УДК 637.117.02
ПРИМЕНЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА 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.

Mathematical models of the processes of cold accumulation and milk cooling by water-ice accumulators of seasonal and year-round action in heat exchangers of flow and capacitive types have been developed, in order to ensure the functioning of the line in an optimal energy regime with new technical means, and to substantiate the main parameters of energy-saving systems of milk cooling. These tasks are solved in the context of the system approach using the theory of operations, probability theory and mathematical statistics, automatic control theory, mathematical and physical modeling, and the analysis and synthesis of electrical equipment.
Key words: Milk cooling; Energy-saving technological processes; Natural cold; Artificial cold; Seasonal action units; Combined action installations; Flow-through cooler; Capacitive cooler.

Реферат.

В данной работе разработаны математические модели процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов с целью обеспечения функционирования линии в оптимальном энергетическом режиме с новыми техническими средствами и с целью обоснования основных параметров энергосберегающих систем охлаждения молока. Поставленные задачи решены с позиций системного подхода с использованием теории операций, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, математического и физического моделирования, анализа и синтеза системы электрооборудования. Ключевые слова: Охлаждение молока; Энергосберегающие технологические процессы; Eстественный
холод; Искусственный холод; Установки сезонного действия; Установки комбинированного действия; Проточный охладитель; Емкостной охладитель.

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее наращивание производства молока и повышение эффективности процессов его об- работки в условиях нынешнего материально-энергетического обеспечения хозяйств требуют вовле- чения в энергетический баланс природных естественных источников энергии, создания и внедрения
гибких энергосберегающих линий с различным уровнем автоматизации в зависимости от типораз- мера ферм, принятой технологии и географии расположения ферм. Использованию естественного холода для охлаждения и хранения молока и других сельско- хозяйственных продуктов посвящено большое количество работ. Исследования показали, что выполненные разработки в большинстве случаев носили некомплексный характер. Не нашли должного отражения вопросы эффективности совместного использования для охлаждения молока источников естественного и искусственного холода. В условиях больших колебаний независимых входных параметров (температура воздуха и воды, количество охлаждаемого молока и его начальная температура) повысить эффективность функционирования подобных систем без автоматизации невозможно (Мусин, А., Марьяхин, Ф. и др. 2006; Учеваткин, А. 2008).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В основу разработки автоматизированных энергосберегающих технологий, технических средст и унифицированной системы электрооборудования (СЭ) положен методологический прием, в соот- ветствии с которым энергосберегающие технологические линии рассмотрены как единая сложная система взаимодействия множества элементов - технологических, энергетических, эксплуатацион- ных факторов, влияющих на качество молока и на технико-экономические показатели фермы. Поставленные задачи решены с позиций системного подхода с использованием теории опера-
ций, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, математического и физического моделирования, анализа и синтеза СЭ (Мусин, А., Марьяхин, Ф. и др. 2006; Учеваткин, А. 2008).

