ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ С ПРИРОДНЫМ ХОЛОДОМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫМ ХЛАДОНОСИТЕЛЕМ

E-mail: vim@vim.ru

Abstract

Reduction of energy consumption in technological processes of cooling and storage of milk on farms is a very urgent task. Conducted research to improve existing and create new smart combined cooling systems based on the use of natural cold and environmentally friendly coolants. It was shown that significant energy savings can be obtained through the use of combined accumulators of natural and artificial cold and ground ice storage with ground cooling thermal installations. Such systems in various configurations and configurations can be effectively used in all agro climatic regions of the country

Аннотация

Снижение энергозатрат в технологических процессах охлаждения и хранения молока
на фермах является весьма актуальной задачей. Провели исследования по совершенствованию существующих и созданию новых умных комбинированных систем охлаждения на основе использования природного холода и экологически безопасных хладоносителей. Показали, что значительная экономия энергии может быть получена за счет применения комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода и грунтовых льдохранилищ с грунтовыми охлаждающими термоустановками. Такие системы в различной конфигурации и комплектации могут быть эффективно использованы во всех агроклиматических регионах страны

Введение

Как известно, при производстве практически всех видов сельскохозяйственной продукции в нашей стране затрачивается энергии в несколько раз больше, чем в передовых странах, при этом доля вырабатываемой электроэнергии для производства холода постоянно увеличивается, и в настоящее время уже превышает 20 %.
Холод в настоящее время является одним из наиболее эффективных и экологически
безопасных консервантов. Это делает его основным средством сохранения качества и сокращения потерь при хранении всех видов сельскохозяйственной продукции.
Существующие технологии и оборудование для охлаждения и хранения имеют ряд недостатков, которые негативно влияют не только на энергоемкость, производимой с/х продукции, но и на экологию. Практически не применяется аккумулирование энергии холода, особенно в виде льда.
Особенно это важно при охлаждении молока на фермах, так как в этой области
сельскохозяйственного производства больше чем в других необходима реконструкция
(модернизация) охлаждающих систем и наиболее серьёзный ущерб терпит экономика страны от недостаточной мощности и надежности холодильного оборудования.
Исследования, проводимые по проблеме снижения удельного расхода электроэнергии на
производство и переработку молока и сохранения его качества, показали актуальность конкретного направления научно-технического поиска и востребованность инженерных решений в области разработки энергосберегающих охлаждающих систем на основе рационального использования природного холода и экологически чистых хладоносителей с низкой температурой замерзания.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования являлась энергосберегающая охлаждающая система для молочных ферм с использованием природного холода и экологически безопасных хладоносителей и технологические режимы ее работы, позволяющие значительно снизить затраты на электроэнергию и сохранить высокое качество охлаждаемой продукции.
Для решения указанных задач в ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых умных комбинированных систем охлаждения на основе рационального использования источников природного и искусственного холода со средствами его аккумулирования и экологически безопасными хладоносителями с низкой температурой замерзания (ЭЧХ).
Проведенное математическое моделирование и компьютерное программирование процесса охлаждения молока позволило определить конфигурацию теплообменных аппаратов (пластинчатого проточного теплообменника, приемника природного холода и т.д.), оптимальную конструкцию оборудования системы охлаждения с использованием природного холода, аккумуляторов и исследовать режимы ее работы.

Результаты и их обсуждение

На основе проведенных исследований предложена классификация основных аккумуляционных установок для охлаждения молока на фермах (рисунок 1).

• 

В настоящее время наибольшее распространение получили трубчатые льдоаккумуляторы, змеевикового и батарейного типа. Льдоаккумуляторы в основном используют для получения ледяной воды и поддержания ее температуры в диапазоне 0,5…2 ºС посредством накопления льда на погружном испарителе. За счет большого количества намороженного льда льдоаккумулятор может компенсировать пиковые
нагрузки, накапливать лед в ночные часы, а также существенно снизить требуемую холодопроизводительность и электрическую мощность компрессорного и вспомогательного оборудования.
В последнее время стали применять льдогенераторы в комбинации с накопительными баками, что позволяет в системах охлаждения использовать льдосодержащие пульпы (ЛСП) – айс-сларри, бинарный лед, жидкий лед и т.п.
Для охлаждения жидких пищевых продуктов могут быть использованы удобные и компактные зероторы, которые заполнены теплоаккумулирующим веществом с температурой плавления не выше температуры термостатирования охлаждаемого объекта. Эти устройства, позволяют достигать определенных энергетических преимуществ. Однако в этих разработках не учитываются природные источники холода и затраты электроэнергии на охлаждение и хранение с/х продукции остаются относительно высокими.
Значительная экономия энергии может быть получена за счет применения в системах для
охлаждения молока на фермах комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода с использованием экологически чистых хладоносителей с низкой температурой замерзания,что позволит также повысить надежность охлаждающих систем.
Был проведен анализ хладоносителей с низкой температурой замерзания, который показал, что применение экосола позволяет значительно повысить эффективность охлаждающих систем, при этом в его гигиеническом сертификате сказано, что по степени воздействия на человека экосол относится к веществам безопасным.
Кроме того, при понижении температуры он уменьшается в объеме, что исключает вероятность разрыва труб в охлаждающих системах даже при его замерзании, и не оказывет коррозионного воздействия на различные металлы, что позволяет увеличить надежность эксплуатации используемого оборудования.
Производится на основе этилкарбитола в различных модификациях: экосол-65, экосол-40, экосол-20 и экосол-10 (цифра обозначает температуру замерзания), которые выбираются из условий эксплуатации и поставляются в готовом к употреблению виде.
На рисунке 2 представлена технологическая схема энергосберегающей системы для первичной обработки молока на фермах с применением комбинированных аккумуляторов холода и экологически безопасного хладоносителя с низкой температурой замерзания экосол-40.

