Научная статья на тему 'УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ'

УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

CC BY
114
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РОБОТИЗИРОВАННОЕ ДОЕНИЕ / ОХЛАДИТЕЛЬ МОЛОКА С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МОДУЛЯМИ / ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННАЯ МОЛОЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ

Аннотация научной статьи по прочим сельскохозяйственным наукам, автор научной работы — Кирсанов Владимир Вячеславович, Иванов Юрий Григорьевич, Верликова Людмила Николаевна, Кравченко Владимир Николаевич

Тенденция увеличения потребления персонализированного питания открывает перспективы промышленного производства молока от индивидуальной коровы с сохраненными полезными компонентами, присущими данному животному, составом по жиру, белку, лактозе и вкусом. В качестве доильной установки рассматриваются роботы, предназначенные для индивидуального доения коров с автоматическим контролем показателей качества молока. При этом молоко, соответствующее параметрам высокого качества, поступает в пластинчатый термоэлектрический охладитель-нагреватель, затем - в упаковочный автомат, где разливается в тару, и далее подается в холодильный шкаф. Выбор в качестве охлаждающего элемента термомодулей обусловлен их высоким быстродействием и возможностью точного регулирования заданной температуры. При этом по горячей стороне термомодуля происходит нагрев воды, которая используется для технологических нужд фермы. Исследование направлено на разработку и обоснование параметров энергосберегающей установки с термоэлектрическими модулями для охлаждения нативного индивидуального молока от коровы и нагревания воды в доильных роботах для производства персонализированных продуктов питания. Представлена схема технологической линии с охлаждением молока непосредственно в процессе доения коровы. Приведены аналитические зависимости для расчета параметров установки с термоэлектрическими модулями для охлаждения по двум вариантам: скорости потока молока и параметрам циклической подачи разовых равных порций молока. Предлагаемая технология и способ охлаждения молока в потоке с использованием термоэлектрических модулей в составе доильных роботов позволяют создать новую технологию производства высококачественной молочной продукции по индивидуальным заказам потребителей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим сельскохозяйственным наукам , автор научной работы — Кирсанов Владимир Вячеславович, Иванов Юрий Григорьевич, Верликова Людмила Николаевна, Кравченко Владимир Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MILK COOLING UNIT BASED ON THERMOELECTRIC MODULES

The tendency to increase the consumption of personalized nutrition opens up new prospects for the industrial production of milk from an individual cow with preserved useful components inherent in a specific animal species, the composition of fat, protein, lactose, and taste. A milking installation is composed of robots for individual milking of cows with automatic control of milk quality indicators. At the same time, milk corresponding to the parameters of high quality enters the thermoelectric plate-type cooler - heater, then into the packing machine, where it is bottled into containers to further proceed to the refrigerator. Thermal modules as a cooling element are chosen due to their high speed and the ability to accurately control the set temperature. At the same time, water is heated through the hot heating system of the thermal module, which is used for the technological needs of the farm. The work aims at developing and justifying the parameters of an energy-saving thermoelectric system for cooling native individual milk from a cow and heating water in milking robots for the production of personalized food products. The authors present a technological line scheme with milk cooling directly during the milking process. Analytical relationships are given for calculating the parameters of a thermoelectric cooling system according to two options - the milk flow rate and the parameters of the cyclic supply of one-time equal portions of milk. The proposed technology and method for milk cooling in the flow using thermoelectric modules as part of milking robots makes it possible to develop a new technology for the production of high-quality dairy products according to individual orders of consumers.

Текст научной работы на тему «УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ»

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

УДК 631.171:637.11:637.13

DOI 10.26897/2687-1149-2021-3-49-55

УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

КИРСАНОВ ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, д-р техн. наук, главный научный сотрудник1

kirvv2014@mail.ru

ИВАНОВ ЮРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧн, д-р техн. наук, профессор2

iy.electro@rgau-msha.mн

ВЕРЛИКОВА ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА, ассистент2

lverlikova@rgau-msha.ru

КРАВЧЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент2

vkravchenko@rgau-msha.ru

1 Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ; 109428, Российская Федерация, г Москва, 1-й Институтский проезд, 5

2 Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева; 127550, Российская Федерация, г Москва, Тимирязевская ул., 49

