Оптимизация параметров и режимов работы установки термизации молока на фермах крупного рогатого скота
На правах рукописи
Шутов Андрей Александрович
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ
УСТАНОВКИ ТЕРМИЗАЦИИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ КРУПНОГО
РОГАТОГО СКОТА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2011
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Туваев Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович кандидат технических наук, доцент Гордеев Владислав Владимирович
Ведущая организация: ГНУ СЗНИИМЛПХ Россельхозакадемии
Защита состоится 14 апреля 2011 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, факс (812) 466-56-66, е-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
Автореферат разослан 10 марта 2011 г.
Учный секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Вступивший в действие 12 июня 2008 года Федеральный закон № 88 – ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» ужесточил требования к безопасности сырого молока. В основном это коснулось микробиологических показателей: количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) и числа соматических клеток в 1 см3. В связи с этим сельхозпроизводители оказались в сложной ситуации: бактериальная обсемененность молока остается прежней, а требования к сортности молока повышены. С момента вступления закона в действие, например, в Вологодской области, сдача молока высшего сорта уменьшилась с 77 до 12-27%.
Применяемые способы первичной обработки молока-сырья сводятся к охлаждению молока сразу после доения с целью продления бактерицидной фазы. Эти способы лишь предотвращают развитие бактерий, но не снижают их количество и не позволяют улучшить качество выдоенного молока. Из известных способов снижения бактериальной обсемененности, применяемых на перерабатывающих предприятиях, наиболее эффективным при сохранении свойств сырого молока является нагревание молока до 60-68оС с выдержкой до 30 секунд и последующим охлаждением до температуры хранения 4оС. Применение такой термизации, как операции в составе технологического процесса первичной обработки, позволяет сельхозпроизводителям решить проблему качества молока-сырья, связанную с высокой бактериальной загрязннностью, и повысить сортность молока-сырья.
Применение термизации, помимо повышения качества молока, позволяет малым фермам и фермерским хозяйствам, удаленным от молочных заводов, сократить транспортные расходы за счет накопления молока для более полной загрузки молоковоза, доставки молока на переработку один раз в два дня без потери сортности молока.
Известные промышленные установки для тепловой обработки молока рассчитаны в основном для применения их на перерабатывающих предприятиях, не отвечают требованиям современного производства в условиях малых ферм из-за большой металлоемкости, сложности технического обслуживания, низкой надежности и высокого энергопотребления. Поэтому исследования по совершенствованию конструктивно-технологической схемы и определению рациональных параметров и режимов работы установки термизации молока-сырья в условиях малых ферм являются актуальными и имеют важное значение для экономики сельскохозяйственного производства.
Исследования выполнялись в соответствии с планом НИР ВГМХА им. Н.В. Верещагина по теме: «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в молочном животноводстве» с номером государственной регистрации 01.2.00311789, код 68.85.39.
Цель исследований. Повышение качества молока-сырья, производимого на фермах крупного рогатого скота, за счт снижения бактериальной загрязннности путм совершенствования конструктивно технологической схемы установки термизации молока и оптимизации ее параметров и режимов работы.
Объект исследования. Установка термизации молока-сырья, предназначенная для работы в молочных линиях животноводческих ферм.
Научную новизну исследований составляют:
– усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки для термизации молока;
– теоретические предпосылки по обоснованию рабочего процесса установки термизации молока;
– математические модели рабочего процесса термизации молока, рациональные параметры и режимы работы установки термизации;
– теоретические и экспериментальные коэффициенты теплопередачи секций нагрева и охлаждения установки термизации;
– результаты производственной проверки влияния термизации молока сырья на динамику показателей молока в процессе хранения.
Практическая значимость. Использование разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается срок хранения молока на ферме до отправки на переработку до двух суток. Это дает возможность сельхозпредприятиям сократить транспортные расходы при малых объемах производства за счет накопления молока до более полной загрузки молоковоза.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г.
Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке производственных установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота, что подтверждено соответствующими справками. Материалы исследований используются в учебном процессе на инженерном и зооинженерном факультетах ВГМХА им. Н.В. Верещагина.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ВГМХА им. Н.В. Верещагина (2007-2009 г.);
на ежегодных смотрах-сессиях аспирантов и молодых ученых по отраслям наук в ВГМХА им. Н.В.
Верещагина (2008 г.) и ВоГТУ (2010 г.) в г. Вологда;
на ежегодной научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ в г. Санкт-Петербург (2011 г.).
