme of a thermoelectric installation for primary milk processing and water heating on farms is presented. The proposed installation uses direct milk cooling with simultaneous water heating for the farm's technological needs in a fast thin-layer mode, that the most qualitative and energy-efficient regime is. In such systems, the thermoelectric batteries' installed capacity is reduced in 70-75% in compared to the nominal capacity, as a result of that the system becomes competitive with pasteurization and cooling systems in agriculture traditionally used.
Keywords: milk cooling, energy saving, alternative energy sources, Peltier effect, natural cold, milking robot.
11. Korshunov A.B. Vliyanie energosberegayushchih sistem s ispol'zovaniem prirodnogo holoda na energoem-kost' processa ohlazhdeniya moloka // Sel'skohozyajstven-nye mashiny i tekhnologii. 2020. T. 14, № 3. S. 39-44.
12. Energosberegayushchij modul' dlya ohlazhdeniya moloka s ispol'zovaniem prirodnogo holoda i nizkotempera-turnyh hladonositelej / Dorohov A.S. i dr. // Elektrotekh-nologii i elektrooborudovanie v APK. 2020. T. 67, № 3 (40). S. 3-8.
13. Al'ternativnyj istochnik energii dlya avtonomnyh po-trebitelej na osnove nizkotemperaturnogo dvigatelya Stir-linga / Mekhtiev A.D. i dr. // Vestnik YUzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. 2020. T. 20, № 3. S. 7887.
