Содержание к диссертации
Введение
Глава I Современное состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Роль и значение,промывки для получения высококачественного молока 9
1.2. Современное состояние теории и практики создания и использования систем промывки 13
1.2.1 .Характеристика молочных коммуникаций 13
1.2.2.Классификация и обзор современного состояния систем промывки доильных установок 24
1.2.3. Анализ работ и оценка эффективности функционирования систем промывки 27
1.3.Задачи исследования 38
Глава II Теоретические исследования циркуляционного режима промывки
2.1. Требования и влияние параметров молокопровода на режимы движения газожидкостных смесей 39
2.2.Режимы движения газожидкостных смесей в молокопроводах в процессе промывки 53
2.3.Исследование режимов и условий образования устойчивого пробкового режима движения газожидкостной смеси 57
2.4.Рекомендации по инженерным методам расчета газожидкостных течений в молокопроводе 63
2.5.Теплообмен молокопровода с окружающей средой при циркуляционной промывке 74
Глава III Методика и результаты экспериментальных исследований
3.1. Постановка задач экспериментальных исследований 82
3.2. Разработка экспериментальной установки 83
3.3. Методика и приборы проведения экспериментальных исследований 89
3.3.1. Методика определения времени открытия инжектора воздуха 89
3.3.2. Методика определения времени закрытия инжектора воздуха 90
3.3.3. Методика определения скорости движения жидкостной пробки 92
3.3.4. Методика определения изменения длины жидкостной пробки 94
3.4. Результаты экспериментальных исследований 103
3.4.1. Результаты исследования параметров работы автомата промывки 104
3.4.2. Результаты исследования влияния вакуумметрического давления на
погрешность измерений 105
3.4.3. Результаты исследования изменения длины жидкостной пробки ПО
3.5. Рекомендации при промывке доильных установок с групповыми счетчиками
молока 113
3.6. Алгоритм и программа для выбора режима циркуляционной
промывки 119
Глава IV Производственные испытания и экономическая эффективность использования результатов исследования
4.1. Производственные испытания системы промывки 125
4.2.Оценка экономической эффективности результатов исследований 137
Общие выводы '. 142
Литература 144
Приложения 154
- Роль и значение,промывки для получения высококачественного молока
- Современное состояние теории и практики создания и использования систем промывки
- Требования и влияние параметров молокопровода на режимы движения газожидкостных смесей
- Постановка задач экспериментальных исследований
Введение к работе
Молоко играет важнейшую роль в рационе питания человека. В тоже время молоко представляет собой скоропортящийся продукт. Поэтому сохранению качества молока всегда уделяли большое значение.
Среди показателей качества молока, определяющих его технологические свойства, как сырья, для дальнейшей его переработки важнейшим является бактериальная обсемененность. Этот показатель практически полностью зависит от двух внешних факторов: санитарного состояния доильного оборудования и охлаждения молока.
Молоко от вымени коровы проходит через доильные аппараты, молокопровод, молочную колбу и, если санитарное состояние доильного оборудования неудовлетворительное, то дальнейшее охлаждение обсемененного молока не даст ожидаемых результатов.
По данным ГНУ ВНИМИ состояние качества молока сдаваемого сельхозпредприятиями на переработку за 2007 год высшего сорта составляет всего лишь 5%, 1 сорта - 88 %, 2 сорта - 6% и несортовое -1%. Большая часть эксплуатируемых доильных установок отечественного производства не имеют эффективных систем промывки. В этих условиях создание эффективной системы промывки приобретает первоочередное значение. Особую актуальность эта проблема приобретает сегодня на пороге вступления России в ВТО.
В 20-х годах прошлого столетия профессором В.Мором, были впервые сформулированы фундаментальные технологические требования к режимам промывки молочного оборудования, которые используются и сегодня.
Исследованиям проблемы промывки молокопроводов доильных установок посвящено много работ, в частности Ю.И. Беляевского, А.И. Пунько, А.Е. Брагиной, Ю.П. Золотина, П.А. Курунина, Б.А. Доронина, СВ. Харькова, В.В. Кирсанова, В.И. Березуцкого, A.M. Жмырко, R.S. Gates, R.
