close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование и разработка льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа использования на молочно – товарных фермах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Попова Мария Игоревна
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
ЛЬДОАККУМУЛЯТОРА ПРИРОДНОГО ХОЛОДА
ГОДОВОЙ ПОТРЕБНОСТИ
И СПОСОБА ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НА МОЛОЧНО-ТОВАРНЫХ ФЕРМАХ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Оренбург, 2018
Работа выполнена в кафедре «Механизация технологических процессов
в АПК» ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Козловцев Андрей Петрович
Официальные оппоненты: Кирсанов Владимир Вячеславович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный
центр ВИМ», заведующий лабораторией
автоматизированных систем машин для доения
и первичной обработки молока;
Герасимова Ольга Александровна,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная
сельскохозяйственная академия», кафедра
механизации животноводства и применения
элекроэнергии в сельском хозяйстве, доцент
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный
аграрный университет»
Защита диссертации состоится 26.10.2018 г. в 10.00 часов, в 500 аудитории
инженерного факультета на заседании диссертационного совета по защите диссертаций Д 220.051.02 при ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460014, г. Оренбург, ул. Коваленко, д. 4 (корпус № 3,
инженерный факультет).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета. Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на сайте ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный
университет» http://www.orensau.ru и на сайте ВАК РФ http://www.vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
Ушаков Юрий Андреевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Состояние молочно-товарного комплекса Российской
Федерации в последние годы характеризуется прогрессирующей тенденцией спада производства молока и снижением численности поголовья коров. По данным
Росстата на начало 2016 года молочно-товарные фермы (МТФ) в РФ производили
лишь 80 % от необходимого количества молочной продукции, остальная потребность покрывалась за счет импорта. Изменение сложившейся тенденции возможно за счет повышения доходности МТФ посредством снижения себестоимости
производства молока.
Производственный процесс обслуживания крупного рогатого скота и получения молочной продукции включает множество сложных механизированных
процессов: кормление, поение, навозоудаление, доение и охлаждение молока. По
данным ученых Ю.А. Цоя, В.И. Квашенникова, А.П. Козловцева, наиболее энергоемким и затратным из комплекса операций по первичной обработке молока является процесс охлаждения молока. Поэтому именно он наиболее перспективен с
точки зрения сокращения затрат материально-энергетических ресурсов.
На современных МТФ практически весь объем свежевыдоенного молока
охлаждается холодом машинной выработки. Но холодильные машины энергоемки, сложны в устройстве и эксплуатации, требуют дорогостоящего технического
обслуживания и ремонта, высококвалифицированного персонала. Следует учесть
и слабые электрические сети фермерских хозяйств, вследствие чего проблема
снижения установленной мощности технологического оборудования выдвигается
на одно из первых мест.
Поэтому интерес к использованию естественного холода для охлаждения молока и молочной продукции возрастает, и любое научное исследование, направленное на снижение энергоемкости переработки молока в современном мире, является перспективным.
Степень разработанности темы. Работа выполнена в соответствии
с программой научных исследований ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
№ ААА-А-16-116060810025-6 по приоритетному направлению развития науки,
технологий и техники РФ «Энергоэффективность и энергосбережение».
Цель исследования. Разработка и обоснование льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа его использования на МТФ.
Объект исследования. Тепломассообменные процессы функционирования
льдоаккумулятора природного холода годовой потребности в системе заготовки
льда для круглогодичного охлаждения молока на МТФ.
Предмет исследования. Закономерности тепломассообменных процессов в
толще водяного бассейна льдоаккумулятора природного холода годовой потребности.
Методика исследований. Теоретические исследования опираются на современные информационные технологии, аналитические исследования процессов
тепломассообмена в системе льдоаккумулирования с применением законов классической механики, гидравлики, термодинамики, гидро-, ледотермики, теории
планирования эксперимента и принципов создания проблемно-ориентированных
программных комплексов.
3
Экспериментальные исследования проводили по разработанным частным методикам испытаний. Расчет и анализ параметров процесса динамики образования
льда осуществляли с использованием теории математической обработки данных,
планирования многофакторных экспериментов. В работе использовались фото-,
тепловизионная съемка, программно-технические средства. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в соответствии с методиками планирования многофакторного эксперимента с использованием программных продуктов
«Microsoft Excel», «MathCAD 10», «Statistica 10».
Научная новизна:
– теоретическое обоснование режимов аккумуляции естественного холода в
форме льда;
– методика учета массы накопленного льда и контроля интенсивности его намораживания;
– методика тепловизионного исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта;
– методика определения времени «отлипания» ледяного пласта от стенок горловины;
– способ предохранения стен льдохранилища от хладоразрушения;
– теоретическое и экспериментальное обоснование режимов подплавления и
затопления пластов льда в бассейне;
– техническое решение применения естественного холода для охлаждения
молока.