Аннотация. Тенденция увеличения потребления персонализированного питания открывает перспективы промышленного производства молока от индивидуальной коровы с сохраненными полезными компонентами, присущими данному животному, составом по жиру, белку, лактозе и вкусом. В качестве доильной установки рассматриваются роботы, предназначенные для индивидуального доения коров с автоматическим контролем показателей качества молока. При этом молоко, соответствующее параметрам высокого качества, поступает в пластинчатый термоэлектрический охладитель-нагреватель, затем - в упаковочный автомат, где разливается в тару, и далее подается в холодильный шкаф. Выбор в качестве охлаждающего элемента термомодулей обусловлен их высоким быстродействием и возможностью точного регулирования заданной температуры. При этом по горячей стороне термомодуля происходит нагрев воды, которая используется для технологических нужд фермы. Исследование направлено на разработку и обоснование параметров энергосберегающей установки с термоэлектрическими модулями для охлаждения нативного индивидуального молока от коровы и нагревания воды в доильных роботах для производства персонализированных продуктов питания. Представлена схема технологической линии с охлаждением молока непосредственно в процессе доения коровы. Приведены аналитические зависимости для расчета параметров установки с термоэлектрическими модулями для охлаждения по двум вариантам: скорости потока молока и параметрам циклической подачи разовых равных порций молока. Предлагаемая технология и способ охлаждения молока в потоке с использованием термоэлектрических модулей в составе доильных роботов позволяют создать новую технологию производства высококачественной молочной продукции по индивидуальным заказам потребителей.

Ключевые слова: роботизированное доение, охладитель молока с термоэлектрическими модулями, персонализированная молочная продукция.

Формат цитирования: Кирсанов В.В., Иванов Ю.Г., Верликова Л.Н., Кравченко В.Н. Установка для охлаждения молока с использованием термоэлектрических модулей // Агроинженерия. 2021. № 3 (103). С. 49-55. DOI: 10.26897/2687-1149-2021-3-49-55.

© Кирсанов В.В., Иванов Ю.Г., Верликова Л.Н., Кравченко В.Н., 2021

ORIGINAL PAPER

MILK COOLING UNIT BASED ON THERMOELECTRIC MODULES

VLADIMIR V. KIRSANOV, DSc (Eng), Chief Research Engineer1

kirvv2014@mail.ru

YURI G. IVANOVM, DSc (Eng), Professor2

iy.electro@rgau-msha.ruH

LYUDMILA N. VERLIKOVA, Assistant2

lverlikova@rgau-msha.ru

VLADIMIR N. KRA VCHENKO, PhD (Eng), Associate Professor2

vkravchenko@rgau-msha.ru

1 Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 109428, Russia, Moscow, 1st Institutskiy Proezd Str., 5

2 Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy; 127550, Timiryazevskaya Str., 49, Moscow, Russian Federation

Abstract. The tendency to increase the consumption of personalized nutrition opens up new prospects for the industrial production of milk from an individual cow with preserved useful components inherent in a specific animal species, the composition of fat, protein, lactose, and taste. A milking installation is composed of robots for individual milking of cows with automatic control of milk quality indicators. At the same time, milk corresponding to the parameters of high quality enters the thermoelectric plate-type cooler - heater, then into the packing machine, where it is bottled into containers to further proceed to the refrigerator. Thermal modules as a cooling element are chosen due to their high speed and the ability to accurately control the set temperature. At the same time, water is heated through the hot heating system of the thermal module, which is used for the technological needs of the farm. The work aims at developing and justifying the parameters of an energy-saving thermoelectric system for cooling native individual milk from a cow and heating water in milking robots for the production of personalized food products. The authors present a technological line scheme with milk cooling directly during the milking process. Analytical relationships are given for calculating the parameters of a thermoelectric cooling system according to two options - the milk flow rate and the parameters of the cyclic supply of one-time equal portions of milk. The proposed technology and method for milk cooling in the flow using thermoelectric modules as part of milking robots makes it possible to develop a new technology for the production of high-quality dairy products according to individual orders of consumers.

Key words: robotic milking, thermoelectric milk cooler, personalized dairy products.

