Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 12
1.1. Аналитический обзор и тенденции развития системы электрооборудования и технических средств охлаждения молока с использованием природного холода 12
1.2. Особенности автоматизированных технологических линий охлаждения молока как объектов исследования 19
Цель и задачи исследований 26
Глава. 2. Исследование технологиче ских линий охлаждения молока как объектов управления 28
2.1. Методика исследования технологических систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления систем 28
2.2. Математическая модель и метод расчета процесса аккумулирования естественного и искусственного холода в льдоаккумуляторах 46
2.3. Разработка алгоритмов управления процессами аккумуляции, хранения и использования льда 50
2.4. Математическая модель и метод расчета материальных потоков технологической линии охлаждения молока с использованием природного холода 58
2.5. Математическая модель и метод расчета энер гетических характеристик линий обработки молока с использованием природного холода 64
2.6. Обоснование и формирование контролируемых и регулируемых параметров процесса охлаждения молока с использованием природного холода 73
2.7. Функциональная схема автоматизации системы охлаждения молока с использованием природного холода 85
Выводы по второй главе 89
Глава 3. Синтез системы электрооборудования процесов аккумулирования хлода и охлаждения молока на фермах 91
3.1. Разработка алгоритмов управления системы электрооборудования технологических линий охлаждения молока 91
3.2. Разработка функционально-структурной схемы системы регулирования и транспорти ровки потоков молока и хладоносителя 102
3.3. Формирование системы электрооборудования технологических линий охлаждения молока 107
Выводы по третьей главе 116
Глава 4. Производственные испытания системы охлаждения молока с использованием природного холода и оценка её технико-экономической эффективности 118
4.1. Производственные испытания системы охлаждения молока с использованием природного холода 118
4.2. Оценка технико-экономической эффективности применения системой охлаждения молока с использованием природного холода 125
Выводы по четвёртой главе 129
Общие выводы 130
Список используемых источников; 133
Приложения 142
- Особенности автоматизированных технологических линий охлаждения молока как объектов исследования
- Математическая модель и метод расчета процесса аккумулирования естественного и искусственного холода в льдоаккумуляторах
- Разработка функционально-структурной схемы системы регулирования и транспорти ровки потоков молока и хладоносителя
- Оценка технико-экономической эффективности применения системой охлаждения молока с использованием природного холода
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Основными направлениями экономического развития страны намечено дальнейшее увеличение производства молока и молочных продуктов Одновременно должно быть повышено его качество при снижении себестоимости, энергоемкости и трудоемкости процесса производства. Эти задачи могут быть решены на основе внедрения прогрессивных энергосберегающих технологий с использованием природного холода и создания принципиально новой системы электрооборудования (СЭ), обеспечивающих комплексную автоматизацию процесса охлаждения молока на фермах.
Из-за низкого технологического уровня ферм и отсутствия по ряду процессов современного автоматизированного оборудования, качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным, а его обработка - энергоемким и трудоемким процессом. В последние годы в стране только 76% молока было принято I сортом, из них около 50% - охлажденным При этом затраты энергии на охлаждение 1 т молока в ряде регионов страны составляют более 30 кВт.ч, а затраты рабочего времени оператора на управление процессом обработки - более 2 тыс. часов в год.
Повышение качества молока при снижении энергоемкости и трудоемкости процесса обработки невозможно без функционально - структурной перестройки охлаждающих систем. Особую актуальность приобретает разработка энергосберегающих систем охлаждения с использованием природного холода, а также СЭ и вычислительной техники для управления процессами охлаждения и аккумулирования холода в оптимальных режимах, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса и максимальное замещение ручного труда.
Использование энергосберегающих технологий и технических средств существенно изменяют структуру линий, режимы их работы и методы управления ими Возникает задача взаимосвязанного управления потоками молока и хладоносителя, охлаждаемого искусственным и природным холодом в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха. При этом меняются режимы работы отдельных звеньев т.к. их рабочие циклы включают и ночное время. Все это привело к усложнению алгоритма управления процессом охлаждения молока и соответственно систем автоматики
Существующая СЭ не обеспечивает комплектацию охлаждающих систем нового поколения ввиду постоянной модернизации оборудования и разработки нового. Кроме того, эффективность этой системы снижается устаревшей элементной и конструктивной базы Ее функциональные возможности из-за несоответствия алгоритмов управления для новых машин, не позволяют реализовать энергосберегающие технологии и повысить уровень автоматизации систем охлаждения молока на фермах.
