УДК 637.117

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА

Ливиу ВОЛКОНОВИЧ1, Михаил КУШНИР1, Аугустин ВОЛКОНОВИЧ2,
Александр УЧЕВАТКИН2, Наталья КУШНИР1, Викторин СЛИПЕНКИ1,
Анатол ДАЙКУ1, Онорин ВОЛКОНОВИЧ1, Александр Попа1
1 Государственный Аграрный Университет Молдовы
2 Министерство Сельского Хозяйства, Регионального Развития и Среды Республики Молдова

Abstract.

This article provides a comprehensive analysis of automated energy-saving technological processes of milk cooling. It has been established that the most effective energy-saving milk cooling systems for production lines are combined modular-type all-year-round operation systems that include natural cold receivers with
standardized multi-stage spray units and water-ice accumulators of natural and artificial cold in combination with refrigeration compressors of the vapor compression type.
Key words: Milk cooling; Energy saving technology; Electrical equipment system; Natural cold; Artificial cold; Refrigeration compressor.

Реферат.

В работе приводится комплексный анализ автоматизированных энергосберегающих технологи- ческих процессов для охлаждения молока. Установлено, что наиболее эффективными энергосберегающими системами охлаждения молока технологических линий являются комбинированные системы круглогодового действия модульного типа, включающие приемники естественного холода с унифицированными многосту- пенчатыми распылительными блоками, водо-ледяные аккумуляторы естественного и искусственного холода в сочетании с холодильно-компрессорными подзарядными агрегатами парокомпрессионного типа. Ключевые слова: Охлаждение молока; Энергосберегающие технологии; Система электрооборудова- ния; Естественный холод; Искусственный холод; Холодильно-компрессорные агрегаты.

ВВЕДЕНИЕ

Технологический процесс обработки молока и существующая система электрооборудования (СЭ) на фермах не отвечают современным требованиям по ресурсо- и энергосбере- жению, уровню автоматизации и унификации. СЭ, которая включает типовые устройствуправления серии РУС, не обеспечивает полноценную комплектацию линий нового поко- ления. Ее ограниченные функциональные возможности из-за несоответствия алгоритмов управления для 70% машин не позволяют реализовать энергосберегающие технологии, по- высить эффективность процесса обработки молока в целом и усложняет их эксплуатацию. При формировании технологических линий, охватывающих несколько десятков машин, чис- ло вариантов систем управления резко возрастает и решение задачи разработки сложной СЭвозможно лишь путем создания унифицированных низковольтных комплектных  устройств(НКУ) для всей номенклатуры технологических линий. В связи с этим остро встала пробле-ма унификации электрооборудования на уровне схемных решений, элементной и конструк- тивной базы, построение СЭ по блочномодульному принципу. Это позволит значительно сократить количество типоразмеров и типоисполнений НКУ. Вместе с тем, существующий комплекс контролируемых и регулируемых параметров и технических средств не позволяетповысить уровень автоматизации энергосберегающих систем и интенсифицировать процесс
 обработки молока на фермах (Мусин, А., Волконович, Л., Волконович, А. и др. 2007).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Для эффективного управления процессом обработки молока, необходимо иметь полную и достоверную информацию о состоянии контролируемых и регулируемых параметров звеньев линии, характеризующих технологический процесс. Это требует проведение ком- плексных исследований технологических линий как объектов управления для получения иобработки информации, необходимой для создания энергосберегающих технологических систем и разработки унифицированной СЭ и обоснования ее параметров. Продолжитель- ные производственные исследования проводились на линиях первичной обработки молока ферм c. Марамоновка и с. Цауль Дондюшанского района, с. Кэинарий-Векь Сорокского района, а также с. Выхватинцы Рыбницкого района Республики Молдова (Мусин, А., Волконович, Л. и др. 2007; Волконович, Л., Сырги, К. 2002; Мусин, А.М. 2006).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