5 Sagi, R.W. Guest, Reinemann D.J. и др. Вместе с тем в этих работах рассматривались лишь отдельные частные вопросы промывки доильных установок, которые не создают необходимой научной базы для создания системы промывки, которая может быть адаптирована к любой доильной установке с различной конфигурацией молочных коммуникаций.
По данным Всероссийской сельскохозяйственной переписи с/х организаций 2006 года более 70% коров содержатся на фермах с поголовьем свыше 300 голов: Практика показала, что на таких фермах, целесообразно использовать системы циркуляционной промывки с управляемым пробковым потоком газожидкостной смеси. Только такой режим позволяет эффективно промывать все участки трубы и обеспечивать возможность сокращения общего расхода воды за счет чередования жидкостных и воздушных пробок.
Цель работы и задачи исследования. Целью исследования является выявление основных закономерностей движения газожидкостной смеси при промывке доильного оборудования и определить условия, обеспечения устойчивого образования пробковой структуры течения с минимальным расходом воды.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:4
провести теоретические исследования < двухфазных структур
течения и условий образования устойчивой пробковой структуры течения
газожидкостной смеси;
провести экспериментальные исследования движения
газожидкостных пробок;
разработать инженерные методы расчета режима циркуляционной промывки доильных установок с образованием управляемой пробковой структуры течения газожидкостной смеси;
обосновать экономическую' эффективность интенсификации циркуляционной промывки доильных установок.
Объект исследования. Объектом* исследований являются системы автоматической циркуляционной промывки доильных установок.
Методика исследований. Условия образования устойчивой
пробковой структуры течения газожидкостной смеси были изучены с использованием теории пограничного слоя, гипотезы Л.Прандтля «пути смешения». Оценка потери объема жидкости при прохождении пробки определялась с помощью измерений перепада вакуума- в разных точках длины молокопровода с помощью пульсотестера фирмы Westfalia. При анализе экспериментальных данных использовалась теория математической обработки данных. В работе были применены современная измерительная аппаратура, видеосъемка и программно-технические средства.
Научная новизна исследований:
-получены уравнения для определения начального объема жидкостной пробки, обеспечивающей ее сохранение по всей длине молокопровода, глубины заполнения молокопровода;
-разработана методика оценки изменения объема жидкостной пробки;
разработаны номограммы выбора режима циркуляционной промывки и программа на языке программирования Delphi7 для расчета параметров работы клапана;
предложены технические решения по повышению интенсификации циркуляционной промывки доильных установок с групповыми счетчиками молока.
Практическая ценность диссертации. Разработаны новые технические решения по повышению интенсификации системы промывки доильных установок с групповыми счетчиками молока, и номограмма выбора режима циркуляционной промывки доильных установок.
На защиту выносятся:
-теоретические основы и методики определения начального объема жидкостной пробки, обеспечивающей ее сохранение по всей длине молокопровода, глубины заполнения молокопровода;
- методика определения скорости движения жидкостной пробки и
оценки изменения объема жидкостной пробки;
- инженерная методика выбора режима циркуляционной промывки
доильных установок с пробковой структурой течения газожидкостной смеси;
- новые технические решения по повышению интенсификации
циркуляционной промывки доильных установок с групповыми счетчиками
молока.
Достоверность основных теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования подтверждены лабораторными, хозяйственными испытаниями с документально оформленными актами об использовании результатов исследований, представленных в работе.
Внедрение результатов исследований. Номограмма выбора режима циркуляционной- промывки доильных установок применена при работе автомата промывки БУМП-3 производства НПП «Фемакс» при. промывке доильных установок УДМ-100/200, УДЕ-М, которые внедрены в хозяйствах Республики Мордовия, Ярославской области, Московской области и др.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах и доложены на XI Международной научно-технической конференции (27-28 сентября 2005 года, Варшава — ИЭМСХ) «Проблемы интенсификации продукции растениеводства и животноводства», на XIII Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (27-29 июня 2006 года, Гомель -РУНИП «МСХ НАН Беларуси») «Новые направления развития технологий и технических средств в молочном животноводстве», на 11-й Международной научно-технической конференции (23-24 апреля 2008 года, Подольск - ГНУ ВНИИМЖ) «Научно-технический прогресс в животноводстве -ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники», на 6-й Международной научно-технической конференции (13-14 мая 2008 года, Москва - ГНУ ВИЭСХ) «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве».