Таким образом, обоснование и разработка электротехнических средств, позволяющих улучшить энергетические и эксплуатационные характеристики охлаждающих систем, является актуальной научной задачей, имеющей важное значение.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является обоснование и разработка системы электрооборудования (СЭ) и технических средств охлаждения молока с использованием природного холода, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки при улучшении энергетическим и аисплуатаципщщіУ характеристик
I РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ |
{ БИБЛИОТЕКА і
3 I СПетервург^Л J
I... *ъ%щ.,
В соответствии с целью поставлены следующие задачи
-
На основе исследования технологических линий охлаждения молока как объектов управления обосновать требования к системе электрооборудования и техническим средствам охлаждения, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на фермах при улучшении энергетических и эксплуатационных характеристик
-
На основе анализа режимов работы охлаждающих систем обосновать контролируемые и регулируемые параметры процесса охлаждения, выявить их влияние на энергетические и эксплуатационные характеристики линий
-
Определить перечень технических средств для получения информации о состоянии объекта управления.
4. Обосновать параметры СЭ с учетом ее построения по блочно-модульному принципу с гибкой иерархической структурой.
5 Провести технико-экономическое обоснование внедрения СЭ и технических средств охлаждения с использованием природного холода и производственную проверку на ферме.
Объект исследований - система электрооборудования и технические средства охлаждающих систем технологических линий первичной обработки молока
Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ теплотехники, методов анализа и синтеза СЭ, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, математической обработки данных и компьютерного моделирования (MathCAD, AutoCAD, Excel и др)
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники на действующих энергосберегающих линиях охлаждения молока путем непосредственных измерений и сравнения с теоретическими данными.
Научная новизна исследований. Разработана методика блочно-модульного принципа построения СЭ охлаждающих систем, позволяющая обосновать типовые алгоритмы управления исполнительными механизмами охлаждающих звеньев и на основе многократного их применения сформировать СЭ с гибкой иерархической структурой.
Обоснована двухуровневая иерархическая структура СЭ, обеспечивающая эффективные режимы аккумулирования природного и искусственного холода, автоматизацию процесса охлаждения молока и улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик.
Разработана методика расчета и обоснования параметров и режимов работы электротехнических систем охлаждения молока на базе установок комбинированного действия и аккумуляторов-льдохранилищ, обеспечивающих максимальное использование потенциала природного холода и рациональное сочетание природного и искусственного холода в суточном и годовом циклах.
Предложен метод исследования электротехнических систем технологических линий охлаждения как объектов управления, позволяющий обосновать комплекс контролируемых и регулируемых параметров процесса охлаждения и выявить его влияние на энергетические и эксплуатационные характеристики линий.
На основе проведенных исследований предложены и разработаны энергосберегающие технологии, новые технические средства и СЭ состоящая из централизованного
устройства дистанционного контроля и управления (ЦУДКУ) и низковольтных комплектных устройств управления (НКУ), которые серийно выпускаются в Российской Федерации и странах СНГ.
Достоверность теоретических положений подтвердилась длительной эксплуатацией на фермах и государственными испытаниями разработанных опытных партий и серийно выпускаемых технических средств и оборудования.
Практическая ценность диссертации состоит в создании практических методов синтеза злекгрооборудования, позволяющих формировать по модульному принципу СЭ для любых охлаждающих систем, в разработке и внедрении новых эффективных технических средств, обеспечивающих охлаждение молока природным и искусственным холодом, аккумулирование природного и искусственного холода; в разработке комплекта электрооборудования, состоящего из НКУ и ЦУДКУ, построенных по блочно-модульному принципу Разработанная электротехническая система позволяет формировать СЭ для любых типов и вариантов охлаждающих систем технологических линий.
Применение комплекта СЭ в охлаждающих системах технологических линий, позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока не менее чем 2,8 раза, уменьшить установленную мощность электрооборудования холодильных установок в 2 раза, материалоемкость аккумуляторов природного и искусственного холода до 4 раз, сократить непроизводительные затраты рабочего времени оператора на управление и эксплуатацию линией на 40%. При этом уровень автоматизации линий повышается не менее, чем на 40%.