Теплоизолированный аккумулирующий резервуар может быть установлен и в помещении, и на открытом воздухе. В аккумулирующий резервуар помещен испаритель холодильной машины и гофрированные трубы (полости), подключенные к замкнутому контуру, по которому при помощи насоса циркулирует экосол.
Количество гофрированных труб зависит от потенциала природного холода, то есть от региона, в котором располагается установка и от удоя.
Для охлаждения хладоносителя предусмотрен приемник природного холода с вентилятором, который устанавливается на открытом воздухе. Для повышения эффективности процесса охлаждения воды и наморозки льда в теплоизолированном аккумулирующем резервуаре, гофрированные трубы (полости) выполнены из эластичного материала. Верхние части гофрированных труб системой трубопровода через насос, вентиль и приемник природного холода соединены с нижними концами гофрированных труб. Отделение слоя льда от поверхности гофрированных труб обеспечивается выключением и включением насоса хладоносителя.
Применение энергосберегающей системы с использованием льдоаккумулятора, природного холода и экологически безопасного хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет уменьшить затраты на электроэнергию в 1,5…3 раза в зависимости от региона
Так на ферме 50 голов в центральном регионе годовой экономический эффект составил 22000 руб.
Перспективным является разработка технологий и технических средств аккумуляции холода в виде льда с применением льдохранилищ не только наземного, но и грунтового типа за счет замораживания грунтов в холодный период года.
Использование льдохранилищ в системах охлаждения молока на фермах позволяет не только снизить затраты электроэнергии, но и повысить надежность процесса, при сохранении высокого качества молока.

• 

Основным фактором, определяющим аккумулирующую способность льдохранилища, является его вместимость. В результате проведенных исследований определены значения требуемых емкостей ЛХ для молочных ферм на 100, 200 и 400 коров с годовым удоем от одной коровы 4000, 5000 и 6000 л. соответственно (таблица 1).