Публикации. Опубликовано 10 работ общим объемом 2 печатных листа, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
– усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки термизации молока;
– математические модели рабочего процесса термизации молока;
– математические зависимости для обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока;
– результаты испытаний влияния термизации молока сразу после доения на динамику показателей молока-сырья в процессе хранения;
– технико-экономическая эффективность использования установки термизации молока.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, пять разделов, выводы и предложения. Содержит 150 страниц основного текста, включая 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из наименований и приложения на 15 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Обоснование цели и задач исследования»
проведен обзор и анализ существующих технологий первичной обработки, способов снижения бактериальной обсемененности, оборудования для тепловой обработки молока.
Наиболее эффективным способом борьбы с бактериальной обсемененностью молока-сырья на молокоперерабатывающих предприятиях является управляемая тепловая обработка, однако далеко не все режимы обеспечивают сохранение физико-химических свойств молока.
Одним из известных способов бактериальной санации молока-сырья является мягкая тепловая обработка нагреванием (термизация) при 60-68оС с выдержкой до 30 секунд, которая не отражается на составе и биологических свойствах молока.
Исследованиями процесса тепловой обработки при температуре 60 о 68 С на бактериологический и химический состав молока занимались зарубежные и отечественные исследователи Д. Когилл, И. Мультцберг, С.
Берчь, Л.В. Голубева, С.А. Емельянов, И.А. Радаева, А.Г. Храмцов и многие другие. В изучение вопросов механизации первичной обработки молока на фермах существенный вклад внесли известные ученые: Г.А.
Кук, И.Н. Липатов, А.М. Маслов, Л.К. Николаев, В.В. Сурков, Ф.М.
Тарасов и другие.
Установлено, что перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной обработки молока-сырья на ферме является разработка установки термизации, которая позволит снизить начальную бактериальную обсемененность и увеличить срок хранения молока на ферме до отправки на переработку. Производитель сможет сдавать молоко высшим сортом и получать дополнительную прибыль.
Исходя из проведенного анализа, сформулирована цель диссертационной работы и поставлены следующие задачи исследования:
- дать анализ технологических и технических средств для тепловой обработки молока;
- обосновать и усовершенствовать конструктивно-технологическую схему установки термизации;
- разработать математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока в трубчатых секциях установки термизации;
- провести теоретические и экспериментальные исследования по определению коэффициента теплопередачи;
- обосновать с помощью теоретических и экспериментальных исследований рациональные параметры и режимы работы установки термизации;
- провести проверку в производственных условиях технологии первичной обработки молока с использованием установки термизации;
- оценить технико-экономическую эффективность использования усовершенствованной установки термизации.
Во втором разделе «Теоретические предпосылки к обоснованию технологического процесса термизации молока-сырья» дано обоснование конструктивно-технологической схемы установки термизации молока сырья, получены аналитические зависимости для расчета параметров и режимов работы секций нагрева и охлаждения исходя из комплексных затрат на процесс нагрева и охлаждения молока.
На основании проведенного анализа предложена технология первичной обработки молока на основе термической обработки низкосортового коровьего молока – нагрев после доения от температуры 36оС до температуры 63оС, выдержка в течение 15 с и охлаждение до температуры 36оС. Дальнейшее охлаждение молока может осуществляться способом мгновенного или комбинированного охлаждения на уже имеющемся на ферме оборудовании. Для решения этой проблемы предложено техническое решение.
Технологическая схема установки термизации молока показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Технологическая схема установки термизации молока Молоко сразу после доения подается в секцию нагрева, где нагревается горячей водой до заданной температуры, проходит через выдерживатель с этой температурой в течение 15 секунд и попадает в секцию охлаждения, где охлаждается до первоначальной температуры холодной водой, после чего направляется на доохлаждение до температуры хранения в уже установленную на ферме систему охлаждения. Холодная вода подается из водопровода или артезианской скважины, забирает от молока тепло и, подогретая, направляется на автопоение или технологические нужды фермы.
В ходе проведнного в первом разделе анализа установлено, что наиболее надежными и простыми в эксплуатации являются трубчатые теплообменники. Для секций нагрева и охлаждения установки выбран тип теплообменных аппаратов - «труба в трубе». Обе секции имеют одинаковую конструктивную схему, которая представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Конструктивная схема каждой из секций установки Уравнение теплового баланса теплообменника:
(1) где Qх – количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем, Вт, Qг– количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, Вт, Q – потери тепла, Вт.