Внедрение результатов исследований. В результате проведенных исследований, включающих в себя обоснование параметров и режимов работы охлаждающих систем, технических средств и СЭ, разработку опытных образцов и их производственные испытания на молочных фермах, разработаны и утверждены технические задания на 5 различных установок, устройств и НКУ для технологических линий первичной обработки молока. По исходным требованиям (техническим заданиям) организации промышленности выполнили ОКР, разработали промышленные образцы и провели хозяйственные, ведомственные и государственные испытания с рекомендациями серийного производства и широкого внедрения на животноводческих фермах и комплексах страны По большинству разработок начато серийное производство в России и странах СНГ.
Результаты исследований составили научную базу для разработки:
«Рекомендаций по автоматизации производственных процессов для объектов с.х. назначения»; «Рекомендаций по разработке линий обработки молока с энергосберегающими технологиями для молочных блоков животноводческих ферм»; «Технических требований и технико-экономических обоснований на серийное производство СЭ для технологических линий охлаждения молока», на основе которых начато серийное производство НКУ.
Результаты исследований внедрены на молочном комплексе «Гольево» с.х. производственного кооператива «Завет Ильича» (СПК «Завет Ильича») Красногорского района Московской области, использованы для подготовки проекта «Рекомендаций по применению бесфреоновых охлаждающих систем в с.х. производстве». Разработаны технические задания и инструкции по эксплуатации, которые приняты ОАО «Московский специализированный комбинат холодильного оборудования» и АООТ Московский завод холодильного машиностроения «Искра» для разработки конструкции серийных образцов
го машиностроения «Искра» для разработки конструкции серийных образцов с последующим освоением их производства.
Разработанная электротехническая система прошла проверку в производственных условиях на молочных фермах, неоднократно экспонировались на международных и всероссийских выставках и отмечена медалями и дипломами ВДНХ СССР и ВВЦ РФ
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Метод обоснования параметров и структуры СЭ охлаждающих систем с использованием природного и искусственного холода, основанный на анализе материальных потоков хладоносителя и молока, временных и энергетических режимов работы охлаждающих звеньев, позволяющий определить контролируемые и регулируемые параметры выбрать комплекс технических средств для получения информации о состоянии объекта управления и структуру СЭ для охлаждающих систем, обеспечивающих повышение уровня автоматизации
-
Математические модели, устанавливающие количественные взаимосвязи режимов работы электрооборудования охлаждающих звеньев с энергетическими и эксплуатационными характеристиками линий, обеспечивающие взаимосвязанное управление потоками молока и хладоносителя, охлаждаемого как искусственным, так и природным холодом в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха
-
Метод синтеза системы электрооборудования, заключающийся в формировании типовых алгоритмов управления звеньев линии, позволяющий строить устройства управления по блочно-модульному принципу с гибкой иерархической структурой
-
Режимы работы комбинированной системы охлаждения молока, обеспечивающие сокращение удельных затрат электроэнергии.
Апробация полученных результатов и практической ценности работы: Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода ФГОУ ВПО МГАУ, научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России» (6-7 октября 1999, г Москва), на 2-й Международной конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (3-5 октября 2000 г. Москва), на заседаниях секции электрификации и энергетики АПК Ученого Совета ГНУ ВИЭСХ (1999-2002 гг) на 5-й Международной научно-практической конференции «Концепция механизации и автоматизации животноводства в XXI веке» (апрель 2002, г Подольск), на Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки - агропромышленному производству» (27-30 января 2003, ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва), на Международной научно-практической конференции «Болтинский и развитие автотракторной науки» (26-30 января 2004, ФГОУ ВПО МГАУ, г Москва), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы вузовской агроинженерной науки» (24-28 января 2005, ФГОУ ВПО МГАУ, г Москва), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы агроинженерной науки» (12-14 октября 2005, ФГОУ ВПО МГАУ, г Москва)
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 23 печатных работах, в том числе в 2 патентах РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Ее содержание изложено на 141 стр , включая 11 таблиц, 24 рисунка и библиографию из 105 наименований
Особенности автоматизированных технологических линий охлаждения молока как объектов исследования
Молочное животноводство является многоотраслевым производством, в состав которого входят разнообразные объекты, отличающиеся технологическими, зонально-климатическими условиями, размерами и другими признаками. Уровень автоматизации таких объектов различен, начиная с полного отсутствия автоматизации и кончая объектами, работающими без наблюдения человеком. В целом уровень автоматизации технологических процессов в молочном животноводстве остается низким и не соответствует мировым стандартам и возможностям, предоставляемым современной электро никой и вычислительной техникой. Существующая на фермах автоматика слабо влияет на технико-экономические показатели производства [6, 36].