For citation: Kirsanov V V., Ivanov Yu.G., Verlikova L.N., Kravchenko V.N. Milk cooling unit based on thermoelectric modules. Agricultural Engineering, 2021; 3 (103): 49-55. (In Rus.). DOI: 10.26897/2687-1149-2021-3-49-55.

Введение. Тенденция производства персонализированных продуктов питания открывает перспективы для получения на фермах молока от коров с сохранением индивидуальных свойств, свежего вкуса и полезных компонентов1 [1, 2].

В качестве доильной установки рассматриваются известные роботы, предназначенные для индивидуального доения коров с автоматическим контролем количества надоенного молока, содержания жира, белка и лактозы, количества соматических клеток, температуры и электропроводности молока по долям вымени, наличия крови в молоке2,3 [3].

Молоко, соответствующее параметрам высокого качества, поступает для охлаждения в пластинчатый термоэлектрический охладитель-нагреватель, затем - в упаковочный автомат, где разливается в тару, и далее подается в холодильный шкаф. Выбор в качестве охлаждающего элемента термомодулей обусловлен их высоким быстродействием и возможностью точного регулирования темпе-ратуры4 [4-6]. При этом одновременно по горячей стороне термомодуля происходит нагрев воды, которая используется для технологических нужд фермы. Для обеспечения контроля безопасности и высокого качества молока предусматриваются идентификация и прослеживаемость продукта, от фермы и коровы со всеми ёё персональными

1 Hocherhitzte Milch: Ein Hoch auf die neue Milch. URL: https://www.test.de/Hocherhitzte-Milch-Ein-Hoch- auf-die-neue-Milch-1145760-1145761/ (дата обращения: 10.03.2021).

2 Робот для счастливых коров. URL: http://agrostory.com/info-centre/knowledge-lab/robot-for-happy-cows/ (дата обращения: 10.03.2021).

3 Официальный сайт компании Lely. URL: https://www.lely. com/ru (дата обращения: 10.03.2021).

4 Официальный сайт компании Криотерм. URL: http:// kryothermtec.com/ru/ (дата обращения: 10.03.2021).

данными (номер коровы, время и место доения, содержание жира, белка и лактозы) до прилавка магазина. Предлагаемая технология предназначена для производства высококачественного, персонализированного продукта для здорового питания человека и является опциональной, расширяющей функции существующего роботизированного доения, предусматривающего пастеризацию и охлаждение смешанного от разных коров молока [7, 8].

Цель исследований: разработать и обосновать параметры энергосберегающей установки с термоэлектрическими модулями для охлаждения молока и нагревания воды в доильных роботах для производства персонализированных продуктов питания.

Материал и методы. Схема технологической линии представлена на рисунке 1.

Молоко, выдаиваемое от коровы на роботе 1, проходит через систему датчиков для контроля его качества в процессе доения. Посредством насоса-дозатора 3, через механический фильтр 4 молоко, соответствующее установленным показателям, через клапан 5 направляется в двухступенчатую охладительную установку 7 и 8 и далее, через клапаны 10 и 11, - в установку 12 для розлива в тару: например, ёмкостью 1,0 л с нанесением комплекса индивидуальных показателей молока, животного и предприятия. Последняя, неполная порция молока от каждой коровы, и разовые надои менее двух или трех литров направляются в танк-охладитель 13 для сборного молока от всех коров. Это молоко также разливается в тару с указанием на этикетке того, что это сборное молоко. Управляемый трехходовый кран 5, снабженный электромагнитным приводом, направляет поток некондиционного молока от больных коров и с отклонениями показателей от нормативных значений в отдельные ёмкости - фляги 6. Для управления технологическим процессом предусмотрены датчики потока и температуры молока, а также контроллер.

aaa

Рис. 1. Схема технологической линии:

1 - робот для доения; 2 - молокосборная колба; 3 - насос-дозатор; 4 - фильтр; 5, 10, 11 - управляемый трехходовой кран; 6 - отдельные ёмкости; 7 и 8 - охладительно-нагревательная установка; 9 - резервуар-термос для хранения нагретой воды; 12 - установка для розлива, упаковки и маркировки; 13 - танк-охладитель для сборного молока; 14 - холодильник для доохлаждения и хранения расфасованного молока; 15 - насос-дозатор для сборного молока