Приведенные величины определятся по формулам:
( ) (2) ( ) (3) где Gх, Gг – расходы горячего и холодного теплоносителей кг/с, срх, срг – удельные тепломкости теплоносителей, Дж/кг, tгн, tгк – начальная, конечная температуры горячего теплоносителя, С, tхн, tхк – начальная, конечная температуры холодного теплоносителя, С.
Общее количество теплоты, переданное через всю поверхность теплообмена, определится по формуле:
(4) где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м ·K), F – площадь поверхности теплообмена, м2, t – среднее значение температурного напора по всей поверхности нагрева, С.
Площадь поверхности теплообмена трубчатого теплообменника:
(5) где dп – диаметр, определяющий площадь поверхности теплопередачи, м, L – длина трубы, определяющая площадь теплообмена, м.
Коэффициент теплопередачи для цилиндрической внутренней трубы теплообменника:
(6) где х, г – коэффициенты теплоотдачи для холодного и горячего теплоносителей, Вт/(м2·K), d1вн, d1нар – внутренний и наружный диаметр внутренней трубы, м, ст – коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м·К).
Введем в расчеты величину водяной эквивалент – W:
(7) подставив ее в уравнение теплового баланса (1) и преобразуя его, получим:
(8) где Wг, Wх – водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.
Преобразуя уравнение (8) с учетом уравнения среднего логарифмического температурного напора при противотоке получим формулу для расчета конечной температуры горячего теплоносителя, С:
( )( ) ( ) (9) ( )( ( ) ) Обозначим выражение:
( )( ) (10) ( ( )( ) ) тогда конечная температура горячего теплоносителя определится:
( ) (11) Потребная суммарная мощность на термизацию и охлаждение молока в установке, Вт, будет равна сумме потребных мощностей для привода насосов молока, холодной и горячей воды, а также потребной мощности для нагрева горячей воды:
(12) Потребная мощность для привода насоса, Вт:
(13) где P – полное гидравлическое сопротивление трубы теплообменника, м, – плотность теплоносителя, кг/м3.
( ) (14) где – коэффициент гидравлического сопротивления трубы, мс – сумма коэффициентов местных сопротивлений, L – длина трубы, определяющая площадь теплообмена, м, dэф – эффективный диаметр канала, м, v – скорость движения жидкости, м/с.
Потребная мощность для нагрева воды, Вт:
( ) (15) где Eэе – потребная энергия для предварительного нагрева горячей воды в емкости за 1 с, Дж, Eэп – потребная энергия для подогрева горячей воды в проточном подогревателе, Дж, Т – время одного цикла работы установки термизации, с.
( ) (16) где Vв – объем предварительно нагреваемой воды в емкости, м, в – плотность воды при температуре (tгвн+tхвн)/2, кг/м3, св – теплоемкость воды при температуре (tгвн+tхвн)/2, Дж/кг, tгвн – начальная температура горячей воды для секции нагрева, 0С, tхвн –температура холодной воды, 0С.
( ) ( ) (17) Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб установки, кг:
(18) где Mт – количество металла для изготовления секции нагрева, кг, Mо – количество металла для изготовления секции охлаждения, кг.
Количество металла, необходимое для изготовления одной секции, кг:
(( )( )) (19) где мат – плотность материала, из которого изготовлены трубы, м /кг, z – количество теплообменных труб в секции, Lтр – длина одной теплообменной трубы, м, d1нар, d1вн, d2нар, d2вн –диаметры труб теплообменника, м.
Годовые затраты на электроэнергию для работы установки термизации молока, руб/год, можно определить по формуле:
(20) где Цэ – стоимость электроэнергии для сельхозпроизводителей, руб/(кВт·ч), Х – количество коров на ферме, шт, Н – средний надой 1 коровы за 1 год, кг/год.
Затраты на материал для теплообменных труб, отнесенные к нормативному сроку окупаемости, руб/год:
(21) где Цмат – стоимость 1 кг стали для изготовления трубы, руб/кг, Тн – нормативный срок окупаемости установки термизации молока, лет.
Для секции нагрева установки термизации комплексные затраты Пзт, руб/год:
( ) (22) Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения молока через теплообменные трубы секции нагрева, Вт:
( ) (23) ( ) Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения горячей воды через теплообменные трубы, Вт:
( ) ( ( )( ) ( ) (24) ( ) ) ( ) Потребная мощность, необходимая на нагрев горячей воды, Вт:
( ) ( ( ) ) (25) ( )( ( ( ) )) Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб секции нагрева молока, кг:
( ) (26) Уравнение теплопередачи для секции нагрева:
( ) ( ( ) ) ( ) (27) ( ) ( ) Полученная система уравнений (22-27) описывает зависимость конструктивных параметров и режимов работы секции нагрева от тепловых, гидравлических параметров процесса и технико-экономических показателей.