В результате проведенных исследований энергетических характеристик и потоков линий уста- новлено, что наиболее эффективными энергосберегающими системами охлаждения молока тех- нологических линий являются комбинированные системы круглогодового действия модульного
типа, включающие приемники естественного холода с унифицированными многоступенчатыми распылительными блоками, водо-ледяные аккумуляторы естественного и искусственного холо- да в сочетании с холодильно-компрессорными подзарядными агрегатами парокомпрессионно- го типа. Результаты длительных производственных испытаний на фермах подтвердили, что посравнению с традиционным способом охлаждения молока использование разработанной ком- бинированной системы охлаждения позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение в холодное время до 8 раз, установленную мощность электрооборудования и хладо- производительность холодильных установок до 3.3 раз, материалоемкость аккумуляторов до 4 раз, а так же повысить аккумулирующую способность системы не менее, чем в 2.1 раза. На основе результатов исследований сформулированы требования к типоразмеру установок для охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода, предложены типовые технологические схемы энергосберегающих систем охлаждения и разработана обоб- щенная методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода на базе установок сезонного действия (УСД), комбинированного действия (УКД) и аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ) (Му- син, А., Волконович, Л. и др. 2007; Мусин, А.М. 2006).
Возможность улучшения показателей и характеристик линии заложена в совершенствовании технологии, машин и оборудования. Задача СЭ заключается в том, чтобы максимально реализо- вать эти потенциальные возможности за счет улучшения взаимодействия отдельных звеньев и
повышения уровня автоматизации линии в целом. Поэтому к СЭ предъявляются повышенные требования по обеспечению и согласованию материальных потоков подачи и расхода, поддержа- нию заданных режимов с требуемым быстродействием.Для повышения качества функционирования линии и СЭ смоделированы и оценены временные режимы работы звеньев и линии в целом с последующим обоснованием алгоритмов управления и технических средств, обеспечивающих сокращение непроизводительных или трудоемких опера- ций по управлению линией. Конечная цель исследований - оценка времени и характера рабочего цикла СЭ звеньев линии в целом в их взаимосвязи. Установлено, что время работы регулируемых и нерегулируемых звеньев технологических линий, работающих по энергосберегающим техноло- гиям в рабочем цикле являются случайными величинами, распределенными по закону, близкому к нормальному. Определение и анализ характеристик величин времени проведен на основе информа- ции, полученной при проведении хронометража работы звеньев исследуемых линий. Для обеспечения автоматизированного управления разработанной системой аккумулирования
холода и охлаждения молока искусственным и естественным холодом и функционирования ли- нии в оптимальном энергетическом режиме исследованы энергетические характеристики техно- логических линий. Исследование проведено путем количественной оценки и сравнения энерге-
тических потоков и режимов работы СЭ типовой линии и линии с автоматизированной системой охлаждения молока естественным и искусственным холодом. Оценка выполнена на основании уравнений энергетического баланса технологической линии как единой системы. Анализ уравнений энергетического баланса показывает, что на типовой линии затраты энер- гии на охлаждение 1 т молока составляют 30...35 кВт·ч, при этом тепловая энергия молока не ис-пользуется. На линии с энергосберегающей технологией за счет аккумуляции холода и использо- вания тепловой энергии молока и теплоты конденсации хладоагента ХУ в сутки регенерируется в теплый период - 500, а в холодный 260 кВт·ч энергии, которая используется для нагрева воды, идущей на технологические нужды фермы. Кроме того в холодное время года использованиетолько УСД, аккумулирующих естественный холод для охлаждения молока на фермах, позволяет работать без холодильных установок в течение 4..4, 5 месяцев в году , что экономит не менее 230 кВт·ч электроэнергии в сутки. В теплое время года только за счет предварительного охлаждения  молока расход энергии на его охлаждение уменьшается на 40...60%, а хладопроизводительность и установленная мощность холодильных установок в 2...2,1 раза, что позволяет сэкономить не менее 130 кВт·ч электроэнергии в сутки. В результате в теплый период года затраты энергии на охлаждение 1 т молока составляют 10...13 кВт·ч, а в холодный – 2..0...4 кВт·ч (Мусин, А., Волко- нович, Л. и др. 2007; Волконович, Л., Сырги, К. 2002; Мусин, А.М. 2006). При обосновании параметров и структуры энергосберегающих технологических линий обра- ботки молока и СЭ с целью повышения надежности процесса обработки молока, анализировался технологический ущерб от потерь молока и снижения его качества, что является одной из основ- ных составляющих экономического критерия, определяющего выбор варианта технологической системы, а также конструктивного исполнения, схемного решения, элементной базы и структуры СЭ. Анализ ожидаемого ущерба от наиболее вероятных аварийных ситуаций, вызванных отказом различных звеньев и блоков СЭ, проведен методом имитационного моделирования аварийных ситуаций и по данным хозяйств. Установлено, что к наибольшим технологическим ущербам при- водят отказы ХУ и их систем управления. Анализ отказов реально функционирующих техноло- гических звеньев линий обработки молока и СЭ показал, что для повышения надежности систем охлаждения и обработки молока целесообразно использовать системы естественного холода, ав- томатизированные регулируемые звенья и двухуровневую унифицированную СЭ, что позволяет существенно упростить структуру технологических линий и обеспечить повышение вероятности безотказной работы линий не менее, чем в 2 раза (Мусин, А., Волконович, Л. и др. 2007; Волко- нович, Л., Сырги, К. 2002). Для оценки влияния режимов работы электрооборудования на показатели качества обрабаты- ваемого молока исследовались зависимости потерь молочного жира ΔG и сортности от площади контакта с поверхностью накопительно-регулирующих емкостей (НРЕ) Sо и окружающим воз- духом Sв (рис.4) В качестве критерия сортности принималась бактериальная обсемененность молока. Исследования проведены на типовой линии, оснащенной нерегулируемыми звеньями (рис.1), и на линиях с энергосберегающей технологией, оснащенных соответственно автомати- зированными регулируемыми звеньями с дискретно-регулируемым электроприводом (рис.2) и устройством контроля и регулирования потоков (рис. 3).

