Обоснование энергосберегающей технологии пастбищного содержания коров с оптимизацией параметров и режимов работы охладителя молока
На правах рукописи
Герасимова Ольга Александровна
ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПАСТБИЩНОГО СОДЕРЖАНИЯ КОРОВ С ОПТИМИЗАЦИЕЙ
ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОХЛАДИТЕЛЯ МОЛОКА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия»
Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Шилин Владимир Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор - Сечкин Василий Семенович кандидат технических наук, доцент - Гордеев Владислав Владимирович
Ведущая организация – ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства
Защита состоится « 16 » июня 2011 г. в 9 ч. 00 мин. 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 ш., 3, факс (812) 466-56-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии Автореферат разослан « 12 » мая 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Пастбищный период в молочном животноводстве Псковской области, где под пастбищами заняты значительные неиспользуемые площади, считается реальным резервом снижения себестоимости производства молока в летний период.
Травы пастбищного периода в несколько раз дешевле других кормов, скот выпасается в течение 140 дней. Эти травы являются естественным кормом для коров. Нельзя не учитывать и того обстоятельства, что в 1 кг сухого вещества зеленой бобово-злаковой смеси содержится более 100г переваримого протеина, до 70 г сахара, 10…12 МДж обменной энергии, каротин, витамины Д, Е и др. Животные, находясь на свежем воздухе, укрепляют здоровье, улучшают воспроизводительные функции. Как правило, 60…70% годового надоя приходится на пастбищный период. Однако при производстве молока на пастбищных комплексах отсутствует эффективная технология, отвечающая конкретным условиям региона, не решена задача первичного охлаждения молока, в то время как своевременное и качественное охлаждение способствует снижению количества бактерий и, соответственно, повышению качества молока и продолжительности его хранения. В современных условиях хозяйственных отношений мало произвести молоко, важно сохранить его на более длительный срок для последующей переработки и реализации как продукта высокого качества. В условиях пастбищного содержания коров в летний период эти вопросы особенно актуальны, если учесть условия получения молока, хранения и транспортировки.
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» в соответствии с планом НИР на 2006-2011 гг. по региональным научно техническим проектам по теме №7 «Энергосберегающие технологии и технические средства для механизированных процессов в животноводстве», и соответствует плану научных исследований РАСХН.
Цель исследований. Повышение эффективности производства молока за счет улучшения организации использования естественных пастбищ и обоснования энергосберегающей технологической линии с применением устройства для первичной обработки молока.
Исходя из поставленной цели, намечены следующие задачи:
путем анализа современного состояния и обобщения результатов теоретических исследований повысить эффективность производства молока на пастбищных комплексах, обосновать его структуру, технологию непрерывного функционирования в режиме энергосбережения;
разработать эффективные технологические процессы производства и охлаждения молока с использованием естественного холода, влияющие на повышение качества молока;
на основании теоретических исследований обосновать конструктивные и технологические параметры охладителя молока, которые обеспечат максимальную производительность при минимальных энергозатратах;
на основе математического моделирования технологических процессов охлаждения молока, а также результатов экспериментов, исследовать и установить рациональные конструктивные и технологические параметры охладителя молока с использованием естественного холода;
провести испытания охладителя молока в производственных условиях, установить экономическую эффективность результатов исследования и дать рекомендации производству.
Объект и предмет исследования. Организация пастбищного комплекса с установкой для первичного охлаждения молока естественным холодом.
Научная новизна. Разработаны: алгоритм достижения цели совершенствования технологических процессов при пастбищном содержании коров;
экономико-математическая модель обоснования эффективности производства молока в летний период на основе пастбищного комплекса;
разработка теории, позволяющей установить возможность эффективного использования природного холода для получения необходимой конечной температуры молока при его первичном охлаждении;
разработке оптимального коэффициента, позволяющего получить более точные технологические и конструкционные параметры по отношению к устройству для первичного охлаждения молока с использованием естественного холода, применимого большей частью для условий пастбищ.
Практическая значимость. В результате проведенных исследований получена возможность внедрения технологической линии производства молока для пастбищного содержания коров при отсутствии централизованного электроснабжения. Разработанная технологическая линия и методы её расчета могут использоваться при создании пастбищных комплексов для содержания дойного поголовья КРС в летний период.