Научная гипотеза. Обеспечить МТФ природным холодом годовой потребности для охлаждения молока посредством внедрения льдоаккумулятора природного холода годовой потребности.
Теоретическая и практическая значимость:
– проведен анализ и систематизация существующих систем охлаждения молока естественным холодом;
– предложен новый способ накопления природного холода годовой потребности для молочной фермы, на основе которого обоснованы конструктивнотехнологические параметры установки для послойного намораживания и использования льда при охлаждении молока (патент на изобретение № 2627574
РФ) и новый способ предохранения стен бассейна от разрушения при замерзании воды;
– разработана программа для расчета процесса охлаждения жидкотекучих пищевых продуктов в охладителях молока (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614224);
– разработана программа для контроля процесса аккумуляции льда при стационарном положении и при последовательном затоплении пластов льда (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018618718).
Вклад автора в проведенное исследование. Лично автором проведен обзор
существующих технологий и производственного опыта по использованию естественного холода, теоретически обоснована и разработана опытная установка
льдоаккумулятора, проведены лабораторно-производственные эксперименты,
определена экономическая эффективность использования разработанного конструктивного решения.
4
Реализация результатов исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» Оренбургского ГАУ, система аккумулирования природного холода для охлаждения молока внедрена в хозяйствах Оренбургской области: ООО
«А7 АГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района, СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского района.
Апробация. Основные положения диссертационной работы опубликованы
в материалах международной научно-практической конференции «Молодежный
форум: Технические и математические науки» (2015 г., г. Воронеж), международной научно-практической конференции «Совершенствование инженернотехнического обеспечения технологических процессов в АПК» (2015 – 2017 гг.,
г. Оренбург). Технические решения удостоены дипломов лауреата областной
выставки НТТМ (2016 – 2017 гг., г. Оренбург), отмечены дипломом и золотой
медалью международной выставки «Золотая осень» ВДНХ (2016 г., г. Москва),
дипломом Х специализированной выставки «ПРОМЭНЕРГО» (2015 г., г. Оренбург).
Научные положения, выносимые на защиту:
– теоретические положения по обоснованию конструктивно-режимных параметров комбинированной системы круглогодового использования природного
холода в условиях молочно-товарной фермы;
– методика расчета блока сезонного охладительного устройства (СОУ) при
охлаждении молока;
– методика расчета интенсивности послойного намораживания льда в бассейне резервного запаса холода для использования в периоды положительных температур воздуха;
– методика расчета системы подплавления и затопления пластов льда в бассейне;
– результаты лабораторных и производственных испытаний комбинированной установки послойного намораживания льда;
– результаты технико-экономического обоснования внедрения системы аккумуляции и использования природного холода годовой потребности для молочнотоварной фермы при охлаждении молока.
Обоснованность и достоверность. Достоверность научных положений работы подтверждается высоким уровнем сходимости результатов теоретических и
экспериментальных исследований.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ, новизна технических решений
подтверждена патентами РФ на изобретение № 2627574, № 2651817 и свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2017614224,
№ 2018618718. Изданы рекомендации, утвержденные РАН РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
общих выводов и предложений, списка использованных источников литературы
(152 наименования). Работа изложена на 127 страницах и включает 18 таблиц, 56
рисунков и 20 приложений.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы и ее практическая
значимость, показана научная новизна, изложены основные положения, выносимые автором на защиту, отражены вопросы апробации полученных научных результатов.
В первой главе «Современное состояние проблемы использования природного холода на МТФ. Задачи исследования» приведен обзор научных исследований по использованию природного холода на фермах для охлаждения молока.
Дана оценка качества работы каждого из рассмотренных устройств. Выявлены
основные преимущества и недостатки.
Большой вклад в решение проблемы использования природного холода в РФ
внесли ученые В.И. Квашенников, С.А. Краснов, В.А. Шахов, А.П. Козловцев,
О.А. Герасимова, В.В. Кирсанов, Д.П. Юхин и др. Однако обзор достижений
практики по использованию природного холода для охлаждения молока на МТФ
показал, что проблема использования аккумуляторов естественного холода недостаточно изучена.
В связи с этим в работе сформулированы следующие задачи:
1. Провести системный анализ и обобщить результаты научных исследований
состояния процесса охлаждения молока;
2. Теоретически обосновать закономерности тепломассообменных процессов
в толще водяного бассейна льдоаккумулятора природного холода годовой потребности;
3. Разработать техническое обеспечение и обосновать параметры структурных элементов льдоаккумулятора природного холода годовой потребности, разработать способ защиты от хладоразрушения льдонакопительной емкости;
4. Выполнить экспериментальные исследования и производственную проверку основных теоретических положений функционирования льдохранилища с
годовой потребностью холода;
5. Дать экономическую оценку внедрения предлагаемой системы.