Fig. 1. Scheme of the technological line:

1 - milking robot; 2 - milk collection flask; 3 - dosing pump; 4 - filter; 5, 10, 11 - controlled three-way valve; 6 - separate containers; 7 and 8 - cooling and heating unit; 9 - thermos tank for storing heated water;

12 - installation for filling, packaging and labeling; 13 - tank cooler for bulk milk; 14 - refrigerator for additional cooling and storage of packaged milk; 15 - dosing pump for bulk milk

В охладительно-нагревательной установке применены термоэлектрические модули ^М) на основе элементов Пельтье, обеспечивающие, с одной стороны, охлаждение молока, а с другой - нагрев воды, необходимой для технологических нужд (рис. 2).

Основным требованием к работе технологической линии является охлаждение выдаиваемого молока непосредственно в процессе доения коровы.

Процесс охлаждения выдаиваемого молока рассматривается в двух вариантах.

В первом варианте непосредственно в процессе доения выдаиваемое молоко насосом-дозатором через охладительно-нагревательную установку 7 и 8 подается в приемную ёмкость установки 11 для розлива, упаковки и маркировки. Критерием управления является скорость потока выдаиваемого молока, регистрируемого соответствующим датчиком.

Вход воды / Water inlet

Рис. 2. Схема охладительно-нагревательной установки c термомодулями:

GM - термомодули; г - горячая сторона термомодуля; х - холодная сторона термомодуля

Fig. 2. Scheme of a cooling and heating installation based on thermal modules:

GM - thermal modules; г - hot side of the thermal module; x - cold side of the thermal module

Во втором варианте выдаиваемое молоко порциями, равными объему тары, насосом-дозатором направляется для охлаждения в двухступенчатую установку 7 и 8 и далее - в установку 11 для розлива. При этом критерием управления являются параметры циклического процесса подачи разовых равных порций молока.

Результаты и обсуждение. Произведем расчет термоэлектрической системы «Охлаждение-нагревание». При этом нагрев воды в системе будет осуществляться рекуперативно за счет переноса теплоты от охлаждаемого объекта - молока.

Выделение теплоты Пельтье определится в соответствии с выражением [8]:

а =шт

(1)

б« = 12 Я = 12 [/ / (а Л )+/ / (аА ))

(2)

где Я - электрическое сопротивление термоэлемента, Ом; I - длина ветви термоэлемента, мм; ср, сп - соответственно удельные электропроводности ветвей р и п-типа, Ом/м; 5р, - площади сечения ветвей р-типа и п-типа, мм2.

Теплота, перетекающая от горячего спая к холодному за счет теплопроводности материала термомодуля, -

бт = ядт = (¿р // + 5%я //)дт

(3)

где 4р, 4п - соответственно коэффициенты теплопроводности ветвей р и п-типа; АТ - разность температур между спаями, °С. Количество теплоты Томсона:

&=( -Т2/ ДТ)

(4)

где т1, т2 - коэффициенты Томсона.

Коэффициент Томсона имеет положительный знак, если градиент da/dT > 0, и отрицательный, если da/dT <0. Работа термомодуля в режиме охлаждения запишется как

бо = бп -(с /2)-бт

(5)

б0 = а1 Тх -12/ / (а5)-ЕДТ25 //,

где Тх - абсолютная температура холодного спая, °С. Теплота, снимаемая с горячих спаев, -

(6)

бг = бп +(6,,/2)-бт =«/Тг +12/(а£)-2^ДТ//=60 +Ж (7)

где Тг - абсолютная температура горячего спая, °С; Ж - электрическая мощность, потребляемая термоэлементом, кВтч.

Экономичность работы термоэлектрического холодильника оценивается холодильным коэффициентом е:

е = б0 / Ж = ((Тх -12Я /2 - 25"§ДТ / /) / (а1 ДТ +12Я), (8)

Как известно, общий тепловой поток через произвольную поверхность теплообмена определяется интегралом

б = ]К Д^

(9)

где F - поверхность теплообмена, м2; А/ - разность температур, °С; dF - элементарная площадка теплообмена; К - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 °С.