К числу объектов, имеющих сравнительно высокий уровень автоматизации, относятся системы водоснабжения, микроклимата, регулирования освещения, кормления и т.п. Это практически объекты с полной автоматизацией всех операций. Вместе с тем в животноводстве имеется много технологических процессов и рабочих операций механизированных частично или выполняемых вручную. В этом отношении наиболее отсталой отраслью является молочное животноводство.
Анализ Системы машин для животноводства, типовых проектов молочных ферм, технологических карт процессов производства молока показывает, что прямые затраты ручного труда остаются на уровне 7...9 чел.ч. на 1 ц. молока, что в 2... 3 раза выше уровня, достигнутого в развитых странах [6]. Около 75% прямых,затрат труда [6] приходится на процессы первичной обработки, охлаждения молока, уборки навоза и ухода за животными. Из-за несоблюдения технологических режимов велики потери продукции при пер вичной обработке, охлаждении и хранении. Так из-за несовершенства охлаждающего оборудования, заключающегося в основном в отсутствии средств автоматического контроля и регулирования параметров значительная часть (до одной трети) молока сдается как продукция второго сорта или несортовое. Производители несут при этом громадный экономический ущерб, а заводы получают некачественное сырье.
Установлено, что существующая СЭ [6, 63]слабо влияет на технико-экономические показатели технологических процессов охлаждения. Возможности, представляемые в настоящее время техническими средствами автоматизации, используются недостаточно.
В качестве средств управления машинами, агрегатами и технологическими линиями в животноводстве используются в основном низковольтные комплектные устройства (НКУ). Электротехническая промышленность выпускает для животноводства более 240 наименований НКУ. Практически все эти устройства представляют собой шкафы управления для дистанционного включения и выключения электродвигателей рабочих машин с элементами блокировки. Лишь в отдельных агрегатах и линиях предусмотрено получение информации о ходе технологического процесса от 2...3 датчиков. Как правило, используется релейно-контактная аппаратура.
Технологические линии в молочном животноводстве, как правило, формируются из отдельных машин и агрегатов, каждый из которых имеет свою аппаратуру для дистанционного включения и выключения. Система управления линий собирается из шкафов НКУ с добавлением некоторых согласующих звеньев. В такой системе автоматического управления отсутствует согласование режимов работы звеньев поточной линии, стабилизация параметров технологического процесса обработки молока.
В типовых проектах животноводческих предприятий, в соответствующих разделах системы машин уровень использования микроэлектроники и вычислительной техники не соответствует мировому уровню. Применение микропроцессоров и микроконтроллеров в с.х. технике в массовом порядке еще не предусмотрено. Экспериментальные предприятия с АСУ ТП и экспериментальные установки с микроэлектроникой находятся только на стадии НИР и не прошли серьезной производственной проверки [6, 20, 21]. В тоже время за рубежом микроэлектроника и вычислительная техника интенсивно используется в выпускаемых серийно машинах и агрегатах. Разрыв между отечественной и зарубежной с.х. техникой по уровню автоматизации не сокращается, а увеличивается.
Вместе с тем автоматизированная СЭ, непосредственно связанная с получением с.х. продукции, ведет к существенному преобразованию традиционных технологий и технических средств, что дает важные эксплуатационные, экономические, экологические и социальные результаты.
Выделяются два дополняющих друг друга направления автоматизации технологических процессов [6].
Первое состоит в переводе существующего электрифицированного технологического оборудования с ручного - на автоматическое управление без существенного изменения технологии, второе - в создании существенно новой, автоматизированной технологии и автоматизированного оборудования. Первое направление является традиционным, осуществляется проще и быстрее, позволяющее в максимальной степени использовать потенциал существующих машин и оборудования. Второе направление - качественный скачок в технологии - дает возможность существенно улучшить, эксплуатационные, технико-экономические, экологические и социальные показатели производства.
Создание существенно нового, автоматизированного процесса вместо традиционного ручного или механизированного труда должно производиться путем пересмотра технологических и технических принципов, которые служили основой исходного процесса.
Коренное преобразование, которое производит автоматизация в способах и технических средствах механизации с.х. производства, превращает автоматизацию в неотъемлемый и незаменимый признак нового, автоматизированного производства. Преобразующая, технологическая роль автоматизации, необходимость построения существенного нового, автоматизированного переработки с.х. продукции требуют объединения научных работ в данной области, их охвата единой научной концепцией, современной методологией, разработки общей теории и методов исследования и синтеза автоматизированных процессов.