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

В зависимости от принципа действия и способа использования естественного и искусственно- го холода системы охлаждения молока и установки, аккумулирующие холод в виде льда и ледя- ной воды, делятся на две группы: сезонного (УСД) (рис.1), и круглогодового действия. Установки
круглогодового действия делятся в свою очередь на комбинированные установки (УКД) (рис. 2) и аккумуляторы-льдохранилища (ЛХ) (рис. 3). Установки сезонного действия функционируют только в холодное время года и представляют собой секционированный приемник - аккумулятор естественного холода, устанавливаемый сна- ружи около помещения для обработки и хранения молока. В холодное время года вода насосом подается в проточный теплообменник. Внутри УСД размещена система труб и перегородок, обе- спечивающая циркуляцию воды при образовании льда.
В установках комбинированного действия (УКД) применяется как естественный, так и ис- кусственный холод. В зимний период она работает как УСД, в летний период - подзарядная хо- лодильная установка во время пауз между дойками заряжает холодом УКД, который затем ис-
пользуется для охлаждения молока. В качестве подзарядных могут использоваться холодильные установки типа АВ-30, ТХУ-23, ТХУ-14, МВТ-20, МВТ-14, МКТ-20, УВ-10, ОТ-10, ФУ-40 и др.(Учеваткин, А. 2008; Волконович, Л., Сырги, К. 2002). В аккумуляторах-льдохранилищах подзарядные холодильные установки не используются. В холодный период лед накапливается путем послойного его намораживания, а в теплое время года его используют для охлаждения молока. Применение энергосберегающих систем и технических средств с использованием естественного холода, характеризующееся качественными изменениями в технологии охлаждения, сопровождается усложнением функционально-структурной организации линий и алгоритма управления технологиче- ским процессом обработки молока. Многообразие возмущений, изменяющихся в процессе функциони- рования системы по случайному закону (например, интенсивность потоков молока Qп и хладоносителя Qх, температура молока tом1, хладоносителя tов1 и окружающего воздуха tоо, и др.), и сложные взаи-мосвязи в ходе процесса обработки между звеньями и СЭ порождают множество энергетических и ин-
формационных потоков в системе. При этом возрастает количество контролируемых и регулируемых параметров и соответственно логических операций, которые необходимо выполнять при осуществлении управления процессом обработки молока. В связи с расширением номенклатуры машин и оборудования, а также разнообразием технологических схем, большое значение приобретает типизация и унификация алгоритмов управления, технических средств и электрооборудования технологических линий. (Учеват- кин, А. 2008; Волконович, Л., Сырги, К. 2002; Кушнир, М. 2015).
Так как основной технологический процесс обработки молока остается, то и технологическая схема в своей основе остается прежней. На отдельных участках и операциях она изменяется либо дополняется новыми участками. В таких условиях наилучшим решением является дополнение
основных технологических схем специализированными конструктивными модулями, предназна- ченными для улучшения качества функционирования по технологическим, энергетическим, эколо- гическим и эксплуатационным характеристикам или устранения определенного вида возмущения.  Такиемодули обладают гибкой структурой и хорошо сопрягаются с основным оборудованием без его существенной переделки. На рис. 4 представлена структура энергосберегающей технологиче- ской линии первичной обработки молока на фермах, которая построена на основе типовых техно- логических участков и операций и дополнена конструктивными модулями (выделено жирными линиями), содержащими одну или несколько операций, например, перекачка молока и его учет, аккумулирование естественного и искусственного холода, распыление хладоносителя и т.п. В соответствии с модульным принципом функционально-структурной организации техноло- гических систем новое оборудование представлено и реализовано в виде конструктивного модуля - элемента технической системы, обладающей технологической и функциональной завершенностью, универсальностью применения и совместимостью с другими модулями. Модульный принцип функционально-структурной организации технологических систем и технических средств дает возможность использовать преимущества блочной унификации и позволяет формировать гибкие энергосберегающие линии обработки молока с требуемыми параметрами и характеристи- ками для любых типов животноводческих ферм с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении задач. При этом существенно упрощаются расчеты, и количе- ственная оценка отдельных звеньев и линии в целом и тем самым резко снижается трудоемкость поиска оптимальных решений. В основу математического описания функционально-структурной организации системы поло- жено обобщенное дерево функций и структура автоматизированных энергосберегающих линий обработки молока с учетом вариантов комплектации техническими средствами и существующи-ми типовыми схемами.

В результате сформированы основные типовые варианты автоматизированных энергосбере- гающих технологических линий для различных ферм, отличающихся поголовьем и продуктивно- стью коров, принятой технологией, а также архитектурно-планировочными решениями. Эти варианты являются модификацией известных типовых вариантов, в которые добавлены новые модули (звенья), в т. ч. использующие естественный холод. Унифицированный комплект электрооборудования таких линий позволит перекрыть все возможное многообразие и множество технологических вариантов оборудования, действующего на территории Республики Молдова.