Во второй главе «Разработка системы круглогодового использования природного холода (СКИПХ)» рассмотрены природно-географические характеристики Южного Урала, обоснована эффективность использования системы «СКИПХ»
для нужд молочно-товарных ферм, приведен анализ процесса функционирования
бассейна с послойным намораживанием льда, описано техническое решение для
предохранения стен бассейна от разрушения, произведен расчет массы льда и избыточного давления в бассейне, разработан блок подплавления ледяного пласта
перед его затоплением, разработаны программы для ЭВМ: программа для расчета процесса охлаждения жидкотекучих пищевых продуктов в охладителях
молока (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017614224) и программа для контроля процесса аккумуляции льда при стационарном положении пласта и при последовательном затоплении пластов льда (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018618718).
Вариантом эффективного аккумулирования природного холода для нужд
МТФ является его накопление методом послойного намораживания пластов льда
и их последовательного затопления в бассейне заглубленного типа, расположен6
ного в непосредственной близости к молочному отделению. На этом принципе
разработана «СКИПХ» (рис. 1), состоящая из двух подсистем: подсистемы сезонного накопления и использования природного холода и подсистемы накопления и
использования резервного объема природного холода.
Рис. 1 – Схема системы аккумулирования и использования природного холода
годовой потребности методом затопления ледяных пластов:
1 – льдохранилище; 2 – нагревательная обмотка; 3 – теплоизоляция; 4 – свежеразлитый
слой воды; 5 – затопленный ледяной пласт; 6 – фиксаторы затопленных пластов льда;
7 – мерная емкость с герконовым датчиком уровня воды; 8 – поплавок с встроенным
постоянным магнитом; 9 – герконы; 10 – шкаф управления; 11, 14, 20 – насосы; 12, 19 –
вентили; 13 – пластинчатый проточный охладитель молока; 15 – теплоизолированные
вводы; 16, 17 – трехходовые краны; 18 – емкость для воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» (СОУ); 21 – форсунки; 22, 23, 24 – трубы; 25 – пласт льда; 26 – навес;
27 – вентилятор; 28 – счётчик расхода воды
Первая подсистема используется в период отрицательных и околонулевых
температур атмосферного воздуха. При ее работе охлаждение молока в пластинчатом проточном охладителе молока 13 осуществляется ледяной водой из емкости для воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» 18, циркуляция воды
производится насосом 14 через трехходовые краны 16 и 17, установленные в положение I.
Вторая подсистема предназначена для накопления природного холода в форме послойно намороженного водного льда, используемого для охлаждения молока в период положительных температур. Подсистема функционирует следующим
образом. Перед наступлением морозного периода льдохранилище 1 заполняется
водой до середины горловины. При замерзании слоя льда толщиной 10 см включается нагревательная обмотка 2 горловины для «отлипания» пласта льда 25 от стен
горловины. После «отлипания» включается насос 20 и перекачивает воду из льдохранилища 1 в емкость для воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» 18.
Вместе с уровнем воды опускается пласт льда и удерживается в затопленном по7
ложении фиксаторами затопленных пластов льда 6. Затем вода из емкости для
воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» 18 через трехходовые краны
17 и 16, установленные в положение I, самотеком возвращается в льдохранилище
1, где ее уровень поднимается до середины горловины. Далее процесс повторяется
с последующими пластами.
Охлаждение молока при функционировании подсистемы осуществляется подачей ледяной воды из придонного пространства льдохранилища 1 в пластинчатый проточный охладитель молока 13 по трубе 22 и снова возвращается в льдо­
хранилище по трубе 23. Трехходовые краны 16 и 17 установлены в положение II.
В льдохранилище лед образуется внутри замкнутого объема. В связи с тем,
что объем льда больше объема воды, из которой он образовался, в подледном
пространстве возникают давления в 200…300 МПа, способные разрушить стены
бассейна. В связи с этим необходимы конструктивные решения, исключающие
этот процесс. Кроме того, в производственных условиях возникает необходимость
контроля динамики намораживания льда и суммарной массы льда, накопленного
за зимний сезон.
Известные способы контроля динамики намораживания льда и его суммарной
массы, накопленной за зимний сезон, весьма сложны, трудоемки и дорогостоящи.
Нами предлагается простой и дешевый способ предотвращения разрушения стен
льдохранилища с одновременным контролем динамики намораживания льда. Для
этой цели «лишний» объем воды ΔV, возникающий по мере увеличения объема
льда Vл, непрерывным потоком λ = ΔV/τ м3/ч вытесняется из подледного пространства льдохранилища 1 по трубе 24 в мерную емкость с герконовым датчиком уровня воды 7. Как только уровень воды ΔV достигнет уровня геркона, подключенного в
электросхему шкафа управления 10, насос 11 откачивает объем воды ΔV из мерной
емкости 7, которая затем через форсунки 21 разбрызгивается тонким слоем по поверхности пласта льда 25 (рис. 1). Далее наступает пауза – длительность наполнения мерной емкости 7 τH,i до уровня геркона. Длительность паузы τH,i характеризует
длительность намораживания i-го слоя льда в j-м пласте и определяется числовым
значением потока λ, значит скоростью роста толщины слоя hл, м/ч (рис. 2).