Рассматривая возможности автоматизации, их можно отнести к двум основным направлениям [6]: 1. Автоматизация существующих машин, что дает экономию живого труда и улучшает эксплуатационные показатели; 2. Существенное усовершенствование и создание новых технологических процессов охлаждения, в которых автоматизация является их неотъемлемой принадлежностью.
Создание прогрессивных энергосберегающих технологий обработки и охлаждения с использованием природного холода существенно повышают требования к СЭ и оборудованию, т.к. условия эксплуатации технологического оборудования отличаются от условий эксплуатации в промышленности. В процессе обработки, молоко и хладоноситель поступают в виде случайного потока [6, 12, 19, 30, 31, 34, 35, 36, 41], величины которых, изменяются в широких пределах. СЭ и технологическое оборудование должны автоматически настраиваться на среднюю величину потока подачи и сохранять свои метрологические характеристики при работе с пульсирующими, прерывистыми и случайными потоками.
Математическая модель и метод расчета процесса аккумулирования естественного и искусственного холода в льдоаккумуляторах
Технологическая схема льдоаккумулятора представлена на рис. 2.3. На схеме изображены хранилище для льда 1, «мокрый» колодец, «сухой» колодец, вентилятор 2, подачи холодного воздуха в зону наморозки льда, вентилятор 3 подачи воздуха в «мокрый» колодец, насос 4 подачи холодоносителя в проточный охладитель, насос 5 подачи воды на наморозку через распылители 6. Над «мокрым» колодцем установлены распылители 7.
Работа системы охлаждения воды в «мокром» колодце происходит следующим образом: из системы водоснабжения фермы вода в «мокрый» колодец подается по трубопроводу 8, затем насосом 4 через вентили 9 и 10 на распылители 7. В зону распыления воды вентилятором 3 подается холодный воздух. Таким образом, обеспечивается охлаждение воды, необходимой для подачи ее на наморозку или в проточный охладитель.
В «сухом» колодце находятся насосы 4 и 5. Для предотвращения замерзания воды в неработающих насосах в зимнее время года предусмотрен обогрев колодца (поддерживание положительной температуры).
Льдоаккумулятор расположен вблизи молочного отделения фермы и имеет надежную гидро-и тепло изоляцию.
Дно льдоаккумулятора имеет небольшой уклон для стока воды в сборный («мокрый») колодец, В верхней части предусмотрен отсек для установки вентиляторов и люки, обеспечивающие вход и выход холодного воздуха, подаваемого вентиляторами. В летнее время люки закрываются. На дно льдоаккумулятора укладывают бетонные балки, которые поддерживают массив льда во время таяния. На рис. 2.4 показана схема трубопроводов льдоаккумулятора. В режиме намораживания льда в зимнее время насос 2 подает воду из емкости 1 («мокрый» колодец) в трубопровод 10, размещенный в верхней части льдоаккумулятора (контур льдоаккумулятора показан штриховой линией). Вода разбрызгивается форсунками 11. В режиме охлаждения молока в теплое время года насос 3 подает воду из емкости 1 в проточный охладитель, отепленная вода от охладителя по трубам 4, 5, 6, 7 подается в дальний конец льдоаккумулятора и, стекая по дну, охлаждается. Таким образом, обеспечивается таяние льда с низу. Из подледного пространства холодная вода по трубам 8 собирается в емкость 1. По мере расхода льда в нижней части, весь массив оказывается опирающимся на бетонные опоры, положенные на дно (на рис.3 не показаны). При использовании емкостных охладителей насос 3 необходимо включать в рассечку трубы 4 таким образом, чтобы емкостной охладитель оказался в линии всасывания. Вентиль 9 служит для слива воды в канализацию при промыве льдоаккумулятора. При помощи вентилей 10 и 11 производится регулирование величины потока воды, подаваемой на наморозку насосом 2. Регулирование величины потока воды через проточный охладитель осуществляется вентилями 12 и 13, а через распылители мокрого колодца вентилями 12 и 14.
Работа системы охлаждения воды в «мокром» колодце происходит следующим образом: из системы водоснабжения фермы вода в «мокрый» колодец подается по трубопроводу 8, затем насосом 4 через вентили 9 и 10 на распылители 7. В зону распыления воды вентилятором 3 подается холодный воздух. Таким образом, обеспечивается охлаждение воды, необходимой для подачи ее на наморозку или в проточный охладитель.