Для обеспечения функционирования линии в оптимальном энергетическом режиме с новы- ми техническим средствами и обоснования основных параметров энергосберегающих систем охлаждения молока, разработаны математические модели процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов. Исследованы и обоснованы эффективные способы и режимы аккумулирования естественного и искусственного холода, приведена 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) (рис.1...3). Теоретически и экспериментально исследованы два основных режима функционирования иподзарядки установок: режим смешивания, при котором происходит перемешивание хладоно- сителя с отепленной водой, и температура хладоносителя во всем объеме быстро выравнива- ется; режим вытеснения, при котором, хладоноситель, подаваемый снизу, не перемешиваясь с теплой, вытесняет ее. Температура воды в верхних слоях оказывается выше, чем в нижних (Волконович, Л., Сырги, К. 2002; Кушнир, М. 2015). Для рационального сочетания использования естественного и искусственного холода в различных климатических зонах Республики Молдова, разработана методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока, позволяющая определить наиболее эффективный вариант энергосберегающей системы охлаждения в зависимости от варианта комплектации линии оборудованием (техническими средствами) Nв и средней годо- вой температуры наружного воздуха ΔoC в зоне расположения объекта. Степень использования потенциала природного холода и рациональное сочетание естественного и искусственно- го холода в технологических линиях в суточном и годовом циклах определены при помощи энергосберегающего модуля Кw и номограммы, построенной в координатах Кw - nв -ΔoC Кw = Qи / Qex, (1) где Qи, Qex – хладопроизводительность соответственно источника искусственного и есте- ственного холода, кВт. Требуемая мощность подзарядной холодильной установки Nи источника искусственного холо- да Qи в зависимости от вместимости аккумуляторов естественного и искусственного холода Vах, определена из номограммы, построенной в координатах Qи - Nи – Vах. Для обоснования параметров и эффективных режимов работы энергосберегающей системы охлаждения с УСД, УКД и ЛХ исследованы два основных режима: - режим охлаждения молока с использованием аккумуляторов естественного и искусственного холода (АХ) Kв = f (toм1, toм2, toв1, tов2, toо, qах, То, Mm), (2) где Kв - соотношение (кратность) количества воды (хладоносителя) в аккумуляторе холода Vах к количеству охлаждаемого молока Mm; toм1 - начальная температура молока, до охлаждения, оС; toм2 - конечная температура молока, после охлаждения, оС; toв1 - температура хладоносителя на входе теплообменника (охладителя) или на выходе аккумулятора холода и испарителе холодильной установки, оС; tов2 - температура хладоносителя на выходе из теплообменника молока, оС; toо - тем- пература атмосферного (наружного) воздуха, оС; qах - производительность насоса хладоносителя АХ, (м3/ч); Tо - время охлаждения молока, ч; Mm - количество охлаждаемого молока, м3; режим аккумулирования естественного и искусственного холода Qс = f (toм1, toв1, tов2, toо, qах, Tп, Ta, Mm, a ,b, h), (3) где: Qс - хладопроизводительность системы, ЛХ или подзарядной холодильной установки, тыс. ккал/ч; Tп - время паузы между дойками, ч; Ta - время аккумуляции холода, ч; a и b - соот- ветственно, длина и ширина зеркала ЛХ, м; h - толщина намораживаемого слоя льда. м; При реализации на ЭВМ математических моделей процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными АХ установлены количественные взаимосвязи между температурами обрабатываемого молока (toм1, tом2), хладоносителя (toв1, tов2), атмосфер- ного воздуха toо, временем охлаждения Tо и аккумуляции холода Ta и конструктивно- технологическими параметрами АХ: в линиях с проточными теплообменниками: - режим смешивания хладоносителя в АХ
Kв =Vах /Mm = [ln(tом1 - tоо - 2)/(tом1 - tов1 - 2)]-1 ≥3.0; при tом1 =17оС, tом2 ≤ 6оС;
tов1 = tом1 - 2 - (tом1 - tоо - 2) ехр(-1/ Kв)≈2,4оС; tов2 = (tом1 + 2tов1 - 2)/ 3; (4)
qах = Kв⋅Mm /4⋅[ln (tов2 - 2)/(tов1 - 2)] ≈ 2.1⋅Mm ;
- режим вытеснения хладоносителя в АХ
Kв = Vах /Mm = [3(tом1 - 6)/(tом1 - tов1 - 2)] = 2,6; при tом1 =17оС, tом2 ≤ 6оС;
tов1 = 2оС; tов2= (tом1 + 2⋅tоо - 2)/ 3 - для первого цикла охлаждения;
tnв2 = 1/3⋅[(tом1-2)⋅(1+ 2/3 + 22/32+...+2n-2/3n-2)+(tом1 + tоо - 2)⋅2n-2/3n-2 ≈ 5,8оС; (5)
n = (2, 3, 4, 5...) - циклы функционирования