Публикации. Основные положения диссертации
опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в трудах 3 международных научно-технических конференций. Одна работа опубликована в издании, рекомендуемом ВАК РФ. Поданы 4 заявки на патент, получено одно положительное решение и патент.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 112 наименований, 4-х приложений и актов о внедрении и использовании результатов работы. Общий объем диссертации 153 страницы машинописного текста, включая 83 рисунка и графика, 15 таблиц.
Роль и значение,промывки для получения высококачественного молока
Действующий с 1 января 2004 года в России Государственный стандарт на заготавливаемое молоко ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье-сырье. Технические условия» [23], предъявляет более жесткие требования к качеству молока, чем раньше.
Г.П. Дегтерев и А.М: Рекин [27] отмечают, что молоко из соска вымени выходит практически стерильным (за исключением первых струек, составляющих «микробную пробку», которые нужно сдаивать в отдельную посуду). По мере прохождения через доильную установку происходит изменение физико-химического состава молока.
Согласно исследованиям Б.А. Доронина [28], Г.П. Дегтерева [25,26], СВ. Харькова [78] и др. [9,10,17,29,33,50,80] изменение исходных свойств молока возможно только при числе микроорганизмов свыше 200 тыс. в 1 см3 и отчетливо проявляются при числе микроорганизмов свыше 1 млн. в 1 см3.
Молоко представляет собой благоприятную среду для размножения бактерий. Чтобы получить представление о качестве молока и его питательной ценности, его исследуют на чистоту, плотность, кислотность, содержание жира и белка, а также на бактериальную обсемененность [77]. Большое влияние бактериальной обсемененности на качество молока отмечается в опубликованных работах отечественных и зарубежных исследователей [7,9,10,11,25,33,50,79,89,90,91,92].
Как видно из таблицы 1.1 наибольшее влияние на бактериальную обсемененность оказывает санитарное состояние доильного оборудования и охлаждение молока [80]. Если санитарное состояние доильного оборудования неудовлетворительное, то дальнейшее охлаждение обсемененного молока не даст ожидаемых результатов. Правилами технического обслуживания в России [7,12,35,42] предусмотрены ежедневное техническое обслуживание доильных установок ЕТО (перед доением, во время доения и по окончанию доения), техническое обслуживание ТОЇ (через 180...200 часов работы) и Т02 (через 2000...2500 часов работы).
Наиболее важной операцией по уходу доильного оборудования является его промывка. Если недостаточно тщательно промывать доильное оборудование, число бактерий будет стремительно расти, и молоко, полученное во время следующего доения, окажется зараженным.
В понятие «санитарная обработка», как отмечает В. Моор [50], входит комплекс манипуляций направленных на уничтожение патогенных и снижение количества непатогенных микроорганизмов до такого уровня, когда они не оказывают существенного влияния на качество молока при повторном использовании оборудования.
Промывка доильного оборудования должна обеспечивать удаление различного рода загрязнений с поверхности, контактирующей с молоком.
Одним из трудноудаляемых загрязнений является молочный камень, представляющий смесь минеральных веществ, жира и белка. Молочный и водный камни образуют пленки белого цвета в молочном оборудовании. Обычно этот процесс протекает вследствие низкой эффективности промывки или использования воды низкого качества.
На эффективность промывки влияют несколько факторов, в частности интенсивность и структура движения моющего раствора, его температура и качество моющих средств [9,13,17,20,50,95,96]. Поэтому обеспечение надлежащей чистоты оборудования с помощью оптимального сочетания этих факторов является важнейшей задачей систем промывки для получения высококачественного молока.