Площадь поверхности одной теплообменной пластины можно выразить через площадь термоэлектрических модулей:

./пл ~ Кз ^ /Тэ

(10)

где I - сила тока, А; Т - абсолютная температура спая, °С; а - суммарный коэффициент термоэдс.

Прохождение тока вызывает выделение теплоты по закону Джоуля во всем объеме вещества термомодуля:

где /Лл - площадь одной теплообменной пластины, м2; /тэм -площадь, занимаемая одним термомодулем, м2; п - число термомодулей, расположенных на одной пластине; Кз - коэффициент заполнения пластины термомодулями (0,6.. .0,8).

Для плоской многослойной стенки коэффициент теплопередачи находится из уравнения:

К = -

1

(11)

1 ^п 5,. 1

— + Х = + —

а1 '= X, а 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где а1 - коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой жидкости стенке; - толщина теплообменных пластин, мм;

- теплопроводность материала, Дж/кг°С; а2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости.

При условии стационарности теплового потока отбираемая от охлаждаемой жидкости теплота определяется по формуле:

б = FK Д/ .

(12)

Определяем по известным методикам А!ср с небольшим допущением:

Д =-

ср

Д/ - Д/

тах т

Д/тах

(13)

ДС

где бо - количество теплоты, поглощаемой спаем (хо-лодопроизводительность), Вт; бп - поглощение или выделение (в зависимости от направления тока) теплоты Пельтье, Вт; бдж / 2 - теплота, выделяемая в термомодуле, отнесенная к одной пластине, Вт; бт - теплота, перетекающая от горячей пластины к холодной, Вт.

Для равных сечений термоэлемента и средних значений с и 4

где А!шах, А!ш;п - соответственно максимальная и минимальная разность температур между охлаждаемой жидкостью и стенкой термомодулей, °С.

С другой стороны, теплота б отводится термомодулем, работающим в режиме охлаждения, поэтому

б = б0.

(14)

Подставляя соответствующие значения из уравнений (6), (11-13) в (14), получим:

F

1

1 п

а ^ '=1

5+-!

Ч^ ^) = 01Т-12//(а5)-^ДТ25//. (15)

X а

2/

|п Д1пах

Д ■

Искомая поверхность теплообмена Fx по холодной стороне выразится как

F =-

ШТх -12//И-^ДТ25//(-1 + Хп=,X + -1 VД

'а, X а0 ) Д!„

- (16)

,=1

В выражении (16) следует опустить лишь величину

1

разом:

jj = 5iL I 5„м

i=1 Ki К„п К п.м

(17)

F =

aiT -I2l/(ctS)-|aT2S/1| — + 5м Iln^

а1 К„п К„.м) Amin

At -At .

max min

Искомое число пластин Z определяется как

z =F F

f„n j y = 1fT3

(18)

(19)

г a AT

а,

(Тг - Тв)

Q = К FAf = q C (tr -tr).

-£-г гг cp ^гг\н К/

(24)

1 С С

K _ I + „п + „.м

" а 2 К„п К „.м

(25)

Величина «At » также определится с учетом (13):

—, поскольку конвективный теплообмен между термо-

а2

модулем и пластиной отсутствует.

п 5.

Величину ^ — можно выразить следующим об-

/=1 ^

Atcp =

cp

Atr -Atr.

max_mm

ln Atmax

(26)

At

.r

min

где ДС, ДС - соответственно максимальная и минимальная разности температур между горячей стенкой термомодуля и нагреваемой средой.

С учетом полученных выражений (23-26) уравнение теплового баланса для горячей стороны запишется следующим образом:

где Зпл, Зпм - соответственно толщина теплообменной пластины и термомодуля, м; Лпл, Лп.м - теплопроводность материала пластины и пластина термомодуля, Вт/кг°С.

С учетом принятых соображений перепишем выражение (16):

aiТг + Fl (ctS) - 2S|AT /1 = qTCT ( - tK ) = 5

15

— + -

а

x„„ к

F Atr.