Для секции охлаждения установки термизации комплексные затраты Пзо, руб/год:
( ) (28) Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения молока через теплообменные трубы секции охлаждения, Вт:
( ) (29) ( ) Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения холодной воды через теплообменные трубы, Вт:
( ) ( ( )( ) ( ) (30) ( ) ) ( ) Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб секции охлаждения молока, кг:
( ) (31) Уравнение теплопередачи секции охлаждения:
( ) ( )) ( ( ) (32) ( ) ( ) Полученная система уравнений (28-32) описывает зависимость конструктивных параметров и режимов работы секции охлаждения от тепловых, гидравлических параметров процесса и технико-экономических показателей.
Формулы (22-27) и (28-32), реализованные с помощью вычислительной программы в Microsoft Office Excel 2007, позволили определить оптимальные значения параметров установки термизации при известной производительности Gм, начальной и конечной температурах молока tмн, tмт, tмк, начальной температуре холодной воды tхвн, выбранной длине теплообменной трубы Lттр =Lотр для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы d1внт=0,032 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2эквт/d1внт=0,7, кратность подачи горячей воды nгв=2,9, начальная температура горячей воды tгвн=82оС;
для секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы d1вно=0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экво/d1вно=0,7, кратность подачи холодной воды nгв=3,2.
В третьем разделе «Экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров и режимов работы установки термизации молока» представлена программа и методика проведения исследований, приведено описание экспериментальной установки, измерительных приборов и оборудования и результаты проведенных экспериментов.
Программа исследований включала однофакторные и многофакторные эксперименты по оптимизации параметров и режимов установки. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и общепринятыми методиками исследований машин, обеспечивающими получение достоверных результатов. Для реализации планов экспериментов 34 и 33 для секций нагрева и охлаждения были изготовлены 9 различных теплообменников, имеющих одинаковую длину, одинаковые расположения патрубков входа и выхода молока и воды, отличающихся диаметрами внутренней и наружной труб.
Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с применением программ STATISTICA 6.1 и Microsoft Office Excel 2007.
Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке (рисунок 3) в лаборатории производства и исследований молочных продуктов кафедры технологии молока ФГОУ ВПО ВГМХА им.
Н.В.Верещагина в экспериментальном цехе ФГУП «Учебно-опытный молочный завод».
Рисунок 3 - Технологическая схема лабораторной установки 1 – теплообменник;
2, 3, 4, 5 – емкость;
6, 7 – насос центробежный;
8, 9 – расходомер;
10, 11 – кран;
12, 13, 14, 15 – термометр сопротивления Pt Для секции нагрева по результатам реализации многофакторного эксперимента Бокса-Бенкина для четырех факторов, варьируемых на трех уровнях, после обработки экспериментальных данных были определены опытные коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта согласно матрицы планирования. На рисунке 4 представлены экспериментальные и теоретические коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта. Изменение полученного экспериментально коэффициента теплопередачи в зависимости от величины диаметров трубопроводов, кратности и начальной температуры горячей воды подчиняется той же зависимости, что и рассчитанного теоретически.
Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,98, что подтверждает соответствие экспериментальных и теоретических исследований.
Рисунок 4 – Коэффициенты теплопередачи для секции нагрева На основании статистической обработки данных после отсеивания незначимых коэффициентов регрессии и перевода кодированных значений факторов в натуральные было получено уравнение регрессии, описывающее зависимость комплексных затрат Пзт для секции нагрева от внутреннего диаметра внутренней трубы, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы, кратности и начальной температуры горячей воды:
Пзт = 418311 - 3932364·d1внт + 43809751·d1внт 2 – 160708·(d2эквт/d1внт) + +80169·(d2эквт/d1внт) 2 + 18906·nгв + 1697·nгв2 – 7520·tгвн + 44,6·tгвн2 + (33) + 3112465·d1внт·(d2эквт/d1внт) - 430299·d1внт·nгв – 20514·(d2эквт/d1внт)·nгв.
Уравнение признано адекватным по результатам проверки по критерию Фишера с вероятностью 95%. По полученному уравнению регрессии (33) для секции нагрева были построены графики зависимости критерия оптимизации Пзт от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения.