В «сухом» колодце находятся насосы 4 и 5. для предотвращения замерзания воды в неработающих насосах в зимнее время года предусмотрен обогрев колодца (поддерживание положительной температуры).
Для обеспечения надежной работы системы охлаждения в зимнее время важное значение имеет исключение замерзания трубопроводов. Трубы, находящиеся в зоне замерзания должны быть теплоизолированы или освобождены от воды при отключении насоса подачи воды. Все магистрали монтируются с уклоном для стока воды, а также для обеспечения освобождения трубопроводов от воды предлагается включать в магистраль воздушно- гидрав лический клапан. Разработанные элементы технологического оборудования прошли экспериментальную проверку в хозяйственных условиях.
Основным фактором, определяющим аккумулирующую способность льдохранилища, является его вместимость.
Количество заготовляемого льда (Мл) определяется количеством молока, производимого летом (Мм). Количество молока, производимого за теплый период года определяется по формуле [6]
Форма ледяного массива и его расположение относительно уровня земли обеспечивает минимальную величину теплопритоков на единичный объем льда. Кубическая форма отвечает требованию минимума поверхности на единицу объема льда. Однако в сочетании с требованием размещения блока льда в грунте и эффективной организацией плавления, оптимальной следует считать форму параллелепипеда со следующим соотношением где h, а, 1 - соответственно высота, ширина и длина льдоаккумулятора. Принимаем h = Зм, тогда а = 12 м, 1 = 18 м при объеме льдоаккумулятора 650 м3.
Основными энергетическими показателями льдоаккумулятора являются его аккумулирующая способность и хладопроизводительность. По выражению (2.65) был определен необходимый сезонный запас холода, равный 135-106кДж, с учетом коэффициента запаса К2=1,25, запас холода для фермы 400 голов с удоем 8000 кг/год и наличием предварительного охлаждения молока должен составлять до 170-106 кДж, что и определяет аккумулирующую способность льдохранилища до 50 тыс.кВт/ч.
Требуемая хладопроизводительность определяется исходя из режимов работы линии охлаждения молока. При длительности сезона охлаждения с использованием льда 245 дней и работе системы охлаждения 6 часов в день хладопроизводительность льдоаккумулятора должна составлять менее 35 кВт.
Разработка функционально-структурной схемы системы регулирования и транспорти ровки потоков молока и хладоносителя
На основании проведенных исследований звенья регулирования и транспортировки потоков молока и хладоносителя должны работать по принципу дискретного регулирования. Функционально-структурная схема охлаждения с дискретно регулируемым электроприводом показана на рис. 3.3
Теплообменник 1 двухсекционный (первой 2 и второй 3), входное отверстие канала для молока 4 первой секции 2 теплообменника 1 соединено с молочным насосом 5, а выходное отверстие канала для молока 4 первой секции 2 теплообменника 1 соединено с входным отверстием канала для молока 6 второй секции 3. Канал для хладоносителя 7 первой секции 2 теплообменника 1 соединен трубопроводами с герметизированным резервуаром 8, разделенным по оси внутри двумя группами, чередующихся между собой теплоизолированных перегородок на секции.
Одна группа перегородок 9 установлена таким образом, что ее перегородки образуют отверстия между двумя соседними секциями над верхней кромкой, а расположенные между ними перегородки другой группы 10 образуют отверстия между двумя соседними секциями под нижней кромкой. Верхняя часть крайней секции, ограниченной перегородкой второй группы 10 соединена трубопроводами через вентиль 11 с системой водоснабжения и через вентиль 12 и насос 13 с входным отверстием канала для хладоносителя 7 первой секции 2 теплообменника 1.
Нижняя часть противоположной крайней секции герметизированного резервуара 8 трубопроводом соединена с выходным отверстием канала для хладоносителя 7 первой секции 2 теплообменника 1 и через вентили 14 с потребителями теплой воды и тепловым доводчиком 15.
Через вентиль 16 осуществляется связь с потребителями воды различных температурных уровней. Отверстия канала для хладоносителя 17 второй секции 3 теплообменника 1 соединены с аккумуляторами холода и водоох-лаждающими доводчиками 18 через переключающие краны 19 и 20. Доводчики уровней 21, установленные в релизере 22, насос для молока 5 и хладоносителя 13, датчики температуры 23 и 24 электрически соединены с блоком управления 25. Релизер 22 соединен с вакуумным насосом 26 и доильными аппаратами 27.