Применение автоматизированных звеньев с дискретно-регулируемым электроприводом для учета и перекачки молока (рис. 2), устройства для контроля и регулирования потоков молока (рис. 3) вместо молочных весов СМИ-500 и молокоприемного бака БМ-1000 (рис.1), позволило объеди-
нить доильную установку и линию в единую поточно-транспортную систему, обрабатывать молоко в закрытом потоке изолированно от окружающего воздуха, сократить площадь контакта молока с молочным оборудованием и окружающим воздухом по сравнению с типовой линией, соответствен- но: SО с 10,04 до 0,4 м2, SВ: с 3,95 до 0,46 м2 (рис.9); SО с 10,04 до 0 м2, SВ: с 3,95 до 0 м2 (рис. 3). При этом время обработки молока за счет уменьшения емкостного запаздывания сократилось до 5 раз.

ностью молочного оборудования So (СМИ-500, БМ-1000,ОБК-250, УКРП) Зависимость потерь молочного жира ΔG от площади контакта с поверхностью оборудования и НРЕ Sо определена путем учета количества жира, оставшегося на поверхностях НРЕ. В результа- те проведенных исследований и обработки экспериментальных данных (рис.4) установлено, что между исследуемыми факторами имеется корреляционная связь и линия регрессии представляет собой прямую вида ΔG = 6,1⋅ Sо , (1) где Sо - площадь контакта молока с поверхностью НРЕ, м2. Полученное выражение позволяет определять расчетные значения потерь жира при обработке молока на линиях с различной вместимостью НРЕ. Установлено, что использование автоматизиро- ванных звеньев с дискретно-регулируемым электроприводом для учета и перекачки молока вместо нерегулируемого сокращает площадь контакта молока с НРЕ более чем в 15 раз, а потери молочного жира в среднем 50 г на 1 т обрабатываемого молока (табл.1). Применение же устройства для контроля и регулирования потока молока вместо нерегулируемого позволяет исключить НРЕ из технологиче- ского процесса (рис. 3), и обеспечить обработку его в закрытом потоке, при этом контакт молока с поверхностью НРЕ Sо и окружающим воздухом Sв по сравнению с типовой линией полностью ис- ключается. Это обеспечило полную сохранность молочного жира в процессе обработки.

Исследование влияния режимов работы автоматизированных регулируемых звеньев и площади контакта молока с молочным оборудованием So и воздухом Sв на сортность молока Вs=f(So+Sв) проведено на основании данных зоослужбы фермы. На рис. 5 приведены кривые распределения
бактериальной обсемененности обрабатываемого молока на рассматриваемых линиях. Анализ кривых и выполненные расчеты показывают, что при обработке молока на типовой технологи- ческой линии (рис. 1), количество полученного за год молока не удовлетворяющего требованиям высшего сорта, при годовом надое 1000 т, может составлять в среднем 20 т, при обработке на ли-нии, оснащенной автоматизированными звеньями с дискретно регулируемым электроприводом (рис. 2) - в среднем 10 т, при обработке же на линии, оснащенной устройством для контроля и регулирования потоков молока (рис. 3), практически все молоко сдается высшим сортом.