Рисунок 5 – График зависимости Рисунок 6 – График зависимости Пзт Пзт секции нагрева от d2эквт/d1внт и секции нагрева от nгв и d1внт при tгвн = d1внт при nгв=3 и tгвн = 82оС 82оС и d2эквт/d1внт = 0, Рисунок 7 – График зависимости Пзт Рисунок 8 – График зависимости секции нагрева от nгв и d2эквт/d1внт при Пзт секции нагрева от tгвн и d1внт при tгвн = 82оС и d1внт = 0,034 м nгв = 3 и d2эквт/d1внт = 0, Для секции охлаждения по результатам реализации многофакторного эксперимента Бокса-Бенкина для трех факторов, варьируемых на трех уровнях, после обработки экспериментальных данных были определены опытные коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта согласно матрицы планирования. На рисунке 9 представлены экспериментальные и теоретические коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта. Изменение полученного экспериментально коэффициента теплопередачи в зависимости от величины диаметров трубопроводов и кратности холодной воды подчиняется той же зависимости, что и рассчитанного теоретически.
Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,996, что подтверждает соответствие экспериментальных и теоретических исследований.
Рисунок 9 – Коэффициенты теплопередачи для секции охлаждения На основании статистической обработки данных после отсеивания незначимых коэффициентов регресии и перевода кодированных значений факторов в натуральные было получено уравнение регрессии, описывающее зависимость комплексных затрат Пзо для секции охлаждения от внутреннего диаметра внутренней трубы, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы и кратности холодной воды:
Пзо = 65843 - 3525048·d1вно + 37299320·d1вно2 – – 70352·(d2экво/d1вно) + 24949·nхв + 2842808·d1вно·(d2экво/d1вно) – (34) – 381929·d1вно·nхв – 17900·(d2экво/d1вно)·nхв.
Уравнение признано адекватным по результатам проверки по критерию Фишера с вероятностью 95%. По полученному уравнению регрессии (34) для секции охлаждения были построены графики зависимости критерия оптимизации Пзо от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения.
Рисунок 11 – График зависимости Рисунок 10 – График зависимости Пзо секции охлаждения от d1вно, nхв Пзо секции охлаждения от d1вно, при d2экво/d1вно = 0, d2экво/d1вно при nхв = 3, На основании анализа математических моделей (33) и (34) определены оптимальные значения параметров и режимов работы секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы d1внт=0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2эквт/d1внт=0,7, кратность подачи горячей воды nгв=3, начальная температура горячей воды tгвн=82оС;
секции охлаждения:
внутренний диаметр внутренней трубы d1вно=0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экво/d1вно=0,7, кратность подачи холодной воды nгв=3,5.
Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность теоретических расчетов.
На основании полученных оптимальных значений d1внт, d2эквт/d1внт, d1вно, d2экво/d1вно, nгв, nхв, tгвн рассчитаны рациональные параметры и режимы работы установки термизации молока.
В четвертом разделе «Производственная проверка эффективности применения установки термизации молока в технологическом процессе первичной обработки молока-сырья» приведены программа и методика исследований, основные полученные результаты.
Исследовалось влияние термизации и охлаждения молока-сырья сразу после доения на микробиологические, физико-химические и органолептические показатели, определяющие его сортность, и проводилось сравнение этих показателей со значениями, полученными при лучшем существующем способе первичной обработки молока.
На рисунках 12 и 13 представлены графики изменения количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) в сыром молоке в процессе хранения при температуре 4оС в зависимости от способа первичной обработки при различной начальной бактериальной обсемененности.
Рисунок 12 – График изменения КМАФАнМ молока-сырья в процессе хранения в зависимости от способа первичной обработки при начальной бактериальной обсемененности 1,8·105 КОЕ/см Рисунок 13 – График изменения КМАФАнМ молока-сырья в процессе хранения в зависимости от способа первичной обработки при начальной бактериальной обсемененности 6,2·104 КОЕ/см Исследования показали, что предлагаемый способ первичной обработки молока-сырья, включающий нагрев молока сразу после доения до температуры 63оС, выдержку в течение 15 с, и немедленное охлаждение до температуры хранения 4оС:
1) позволяет уменьшить начальное количество микроорганизмов в свежевыдоенном молоке в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший;
2) позволяет сохранить КМАФАнМ сырого молока на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, что делает возможным накопление молока на малых фермах в течение двух суток для более полной загрузки молоковоза с целью сокращения транспортных затрат;
3) позволяет снизить количество соматических клеток в молоке в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю;
4) предотвращает повышение кислотности молока при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов);
5) не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, являющейся показателем отсутствия тепловой обработки сырого молока;
6) не изменяет группу термоустойчивости молока.