Работа осуществляется следующим образом. Релизер 22 вакуумируется вакуумным насосом 26 и молоко из доильных аппаратов 27 попадает в него. Датчики уровней 21 последовательно включают и отключают универсальный молочный насос 5 при достижении уровня молока датчиков уровня 22. Молоко насосом 5 подается в канал для молока 4 первой секции 2 теплообменника 1, а затем в канал для молока 6 второй секции 3 теплообменника 1. Таким образом, молоко по каналам для молока 4 и 6 первой 2 и второй 3 секций теплообменника 1 движется дискретно «импульсами». Герметизированный резервуар 8 через вентиль 11 заполняется водой из системы водоснабжения фермы. С блока управления 25 синхронно с молочным насосом 5 включается насос для хладоносителя (воды) 13 и холодная вода через вентиль 12 поступает в канал для хладоносителя 7 первой секции 2 теплообменника 1 и возвращается по трубопроводу в нижнюю, крайнюю секцию герметизированного резервуара 8, образованную боковой стенкой этого резервуара и теплоизолированной перегородкой группы теплоизолированных перегородок 9. Граница нагретого и холодного хладоносителя будет подниматься по мере перекачки хладоносителя в секции, перейдет над кромкой перегородки в соседнюю секцию, начнет опускаться в этой секции, потом перейдет под нижней кромкой теплоизолированной перегородки 10 в соседнюю секцию и так далее, пока теплая вода не заполнит весь резервуар 8. Но в это время и в период между дойками нагретая вода из крайней нижней секции будет через вентили 14 и 16 расходоваться на бытовые и технологические нужды: на поение животных, подмыв вымени, промывку технологического оборудования.
Догрев воды до высокого уровня осуществляется при помощи теплового доводчика 15. Таким образом, холод, поступающий с водой из источников водоснабжения, используется для предварительного охлаждения молока и регенерации тепловой энергии. Окончательное охлаждение молока производится во второй секции 3 теплообменника 1. Молоко, протекающее по каналу для молока 6, охлаждается хладоносителем каналу для хладоносителя 17. Охлажденный хладоноситель поступает в этот канал из аккумулятора естественного холода или доводчика-охладителя 18.
Подключение источника холода осуществляется кранами 19 и 20 с блока управления 25 по сигналам датчиков температуры 23 и 24. Так как в установке 18 установленная мощность доводчика-охладителя не превышает 25...30% от номинальной мощности холодильной установки по традиционной техно логии, то в качестве ее может быть использован в теплое время года значительно более эффективный источник холода, например, паро ком пресс ионная холодильная установка с герметичным компрессором..
Испытания показали, что применение установки экономит большое количество энергии, уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты, повышает надежность системы. Например, при вместимости резервуара 8 равным одной тонне более 300 кг молока, полученного при одной дойке, может быть охлаждено до 8...12С уже на предварительном этапе. В холодное время для охлаждения 1 т молока потребуется не более 3 кВт.ч/т, а при охлаждении традиционными, применяемыми на фермах системами охлаждения удельные затраты энергии на 1 т молока составляют 28...30 кВт.ч/т. При этом регенерируется энергия для нагрева воды для технологических нужд.
Формирование выходных потоков молока и хладоносителя их взаимосвязанное регулирование осуществлено в дискретном режиме: широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и время-импульсной модуляции (ВИМ). Регулирование отдельных звеньев, в том числе в звеньях контроля потоков молока и хладоносителя осуществляется в режиме ВИМ.
Оценка технико-экономической эффективности применения системой охлаждения молока с использованием природного холода
Животноводческий комплекс "Гольёво" СПК "Завет Ильича" включает два животноводческих помещения по 200 голов в каждом. В базовом варианте, действующем в хозяйстве до установки новой энергосберегающей линии, были две охлаждающие системы. Каждая система имела холодильную машину типа МКТ-20 с конденсаторм водяного охлаждения. Каждый конденсатор охлаждался потоками воды из системы водоснабжения фермы. Расход воды составлял до 10 м3/ч. Молоко охлаждалось так же как и сейчас, в двух резервуарах - охладителях типа РПО-2,5. Новая энергосберегающая система охлаждения имеет одну холодильную машину МКТ-20 с выносным конденсатором воздушно-испарительного действия, аккумулятор комбинированного действия аккумулирующий как естественный, так и искусственный холод, два резервуара - охладителя типа РПО-2,5, по одному на каждое животноводческое помещение.