qах = Vах / Ta = Kв⋅Mm/Ta = 2,6⋅Mm/4 = 0,65⋅Mm.
Удельная хладопроизводительность подзарядной холодильной установки Qx :
- для типовой системы охлаждения (To = Tа = 2 ч)
Qx = Mm (tом1 - tом2) / To = 6.9 тыс. ккал/ч;
- с аккумулированием холода в АХ между дойками (Tа = 10 ч; Т*а = 4 ч) (6)
Qx = Mm (tом1 - tом2) / Tа = 1.1 тыс. ккал/ч - для двухразовой дойки;
Qx = Mm (tом1 - tом2) / T*а = 2,9 тыс. ккал/ч - для трехразовой дойки;
в линиях с емкостными теплообменниками:
- режим смешивания хладоносителя в АХ
Kв ≥ 3, при tом1 = 17оС, tом2 ≤ 6оС;
To = 2 ч, при tов1 =2,4оС; Mm = 1,25 т; (7)
qах = 2 м3/ч, при To = 2 ч, tом2 ≤ 6оС, Tа ≥ 4 ч;
- режим вытеснения хладоносителя в АХ
Kв = qх⋅Tо / Mm ≤ 2,92, при tом1 = 17оС, tом2 ≤ 6оС;
To = 2 ч, при tов1 = 2оС; Mm = 1,25 т;
tов2 = (tом1 + 2⋅tоо - 2)/ 3 - для первого цикла охлаждения; (8)
tnв2 = 1/3⋅[(tом1-2)⋅(1 + 2/3 + 22/32+...+2n-2/3n-2)+(tом1 + tоо - 2)⋅2n-2/3n-2;
n = (2, 3, 4, 5...) - циклы функционирования;
qах = 0,6 м3/ч, при To = 2 ч, tом2 ≤ 6оС, Tа ≥ 4 ч.
Хладопроизводительность подзарядной холодильной установки Qx :
- для типовой системы охлаждения (To =Tа = 2 ч, Mm = 1,25 т )
Qx = Mm (tом1 - tом2) / To = 6.9 тыс. ккал/ч ;
- с аккумулированием холода в АХ между дойками
(Tа=10ч; T*а = 4ч, Mm=1,25 т) (9)
Qx = Mm (tом1 - tом2) / Tа = 1,38 тыс. ккал/ч - для двухразовой дойки;
Qx = Mm (tом1 - tом2) / T*а = 3.45 тыс. ккал/ч - для трехразовой дойки.

В табл.1 приведены сравнительные характеристики параметров аккумулятора холода (АХ) nзависимости от способа охлаждения молока и режимов аккумулирования естественного и искус- ственного холода. Установлено, что наиболее эффективным является режим вытеснения хладо- носителя в АХ, позволяющий аккумулировать холод до более низкой температуры (tов1 =2oС) при минимальной кратности объемов хладоносителя к молоку (Kв =2,6). По сравнению с режимом смешивания, режим вытеснения хладоносителя в АХ позволяет не менее, чем в 3.3 раза умень- шить хладопроизводительность подзарядной холодильной установки Qx и соответственно произво- дительность насоса хладоносителя qах в режиме аккумуляции холода.

В результате реализации математических моделей процесса охлаждения молока установка- ми сезонного и комбинированного действия в теплообменниках проточного и емкостного типов обоснованы технические и конструктивные параметры и режимы работы системы охлаждения T2 , определены эффективные вместимости аккумуляторов Vах и секций n, их аккумулирующая способность Wа и время между дойками Tп, обеспечивающие охлаждение разового надоя мо- лока Mm и зарядку холодом от атмосферного воздуха Ta 4, Получено выражение, позволяющее определять температуру охлаждения молока tом2 при последовательном подключении отдельных секций n в контур охлаждения в функции температуры атмосферного наружного воздуха tоо tом2= tом1⋅nn/(n+в)n+Kв/(n+Kв)⋅[nn-1/(n+Kв)n-1+nn-2/(n+Kв)n-2...]⋅tоо (10) В табл.2 и 3 представлены результаты расчета температуры охлаждения молока tом2 при различных конструктивных значениях n, Kв и температуры наружного воздуха tоо. Как видно из табл. 2, при tоо = 2оС только при n = 3 можно охладить молоко до 6оС и дальнейшее увеличение числа секций n мало влияет на показатели работы системы охлаждения.