n – эмпирические и выравнивающие частоты нормального распределения бактериальной обсемененности молока Bs Обоснование структуры унифицированной СЭ и уровня автоматизации линий проведено на основе разработанной математической модели, предусматривающей моделирование и анализ
структуры затрат рабочего времени оператора на управление линией и рассматривающей ее как  единую систему оператор – технологическая линия – СЭ. Исследовались варианты формиро- вания технологических линий одно и двухуровневой СЭ . Централизованной системой дистанци-
онного контроля и управления осуществляется контроль и регулирование уровней и температуры молока, атмосферного воздуха, воды и хладоносителя, кратности расходов и объемов хладоноси- теля и молока, времени охлаждения и аккумуляции холода, перемешивания молока в резервуарах молока и хладоносителя в АХ, а также аварийная сигнализация, оповещающая о переполнении емкостей, отказе холодильного и насосного оборудования, отклонении температуры охлаждения молока, воды и хладоносителя Затраты рабочего времени оператора на управление линией определены из циклограмм ра- боты оборудования и пооперационного хронометража работы оператора в процессе обработки молока. Обоснование структуры затрат рабочего времени оператора на управление всей линией m[Tл] проведено по выражению

Анализ суммарных затрат рабочего времени на управление линий с одноуровневой струк- турой СЭ показывает, что коэффициент использования рабочего времени составляет лишь 26%, а коэффициенты непроизводительных затрат kн и kп соответственно составляют 45 и 25% (табл.2). Установлено, что одноуровневая структура СЭ не позволяет избежать много- кратных переходов Tп от одного звена к другому. Удаленность НКУ отдельных звеньев друг от друга практически исключает возможность непосредственного контроля за ходом процесса обработки на линии и требует постоянного присутствия оператора. Оператор вынужден регу- лярно обходить все звенья, осуществляя постоянный контроль за функционированием. Кроме того, последовательные переходы Tп и наблюдения Tн за работой звеньев линии исключают возможность своевременного обнаружения аварийных ситуаций, что неизбежно приводит к потере молока или снижению его качества. Проведенными исследованиями установлено что, для повышения коэффициента использова- ния рабочего времени, и соответственно для снижения коэффициентов не производительных за- трат kн и kп, целесообразно использовать двухуровневую СЭ, состоящую из централизованной системы дистанционного контроля, регулирования и управления (ЦУДКУ), расположенного на втором уровне управления, обеспечивающего контроль, регулирование и управление процессом
обработки молока в автоматическом режиме, а также возможность вмешательства оператора в аварийных ситуациях. При этом, НКУ первого уровня обеспечивают местное управление звенья- ми в пусконаладочном, ручном, автоматическом и аварийном режимах. Анализ структуры затрат рабочего времени оператора на управление линией с двухуровневой СЭ показывает, что затраты рабочего времени сократились: на наблюдения - в 3,3 раза; на управ- ление - в 1,3 раза; на переходы - в 1,96 раза. Суммарные затраты рабочего времени оператора на управление линией сократились в 2,0 раза, а уровень автоматизации повысился на 50%. Проведенные исследования технологических линий обработки молока как объектов управле- ния, позволили обосновать и сформировать требуемый комплекс контролируемых и регулируе- мых параметров процесса обработки молока, необходимый для создания эффективных техниче- ских средств и разработки унифицированной СЭ, обеспечивающей комплексную автоматизацию процесса обработки молока при соблюдении требований к его качеству, а также энергетическим, экологическим и эксплуатационным характеристикам технологических линий нового поколения (Волконович, Л., Сырги, К. 2002; Мусин, А.М. 2006).

ЦУДКУ – централизованное устройство дистанционного контроля и управления; НКУ 1 – блок управления (БУ)электро- приводом молочного насоса воздухоразделителя (I); НКУ 2 – БУ электроприводом устройства для учета и перекачки молока (II); НКУ 3 – БУ электроприводами системы выработки холода : насоса хладоносителя (III), насоса системы охлаждения конденсатора (IV), компрессора (V), аккумулятором естественного и искусственного холода (VI); НКУ 4 – БУ электрообору- дованием резервуара для хранения молока (VII); НКУ 5 – БУ электроводонагревателем (VIII); НКУ 6 – БУ электроприводом молочного насоса системы выдачи молока с фермы (IX); НКУ 7 – БУ электроприводом насоса установки для циркуляцион- ной промывки молокопроводных систем (X); 1 – субблок системы управления электроприводами (ССУЭ) молочного на- соса воздухоразделителя или молочного насоса; 2 – субблок системы контроля (ССК) сигнала датчика верхнего уровня молока; 3 – ССК аварийной сигнализации отклонения параметров от заданных пределов; 4 - субблок системы учета молока; 5 – субблок системы защиты, управления и контроля параметров холодильных установок; 6 – субблок систе- мы аварийной сигнализации и блокировки электроприводов холодильных установок; 7– ССУЭ насоса хладоносителя; 8 – ССУЭ насоса системы охлаждения конденсатора холодильных установок; 9 – ССУЭ компрессора; 10 – ССУЭ аккумулятора естественного и искусственного холода; 11 – ССУЭ перемешивающего устройства резервуаров молока; 12 – субблок системы программного управления перемешивающим устройством резервуаров молока; 13 – ССУЭ нагревательного элемента электроводонагревателя; 14 – ССК сигнала датчиков температуры или уровня молока; 15 – ССУЭ молочного насоса выдачи молока с фермы и установки для безразборной мойки оборудования.