• 

Из данной таблицы видно, что применение предварительного охлаждения молока уменьшает требуемую емкость ЛХ в 2 раза.
В настоящее время в ФНАЦ ВИМ проводятся исследования по разработке технологии
охлаждения молока на фермах при помощи грунтовых льдохранилищ с экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания, в которых замораживание грунта и воды осуществляется за счет грунтовой охлаждающей термоустановки (ГТУ) с двухфазными термосифонами (термостабилизаторами), обеспечивающей охлаждение молока в течение круглого года без применения холодильных машин.
Каждый двухфазный термостабилизатор за активный (холодный) период своей работы намораживает ледяной цилиндр в воде или грунте, а в совокупности все установленные термостабилизаторы могут замораживать грунтовый массив практически любой конфигурации и объема.
Грунтовые охлаждающие термоустановки включаются в работу автоматически при
температурах атмосферного воздуха ниже температуры грунта. Установки этого типа не требуют энергетических и эксплуатационных затрат и постоянного обслуживающего персонала. Теплоперенос из охлаждаемой среды осуществляется легкокипящим хладагентом – сжиженным пропаном в процессе его естественной конвекции и фазовых превращений.
В холодный период пропан в испарительной части грунтовой охлаждающей термоустановки кипит и испаряется, отбирая тепло от грунта или воды. Образующийся пар поднимается в конденсаторную часть грунтовой охлаждающей термоустановки, конденсируется в процессе охлаждения наружным воздухом и под действием гравитационных сил возвращается в испарительную часть. В результате среда, окружающая испарительную часть, охлаждается. Когда температура воздуха становится выше, чем температура охлаждаемого грунта, охлаждающая термоустановка запирается. Процесс накопления холода происходит естественно и непрерывно.
На рисунке 3 представлена технологическая схема разработанной системы охлаждения молока на фермах, состоящей из грунтовой термоохлаждающей установки (ГТУ), грунтового льдоаккумкулятора с пластиковыми трубками, заполненными хладоносителем экосол-40, проточного теплообменника и циркуляционного насоса хладоносителя.
Система работает следующим образом.
После дойки молоко из молокопровода доильной установки 1 поступает в релизер 2, который вакуумируется насосом 3. Датчики уровней 4 последовательно включают и отключают универсальный молочный насос 5 в зависимости от уровня молока в релизере. Молоко насосом 5 подается в канал проточного теплообменника 6. Таким образом, молоко в проточном пластинчатом теплообменнике движется дискретно (импульсами).
С блока управления 7 синхронно с молочным насосом 5 или по заданной программе
включается насос 8 и хладоноситель из пластиковых трубок 16, расположенных в грунтовом льдоаккумуляторе 15, через вентиль 10 попадает в пластинчатый теплообменник 6, где охлаждает молоко, после чего возвращается обратно в грунтовый льдоаккумулятор 15, образуя замкнутый контур. Охлажденное молоко направляется в резервуар-термос 9.
При повышении температуры молока в резервуаре-термосе 9 выше +6ºС и когда нет дойки, открывается вентиль 11 и молоко по дополнительному молокопроводу 14 направляется в проточный теплообменник 6 для охлаждения. В этом случае экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания циркулирует по тому-же замкнутому контуру, что и при первичном охлаждении молока.
Температура молока и хладоносителя контролируется при помощи датчиков температуры 12 и 13.
Для замораживания грунта в льдоаккумуляторе 15 используются двухфазные термостабилизаторы 17.

Обработанное по предложенной технологии молоко охлаждается практически сразу же после дойки, что позволяет сохранить его высокие качества без применения холодильных машин.

• 

Заключение

Предлагаемые системы обладают высокой надежностью, большей хладопроизводи-тельностью, аккумулирующей способностью, уровнем автоматизации и уменьшенными за-тратами на электроэнергию. Этим объясняется ее более высокая энергоэффективность в ре-жимах аккумулирования и использования природного холода. Энергозатраты на первичную обработку молока снижаются в 1,5…3 раза в зависимости от агроклиматического региона страны.
Система охлаждения молока с ГТУ может быть установлена и в условиях самых удаленных животноводческих ферм, комплексов и на пастбищах, так как здесь имеется возможность наиболее эффективно применять источники природного холода.
Термостабилизаторы ГТУ не требуют затрат электроэнергии, обслуживания, срок службы
составляет десятки лет, а использование экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока до необходимой температуры в течение всего года без применения холодильных машин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коршунов, Б. П. Применение природного холода в АПК / Б. П. Коршунов, Ф. Г. Марьяхин, А. И. Учеваткин, А. Б. Коршунов. – М.: ФГБНУ ВИЭСХ, 2015. – 168 с.
2. Лапшин, В.Д. Способы получения льдосодержащих пульп // Холодильная техника. – 2013.
   – № 6. – С. 46–49.
3. Коршунов, А. Б. Повышение энергоэффективности оборудования для охлаждения молока с использованием природного холода // А. Б. Коршунов, В. В. Иванов, Б. П. Коршунов. – М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2019. – 128 с.
4. Цой, А. П. Классификация хладоносителей и их анализ установок / А. П. Цой, А. А. Круглов, Р. Р. Тазитдинов // Сборник докладов международной научно-технической конференции (19 февраля 2015 г.). – Алматы: АТУ, 2015. – С. 161–164.Маринюк, Б. Т. Экологически безопасные хладоносители, особенности применения, свойства / Б. Т.
5. Маринюк, В. П. Баранник // Холодильная техника. – 2004. – № 3. – С. 12-13.
6. Галкин, М. Л. Термостабилизация вечномерзлых грунтов / М. Л. Галкин, А. М. Рукавишников,
7. Л. С. Генель // Холодильная техника. – 2013. – № 10. – С. 44–47.
8. Козловцев, А. П. Обоснование и разработка энергосберегающей технологии охлаждения молока в замкнутом цикле системы «атмосфера-инженерное сооружение-водная среда»: а-т дис. … д-р. ист. наук. – Оренбург, 2017.
9. Пат. 2674895 Российская Федерация, МПК F25D 1/00, A01J 9/04. Устройство и способ для охлаждения молока / Коршунов Б. П., Коршунов А. Б., Лобачевский Я. П., Соловьев С. А. – опубл. 13.12.18, Бюл. № 35.