В технологическом процессе доения и первичной обработки молока особое место с точки зрения обеспечения качества получаемой продукции занимает циркуляционная промывка и дезинфекция оборудования. Так как именно циркуляционная промывка, например, щелочным раствором моющего средства предназначена для удаления белково-жировой пленки, кислотным моющим средством - для удаления «молочного» камня, а режим ополаскивание доильного оборудования предназначен лишь для удаления остатков молока или остатков моющей жидкости [51].
Повышение эффективности циркуляционной промывки доильного оборудования позволит повысить качество получаемого молока, и как следствие увеличить рентабельность сельхозпредприятия. В таблице 1.2 представлены данные ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности по состоянию качества молока
сдаваемого сельхозпредприятиями на переработку за 2007 год. Общий объем закупок составил 20 млн.т.
Современное состояние теории и практики создания и использования систем промывки
В данном параграфе применительно к сельскому хозяйству, нами были рассмотрены коммуникации на молочно-товарных фермах для содержания крупного рогатого скота, т.к. большая доля товарного молока в стране производится именно там.
Оборудование для доения КРС по организации производственного процесса можно разделить на следующие категории: для доения в стойлах в переносные ведра (АД-100Б; ДАС-2Б); для доения в стойлах через молокопровод (АДМ-8А; УДМ-200); для доения на пастбищах и площадках (УДС-ЗБ; УДЛ-Ф-12; К-Р-10); для доения в доильных залах («Тандем»; «Елочка»; «Карусель»; «Параллель»), для доения в передвижные доильные установки (УДП-1; АИД-2; УДИ-1) [19,25,26,36,48,53,79].
Доильные установки АД-100Б, ДАС-2В и УДС-В предназначены для машинного доения коров в переносные доильные ведра при привязном содержании коров. Устройство промывки данных доильных установок (рис. 1.1) предназначено для циркуляционной (с поступательно-возвратным движением раствора) промывки молокопроводящих путей доильного аппарата, крышки и доильного ведра [19].
Моюще-дезинфицирующий раствор из пластмассового ведра засасывается в такте сосания через доильный аппарат в доильное ведро (рис. 1.2, а) [31].
За рубежом доильные установки, из нержавеющей стали с увеличенным диаметром, производят такие фирмы, как De Laval, WestfaliaSurge, SAC и др. [105,106,107,108]. В России впервые доильная установка с молокопроводом из нержавеющей стали увеличенного диаметра была создана на базе научно-производственного предприятия «Фемакс». В УДМ-100/200 (рис. 1.4, 1.5), по сравнению с АДМ-8 значительно сокращено количество стыков (для УДМ-100/200 длина между стыками составляет 6 м, а у АДМ-8 - 2 м), изменены схемы движения моющей жидкости, вместо стеклянных труб используются трубы из нержавеющей стали увеличенного диаметра [76].
Так же в конструкции молочных коммуникаций УДМ-100/200 сокращено наличие подъемных молокопроводных арок в 3 раза, что упрощает эксплуатацию установки и повышает эффективность промывки молокопровода [76]. Рис. 1.5. Технологическая схема доильной установки УДМ 100/200 (исп. 02) 1 - контур молокопровода; 2 - доильный кран; 3 - стационарно поднятый участок над кормовым столом; 4 - учетно-транспортный блок УТБ-50; 5 -блок управления со счетчиком надоя; 6 - транспортный молокопровод; 7 -вакуумпровод; 8 - кран; 9 - центральный молокоприемный узел; 10 -патрубки с заглушками для впуска и выемки очищающей губки.
Универсальная доильная станция УДС-ЗБ представляет из себя передвижную установку и предназначена для доения коров на пастбищах и в доильных залах молочных ферм при беспривязном содержании животных, первичной обработке молока при обслуживании стада 200 коров (рис. 1.6) [48].
Доильные установки для доения в доильных залах подразделяют на группы: «Тандем» - индивидуальные станки (рис. 1.7, а); «Елочка» -групповые станки под углом 30,45,50 и 60 (рис. 1.7, б), 90 (рис. 1.7, в «Параллель»); «Карусель» - станки роторного типа (рис. 1.7, г). [106]
На рис. 1.10 представлена схема работы доильной установки УДА-100 «Карусель» в режиме промывки и доения [48].