ВЫВОДЫ

Технологические линии обработки молока и система электрооборудования (СЭ) на фермах не отвечают современным требованиям по энергетическим характеристикам, уровню автомати- зации и унификации. Существующий комплекс контролируемых и регулируемых параметров и
технических средств процесса обработки, отсутствие данных о влиянии параметров и режимов работы звеньев на показатели качества молока, энергетические, экологические и эксплуатацион- ные характеристики линий не позволяют обосновать и формировать автоматизированные энер- госберегающие системы и интенсифицировать технологический процесс обработки молока на фермах. Это объясняется отсутствием методологии исследования технологических линий как объектов управления и методов синтеза автоматизированных энергосберегающих систем и СЭ,
позволяющих учесть все многообразие сложных взаимосвязей между звеньями линии и СЭ в процессе функционирования. Структуры технологических линий обработки молока существенно отличаются друг от друга и зависят от случайных, изменяющихся во времени факторов: от продуктивности коров, принятой технологии, архитектурно-планировочных решений, санитарно-гигиенических условий, географии расположения фермы. Анализ основных режимов функционирования звеньев технологических ли- ний обработки молока показал, что повышение уровней автоматизации и унификации при сниже-
нии энергоемкости и трудоемкости его обработки, может быть достигнуто путем функционально- структурной организации линий по модульному принципу внедрения принципиально новыхавтоматизированных технических средств, энергосберегающих технологий, использующих есте-
ственный холод воздуха и воды и создания унифицированной установки СЭ с гибкой иерархиче- ской структурой и с возможностью перестройки их при изменении технологических задач. Установлено, что применение разработанных энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной СЭ в технологических линиях позволяет: — обеспечить интенсификацию процесса обработки молока на фермах и улучшение показа- телей по всем видам оценок: технологической, энергетической, экологической, качественной и
эксплуатационной; — сократить потери молочного жира на 0,15 т, требуемую производственную площадь и ме- таллоемкость оборудования для приема и учета молока за счет применения регулируемых зве- ньев не менее чем на 80%;— на 40% сократить затраты рабочего времени оператора на управление и эксплуатацию ли- нией за счет повышения уровня автоматизации таких операций как учет молока, регулирование технологических потоков, управление, контроль и регулирование функционированием звеньев в процессе обработки молока и аккумулирования холода; —сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в холодное время года не менее чем в 8 раз, установленную мощность электрооборудования и хладопроизводительность холодильных установок не менее чем в 3.3 раза, материалоемкость аккумуляторов естественного
и искусственного холода не менее чем в 5 раз;

— повысить аккумулирующую способность системы охлаждения не менее чем в 2.1 раза;
— снизить суммарные затраты на электроэнергию не менее чем в 2,5 раза;
— повысить уровень автоматизации системы не менее чем на 40%.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. МУСИН, А., ВОЛКОНОВИЧ, Л., ВОЛКОНОВИЧ, А. и др. (2007). Автоматизация ресурсосберегаю- щих технологических процессов в сельском хозяйстве. Кишинев. 341 с.
2. ВОЛКОНОВИЧ, Л., СЫРГИ, К. (2002). Энергосберегающие, экологические системы естественного холода для хранения пищевых продуктов. Кишинев. 334 с. ISBN 9975-62-078-7.
3. МУСИН, А.М. (2002). Оптимизация автоматизированных технологических линий животноводства. В: Механизация и автоматизация технологических процессов в животноводстве: Сборник научных тру- дов ВНИИМЖ, Том 5, часть 2, Подольск: ВНИИМЖ.

 

Data prezentării articolului: 29. 09.2017
Data acceptării articolului: 27.10.2017