г cp

(27)

С учетом последнего получим систему расчетных уравнений:

qг =

F =

aI Тг +12l (ctS )- 2S %AT /1

C (tH - f )

п н К /

aI Тг +12l (ctS )- 2 S ^AT /1

1 +5

a,

к

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ACx -Atm.n

(28)

(29)

ln

С другой стороны, чтобы обеспечить передачу теплоты Q = Q0 на холодной стороне, необходимо с горячей стороны термомодулей отвести теплоту:

Qr = Qo + Wo. (20)

Теплота Qг отводится через поверхность Fт:

Qг =аг Д7; Fг; (21)

ДТ = Т - Tв, (22)

где Т, Тв - соответственно температура горячей стенки термомодуля и температура охлаждающей (нагреваемой) воды, °С.

Подставляя в формулу (21) значения соответствующих параметров Qг (7), АТг (22) и выражая относительно Кг запишем:

- Qг а/ Т; +12l / (ст5)- 2S %ДТ /1

К =-=-;-;-. (23)

AC

AtL,

Аналитическую систему уравнений можно получить и по холодной стороне, добавив к уравнению (18) уравнение для дх, полученное по аналогии с выражением (28):

Qo = (( - 4х). (30)

Подставляя значение Q0 (6) и решая относительно дх, окончательно получим:

ч* =-

aiТ* -12l / (ctS) -E,AT2S/1 Cx ( -1 К)

(31)

Теплота Qг будет отводиться потоком дг, омывающим «горячую» сторону термомодулей, в нашем случае - потоком нагреваемой воды для технологических нужд (например, на мойку доильного робота):

Коэффициент теплопередачи по «горячей» стороне запишется по аналогии с «холодной» стороной:

где а2 - коэффициент теплоотдачи от пластины нагреваемой жидкости.

Запишем важное для любого теплообменника соотношение расходов охлаждаемой и нагреваемой жидко-

Ух

сти —:

Уг

. = уи = а/Тг - /21 ^) - ;ДТ2S / 1Сг ( - tкг)

' уг Сх(-4х))а/Тг + /21 (стS)-^^

Приведенные выше уравнения были получены для режима работы «Напроход», когда охлаждаемое молоко и нагреваемая вода движутся непрерывно. Вместе с тем для доильных установок характерен режим импульсной подачи, когда молоко из молокоприемника откачивается циклически определенными порциями. В доильном роботе молоко, как правило, перекачивается по окончании доения коровы и проходит через предохладитель в танк-охладитель для сборного молока. В нашем случае молоко должно быть охлаждено до определенной температуры хранения, розлито, упаковано и помещено в холодильную камеру на хранение перед отправкой потребителю. В этом случае глубину охлаждения можно варьировать от конечной (4°С) до промежуточной 8.. ,10°С

температур с последующим доохлаждением в холодильной камере.

В любом случае при работе доильного робота целесообразно рассмотреть режим циклической (порционной) подачи молока на обработку, чтобы увеличить глубину охлаждения при постоянной мощности термоэлементов за счет дополнительного охлаждения порции молока, оставшейся в межпластинчатом зазоре охладителя между циклами включения молочного насоса. При этом целесообразно объем полостей охладителя (V0) сделать равным объему регулируемой откачиваемой порции молока (Vp). Тогда при разовом удое одной коровы (qp = 10 л) и среднем времени доения (td = 6 мин) величина среднего охлаждаемого потока молока (qxcp) вставит 10:6 = 1,67 л /мин. При циклической подаче молока на обработку равными порциями, например, по 1 л, продолжительность одного цикла охлаждения молока будет равна

t„ = tdVp /Qp = 6-1/10 = 0,6 мин = 36 с. (33)

Это достаточно много по сравнению со временем пребывания в межпластинчатом зазоре при охлаждении «Напро-ход» порядка 4-5 с. За это время молоко успеет охладиться до более низкой температуры, чем в режиме «Напроход».

Количество теплоты, отбираемое от 1 кг молока за цикл охлаждения, можно определить по известной зависимости:

QM =pmVpСм (н - tK), (34),

где рм - плотность молока (1,033 кг/м3), см - удельная теплоёмкость молока, 3900 Дж/кг °C; tK, 4 - соответственно начальная (32°C) и конечная температура молока (4.. ,8°C).