Анализируя, различные технологические схемы доения, начиная от ручного и заканчивая автоматизированной системой доения, видно, что прослеживается тенденция развития молочных коммуникаций. Молочные линии становятся все более герметизированными, увеличивается их протяженность, в результате чего резко возрастает площадь поверхностей, с которыми контактирует молоко. Это усложняет процесс промывки, что может привести к снижению качества получаемого молока.
Произведенный расчет показывает, что при ручном доении площадь контакта молока с оборудованием составляет всего 7 м2 , на установках с переносными ведрами общая поверхность, контактирующая с молоком составляет около 20 м , на установке для доения в стойловый молокопровод - 100 м, в доильном зале - 45 м (рис. 1.11). В результате увеличения поверхности, контактирующей с молоком, возрастает возможность бактериального загрязнения молока и соответственно повышаются затраты ресурсов на мойку и чистку молочной линии.
Требования и влияние параметров молокопровода на режимы движения газожидкостных смесей
В настоящее время накоплен значительный объем данных о гидродинамических характеристиках двухфазной структуры течения, позволяющий физически обоснованно интерпретировать механизм течения, подходить к выбору различных моделей структуры течения и успешно выполнять инженерные расчеты для труб различной ориентации [6,8,15,16,30,45,46,47,82].
Вместе с тем, применительно к молокопроводам доильных установок задача усложняется определенной противоречивостью предъявляемых требований.
Характеристики молокопровода должны соответствовать требованиям для выполнения двух процессов [91]: 1) доение, при котором должен быть расслоенный поток молока и воздуха; 2) промывка, для которой наиболее эффективный пробковая структура течения воздуха и моющей жидкости.
При доении внутренний диаметр молокопровода должен обеспечить перепад вакуума между молокоприемником и любой точкой в молокопроводе не более 2 кПа при всех работающих доильных аппаратах. При этом согласно стандарту ISO 5707-96, 95% времени доения структура течения молоковоздушной смеси в молокопроводе должна быть расслоенная [91]. Только в этом случае обеспечивается стабильный вакуумный режим в молокопроводе и соответственно благоприятные условия для доения, и минимальное воздействие на молоко.
Пробковая структура течения при доении ведет к колебанию вакуума в молокопроводе и оказывает неблагоприятное воздействие на качество получаемого молока, повышает риск заболевания коров маститом и увеличивает вероятность соскальзывания и спадания доильных стаканов при дойке.
Молокопровод должен иметь непрерывный постоянный уклон в сторону молокоприемника, не менее 0,2%. В молокопроводе не должно использоваться оборудование, которое может вызвать молочные пробки или падение вакуума. Минимальный радиус изгибов молокопровода должен быть не менее 75 мм. В молокопроводе не должно быть расширений или сужений, которые могут препятствовать движению потока молока или его дренажу [53,91].
На транспортирующую способность молокопровода оказывают влияние следующие факторы: - диаметр молокопровода - наиболее важный фактор, так как транспортирующая способность в общем случае пропорциональна d5; - уклон молокопровода, который должен быть не менее 0,2%. Больший уклон повышает эффект «самотека» за счет сил гравитации. Отрицательное влияние оказывает наличие горизонтальных («лежачих») мест или «провалов» в трассе молокопровода, так они могут явиться причиной возникновения пробок даже при сравнительно большом уклоне; - конфигурация (петлевая или тупиковая) молокопровода. С точки зрения стабильной величины вакуума, преимущества петлевой схемы хорошо проявляются при подключении доильных аппаратов или при спадании доильных стаканов.
При петлевой конструкции молокопровода воздух поступает в молокоприемник через оба рукава петли, в результате возможна стабилизация колебаний вакуума. Следовательно, образование пробок значительно снижается. При тупиковой конструкции разность давлений сохраняется до тех пор, пока не исчезнет пробка по какой либо другой причине. Таким образом, тупиковые конструкции более способствуют образованию пробки вследствие создания благоприятных условий для перепада вакуума. - длина молокопровода, если соблюдены требования непрерывного уклона молокопровода к молокоприемнику, сама по себе влияет лишь на падение вакуума, зависящего от потерь по длине.