Скорость
роста
толщины
слоя hл – это характеристика динамики процесса намораживания
каждого i-го слоя в каждом j-м пласте льда. Измеряя τH , можно определить λ = H / τH,i, т.е. контролировать
скорость роста каждого слоя льда.
Рис. 2 – Схема функционирования
блока приборного контроля
льдоаккумуляции в бассейне
(условно-частотная модуляция):
0, 1, 2, 3 – герконы; 4 – мерная емкость; 5 – поплавок со встроенным
магнитом; 6 – шкаф управления; 7 –
насос; СРВ – счетчик расхода воды
8
Для автоматизации процессов контроля и учета роста массы льда нами разработаны блок-схемы алгоритмов контроля процесса аккумуляции льда как при
стационарном положении ледяного пласта, так и при периодическом затоплении
пластов. По данным алгоритмам разработана программа для ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации № 2018618718), позволяющая в автоматическом режиме производить учет и контроль роста массы льда при стационарном
положении пласта и при последовательном затоплении пластов.
Для определения массы льда в бассейне в конкретный момент времени была
выявлена математическая зависимость массы льда от объема вытесненной воды.
В связи с тем, что объем льда Vл больше объема воды Vв, из которой он образовался, то:
Vл – Vв = ΔV.
(1)
Из формулы (1) видно, что ΔV имеет связь с объемом льда Vл. Эту связь можно
выявить из следующих соображений:
mл = mв;
(2)
Vлρл =Vвρв,
(3)
где mл, mв – соответственно масса льда и масса воды, кг;
ρл, ρв – соответственно плотность льда и воды, кг/м3.
Из этого следует, что:
Vл = Vв .
(4)
После подстановки значения Vл из формулы (4) в формулу (1) и преобразований получим:
.
(5)
В формуле (5)
где
(6)
– разность удельных объемов льда и воды , м3/кг.
С учетом уравнения (6), формула (5) примет вид:
mл =
.
(7)
Обозначим
символом «k». Тогда уравнение (7) имеет вид:
mл= kΔV.
(8)
После подстановки численных значений ρв и ρл получим k = 11044 кг/м3.
k – является величиной постоянной. Это масса льда, приходящаяся на единицу объема воды, вытесненной из замкнутого объема бассейна в процессе намерзания льда. Зная суммарный объем воды, прошедший через мерную емкость, можно
определить массу льда, образовавшегося в бассейне.
При достижении суммарной толщины пласта льда заданного значения его необходимо затопить, но он примерзает к стенкам горловины льдохранилища. «Отлипить» лед можно подплавив его подогревом горловины нагревательным проводом, намотанным на нее с шагом Ш. До включения провода в сеть температура
поверхности горловины равна температуре окружающей среды Ts по всей площади
контакта. После начала нагрева температура стенки начнет возрастать. Непосред
9
ственно под проводом температура
максимальна T0, а в точках, расположенных на расстоянии «b» (прогреваемая зона), Т ≥ 0 °С. В точках, расположенных на расстоянии больше «b» x >
b, температура равна – это непрогреваемая зона d (рис. 3).
Рассмотрим элемент стенки высотой Δx с площадью поверхности
ΔSп = w·Δx и температурой стенки Т.
К элементу Δx подводится теплота qx,
определяемая температурой нагревательного провода, а отводится два
Рис. 3 – Схема теплопередачи по стенке тепловых потока: поток за счет теплогорловины бассейна от нагревательного проводности к нижележащим слоям
стенки (qx+Δx) и поток с внутренней
провода:
1 – нагревательный провод; 2 – стенка гор- поверхности горловины, передаваеловины; w – длина участка горловины; z – мый льду, примороженному к ней (qs).
Теплота, подводимая к элементу
толщина стенки; Ш – шаг намотки нагреваΔx, в соответствии с законом Фурье
тельного провода
равна:
,
(9)
где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
θ – разница между температурой стенки Т и окружающей средой Ts.
Тепловой поток, отводимый из грани элемента (x + Δx), в соответствии с законом Ньютона – Рихмана равен:
.
(10)
Тепловой поток, идущий на нагрев льда равен:
,
(11)
где δ – толщина слоя льда, которую предстоит расплавить, м;
; ; – соответственно масса (кг), плотность (кг/м3), удельная теплоем
кость льда (Дж/(кг·К)).
Тепловой запас в элементе Δx выглядит следующим образом:
.
(12)
После подстановки значений
в формулу (12) и преобразований
тепловой баланс примет вид:
,
где
10
– постоянное значение.
(13)
Решая уравнение (13), получим:
.
(14)
В нашем случае корень
.
Тогда общее решение уравнения (14) примет вид:
.
(15)
Для отыскания частных решений определим граничные условия: значение
, при x = 0; значение
чит,
, при x = b.