В пятом разделе «Внедрение результатов исследований и оценка технико-экономической эффективности» приведены результаты оценки технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для крестьянско-фермерского хозяйства деревни Нестерово Сокольского района Вологодской области. Годовой экономический эффект от использования разработанного технического решения при объеме производства 220 т составил 412665 руб. Результаты исследований используются машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г.
Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В результате анализа выявлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной обработки молока-сырья с целью повышения качества молока является тепловая обработка. Выполненные исследования позволили обосновать, разработать и испытать экспериментальный образец установки термизации молока-сырья, которая значительно повышает эффективность процесса.
2. Теоретическими исследованиями получена аналитическая зависимость, позволяющая определять расчетные коэффициенты теплопередачи для установки термизации молока. Результаты экспериментальных исследований подтвердили и уточнили расчетные значения, что позволило скорректировать рациональные параметры и режимы работы установки термизации.
3. Теоретическими исследованиями получены: аналитические зависимости (22-27) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции нагрева установки термизации;
аналитические зависимости (28-32) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции охлаждения установки термизации. Определены с помощью компьютерной программы оптимальные значения для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы – 0,032 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы – 0,7, кратность подачи горячей воды – 2,9, начальная температура горячей воды – 82оС;
для секции охлаждения внутренний диаметр внутренней трубы – 0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы – 0,7, кратность подачи холодной воды – 3,2.
4. Результаты экспериментальных исследований подтвердили основные выводы теоретических предпосылок и позволили получить математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока установки термизации (33) и (34). На основании анализа полученных моделей определены оптимальные параметры и режимы работы установки термизации молока для трубчатой секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы 0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи горячей воды 3, начальная температура горячей воды 82оС;
для трубчатой секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы 0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи холодной воды 3,5.
5. Производственная проверка показала, что применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока позволяет: уменьшить начальное количество микроорганизмов в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший, сохранить КМАФАнМ на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, снизить количество соматических клеток в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю;
предотвращает повышение кислотности при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов), не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, не изменяет группу термоустойчивости.
6. Применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для фермы с годовым объемом производства 220 тонн позволяет снизить транспортные затраты по доставке молока на переработку на 96524 руб., увеличить прибыль за счет повышения сортности молока на 325324 руб. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 412665 руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Повышение качества молока-сырья путем использования на ферме оптимизированной установки для термизации / А.А. Шутов // Аграрная наука. – 2011. – №1. – С. 29–30.
2. Влияние термизации молока на его показатели / А.А. Шутов, В.Н. Туваев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2011.
– №2. – С. 25–26.
3. Охлаждение молока с использованием естественного холода / А.А. Шутов, В.Н. Туваев, А.А. Прозоров и др. // Молочная промышленность. – 2009. – №5. – С. 77.
4. Охлаждение молока с использованием аккумулятора естественного холода / А.А. Шутов, В.Н. Туваев // Научное управление качеством образования. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 96 летию академии. – Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007. – С. 123–124.
5. Технология тепловой обработки молочного сырья нагреванием по мягкому режиму / А.А. Шутов, В.Н. Туваев // Аграрная наука – сельскохозяйственному производству. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии. – Вологда – Молочное:
ИЦ ВГМХА, 2008. – С. 108-111.
6. Экспериментальная установка для термизации молока-сырья / А.А. Шутов, В.Н. Туваев // Наука – агропромышленному комплексу. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии. – Вологда – Молочное, ИЦ ВГМХА, 2008. – С. 153–155.
7. Технологические аспекты первичной обработки молока-сырья методом термизации / А.А. Шутов // Материалы ежегодных смотр-сессий аспирантов и молодых учных по отраслям наук: Сельскохозяйственные науки. Сборник статей. – Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008. – С. 84–85.
8. Оптимизация установки для термизации молока на фермах крупного рогатого скота / А.А. Шутов // Научная перспектива. – 2010. – №12. – С. 92–93.
9. Определение рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока на фермах крупного рогатого скота / А.А. Шутов // Казанская наука. – 2010. – №9 – С. 208–211.
10. Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации / А.А. Шутов // Молодой ученый. – 2010. – №12.
– С. 46–48.
Заказ № 61 –Р. Тираж 100 экз. Подписано в печать 04.03.2011г.
ИЦ ВГМХА 160555, г. Вологда, с. Молочное, ул. Емельянова,