Среди эксплуатационных факторов, влияющих на выбор диаметра молокопровода, решающее значение имеет величина потока молока в молокопроводе.
Критерием правильности выбора диаметра молокопровода является обеспечение устойчивой расслоенной структуры течения молоковоздушной смеси при падении вакуума не превышающем 2 кПа при нормальном давлении без случайных впусков воздуха.
Особый интерес для большинства типовых ферм представляет расчет молокопроводов при его незначительном уклоне около 0,2%.
Падение вакуума АР за счет гидравлического сопротивления в горизонтальном петлевом молокопроводе может быть согласно рекомендациям ISO 5707 рассчитано по формуле [91,92]:
Постановка задач экспериментальных исследований
Программой исследования предусматривалось: провести экспериментальные исследования движения газожидкостных пробок; разработать инженерные методы расчета параметров работы клапана промывки с образованием устойчивой пробковой структуры течения газожидкостной смеси. В результате были поставлены следующие задачи экспериментальных исследований: экспериментально установить временные параметры работы клапана промывки с образованием жидкостных пробок; провести экспериментальные исследования для проверки теоретических положений относительно изменения длины жидкостной пробки при ее движении по трубопроводу; экспериментально определить требуемую скорость пробки; Для выполнения поставленных задач необходимо: разработать экспериментальную установку и методику проведения экспериментальных исследований; провести лабораторные и производственные испытания экспериментального образца.
Экспериментальные испытания по исследованию основных факторов влияющих на изменение длины жидкостной пробки при ее движении в зависимости от протяженности трубопровода, проводились в лабораторных условиях в ГНУ ВИЭСХ.
Экспериментальная установка была разработана с техническими характеристиками соответствующими современному доильному оборудованию. Экспериментальный трубопровод состоял из восьми прямых прозрачных секций труб из поликарбоната равной длины соединенных муфтами (рис.3.1). Длина одной секции трубы составляла 3 м. Трубопроводная петля была установлена с наклоном 1% от изгиба к молокоприемнику. Общая длина трубопровода составила 24 м. Для проведения экспериментальных работ был применен трубопровод с внутренним диаметром 49 мм, так как в России на молочных фермах в основном используются молокопроводы с внутренним диаметром 49 мм.
В состав экспериментальной установки также входили молокоприемник, молочный насос НМУ-6 с производительностью 1,46 л/с, емкость для забора воды объемом 160 л. Вакуум в систему подавался с помощью установки УВУ-60/45 с электроприводом.
Все эксперименты были выполнены с воздухом и простой водой из-под крана при комнатной температуре приблизительно 20С, которой заменяли моющую жидкость. Это допустимо, так как концентрация моющей жидкости составляет только 0,3-0,8% [104], и это, практически, не меняет теплофизические свойства жидкости. Перед началом экспериментальных исследований вода была окрашена с помощью перманганата калия для более точного визуального контроля.
Экспериментальные работы проводились с использованием автомата промывки БУМП-3. Забор воды в систему осуществлялся через трубу с внутренним диаметром 48 мм из емкости 1 (рис.3.2). Впуск воздуха и воды регулировался трехходовым клапаном с помощью автомата промывки БУМП-3.
Когда клапан впуска воздуха был закрыт, из емкости 1 в систему засасывалась вода. Когда клапан впуска воздуха был открыт, в молокопровод 2 засасывался воздух. Объем воды и воздуха, подаваемого в систему, регулировался временем открытия и закрытия клапана впуска воздуха. Время открытия и закрытия трехходового клапана (рис.3.3) было выбрано с учетом того, чтобы не происходило переполнение молокоприемника 5, в противном случае санитарная ловушка 4 заполнялась водой, и происходило отключение вакуума в системе.
При проведении экспериментальных исследований жидкостная пробка проходила всю длину трубопровода 2 и из молокоприемника 5 перекачивалась молочным насосом 6 обратно в емкость 1. Наличие санитарной ловушки препятствовало попаданию воды в вакуумную линию.