Граница x = b – это место, где начинается непрогреваемая зона d (рис. 3), зна = 0, при x = b.
(16)
Первое граничное условие заключается в том, что при x = 0 температура провода максимальна и равна:
θ = θ0 = Т0 – Тs .
(17)
Чтобы использовать условие (16), необходимо продифференцировать общее
решение (15). Подставив этот дифференциал в (16), получим:
.
(18)
Для условия x = 0 уравнение (15) примет вид:
θ0 = с1 + с2.
(19)
Для определения постоянных интегрирования с1 и с2 решим систему уравнений (18) и (19). В результате решения получим:
.
;
Для получения частного решения подставим значения с1 и с2 в общее решение (15). Численное значение e–Ψb << eΨb, поэтому значением e–Ψb в знаменателе
можно пренебречь. Тогда получим:
.
(20)
При x = b уравнение (20) после преобразований имеет вид:
.
(21)
Решим уравнение (21) относительно «b», при θ0 = T0 – |Ts|, θ = T – |Ts|. Тогда:
.
(22)
Шаг намотки нагревательного провода:
.
(23)
Формула (23) справедлива при отрицательных температурах воздуха. Для ее
использования нужно знать значение Т0, определяемое маркой нагревательного
провода, и, задавшись значением Т на середине между соседними витками, вычислить «b». Таким образом можно обеспечить равномерный прогрев горловины
11
по всей высоте и избежать появления непрогреваемой зоны «d», тем самым сократить время «отлипания».
На основании теоретического исследования процесса функционирования
льдохранилища с послойным намораживанием льда разработано устройство для
предохранения его стен от разрушения с одновременным контролем динамики намораживания и определен коэффицинт k = 11044 кг/м3, позволяющий производить
расчет массы льда, образовавшегося в льдохранилище. Разработан блок подплавления ледяного пласта перед затоплением. При горловине бассейна, выполненной
из алюминия толщиной z = 3 мм, при максимальной температуре нагревательного
провода Т0 = 60 °С и температуре окружающей среды Тs = –10 °С, шаг намотки
провода составит не более 56 мм. При горловине из оцинкованной стали толщиной
z = 3 мм и аналогичных температурных условиях шаг должен быть не более 29 мм.
В третьей главе «Программа, методики и результаты экспериментальных
исследований» изложены основные по3
4
ложения и условия проведения экспе1
риментов, приведено описание экспериментальной установки, обоснованы
2
методики и представлены результаты
экспериментов.
5
Для определения интенсивности
намораживания льда в поверхностном
слое была сооружена лабораторная
установка (рис. 4), состоящая из емкости, заполненной водой, и измерительного устройства, включающего пару
Рис. 4 – Схема лабораторной
электродов 5 и мультиметр «Mastech
установки для определения
MY62» 4, и источника переменного
интенсивности намораживания льда:
тока 3.
1 – ёмкость; 2 – вода; 3 – источник переУстановка размещена под открыменного тока; 4 – мультиметр Mastech
тым
небом, внутри емкости 1 намерзал
MY62; 5 – электроды
лед. Его толщина определялась по веy=(a+cx)/(1+bx)
личине вмерзания в лед электродов 5 и,
следовательно, по изменению показаН (мм)
ний мультиметра. Замеры времени замерзания слоя льда Н осуществлялись
в течение 24 часов с интервалом 2 часа
и регистрацией данных с помощью ПК.
По результатам полученных данных
построены графики зависимости толщины льда Н от времени снятия замера τ (рис. 5).
Уравнение регрессии, описываюτ (мин)
щее взаимосвязь толщины льда и времени намораживания, следующее:
Рис. 5 – Зависимость значения
толщины льда H от времени снятия
.
(24)
замеров τ
r^2=0.98947446 DF Adj r^2=0.98496351 FitStdErr=0.091037934 Fstat=376.02803
a=0.14240236 b=0.083218173 c=0.33620778
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
12
5
10
15
20
В ходе исследований выявлено, что
максимальная интенсивность роста толщины льда происходит в начальный период времени, затем интенсивность снижается, что подтверждают экспериментальные
и теоретические исследования.
Для определения скорости распространения теплоты по стенке горловины
льдохранилища при подплавлении ледяного пласта было применено тепловизионное исследование. К каждому опытному
Рис. 6 – Тепловизионные
материалу (оцинкованная сталь, алюмиисследования:
ний, пластик) был прикреплен нагревательный провод ������������������������
Heatline����������������
удельной мощно- 1 – Тепловизор «Testo 875»; 2, 3, 4 – ёмстью 20 Вт/м, затем удельную мощность кости из алюминия, пластика, оцинкоуменьшали до 15; 10; 5 Вт/м посредством ванной стали; 5 – нагревательный провод Heatline
автотрансформатора Rucelf TDGC2-0,5
KVA (рис. 6).