Основные положения, выносимые на защиту:
обоснование необходимости развития пастбищных комплексов;
теоретические предпосылки по обоснованию технологических и конструктивных параметров установки для первичного охлаждения молока;
математические модели рабочего процесса установки;
практические результаты выполненных исследований и их энергетическая и экономическая эффективность.
Реализация результатов. По результатам исследований в ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» изготовлен опытный образец установки для первичного охлаждения молока естественным холодом производительностью 0,82 м/ч по охлажденному молоку и – 1,8 м/ч по охлажденной воде, которая прошла производственную проверку в ЗАО «Великолукское»
Великолукского района Псковской области, что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены: на конференции профессорско-преподавательского состава С-ПбГАУ – 2007…2011гг., на научно-практических конференциях Великолукской ГСХА – 2007…2011 гг., на Международной научно практической конференции молодых ученых НПЦ НАН Белоруссии по механизации сельского хозяйства, Минск, 25…26 авг. 2010 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано печатных работ, поданы две заявки на выдачу патента Российской Федерации на изобретение, на одну получен патент.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 119 наименований, приложения.
Содержит 170 страниц, 3 таблицы, 42 рисунка и 14 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные положения работы, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования»
проведен обзор и анализ технологий и технологических линий для содержания коров в летний период.
В настоящее время, при восстановлении животноводства в Псковской области, и отсутствии научно-технического решения размещения оборудования пастбищных комплексов, необходимо обоснование технологий и технологических линий пастбищного содержания скота на перспективное развитие.
На основе анализа научных работ сформулированы цель и задачи исследования. Значительный вклад в решение рассматриваемой проблемы внесли ряд ученых и исследователей, среди которых можно отметить: Н.Г.
Андреева, Г.А. Кука, Б.И. Вагина, А.И. Зеленцова, Л.П. Карташова, Л.П.
Кармановского, С.В, Мельникова, А.И. Купреенко, В.Н. Туваева, И.Н.
Босина, А. Учеваткина, Н.М. Морозова, Ю.М. Цоя, Б.Н. Юдаева и других.
Во второй главе «Теоретическое обоснование технологических процессов на пастбищных комплексах и охлаждения молока естественным холодом» представлен алгоритм достижения поставленной цели, а также метод обоснования энергосберегающих технологических линий для производства молока на пастбищных комплексах, обоснованы процессы охлаждения молока и воды при использовании естественного холода.
Объективным критерием оптимальности производства молока в условиях пастбищ может служить критерий минимума затрат энергии Еопт, МДж/кг, при его производстве n Э, МДж/кг, (1) j j Еоптi min У с N пог где Э j – энергозатраты на выполнение j - го технологического процесса, МДж.
n - количество технологических процессов;
У с - сезонный надой на фуражную корову, кг/гол;
N пог - поголовье пастбищного комплекса, гол.
Оперативный способ охлаждения – прокачивание молока по охлаждаемой водой трубе. В нашу задачу входило рассмотреть степень снижения температуры молока при его движении по трубопроводу при стационарном теплообмене молока с охладителем.
Установлена связь температуры молока с его начальной температурой, температурой охлаждающей воды, геометрическими размерами трубопровода и скоростью течения. Определен поперечный размер трубопровода, способствующий эффективному охлаждению.
Температурное поле внутри трубы при стационарном теплообмене описывается дифференциальным уравнением в частных производных дt / дx ( / мc( r )( д2t / дr 2 дt /( rд ) д2t / дx 2, (2) где t – температура, К;
x – осевая координата, м;
– коэффициент теплопроводности молока, Вт/ (м·К);
м – плотность молока, кг/м;
с м – удельная теплоемкость молока, Дж/(кг·К);
(r ) – скорость течения молока, м/с;
r – радиальная координата, м.
Уравнение (2) решим при граничных условиях t (r,0) t 0, ( дt / дr )r R 1 ( t t 1 ) 0, (3) где t 0 – начальная температура молока на входе в трубопровод, К;
R – радиус внутренней поверхности трубы, м;
1 – коэффициент теплоотдачи от молока к внутренней поверхности трубы, Вт/(м·К);
t1 t1 ( R, x) – температура внутренней поверхности.
Из граничного условия (3) следует, что в области, близкой к внутренней поверхности, температурное поле удовлетворяет не только уравнению (2), но и уравнению дt / дr 1 ( t t 1 ) 0. (4) Представим уравнение (4) в таком виде дt / дr 1 ( t t1 ), (5) где 1 1 /.
Вычислив производную по r от левой и правой части равенства (5), получим д 2 t / дr 2 12 ( t t 1 ). (6) Подставив (4) и (5) в (2), получим уравнение дt / дt a( 12 1 / r )( t t1 ) / ( r ) aд 2 t / ( r )д 2 x, (7) где a /( c м м ) – температуропроводность молока, м/с.
Введем в (7) температуру охлаждающей воды t В. Тогда t t1 q /1. (8) Для тонкостенной трубы плотность теплового потока q ( t t В ) /( 1 / 1 d / тр 1 / 2 ), (9) где d – диаметр трубы, м;
тр – теплопроводность трубы;
2 – коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности трубы к воде.
Подставив (9) в (8), находим t t 1 k12 ( t t В ), (10) где k12 1 /( 1 1 d / тр 1 / 2 ).
Введем снижение температуры молока t t В. (11) Если учесть, что температура воды постоянна, то скорость (r ) при турбулентном течении можно аппроксимировать средней скоростью u Vм /( R 2 ), (12) где V м – объемная скорость молока, м/с.
Подставив (10) – (12) в (7), получим д / дx ( a / u )( 12 1 / R )k 12 ( a / u )д 2 / дx 2. (13) _ ( s ) s е Sx ( x )dx, где s – комплексный параметр.
Преобразовав уравнение (13), получим следующее алгебраическое уравнение s( 0 ) ( a / u )b12 s 2 ( 0 x1 ( 0 ) / s ), где 0 t0 t В ;
b12 ( 1 / R 12 )k 12 ;
x1 ( 0 ) ( d / dx )x 0.
0 ч1 ( 0 ) /( S u / a ) b12 / S ( S u / a ).
x 0 ( a / u ) x ( 0 )( е ux / a 1 ) ( a / u )b12 ( e u ( x ) / a 1 )d. (14) При оценке решения интегрального уравнения (14) учтем, что функция ( ) в подынтегральном выражении меняется медленнее, чем множитель в скобках, содержащий показательную функцию. Поэтому вынесем ( ) из под знака интеграла при её значении ( x ) у верхнего предела интегрирования.
После вычислений получим алгебраическое уравнение 0 ( a / u ) x1 ( 0 )( e ux / a 1 ) ( a / u )b12 (( a / u )( e ux / a 1 ) x ). (15) Из (15) после некоторых несложных преобразований находим 0 /( 1 ab12 x / u ). (16) Приближенная формула (16) пригодна для любой текущей по трубопроводу жидкости, но для молока она наиболее точная. Действительно, из (16) следует, что x ( 0 ) ( d / dx )x 0 ab12 0 / u. (17) Перепишем интегральные функции в (14) в ином виде x x u ( x ) / a 1 )d ( e u / a 1 ) ( x )d ( )( e (18) 0 x x e u / a ( x ) ( x )d.
0 Асимптотическое значение первого интеграла при u / a равно ( a / u ) 0 e ux / a. Подставим асимптотическое значение (18) в (14). При любой конечной скорости и конечной длине трубопровода x, величина eux / a 1.
Поэтому всеми членами в (14), не содержащими множитель e ux / a, пренебрежем и получим асимптотическое равенство:
(( a / u ) x1 ( 0 ) ( a / u ) 2 b12 0 )e ux / a 0.
Из него следует результат (17).
Используем определение температуропроводности a, величины b 12 и средней скорости (12), тогда ab12 / u k ( R 1 R 2 / ) / c м мV м, (19) где k 1 /( 1 / 1 d / тр 1 / 2 ).
Обозначим A k ( R 1 R 2 / ) / c м м. (20) Величина A имеет размерность температуропроводности (м/с) и фактически является температуропроводностью трубопровода с молоком. Из теоретических расчетов видно, что тем эффективнее будет снижаться температура молока в трубопроводе, чем будет больше величина A.
Если переписать формулу (20) для трубопровода известной длины x Lзм с известной скоростью объемного течения Vм, получим t t в ( t0 tв )( 1 Ax / Vм ). (21) Измеренные значения температур t t L на выходе из трубопровода, t в, t 0 подставим в (20). Для A из (20) получим по экспериментальным данным следующий результат A ( t0 t L )Vм /( t L tв )Lзм. (22) Затем численное значение температуропроводности (22) можно использовать для анализа снижения температуры молока другими аналогичными трубопроводами. Полученные результаты можно применять в практике проектирования трубчатых теплообменников для охлаждения молока.
Для выявления изменения температуры капли воды составим дифференциальное уравнение cmdT qdm cв dmT dS ( T T0 )Sd, (23) где cв – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг К);
Т 0 – начальная температура воды, К;
Т – текущая температура воды, К;
m – масса капли, кг;
dT – дифференциал абсолютной температуры капли, К;
q – удельная теплота испарения воды, Дж/кг;
– коэффициент поверхностного натяжения воды, Дж/м;
S – текущая площадь поверхности капли, м;
– время падения капли, с.
Масса шаровидной капли m в 4 / 3r 3, (24) где в – плотность воды, кг/м;
r – текущий радиус капли, м.
Из (24) следует r ( 3m / 4 в )1 / 3. (25) Текущая площадь поверхности капли, согласно (25), S 4r 2 4 ( 3m / 4 в )2 / 3. (26) Продифференцировав (26), находим dS ( 8 / 3 )( 3 / 4в )2 / 3 m 1 / 3 dm. (27) У поверхности капли наблюдается как испарение, так и конденсация.
Однако даже при насыщении воздуха водяными парами у поверхности будет преобладать испарение, поскольку давление насыщения вблизи неё превышает давление насыщенных паров в воздухе. Элементарное изменение массы dm за время d представим в виде dm jSd, где j – плотность потока воды с поверхности, кг/ (м К).
Тогда d dm / jS. (28) (29) 1/ cmdT qdm cвTdm bm dm ( / j )( T Tв )dm, где b ( 8 / 3 )( 3 / 4 ) ;
(30) 2/ T в – абсолютная температура воздуха, К.
Разделим (29) на сdт и запишем его в виде dT / d (ln m ) ( 1 / cj )T q / c ( b / c )m 1 / 3 ( / cj )Tв. (31) где - коэффициент теплообмена воды с воздухом, Дж/(м·К).
Введем новую переменную x ln m.Тогда равенство (31) примет следующий вид dT / dx ( 1 / cв j )T q / cв ( b / cв )e kx / 3 ( / cв j )Tв, (32) где x0 ln m0. (33) m0 – начальная масса капли, кг.
Решим уравнение (31), заменим текущую плотность потока j средним значением jср в интервале ( x0, x ) и обозначим k 1 /( cв jср ). (34) Тогда уравнение (33) примет вид dT / dx kT q / cв ( b / cв )е kx / 3 ( / cв j )Tв. (35) Решив уравнение (35), получим k ( x x0 ) k ( x x0 ) x / 3 k ( x x0 ) T T e ( q / kc )( 1 e ) (( 3b /( 1 3 k )c )( e e ) (36) 0 в в ( / kcв jср ( 1 e k ( x x0 ) )Tв В формуле (36) вернёмся к переменной x ln m и используем условие (23) и равенство e k ( x x ) e k (ln m ln m ) e k ln( m / m ) ( m / m0 )k.
0 0 k T m / m0 T0 ( / kcв j )( 1 ( m / m0 ) k Tв ) ( q / ke )( 1 ( m / m0 ) k (37) 1 / 3 k 1 / ( 3b /( 1 3k )m ( 1 m / m0 ) Среднюю плотность jср потока массы от капли за время её падения найдем из выражения (28), записав его, согласно (26), в таком виде dm dm (38) jd 4 ( 3m / 4 в ) 2 / S.
m j ср dm / 4 ( 3m / 4 в ) 2 / 3 ( 3 / 4 )( 4 в / 3 ) 2 / 3 ( m0 / 3 m 1 / 3 ) jd 0 m Результаты значительно упрощаются, если вместо капли использовать её радиальный размер, согласно выражения (24) jср в ( r0 r ) в r.
jср в r /. (39) k 1 / c r. (40) Согласно (30) и (39) формула (37) примет следующий вид 3k 3k 3k r r T q 1 r 1 T T0 kc r r r kc r в (41) 0 0 в 0 вв 3 k r 1 ( 1 / 3 k )c r r в в 0 Температура капли будет минимальной при полном испарении, когда её радиус станет равным rм ( 3 / 4 в N A )1 / 3, (42) где 18 10 3 кг/моль – молярная масса воды;
N A – число Авогадро;
rм – эффективный радиус одной молекулы воды.
В этом случае rм r0.
Температура полного испарения капель TИ практически не зависит от начальной температуры T и определяется по формуле TИ ( И / k И св в r0 )Tв q / k И св b /( 3 k И 1 )cв rм, (43) где И – время полного испарения капли;
k И 1 ( И /( cr0 )). (44) Для расчета времени полного испарения воспользуемся вторым законом Ньютона d ( m ) / d dm / d md / d ( m mв ) g 6 в r( в ) 0,5С x воз ( в )2 S м, (45) где m 4 / 3 r – масса воздуха, вытесненного объемом капли;
воз – в в плотность воздуха, кг/м3 ;
в – вязкость воздуха, Па ·с;
в – скорость встречного потока воздуха, м/с;
С х – коэффициент лобового сопротивления движению капли;
S м r 2 – площадь лобового сопротивления движению капли, м.
Обычно скорость падения капли примерно равна скорости 0 её выхода из рассеивателя, тогда d / d 0. Из (28) и (39) следует dm / d jS ( в dr / d )S ( в dr / d )4r 2.
0 dr / d 4r 2 ( в )g 4 / 3r 3 0,5C x в ( 0 в )2 r 2 6 в ( 0 в )r. (46) Разделив в (46) переменные, получим.
4 rdr d 4 2 ( в воз gr C x воз ( 0 в ) r 6 в ( 0 в ) 3 2 Ar0 BW 2 r0 6 вW 2 Arм BW 2 D( W ) BW ln ln, (47) 2 Arм BW 2 rм 6 вW D( W ) 2 Arм BW 2 D( W ) 2 0 и A 2 Ar0 BW 2 D( W ) Ar0 BW 2 D( W ) где A ( в воз )g, B C x воз, W 0 в, (48) 0 – скорость падения капли в неподвижном воздухе, м/с;
0 – скорость падения капли во встречном потоке воздуха, м/с;
. (49) D( W ) B 2W 4 24 A вW Из (48) и (49) следует, что lim И 0.
W Поскольку r0 rм можно пользоваться простой, но достаточно точной формулой Ar02 BW 2 r0 6 вW.
2 0 (50) и ln 6 вW А Таким образом, при увеличении скорости капли относительно воздушного потока время полного испарения уменьшится и асимптотически стремится к нулю.
Следовательно, это время можно изменять, меняя скорость встречного потока воздуха. Радиус отверстий rотв примерно равен радиусу капли r0.
Для вычисления И нужно знать скорость 0 движения капли. При расчете её можно принять равной скорости выхода капли из отверстия рассеивателя 0 Q / N A 4r02, (51) где Q - объемная скорость воды, поступающей в распылитель, м/с.
Определив время по формулам (37) – (41) рассчитаем путь полного И испарения капли H И 0 И. (52) Для эффективного охлаждения змеевика уровень воды в установке должен находиться на расстоянии от рассеивателя, не меньшим чем H И.
Данные эксперимента подтверждают этот вывод. Эти данные целесообразно использовать при проектировании воздушно-капельных систем теплообмена.
В третьей главе « Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа экспериментальных исследований, описана экспериментальная установка (рис. 1), приведены методики проведения и обработки результатов экспериментальных исследований.
Целью исследования на данном этапе была проверка соответствия теоретических изысканий экспериментальным данным.
В качестве объекта исследования была смонтирована экспериментальная установка для охлаждения молока естественным холодом (рис. 1). Установка состоит из змеевикового теплообменника, камеры воздушно-капельного распыления, вентилятора и устройств для регулирования давления воды, потока воздуха.
Теоретические исследования и поисковые опыты, а также анализ литературных источников позволили сделать выбор факторов необходимых для исследования работы установки: начальной температуры воды t вн ( b1 ), длины змеевика Lзм ( b3 ), объёмной скорости молока Vм ( b2 ), диаметра отверстий распылителя d р ( b5 ), давления воды рв ( b4 ), скорости воздушного потока воз ( b6 ).
Программа исследований включала трехфакторные эксперименты по оптимизации параметров и режимов установки. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и общепринятыми методиками на экспериментальной установке, включающей набор контрольно-измерительных приборов по определению массовых расходов жидкостей, их начальных и конечных температур.
1 – змеевиковый теплообменник для молока;
2 – теплообменная камера;
3 – теплоизолированный аккумулятор холода;
4 – распыливающее устройство;
5 – микропроцессорный измеритель;
6 – вентилятор;
7 – вакуумпровод;
8 – теплоизолированная емкость для охлажденного молока;
9 – жалюзи;
10 – крышка;
13, 19 – датчики температуры;
12 – прибор КИ 4840;
15 – патрубок для слива;
16 – емкость для получения парного молока;
17 – терморегулятор;
18 – нагревательный элемент;
20 – центробежный насос;
21 – манометр;
22 – счетчик-расходомер.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
Полученные опытные данные обрабатывались с использованием программы «Statgraphics Plus».
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований»
приведены результаты экспериментальных исследований установки в лабораторных и производственных условиях. Получены математические модели, описывающие процессы охлаждения молока и воды.
1. Изменение конечной в результате охлаждения температуры молока в зависимости от начальной температуры воды b1, длины змеевикового теплообменника b3 и объемной скорости молока b t мк 15,2133 1,4775 b1 0,7975 b2 0,62 b3 0,225 b1 b2 0,27 b1 b3 0,38b2 b, (53) 1,2058 b22 0,9108 b32.
где t мк – конечная температура молока, С.
2. Изменение температуры воды, полученной в результате воздушно капельного распыления в зависимости от давления воды b4, диаметра отверстий распылителя b5, скорости воздушного потока b, (54) tвкр 10,0533 0,895 b4 0,1912 b5 0,8125 b6 0,67 b4 b5 0,56 b4 b где t вкр – температура,7945 b 2 полученной в результате воздушно-капельного воды, 1,0545 b 2.
1,1032 b42 1 5 распыления, С.
3. Понижение температуры воды, полученное в результате воздушно капельного распыления, в зависимости от давления воды b4, диаметра отверстий распылителя b5, скорости воздушного потока b6 :
tв 9,6133 0,895 b4 0,5125 b5 0,1675 b6 0,325 b4 b5 0,1b5 b6 1,1867 b4 1,5517 b52 0,8616 b62., (55) где t – понижение температуры воды, С.
По уравнениям регрессии построены поверхности отклика (рис. 2-7).
Совмещённый анализ всех зависимостей позволяет сделать следующий определяющий вывод:
факторы t мк, Lзм, и V м необходимо отнести как однозначно (и положительно) влияющие на состояние температурного уровня охлаждаемого продукта;
оптимальный температурный уровень хладагента находится в пределах 9,2…9,5 С;
оптимальное значение длины змеевикового теплообменника при заданной объёмной скорости молока находится в пределах 10,8…11м;
оптимальная объёмная скорость молока устанавливается в пределах 0,80…0,82 м/ч.