Эффективность охлаждения существенно возрастает с использованием системы предварительного охлаждения моло- ка. Даже при tоо = 4оС и n = 2 температура охлажденного молока tо м2 будет ниже 6оС (табл. 3). Длительные производственные испытания аккумуляторов холода в технологических системах в c. Марамоновка и с. Цауль Дондюшанского района, в с. Кэинарий-Векь Сорокского района, а также в с. Выхватинцы Рыбницкого района Республики Молдова, показали, что они обеспечивают охлаждение молока до 6оС при tо о = 5...-20о С. При этом удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в зимнее время составили 2,0...4,0 кВт. ч / т . В технологических системах охлаждения с использованием аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ) обоснованы контролируемые и регулируемые параметры и режимы ускоренного послойно- го намораживания льда в холодное время года и его использования в летний и весенний периоды, определены эффективные значения требуемых емкостей ЛХ Vл для молочных ферм с различны- ми годовыми удоями.

Обоснование эффективного режима зарядки АХ от подзарядной ХУ при минимальном расходе электроэнергии и материалоемкости УКД проведены на основе разработанной математической модели процесса аккумулирования искусственного холода. В результате определен комплекс кон- тролируемых и регулируемых параметров и технических средств, обеспечивающий автоматиза- цию процесса аккумулирования холода между дойками и управление временем аккумулирования τ (работы подзарядной ХУ) и регулирование установкой времени to у в зависимости от количества
охлаждаемого молока Mm. Основными параметрами контроля и регулирования являются время аккумулирования τ* и температура хладоносителя to х в АХ в зависимости от количества охлаж- даемого молока Mm.

ВЫВОДЫ
Для обеспечения функционирования линии в оптимальном энергетическом режиме с новы- ми техническим средствами и обоснования основных параметров энергосберегающих систем охлаждения молока, разработаны математические модели процессов аккумулирования холода
и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов. Теоретически и экспериментально исследованы два основных режима функционирования и подзарядки установок: режим смешивания, при котором происходит перемешивание хладо- носителя с отепленной водой, и температура хладоносителя во всем объеме быстро выравни- вается; режим вытеснения, при котором, хладоноситель, подаваемый снизу, не перемешива- ясь с теплой, вытесняет ее. Длительные производственные испытания аккумуляторов холода в технологических системах в c. Марамоновка и с. Цауль Дондюшанского района, в с. Кэинарий-Векь Сорокского района, а также в с. Выхватинцы Рыбницкого района Республики Молдова, показали, что они обеспечивают охлаждение молока до 6оС при tо о = 5...-20оС. При этом удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в зимнее время составили 2,0...4,0 кВт. ч / т.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ВОЛКОНОВИЧ, 1. Л., СЫРГИ, К. (2002). Энергосберегающие, экологические системы естественного холода для хранения пищевых продуктов. Кишинев. 334 с. ISBN 9975-62-078-7.
2. КУШНИР, М. (2015). Выбор и обоснование оптимальных параметров и режимов работы, автоматизированных энергосберегающих технологических систем охлаждения молока. In: Lucrări ştiinţifice, UASM, vol. 45: Inginerie agrară şi transport auto , p. 437. ISBN 978-9975-64-276-7.
3. МУСИН, А., МАРЬЯХИН, Ф., УЧЕВАТКИН, А. (2006). Структура системы электрооборудования технологических линий обработки молока. В: НТБ ВИ¬ЭСХ, вып. 2(54), с. 3-11.
4. УЧЕВАТКИН, А. (2008). Минимизация и оптимизация алгоритмов управления холодильных установок технологических линий для обработки молока. В: Проблемы электрификации, автоматизации и теплоснабжения с.-х. производства: тез. докл. Всесюзн. научн. конф., 25-27 ноября 2008, с. 109-110.

 

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