Тепловизионные замеры теплораспределения от нагревательного провода для
каждого параметра удельной мощности проводились посредством портативного
тепловизора «��������������������������������������������������������������
Testo���������������������������������������������������������
875» и обрабатывались на ПК. Замеры осуществлялись в течение 20 минут с интервалом 2 минуты, контроль времени осуществлялся секундомером. Для каждого из опытных образцов были составлены тепловизионные
карты и температурные профили (рис. 7).
Результаты эксперимента показали, что нагревательный провод с шагом
15 мм и удельной мощностью 20 Вт/м, закрепленный на горловине из материалов
оцинкованная сталь и алюминий льдоаккумулирующей емкости установки для
послойного намораживания льда, позволит обеспечить равномерный нагрев и минимальное время «отлипания» ледяного пласта.
Рис. 7 – Тепловизионная карта и температурный профиль
теплораспределения от провода удельной мощностью 20 Вт/м
для опытного образца из алюминия (М1; М2 – нулевые изотермы)
13
При проведении многофакторного эксперимента по определению времени «отлипания» льда от горловины льдохранилища применялось ортогональное
планирование эксперимента. Пользуясь как собственными исследованиями, так
и опытом других авторов, занимавшихся подобными вопросами, и исходя из математической модели, из числа факторов, влияющих на время «отлипания» льда
от горловины льдохранилища, нами были выбраны наиболее значимые из них:
– угол наклона стен горловины (X1);
– шаг витка намотки нагревательного провода (X2);
– удельная мощность нагревательного провода (X3).
В таблице 1 представлены уровни изменения факторов в эксперименте.
Таблица 1 – Уровни варьирования переменных факторов при определении
времени «отлипания» льда от горловины льдохранилища
Уровень
варьирования
Основной
Верхний
Нижний
Угол наклона стен
горловины, град.
α
27,5
45
10
X1
0
+1
–1
Шаг витка намотки
нагревательного
провода, мм
Ш
X1
30
0
45
+1
15
–1
Удельная мощность
нагревательного
провода, Вт/м
р
X1
24
0
31
+1
17
–1
В результате обработки и анализа экспериментальных исследований получено уравнение регрессии, выражающее параметр оптимизации – время «отлипания» льда от горловины льдохранилища (Y), в зависимости от факторов: угол
наклона стен горловины (X1), шаг витка намотки нагревательного провода (X2),
удельная мощность нагревательного провода (X1):
Y = 10,113 – 0,125x1 + 0,535x2 – 0,301x3 + 0,003x1x2 – 0,01x2x3 + 0,01x1x3. (25)
По результатам экспериментов построены поверхности отклика для
определения времени «отлипания» льда от горловины льдохранилища (рис. 8 – 10).
Анализ поверхностей отклика позволил определить следующие оптимальные
параметры, влияющие на время «отлипания» льда от стенок горловины:
– угол наклона стен горловины 27,5°;
– шаг витка намотки нагревательного провода 15 мм;
– удельная мощность нагревательного провода 20 Вт/м.
Производственные испытания проводили в хозяйствах ООО «А7 АГРО» ОП
«Благодарное» Ташлинского района, СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского
района. При проведении производственных испытаний льдоаккумулятор заглуб­
ленного типа монтировали под открытым небом, в непосредственной близости к
пункту сбора и первичной обработки молока (рис. 11).
Боковые стены и дно бассейна гидро- и теплоизолировали материалом «Пеноплекс» толщиной 0,2 м и коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/(м·°С). От
придонной части бассейна прокладывали питающий и обратный трубопроводы
диаметром 32 мм для забора ледяной воды к пластинчатому теплообменнику
«ПЛН» в систему охлаждения молока с помощью водяного насоса «Grundfos» с
14
подачей воды от 0,6 до 6 м3/ч. По окончании монтажа бассейн, размером 5×6×5 м3,
заполняли водой. В ходе проведения испытаний получена динамика намораживания льда в бассейне заглубленного типа в условиях Оренбургской области
(рис. 12).
Рис. 8 – Зависимость времени
Рис. 9 – Зависимость времени
«отлипания» льда от стенок горловины «отлипания» льда от стенок горловины
(мин) от угла наклона стенок
(мин) от угла наклона стенок горловины
горловины (град.) и удельной мощности (град.) и шага намотки нагревательного
нагревательного провода (Вт/м)
провода (мм)
Рис. 10 – Зависимость времени
«отлипания» льда от стенок горловины
(мин) от шага намотки нагревательного
провода (мм) и удельной мощности
нагревательного провода (Вт/м)
Рис. 11 – Схема монтажа бассейна
и подача воды из льдохранилища в
систему охлаждения молока в молочном
отделении
15
Толщина льда Н, мм
140
120
100
80
60
40
20
0
78
57
93
105
123125
114 120
Рис. 12 – График зависимости
толщины льда Н от суммарной
отрицательной температуры
воздуха ∑–tвозд
Эмпирическая зависимость
толщины льда от значения отрицательных температур, полученная нами после обработки
30 68 107 142 177 210 252 298 330
данных методом наименьших
Суммарная отрицательная температура
квадратов с аппроксимацией
воздуха ∑–tвозд
логарифмической функцией,
примет вид:
H = 44,14 · ln(∑–tвозд) – 125,6,
(25)
где ∑–tвозд – суммарное значение отрицательных температур за первую, вторую и
т.д. неделю с момента наступления периода отрицательных температур.