Tm Tm tмк tмк 19 18 17 16 15 14 13 - -0,6 -1 1 -0, 0,2 0, -0,6 -0, 0,2 0,6 0, -0,6 -0, -0,6 -0,2 Lзм 0, 0,2 0, 1 - tвн tвн Vм - Рис. 2 – Зависимость конечной температуры Рис. 3 – Зависимость конечной темпе молока от начальной температуры воды и ратуры от начальной температуры воды дины змеевикового теплообменника и объемной скорости течения молока tмк Tm t в 10, 19 9, 8, 7, 15 0,20, -1 1 6, -0,6 -0, 0,2 0,6 -0,2 b -0,6 -0, 0,2 0, -1 -0, -1 -0,6 -0, - 1 0,2 0, Vм рв воз Lзм Рис. 4 – Зависимость конечной температуры Рис. 5 – Зависимость понижения тем молока от объемной скорости молока и пературы от давления воды в системе длины змеевикового теплообменника и скорости воздушного потока При анализе зависимостей охлаждения воды, возможно, сделать следующие выводы:
поверхности отклика позволяют определить значение рабочих параметров, обеспечивающих уверенную минимизацию конечной температуры воды при её охлаждении в процессе воздушно капельного распыления как хладагента в пределах диапазона температур от 10,4 до 10,9 С.
значениями рабочих параметров являются по давлению в системе подачи воды 0,12 МПа;
по скорости воздушного потока 0,56 м/с;
по диаметру отверстий распылителя 1,2 мм.
t в t в 10, 9,3 9, 8,9 8, 8, 7, 8, 6, 7,7 0,20, 5, 7,3 -0,2 b -1 -0, 1 -1 -0, 6,9 -0, 0,2 0,6 0,2 0,6 -0,6-0,2 dр -1 -0,6 -0,2 0,2 -1 b рв 0,6 1 воз dр b Рис. 6 –Зависимость понижения температуры Рис. 7 – Зависимость понижения тем молока от диаметра отверстий распылителя и пературы от давления воды в системе скорости воздушного потока и диаметра отверстий распылителя Производственные испытания полностью подтвердили теоретический расчет и лабораторные исследования. Разработаны рекомендации по выбору параметров установки для охлаждения молока естественным холодом для конкретных условий.
Обоснованная технологическая линия для пастбищных комплексов обеспечивает выполнение следующих операций: подгон на доение;
доение коров;
поение животных;
первичную обработку и хранение молока;
кормление концентратами во время доения;
получение теплой воды на технологические нужды;
удаление навоза (рис. 8).
Рис. 8 – Обоснованная технологическая линия функционирования пастбищного комплекса На основании проведенных исследований рекомендована технологическая линия для пастбищных комплексов с доением коров на доильной установке УДС-3Б. Выдоенное молоко по молокопроводу через фильтр направляется на первичное охлаждение в разработанную установку, где охлаждается до температуры 14…14,1С. Затем молоко направляется на доохлаждение и хранение в молочный вакууммированный резервуар. Для первичного охлаждения молока используется вода, охлажденная в разработанной установке.
На основании расчетов, полученных по формуле 1 построены зависимости критерия энергозат.
Еопт,МДж/кг 100 150 Nпог,гол Технологическая линия №1 Технологическая линия № Технологическая линия № Рис. 9 – Зависимость минимума энергозатрат от поголовья пастбищного комплекса В пятой главе представлены результаты расчета экономической эффективности предлагаемой технологической линии. Варианты расчетов:
молоко, охлажденное без использования первичного этапа, в танке охладителе и молоко, прошедшее поточно-технологическую линию первичной обработки с использованием разработанной установки.
Разработанная технологическая линия обеспечивает снижение затрат энергии на 27%, при этом удельные энергозатраты составили 3,27 МДж/кг, по сравнению с технологией принятой в хозяйстве.
Технико-экономическую эффективность использования предлагаемой установки для первичного охлаждения молока определена на основании разности затрат на 1 кг молока при существующей и предлагаемой технологической линии производства молока на пастбищных комплексах.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1.В Северо-Западной зоне Российской Федерации при пастбищном содержании коров в условиях отсутствия централизованного энергообеспечения для повышения его эффективности требуется внедрение новой энергосберегающей технологии, в том числе с использованием естественного холода при первичной обработке молока.
2.Степень эффективности обосновывается критерием минимизации энергозатрат на производство молока.
3.Для снижения температуры молока и определения рабочих параметров установки осуществлено теоретическое обоснование на основе разработанной математической модели, учитывающей проходящие теплообменные процессы при его охлаждении в замкнутом трубчатом потоке с определением численных значений температуропроводности (ф.22), определяющее снижение температуры молока.
4.Конструктивные и технологические параметры и режимы работы охладителя молока определены анализом физических свойств при удалении теплоты путем испарения капельной массы в воздушном противотоке (ф.50, ф.52), эти условия определяют рациональную высоту установки распылителя.
5.Установлено, что для интенсификации процесса первичного охлаждения молока до температуры 14,0…14,4 С необходимы параметры и режимы работы охладителя молока: длина теплообменника 11 м, температура воды в аккумуляторе холода 10,2…10,4 С при кратности воды 2 и объемной скорости молока 0,82 м/ч.
6.Для снижения температуры воды до 10,2…10,4 С в результате воздушно-капельного теплообмена следует использовать следующие рациональные конструктивные параметры теплообменной камеры: диаметр отверстий распылителя 1,1…1,2 мм;
скорость воздушного потока 0,56…0, м/с;
давление в системе распыления воды 0,126…0,129 МПа при производительности 1,8 м/ч.
7. Предлагаемая энергосберегающая технологическая линия производства молока на пастбищных комплексах при отсутствии централизованного электроснабжения обеспечивает: доение на установке УДС-3Б, очистку, первичное охлаждение молока и его хранение. Результаты производственной проверки в молочном комплексе ЗАО «Великолукское»
Великолукского района Псковской области позволили получить снижение себестоимости производства молока при внедрении энергосберегающей технологической линии до 9,46 руб./кг, а также удельные энергозатраты составили 3,27 МДж/кг, что на 27% ниже существующей. При этом экономическая эффективность составила 595129,27 руб. Производственными испытаниями установлено, что использование новой установки для охлаждения молока с использованием естественного холода позволяет получить сезонный экономический эффект от снижения затрат на охлаждение 364200 рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1.Герасимова О.А. Организация пастбищных комплексов // А.О.
Герасимова. – Сельский механизатор № 9, 2007. – 39с.
2.Герасимова О.А. Энергосбережение при совершенствовании механизированных процессов в скотоводстве / сборник трудов «Достижение науки в скотопромышленном производстве» (материалы юбилейной научно практической конференции) / Герасимова О.А., Гусейнов Р.Г., Макарова Г.В., Дружинина Е.С., Шилин В.А., Замиралов, Голубев И. - Великие Луки, 2007г.
3.Герасимова О.А., Гусейнов Р.Г., Шилин В.А., Макарова Г.В.
Мобильный пастеризатор для фермерских хозяйств // Материалы III научно практической конференции молодых ученых, РИО ВГСХА,2008г. – с.
202…203.
4.Герасимова О.А. Использование естественного холода для охлаждения молока на пастбищах // Материалы Международной научно-практической конференции «Сельское хозяйство: проблемы и перспективы», РИО ВГСХА,2009г. – с. 214…217.
5.Герасимова О.А. Охлаждение молока на пастбищных комплексах с использованием естественного холода // Материалы Международной научно практической конференции молодых ученых, РИО ВГСХА,2010г. – с.
196…198.
6.Герасимова О.А., Шилин В.А., Волошин Ю.И. Охлаждение молока при стационарном течении по трубопроводу с охладителем // Техника в сельском хозяйстве № 5, 2010. – 11…13.
7.Герасимова О.А., Гусейнов Р.Г., Шилин В.А., Сукиасян С.М.
Первичное охлаждение молока при турбулентном течении // Материалы Междунар. науч.-прак. конф. молодых ученых (Минск, 25-26 авг. 2010). – Минск: НПЦ НАН Белоруссии по механизации сельского хозяйства, 2010.
8. Герасимова О.А., Шилин В.А. Охлаждение молока на пастбищных комплексах с использованием естественного холода // А.О. Герасимова, В.А.
Шилин – Сельский механизатор № 5, 2011. – с. 24.
9. Патент № 95974 RU МПК А23С 3/02 Мобильное устройство для транспортировки молока / Герасимова О.А., Шилин В.А., Гусейнов Р.Г. (RU).
- № 2010103302/22, заявлено 01.02.2010, опубликовано 20.07.2010, бюл. №20.
Лицензия ЛР № 040831 Подписано к печати 10.05.11 г.
Формат 60 х 90/ Усл. печ. 1,0 л. Тираж 100 экз.
Заказ Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО «ВГСХА»
182100, г. Великие Луки, пл. Ленина,