Сохранена резервная холодильная машина МКТ-20. Она повышает надёжность охлаждающей системы в тёплое время года и увеличивает экономический эффект от повышения качественных показателей и сокращения потерь молока. Кроме того, за счёт этой машины хладо производительность охлаждающей системы может быть увеличена. В этих случаях она даёт дополнительную прибыль, неучитываемую настоящим расчётом. Экономический эффект от применения ЭБС вместо парокомпрессион-ных холодильных установок в линиях обработки молока образуется за счёт сокращения капитальных вложений на энергосберегающую бесфреоновую систему, снижения эксплуатационных расходов и затрат электроэнергии на первичную обработку молока, а также за счёт повышения качества молока [73,80...82] Технико-экономический расчёт вёлся по критерию величины прибыли, получаемой при производстве холода на базовой и энергосберегающей системах где П - величина прибыли, руб; Сб и С„ - себестоимость производства холода в базовом и энергосберегающем вариантах, руб; АЭ - экономический эффект от повышения качественных показателей молока, руб. В прямые эксплуатационные затраты входят амортизационные отчисления на полное восстановление и капитальный ремонт, отчисления на текущий ремонт, затраты на электроэнергию и заработную плату сумма амортизационных отчислений на полное восстановление в базовом и новом вариантах, руб.; Ркб, Ркн - сумма отчислений на капитальный ремонт в базовом и новом вариантах, руб.; PTg, тн сумма отчислений на текущий ремонт в базовом и новом вариантах, руб; Зпб,3,ш - заработная плата оператора в базовом и новом вариантах, руб.; Гб,Гн — затраты на электроэнергию в базовом и новом вариантах, руб. Амортизационные отчисления и отчисления на капитальный и текущий ремонты где Ц - капитальные затраты на технологическое оборудование, руб.; т коэффициент перевода оптовой цены в балансовую стоимость (т = 1,2); га,гк - норма амортизационных отчислений, соответственно на полное восстановление и капитальный ремонт; гт - норма отчислений на текущий ремонт.
Капитальные затраты на системы охлаждения в базовом и новом вариантах определяется по выражению: где f - количество звеньев в системе охлаждения; Цт;— оптовая цена технологического оборудования І- го звена, руб.; Ц3і_ оптовая цена СЭ І- го звена лини, руб. Заработная плата оператора, эксплуатирующего линию, определяется из выражения: где Ст- часовая тарифная ставка оператора, руб/ч; Лр- количество операторов; Tj- годовые суммарные затраты рабочего времени оператора на управление системой охлаждения, ч. Затраты на электроэнергию, потребляемой технологическим оборудованием на обработку молока, определяются по формуле: где п- количество звеньев, потребляющих электроэнергию; Nd установленная мощность электрооборудования звена, кВт; Цэ - цена 1 кВт.ч,руб; Т}- время работы электрооборудования звена, в год. 1. В результате проведённых исследований была разработана техническая документация и изготовлен экспериментальный образец системы охлаждения молока с использованием природного холода. 2. Теоретические и экспериментальные исследования системы охлаждения молока с использованием природного холода и её электрооборудования на ферме Тольево" СПК "Завет Ильича", Красногорского района Московской области показали её высокую эффективность. Капитальные и эксплуатационные затраты снижены в среднем в 1,7 раз, а удельные затраты электроэнергии в 2,8 раза. 3. Годовой экономический эффект от внедрения электрифицированной системы охлаждения молока с использованием естественного холода для центрального региона России на ферме 400 голов составил 195000 рублей. 1. Аналитический обзор существующих электротехнических систем показал, что снижение энергоемкости и трудоемкости процесса охлаждения может быть достигнуто путем внедрения прогрессивных энергосберегающих систем охлаждения с использованием природного холода и принципиально новой двухуровневой СЭ. Установлено, что наиболее перспективными являются системы круглогодового действия комбинированного типа, включающие льдохранилища, водо-ледяные аккумуляторы природного и искусственного холода, приемники природного холода в сочетании с подзарядными холодильными установками. 2. Математическое моделирование процессов охлаждения, аккумулирования и регулирования потоков молока и хладоносителя позволило обосновать перечень контролируемых и регулируемых параметров, определить технические средства для получения информации о состоянии объекта управления, необходимых для формирования СЭ с гибкой иерархической структурой, обеспечивающих автоматизацию процесса охлаждения, улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик.