В процессе исследований эффективность работы льдоаккумулятора послойного намораживания, продолжительность охлаждения молока сравнивались с
эффективностью работы холодильных машин, использующихся в хозяйствах.
Температура воды, подаваемой на охлаждение молока в процессе доения коров,
в начальный период составляла 2,7 °С, в конце дойки повысилась до 3,9 °С. Качество охлаждаемого молока определялась согласно ГОСТ 31449-2013. При проведении производственных испытаний были окончательно установлены значения
эксплуатационных параметров, влияющих на холодопроизводительность устройства.
В пятой главе «Экономическая эффективность применения разработанной
системы охлаждения молока с помощью естественного холода с послойным намораживанием льда» описана методика определения экономической эффективности,
приведены исходные данные и результаты расчетов.
Экономический эффект внедрения системы охлаждения молока с помощью
естественного холода получен для ферм с поголовьем 200 коров, при годовой
продуктивности 4000 кг/(гол·год). Себестоимость производства молока на ферме
снизится на 1,86 руб. за килограмм. Годовой экономический эффект при этом составит 176116,5 руб.
29
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Системный анализ существующих исследований по охлаждению молока
с помощью естественного холода, классификация технических решений позволили обосновать конструкцию льдоаккумулятора природного холода годовой потребности, позволяющую снизить затраты на процесс охлаждения. Такая система
приобретает все большую актуальность для современного сельского хозяйства в
связи с увеличением стоимости энергоносителей.
2. Обоснованы закономерности тепломассообменных процессов в толще водяного бассейна льдоаккумулятора природного холода годовой потребности, адекватность которых подтверждена экспериментальными исследованиями. Установлены
16
конструктивные параметры льдонакопительной емкости и ее объем в зависимости
от поголовья коров на молочно-товарной ферме и их годовой продуктивности. Так,
для молочно-товарной фермы с поголовьем 200 коров, годовой продуктивностью
4000 л/гол, необходима льдонакопительная емкость объемом 176 м3.
3. Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать
предохранительное устройство для защиты стен льдонакопительной емкости от
разрушения при намораживании льда с одновременным контролем динамики его
намораживания, для этого предложена конструкция устройства, выполняющего
условно-частотную модуляцию непрерывного потока воды с подачей частотномодулированного сигнала в ЭВМ. Для выполнения условно-частотной и амплитудной модуляции разработаны блок-схемы алгоритмов, по которым создана программа для ЭВМ, позволяющая автоматизировать контроль и учет массы льда,
накопленной в льдохранилище.
4. Обоснована конструкция льдоаккумулятора природного холода для круглогодичного охлаждения молока на молочно-товарных фермах, которая защищена
патентом РФ № 2627574, а также получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ «Расчет процесса охлаждения жидкотекучих пищевых продуктов в охладителях молока» № 2017614224 и «Программа для контроля
процесса аккумуляции льда» № 2018618718. Изготовлены экспериментальные
модели системы охлаждения молока с помощью естественного холода.
5. Проведенный многофакторный эксперимент позволил определить технологические и конструктивно-режимные параметры, влияющие на закономерности изменения параметра оптимизации (времени «отлипания» пласта льда от стен
горловины льдохранилища) от трех варьируемых факторов, и их значения: угол
наклона стен горловины 27,5°, шаг витка намотки нагревательного провода 15 мм;
удельная мощность нагревательного провода 20 Вт/м.
6. Расчеты экономической эффективности применения предлагаемой системы
охлаждения молока выполнены на основе сравнительных затрат на охлаждение
молока машинным и природным холодом для фермы с поголовьем 200 коров годовой продуктивностью 4000 л/гол. Затраты на охлаждение молока природным
холодом по предлагаемой технологии снизились с 346,8 до 160 рублей за 1 ц молока. Годовой экономический эффект от использования предлагаемой системы составил 176116,5 руб./год.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
В процессе охлаждения молока на МТФ предлагается использовать следующие разработки:
– материалы по обоснованию технических решений эффективного использования естественного холода для охлаждения молока;
– программные модули, позволяющие без проведения дорогостоящих экспериментов получать интегральные и локальные теплообменные характеристики;
– результаты экспериментальных исследований тепломассообменных процессов при намораживании льда в льдохранилище, использование которых дает
возможность сделать заключение об эффективности применения энергосберегающих технологий охлаждения молока.