С другой стороны, величину Q„M можно выразить через суммарную холодопроизводительность установленных термомодулей ^q1™ с учетом коэффициента запаса (1,1.1,15):

Z qT3M = (1,1___1,15) Q„*, (35)

или с учетом выражения (34) окончательно получим:

Z q™ =(1,1_1,15)pMVP См ( - tK ). (36)

В свою очередь, величину Vp можно выразить как сумму объемов межпластинчатых каналов охладителя:

Vp = ь0 ИХ п„ (37)

где bo, ho, lo - соответственно ширина, высота и длина одного канала; nk - количество каналов в охладительной секции.

С учетом (37) выражение (36) перепишется как

Z q™ = (1,1 _ 1,15) РмЬоИо1опксш ( - tK ). (38)

Необходимое время т пребывания молока в охладителе можно определить из уравнения теплового баланса:

QM = KFAt^ т, (39)

Библиографический список

1. Юрк Н.А., Динер Ю.А. К вопросу обеспечения производственной безопасности инновационных продуктов персонализированного питания // Перспективы развития отрасли и предприятий АПК: отечественный и международный опыт: Сборник материалов Международной

или с учетом (34) запишем:

Рм VC ( - tx ) = KFД^т. (40)

Выражая Vp и F через размеры пластин (bo, ho, lo), производя соответствующие сокращения и решая относительно т, получим:

т = Рмh0См ( -tx)/КД,. (41)

В расчетах можно принять величину коэффициента теплопередачи «К» как для танков-охладителей (1800.2000 Вт/м2°С). Величина среднего температурного напора в канале между молоком и термомодулем Atcp определяется экспериментально. При этом величина т не должна превышать продолжительность цикла охлаждения 35-40 с. На основе данной технологии возможны также различные варианты обработки молока для его более длительного хранения (термизация, пастеризация) с переключением режима работы термомодулей с охлаждения на нагревание.

Пример расчета.

По формуле (34) определяем количество теплоты, отбираемое от 1 кг молока за цикл охлаждения:

ЙМ = РмVc (( -1к) = 1033 • 0,001 -3900 • (32 - 4) = 11283,6 Дж. (42)

Далее определяем суммарную установленную мощность термомодулей N (Вт) по формуле (35), учитывая, что Z qтам = N-т:

N-т =(1,1.-.1,15)0;. (43)

Решая относительно N с учетом подставления значений, получим:

N = (1,15 -112803,6) : 36 = 3603,4 Вт. (44)

Зная холодопроизводительность одного модуля (например, 79 Вт), легко подсчитать общее число термомодулей n:

n = 3603,4:79 = 45. (45)

Задаваясь размерами пластины, можно вычислить вместимость (м3) одного канала и число каналов (37), а зная геометрические размеры пластины и геометрические размеры модуля, можно рассчитать количество термомодулей на одной пластине.

Выводы

Предлагаемая технология и способ охлаждения молока в потоке с использованием термоэлектрических модулей в составе доильных роботов позволяют создать новую технологию производства высококачественной молочной продукции по индивидуальным заказам потребителей.

References

1. Yurk N.A., Diner Yu.A. K voprosu obespecheniya proizvodstvennoy bezopasnosti innovatsionnykh produk-tov personalizirovannogo pitaniya [On ensuring industrial product security for personalized food ration]. Perspe-ktivy razvitiya otrasli i predpriyatiy APK: otechestvennyy

научно-практической конференции. Омск: ФГБОУ ВО Омский ГАУ, 2020. С. 490-494.

2. Шваб Е.Э., Сафралиев Ш.Н., Дубняк Я.В. Значение персонализированного питания в жизни современного человека // В сб.: Инновации и технологии в биомедицине. Владивосток: Дальневосточный федеральный университет, 2020. С. 9-12.

3. Гулсен Ян. Роботизированное доение. Серия Future Farming («Фермерство будущего») «Роботизированное доение», 2011. 53 с. https://issuu.com/agrodelo. ru/docs/book-robot-milking.

4. Измайлов А.Ю., Цой Ю.А., Кирсанов В.В. Технологические основы алгоритмизации и цифрового управления процессами молочных ферм. М.: Инфра-М, 2019. 208 с.

5. Кирсанов В.В., Кравченко В.Н., Филонов Р.Ф. Применение теромоэлектрических модулей в пастеризаци-онно-охладительных установках для обработки жидких продуктов: Монография. М.: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011. 88 с.

6. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской промышленной и бытовой техники // Компоненты и технологии. 2020. № 1. С. 102-109.

7. Иванов Ю.Г., Габдуллин Г.Г., Атаманкина Л.Н. Обоснование структурной схемы получения высококачественного молока с индивидуальными особенностями коров на роботизированных фермах // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 561-570.

8. Иванов Ю.Г., Машошина Е.В., Верликова Л.Н. Структура технических средств линии получения молока коров с индивидуальным составом // Техника и технологии в животноводстве. 2020. № 4 (40). С. 39-43.

Критерии авторства

Кирсанов В.В., Иванов Ю.Г., Верликова Л.Н., Кравченко В.Н. выполнили теоретические исследования, на основании полученных результатов провели обобщение и подготовили рукопись. Кирсанов В.В., Иванов Ю.Г., Верликова Л.Н., Кравченко В.Н. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила в редакцию 29.03.2021 Одобрена после рецензирования 19.05.2021 Принята к публикации 20.05.2021

i mezhdunarodnyy opyt: Sbornik materialov Mezhdunarod-noy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Omsk, Omsk GAU, 2020: 490-494. (In Rus.)

2. Shvab E.E., Safraliev Sh.N., Dubnyak Ya.V. Znachenie personalizirovannogo pitaniya v zhizni sovremennogo che-loveka [Importance of personalized food in the life of a modern person]. In: Innovatsii i tekhnologii v biomeditsine. Vladivostok: Dal'nevostochnyy federal'nyy universitet, 2020: 9-12. (In Rus.)

3. Gulsen Jan. Robotic milking. "Future Farming" series - "Robotic milking". 2011: 53. https://issuu.com/agro-delo.ru/docs/book-robot-milking

4. Izmaylov A. Yu, Tsoy Yu.A., Kirsanov V.V. Tekhno-logicheskie osnovy algoritmizatsii i tsifrovogo upravleniya protsessami molochnykh ferm [Technological basics of al-gorithmization and digital control of dairy farms processes]. Moscow, Infra-M, 2019: 208. (In Rus.)

5. Kirsanov V.V., Kravchenko V.N., Filonov R.F. Prim-enenie teromoelektricheskikh moduley v pasterizatsi-onno-okhladitel'nykh ustanovkakh dlya obrabotki zhidkikh produktov: Monografiya [Use of thermoelectric modules in pasteurization and cooling plants for the processing ofliq-uid products: Monograph]. Moscow, FGBOU VPO MGAU, 2011: 88. (In Rus.)

6. Shostakovskiy P. Sovremennye resheniya termoelek-tricheskogo okhlazhdeniya dlya radioelektronnoy, meditsin-skoy promyshlennoy i bytovoy tekhniki [Modern solutions of thermoelectric cooling for radio-electronic, medical industrial and household appliances]. Komponenty i tekhnologii, 2020; 1: 102-109. (In Rus.)

7. Ivanov Yu.G., Gabdullin G.G., Atamankina L.N. Obos-novanie strukturnoy skhemy polucheniya vysokokachestven-nogo moloka s individual'nymi osobennostyami korov na robotizirovannykh fermakh [Determination of the structural scheme of obtaining high-quality milk taking into account individual features of cows on robotized farms]. Innovatsii v sel'skom khozyaystve, 2018; 3 (28): 561-570. (In Rus.)

8. Ivanov Yu.G., Mashoshina E.V., Verlikova L.N. Struk-tura tekhnicheskikh sredstv linii polucheniya moloka korov s individual'nym sostavom [Technical structure of the line for getting cow's milk with individual composition]. Tekh-nika i tekhnologii v zhivotnovodstve, 2020; 4 (40): 39-43. (In Rus.)

Contribution

V.V. Kirsanov, Yu.G. Ivanov, L.N. Verlikova, V.N. Kravchenko performed theoretical studies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript.. V.V. Kirsanov, Yu.G. Ivanov, L.N. Verlikova, V.N. Kravchenko have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.

The paper was received 29.03.2021 Approved after reviewing 19.05.2021 Accepted for publication 20.05.2021

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.