17
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Выявить резервы повышения интенсивности намораживания льда в льдо­
хранилище при использовании природного холода на молочно-товарных фермах.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Попова, М.И. Природный холод – приоритетное направление при охлаждении молока / В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.П. Козловцев, А.А. Панин,
А.А. Петров, Г.С. Коровин, М.И. Попова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2015. – № 5. – С. 90.
2. Попова, М.И. Вычисление изменений температурных режимов в простейших емкостных охладителях молока на малых фермах / В.И. Квашенников,
В.А. Шахов, А.П. Козловцев, А.А. Панин, А.А. Петров, Г.С. Коровин, М.И. Попова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2016. –
№ 1. – С. 47.
3. Попова, М.И. Предпосылки использования естественного холода в системах охлаждения молока в условиях Оренбургской области / А.П. Козловцев,
В.И. Квашенников, В.А. Шахов, М.М. Константинов, М.И. Попова // Известия
Оренбургского государственного аграрного университета. – 2016. – № 4. – С. 84.
4. Попова, М.И. Альтернативные источники энергии в системе охлаждения
пищевой продукции / В.А. Шахов, А.П. Козловцев, И.З. Аширов, М.И. Попова
// Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2017. –
№ 3. – С. 99.
5. Попова, М.И. Способ определения массы намороженного льда и устройство для его осуществления / В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.П. Козловцев,
М.И. Попова, А.С. Астафьев // Аграрный научный журнал. – 2018. – № 6. – С. 47.
Публикации в других изданиях и материалах научных конференций
6. Попова, М.И. Теоретические предпосылки процесса намораживания льда
в замкнутом водном объеме / В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, М.И. Попова //
Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной научно-практической конференции /
под ред. Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ. – 2015. – С. 64.
7. Попова, М.И. Послойный способ накопления природного льда для малых
(до 50 коров) ферм / В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, И.З. Аширов, Г.С. Коровин, М.И. Попова // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной научнопрактической конференции / под ред. Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский
центр ОГАУ. – 2015. – С. 87.
8. Попова, М.И. К вопросу использования энергосберегающих технологий в
системе охлаждения молока / М.И. Попова, А.П. Козловцев, А.А. Панин, В.А. Урбан // Материалы международной научно-практической конференции. – Воронеж:
18
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени
Г.Ф. Морозова». – 2015. – С. 375.
9. Попова, М.И. Разработка двухемкостного водооборотного льдогенератора
/ А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, А.А. Панин, М.И. Попова // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в
АПК: материалы международной научно-практической конференции / под ред.
Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ. – 2016. – С. 180.
10. Попова, М.И. Состояние и перспективы развития систем охлаждения
молока / А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, М.И. Попова и др. // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в
АПК: материалы международной научно-практической конференции / под ред.
Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ. – 2016. – С. 184.
11. Попова, М.И. Естественный холод – будущее в процессах охлаждения
молока / М.И. Попова // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной научнопрактической конференции / под ред. Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский
центр ОГАУ. – 2018. – С. 33.
12. Попова, М.И. Результаты исследования функционирования хладоаккумулирующих систем / М.И. Попова // Совершенствование инженерно-технического
обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной
научно-практической конференции / под ред. Ю.А. Ушакова. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ. – 2018. – С. 51.
Патенты на изобретения и свидетельства на программные средства
13. Патент на изобретение № 2627574 РФ. Установка для послойного намораживания и использования природного льда при охлаждении молока / В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, В.А. Шахов, М.И. Попова, И.В. Герасименко. Опуб.
08.08.2017.
14. Патент на изобретение № 2651817 РФ. Хранилище для пищевых продуктов с аккумулированием холода / И.В. Герасименко, В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, С.П. Козловцева, М.И. Попова. Опуб. 10.05.2018.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017614224 РФ. Охладители молока / М.И. Попова, А.П. Козловцев, И.В. Герасименко, В.А. Урбан, В.И. Квашенников и др. Опуб. 10.04.2017.
16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2018618718 РФ. Программа для контроля процесса аккумуляции льда /
А.П. Козловцев, М.И. Попова, И.В. Герасименко, В.И. Квашенников, Д.Х. Мочалин. Опуб. 19.07.2018.
Рекомендации
17. Попова, М.И. Круглогодовое использование природного холода в условиях молочно-товарных ферм Южного Урала: рекомендации / А.И. Завражнов,
А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, М.И. Попова и др. – Мичуринск: Изд-во Мичуринского ГАУ. – 2016. – 61 с.
19
Попова Мария Игоревна
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЛЬДОАККУМУЛЯТОРА
ПРИРОДНОГО ХОЛОДА ГОДОВОЙ ПОТРЕБНОСТИ И СПОСОБА
ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА МОЛОЧНО-ТОВАРНЫХ ФЕРМАХ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 28.08.2018.
Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать трафаретная.
Бумага офсетная. Заказ № 9044. Тираж 100 экз.
Отпечатано в Издательском центре ОГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.
Тел. (3532) 77-61-43
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа