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 технологических 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 энергетических 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 электрооборудова ния 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 эффектив ности применения системой охлаждения молока с использованием природного холода 125
Выводы по четвёртой главе 129
Общие выводы 130
Список используемых источников:... 133
Приложения 142
- Аналитический обзор и тенденции развития системы электрооборудования и технических средств охлаждения молока с использованием природного холода
- Методика исследования технологических систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления систем
- Разработка алгоритмов управления системы электрооборудования технологических линий охлаждения молока
- Производственные испытания системы охлаждения молока с использованием природного холода
Введение к работе
Повышение экономической эффективности и энергосбережения охлаждающих систем является одной из актуальных проблем нашей страны в XXI веке. Решение этой проблемы способствует экономии энергетических ресурсов, совершенствованию топливно-энергетического баланса страны [1 ...5].
Из-за низкого технологического уровня большинства животноводческих ферм и отсутствия по ряду процессов современного оборудования, качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным, а его обработка - энергоемким и трудоемким процессом, отмечено нарушение природно-экологического равновесия ферм, что отразилось на экологическом состоянии получаемой молочной продукции. В целом по России производится в среднем до 74% молока I сортом, 22% молока - II сортом и 4% молока - несортовым , из них менее 50% - охлажденным. При этом, из-за низкого уровня автоматизации затраты энергии на обработку 1 т молока составляют в среднем 30...35 кВт.ч [6... 14], а затраты рабочего времени оператора на управление процессом обработки - более 2000 часов в год [6, 13.. .23].
Природный холод - один из важнейших возобновляемых источников энергии является одним из главных и экологически чистых энергосберегающих средств, обеспечивающих сохранность сельскохозяйственной и промышленной продукции непосредственно в местах её производства [6, 12... 15]. Основной идеей его использования является аккумулирование низко потенциальной энергии природного холода воды, льда, грунта аккумуляторами холода.
Преимуществами установок природного холода являются: простота изготовления, обслуживания и ремонта оборудования; доступность использования в отдаленных районах; высокая надежность охлаждающих систем; способность к непрерывному аккумулированию холода; экономия электроэнергии, остродефицитного холодильного оборудования и материалов, исключение использования фреона и фреоновых масел; низкая себестоимость холода.
Исследования в этом направлении начались в МГАУ и ВИЭСХ в 1979 г. Первый опыт крупномасштабного промышленного использования природного холода был осуществлён на животноводческом комплексе "Гольёво" племзаво-да - колхоза "Завет Ильича" Красногорского района Московской области. В этом хозяйстве в 1983 - 1984 г.г. были введены в эксплуатацию первые опытно-
промышленные установки для доения [16] и охлаждения молока [6, 24...35], полученного от стада до 1000 голов. В 1984 г. на основе обобщения опыта племзавода - колхоза "Завет Ильича", по решению Госплана СССР (протокол заседания № 3 от 14. 12. 84 г.) впервые в России началось широкомасштабное использование природного холода для охлаждения молока и другой сельскохозяйственной продукции. В этом хозяйстве впервые установлены разработанные в МГАУ и ВИЭСХ микропроцессорные системы управления [19...21], водо-ледяные аккумуляторы и приёмники природного холода вертикального и горизонтального типов [24...60, 64...72, 80...83], максимальная хладопроизводителыюсть которых превышает 60 кВт. Эти аккумуляторы работают до настоящего времени и обеспечивают сохранность с.х. продукции, при уменьшении расхода электроэнергии на производственные нужды, снижении эксплуатационных затрат на холодильное оборудование.
Большой вклад в решение проблемы эффективного использования природного холода внесли учёные Бобков В.А., Марьяхин Ф.Г., Мусин A.M., Учеваткин А.И., Коршунов Б.П., Цой Ю.А. и др. Они сформировали требования к системам охлаждения молока, разработали типоразмерный ряд установок для охлаждения молока с использованием природного холода [6, 11, 13...40] методики расчета и обоснования параметров, режимов работы.
Использование природного холода увеличило мощность холодильных систем, снизило стоимость холодильного оборудования, энергоёмкость производства и себестоимость продукции.
Использование энергосберегающих технологий и технических средств существенно изменяют структуру линий [6, 17... 19, 24...36], режимы их работы и методы управления ими. Появляется 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 [36...42].
Существующая СЭ [6, 24, 34, 36] 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 новые энергосберегающие технологии и повысить уровень автоматизации систем охлаждения молока на фермах. Вместе с тем, ограниченный комплекс контролируемых и регулируемых параметров и технических средств не позволяет автоматизировать и интенсифицировать технологический процесс охлаждения молока на фермах [6, 17... 19]. Для эффективного управления процессом охлаждения молока, необходимо иметь полную и достоверную информацию о контролируемых и регулируемых параметрах процесса, характеризующих технологический [6, 36]. Это требует исследований технологических линий охлаждения как объектов управления для получения и обработки информации, необходимой для создания энергосберегающих технологических систем и разработки СЭ и обоснования ее параметров [36].
Отсутствие методологии и принципов построения автоматизированных энергосберегающих систем и синтеза СЭ препятствует созданию комплексного подхода к исследованию технологических линий охлаждения как объектов управления и разработке практических методов построения и инженерного расчета энергосберегающих систем, позволяющих учесть все многообразие сложных взаимосвязей между звеньями и СЭ. Известные методы и существующие методики расчета и обоснования параметров и режимов работы технических средств [6...38] и синтеза унифицированной СЭ [36, 63, 84] используют невзаимосвязанные модели, отражающие различные стороны функционально-структурной организации линий охлаждения и СЭ без должного отражения концепции развития систем. Большинство моделей не учитывают основного свойства разрабатываемых энергосберегающих технологических систем и СЭ -целостности в функциональном и структурном аспектах. Сложные связи, существующие между системой управления и управляемым технологическим оборудованием, их параметрами и возмущениями, могут быть раскрыты и реализованы только при использовании современных методов исследования [6, 36, 61] и приемов математического моделирования. Математическое описание технологического процесса обработки молока при воздействии различных факторов с учетом разнообразных условий функционирования - один из самых важных и ответственных этапов создания автоматизированных энергосберегающих систем и СЭ, позволяющей точно выдерживать заданные параметры технологического процесса [6,36].
Установлено, что повышение уровней автоматизации, надежности, улучшение энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик линий, сокращение времени на обнаружение аварий и восстановление систем может быть достигнуто функционально - структурной организацией линий по модульному принципу и созданием СЭ с гибкой иерархической структурой, позволяющей интенсифицировать процесс обработки молока и обеспечить комплексную автоматизацию ферм и комплексов. Реализация такого подхода требует совершенствования существующих и разработки новых методов синтеза автоматизированных энергосберегающих систем, технических средств и СЭ технологических линий обработки молока [6, 23,36].
Постоянно возрастающие требования к электрооборудованию, сложность и многообразие автоматизируемых охлаждающих систем и процессов, выдвигают необходимость создания методологической базы синтеза СЭ, разработки практических методов обоснования и формирования этих систем, максимально учитывающих сложность и особенности объекта управления.
Поэтому научные исследования, направленные на создание и разработку теоретических основ, методов создания новых эффективных энергосберегающих технологий, технических средств и СЭ, обеспечивающих интенсификацию технологического процесса обработки охлаждения молока на фермах, актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.
Связь выполненных исследований с государственными программами. Исследования выполнены в соответствии с Федеральной программой «Разработать научные основы развития системы технолого-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики» 1996-2001 гг. и Федеральной программой «Создание техники и энергетики нового поколения и формирования эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса» 2001-2005 гг.
Цель исследований. Целью диссертационной работы является обоснование и разработка системы электрооборудования (СЭ) и технических средств охлаждающих систем с использованием природного и искусственного холода, обеспечивающих эффективное охлаждение молока на технологических линиях обработки молока животноводческих ферм.
Научная новизна исследований. Разработана методика блочно-модульного принципа построения СЭ для охлаждающих систем технологических линий первичной обработки молока, позволяющая обосновать и сформировать типовые алгоритмы управления исполнительными механизмами охлаждающих систем и на основе их многократного применения строить гибкую иерархическую структуру СЭ.
Обоснована двухуровневая структура СЭ, обеспечивающая автоматизацию процесса охлаждения молока, аккумулирование природного и искусственного холода, улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик линий и реализующая эффективные режимы работы технических средств охлаждающих систем.
Разработана методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием природного и искусственного холода на базе льдоаккумуляторов и установок комбинированного действия, обеспечивающих рациональное сочетание природного и искусственного холода в технологических линиях охлаждения в суточном и годовом циклах.
Предложен метод исследования охлаждающих систем технологических линий 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 технические средства и низковольтные комплектные устройства управления (НКУ), серийно выпускающиеся 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.
Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ теплотехники, теории планирования эксперимента, методов анализа и синтеза СЭ, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, физического моделирования, математической обработки данных и компьютерного моделирования (MathCAD, AutoCAD, Excel и др.)
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники на действующих автома-
газированных энергосберегающих технологических линиях первичной обработки молока путем непосредственных измерений и сравнения с данными теоретических
Практическая ценность диссертации - в создании практических методов синтеза электрооборудования, позволяющих формировать по модульному принципу СЭ для любых охлаждающих систем животноводческих ферм; 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 централизованного устройства дистанционного контроля и управления (ЦУДКУ), построенных по блочно-модульному принципу. Разработанный комплект электрооборудования 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 2,5 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 сельскохозяйственного назначения»; «Рекомендаций по разработке линий обработки молока с энергосберегающими технологиями для доильно-молочных блоков животноводческих ферм и комплексов»; «Технических требований и технико-экономических обоснований на серийное производство унифицированной СЭ для технологических линий обработки молока», на основе которых начато серийное производство низковольтных комплектных устройств управления (НКУ) для технологических машин.
Результаты исследований внедрены на молочном комплексе "Гольёво" сельскохозяйственного 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 предложения в виде технических заданий и инструкции по эксплуатации, которые приняты ОАО "Московский специализированный комбинат холодильного оборудования" (ОАО "МСКХО") и АООТ Московский завод холодильного машиностроения "Искра" (АООТ МЗХМ "Искра") для разработки конструкции серийных образцов с последующим освоением их производства.
Разработанная СЭ прошла проверку в производственных условиях на молочных фермах, неоднократно экспонировались на международных и всероссийских выставках и отмечена медалями и дипломами ВДНХ СССР и ВВЦ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
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, охлаждае-
мого как искусственным, так и природным холодом в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха.
3. Метод синтеза системы электрооборудования, заключающийся в формировании типовых алгоритмов управления звеньев линии, позволяющий строить устройства управления с гибкой иерархической структурой.
4. Режимы работы комбинированной системы охлаждения молока, обеспечивающие сокращение удельных затрат электроэнергии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода МГАУ им. В.П.Горячкина, научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России" (6-7 октября 1999 г., г. Москва), на 2-й Международной конференции "Энергосбережение в сельском хозяйстве" (3-5 октября 2000 г. Москва), на заседаниях секции электрификации и энергетики АПК Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (1999-2002 гг.) и на 5-й Международной научно-практической конференции "Концепция механизации и автоматизации животноводства в XXI веке" (апрель 2002 г., г. Подольск), на Международной научно-практической конференции "Достижения вузовской науки - агропромышленному производству» (27-30 января 2003 г. ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва), на Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы вузовской агроинженер-ной науки" (24-28 января 2005 г., ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва), на Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы агро-инженерной науки" (12-14 октября 2005 г., ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 23 печатных работах, в том числе в 2 патентах России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 141 стр., включая 20 таблиц, 31 рисунок и библиографию из 103 наименований.
Аналитический обзор и тенденции развития системы электрооборудования и технических средств охлаждения молока с использованием природного холода
Естественный (природный) холод является мощным возобновляемым энергетическим ресурсом и одновременно эффективным техническим средством консервации и обеспечения сохранности с.х. продукции. Естественное охлаждение - это непосредственное охлаждение продукта или промежуточного хладоносителя, как правило, воды, естественной природной средой. Холод природной среды используется и для аккумуляционного охлаждения с.х. продукции естественным льдом. Аккумулирование естественного холода в водо-ледяных аккумуляторах весьма экономично и широко используется в с.х. охлаждающих системах. Аккумуляция возможна также с использованием в качестве рабочего тела и воды и грунта, но, как правило, в аккумуляторах в суточного цикла охлаждения. В зависимости от принципа действия и способа использования естественного холода системы охлаждения молока и установки, аккумулирующие холод в виде льда и ледяной воды, делятся на две группы: сезонного (УСД), и круглогодового действия [6, 17...19, 24...33, 39...41, 44..60, 65...72]. Установки круглогодового действия делятся в свою очередь на комбинированные установки (УКД) и аккумуляторы - льдохранилища (ЛХ). Установки сезонного действия (УСД) функционируют только в холодное время года и представляют собой, как правило, секционированный приемник - аккумулятор естественного холода различной конструкции, в том числе и с распылительным блоком, устанавливаемый снаружи около помещения для обработки и хранения молока. Внутри аккумулятора холода размещена система труб и перегородок, обеспечивающая циркуляцию воды при образовании льда. В установках комбинированного действия (УКД) применяется как естественный, так и искусственный холод. В зимний период она работает как УСД, в летний период - подзарядная холодильная установка во время пауз между дойками заряжает холодом УКД, который затем используется для охлаждения молока. В качестве подзарядных могут использоваться холодильные установки типа АВ-30, ТХУ-23, ТХУ-14, МВТ-20, МВТ-14, МКТ-20, УВ-10, ОТ-10, ФУ-40 и другие, в том числе и вакуумно-испарительного действия. В аккумуляторах - льдохранилищах подзарядные холодильные установки не используются. В холодный период лед накапливается путем послойного его намораживания, а в теплое время года его используют для охлаждения молока [6,18, 30]. Длительными, производственными испытаниями, проведенными в различных регионах России и странах СНГ установлено [6, 31], что в настоящее время, весьма перспективным является использование комбинированных технологий охлаждения молока модульного типа с высокоэффективными роторными аэродинамическими распылителями и водоэжекторами совместно с аккумуляторами холода, использующими лед в качестве аккумулирующего тела. Источники искусственного холода в таких системах работают в качестве доводчиков. Приемник естественного холода устанавливается на открытом воздухе вне производственного помещения, а подзарядная холодильная установка в производственном помещении. Такие системы обладают преимуществами по сравнению с существующими холодильными машинами [6, 13,17...19,24...33].
Системы охлаждения на основе установок комбинированного действия (УКД), работающих по энергосберегающей технологии могут работать в течение круглого года во всех районах страны. Они способны вырабатывать и аккумулировать холод и для хранилищ с.х. продукции: фруктов, овощей, цветов - всей продукции растениеводства. При охлаждении молока установки могут работать с теплообменниками как проточного, так и емкостного типа. Большая экономичность и быстрое охлаждение достигается при работе с теплообменниками проточного типа. Эффективность УКД [6, 17] достигается повышением надежности системы и экономией электроэнергии. Расширение области применения достигается за счет непосредственного охлаждения молока в холодное время года без холо 14 дильных машин. Установка может использоваться круглый год. При этом, экономится большое количество воды из системы водоснабжения фермы, ограничивается применение дефицитного хладоагента - фреона. В случае если вращающиеся части распылителей примерзают и теряют возможность вращения из-за сильных морозов, то отепленная вода (обратный хладоноситель после охлаждения молока) протекает в отверстия распылителей и "размораживает" их. В этом случае, аэродинамические поверхности до размораживания функционируют. Таким образом, достигается естественное регулирование установки и сохраняется ее работоспособность во всех режимах работы. Достоинством УКД является [6, 18, 19, 24...33, 39, 40]: - низкая металлоемкость вследствие улучшения распыления и увеличения эффективности роторных аэродинамических распылителей и улучшения конструкции корпусов приемника и аккумулятора холода; - высокий уровень унификации за счет применения единого испарительного блока для установок сезонного и круглогодового действия; - увеличение хладопроизводительности за счет увеличения площади распыления; В зависимости от технологии и конструктивной схемы возможны следующие основные режимы функционирования и подзарядки АХ: - охлаждение молока в проточном теплообменнике типа ООТ-М; - охлаждение молока в емкостном теплообменнике типа РПО-2,5; - режим смешивания хладоносителя в аккумуляторе естественного холода; - режим вытеснения хладоносителя в аккумуляторе естественного холода. В первом режиме при подаче хладоносителя происходит перемешивание с отепленной водой и температура хладоносителя во всем объеме быстро выравнивается. Во втором режиме хладоноситель, подаваемый сверху не перемешиваясь с холодной водой, вытесняет ее. Температура воды в верхних слоях оказывается выше, чем в нижних.
Методика исследования технологических систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления систем
Основным этапом исследования систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления для описания и анализа параметров процессов охлаждения является построение математических моделей, отображающих взаимодействие всех факторов, существенно влияющих на выбор и обоснование параметров системы управления технологическим процессом. На рис. 2.1 представлен алгоритм исследования систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления [36].
Собранная при построении функциональной модели информация носит как количественный, так и качественный характер. Обработка указанной информации предполагает создание технологического языка для описания основных, качественных понятий технических решений и формирования технических требований к системе.
Методически исследуемая технологическая система охлаждения делится на отдельные звенья - рабочие машины и исполнительные механизмы, выполняющие одну или несколько технологических операций. Признаками звеньев являются особенности выполнения функционально-структурной схемы ее уровень автоматизации и агрегатирования звеньев. Признаками вариантов звена являются особенности его исполнительного органа, регулятора, электропривода и т.п. Обработка количественной информации ведется с использованием математических моделей, которые устанавливают детерминированные и статистические зависимости между факторами одной природы. Модели включают выражения, позволяющие получить рекомендуемые или граничные значения показателей технических требований исследуемой системы и ее отдельных регулируемых звеньев [12, 36]. Исследование систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления Исследование энергетических режимов работы охлаждающих систем = Исследование материальных потоков охлаждающих систем и обрабатываемого продукта «г Исследование временных режимов работы охлаждающих систем = Исследование затрат времени на управление процессом обработки Исследование ущербов при отказах охлаждающих систем Исследование технико-экономической эффективности охлаждающих систем Ж ЗЕ Формирование комплекса контролируемых и регулируемых параметров процесса охлаждения с=и Ж Разработка функциональных схем автоматизации энергосберегающих систем охлаждения с использованием природного холода 3Z Охлаждающие системы с использованием природного холода сезонного действия V Охлаждающие системы с использованием природного холода круглогодового действия 3Z Комбинированные охлаждающие системы с использованием природного холода Рис. 2.1. Алгоритм исследования энергосберегающих систем охлаждения с использованием природного холода как объектов управления зо Для количественной оценки охлаждающих систем, включая автоматизированную аккумуляцию естественного и искусственного холода, предложена методика, позволяющая количественно оценивать как отдельные звенья, так и систему в целом [36]. Методика включает количественные показатели, изменяющиеся в процессе функционирования системы по случайному закону: интенсивность потока подачи продукта (молока) Qn и хладоносителя Qx, температура продукта tni, хладоносителя txi и окружающего воздуха to„ аккумулирующая способность Wa и величина хладовосприятия Wx системы и др). Количественные показатели отражают одно из свойств охлаждающих систем по основным видам оценок: технологической; энергетической; системы управления; эксплуатационно-технологической; технико - экономической. Эти оценки характеризуют важнейшие свойства системы, а также специальные требования к ней, учитывающие специфику производства. Энергетические показатели [6, 35, 36], в качестве которых используются холодильные коэффициенты системы, представляют собой отношение полученной хладопроизводительности qo к затраченной работе Al є = -. (2.3) А, К основным показателям энергосберегающих систем охлаждения относятся удельные затраты энергии на охлаждение молока, а также следующие коэффициенты: - коэффициент размещения Р, характеризующий уровень централизации системы управления P = E1V (24) где X)Pl" количество автономных управляющих устройств, включая централизованное устройство управления; коэффициент автоматизации, отражающий отношение автоматизированного времени работы звена или системы к общему времени рабочего цикла автоматизированного звена, коэффициент выражается в долевых единицах или процентах; - коэффициент аккумуляции А системы W А = =г-, (2.5) где W - количество энергии холода, накапливаемое аккумулирующими звеньями системы, кВт.ч; ]Г W - требуемое количество энергии холода, кВт.ч. - коэффициент интеграции системы И и=%г- " где И - количество интегральных элементов системы управления; И- общее количество элементов. - коэффициент хладовосприятия Wx W Wx=y, (2.7) где Т - время рабочего цикла намораживания, ч. В качестве коэффициента унификации принят коэффициент повторяемости, отражающий повторяемость элементов различного уровня в множестве элементов системы управления охлаждающим оборудованием [6, 35, 36]. Регулируемые звенья характеризуются таким коэффициентом как диапазон регулирования [6, 35, 36] D = (2.8) где Qmax Qmin" максимальные и минимальные значения потоков естественного холода (потоков хладоносителя). К числу основных количественных показателей регулируемых звеньев, работающих в случайных потоках хладоносителя, относятся математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение, автокорреляционная функция и график спектральной плотности случайных потоков подачи хладоносителя и продукта [6, 35, 36 ]. Для дискретно управляемых регулируемых звеньев, работающих в случайных потоках хладоносителя, важными характеристиками являются коэффициенты передачи, в качестве которых приняты частота и относительная продолжительность. включений: - для время - импульсной модуляции (ВИМ) потока оценка математического ожидания относительной продолжительности включений т[є] т[є] = - . (2.9) где m[Qn] - оценка математического ожидания потока подачи хладоиосителя, м3/ч; Qj-производительность звена j, м3/ч;. Для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) потока при ограничении Qj Qn оценка математического ожидания числа включений m[z] 1 " VQ] " (0) где m[Qn] - оценка математического ожидания потока подачи хладоиосителя, м /ч; Vp - средняя величина эффективной вместимости аккумулятора холода, м . Задача выбора и обоснования оптимальных параметров и режимов работы автоматизированных энергосберегающих охлаждающих систем с использованием природного холода формулируется следующим образом. При заданных условиях, с учетом неопределенных факторов, найти такое решение, которое обращало бы в максимум (минимум) принятое за критерий значение показателя эффективности. Целевые функции [6], по которым проводятся обоснование и выбор энергосберегающих технологий и технических средств, построены на основании двух критериев: энергетического Kw и экономического Кэ. Kw = К Jw -» min, Кэ= Кпэ - min, при Knw;Kn3 ; Кдои, У (2Л1) где K„w, КдЭ-значения обобщенных показателей; Кдоп - допустимые значения единичного показателя;
Разработка алгоритмов управления системы электрооборудования технологических линий охлаждения молока
Охлаждающая система должна работать в комплекте с резервуарами - теплообменниками и с проточными теплообменниками. Система управления должна состоять из отдельных шкафов автоматики, в которых размещаются элементы контроля и управления электродвигателями компрессоров, насосов воды и хладоносителя, силовые электроприборы. Схема управления предусматривает унификацию алгоритмов и работу в двух режимах: автоматическом и ручном (наладочном). Режим ручного управления предназначен для наладки, ревизии установок и выявления причин неисправности при аварийных отключениях. Алгоритмом предусмотрено, что в автоматическом режиме электродвигатели включаются в следующей последовательности: при включённых переключателях, включённых автоматических выключателях и замкнутых контактах реле давления, датчика реле температуры, термореле защиты электродвигателей включается электродвигатель насоса хладоносителя.
При замкнутых контактах датчика-реле температуры пускатель насоса -хладоносителя замыкающими контактами вспомогательной цепи включает пускатель электродвигателя компрессора искусственного холода. Работой пускателей электродвигателей компрессоров управляет датчик-реле температуры. Электродвигатели компрессоров холодильных машин не должны включаться при отключенном электродвигателе насоса - хладоносителя аккумулятора естественного холода. Система управления имеет следующие виды защит: защита силовых цепей и цепей управления от токов короткого замыкания; температурная защита электродвигателей компрессоров; защита от перегрузки насоса - хладоносителя с ручным возвратом; защита от работы электродвигателя компрессора на двух фазах; защита от повышения давления нагнетания и понижения давления всасывания. Все приборы защиты имеют замкнутые контакты или замкнутую выходную цепь при нормальном состоянии контролируемого параметра. Должно быть обеспечено автоматическое отключение установки при срабатывании температурной защиты электродвигателей компрессоров и реле давления, защиты от перегрузки электродвигателей насоса - хладоносите-ля или защиты от токов короткого замыкания. При отключении установки по причине исчезновения напряжения в режиме автоматического управления, необходимо предусмотреть возможность повторного пуска после восстановления питающей сети. Программа испытаний предусматривала визуальный контроль, проверку сборки и соответствия ящиков управления комплексу конструкторской документации, проверку сопротивления и электрической прочности изоляции, электрического сопротивления цепи защитного заземления, проверку соответствия электрических соединений принципиальным электрическим схемам.
Объектом управления в системе охлаждения с использованием природного холода является система аккумулятор холода - хладоноситель - трубопровод - поток охлаждаемого молока - накопительно-регулирующая емкость (НРБ) (рис. 3.1). Это нелинейная, стационарная, динамическая система с распределенными параметрами, характеризующаяся широким изменением технологических свойств [23, 34, 70]. Формирование входных и выходных потоков молока и хладоносителя, их взаимосвязанное регулирование осуществляется в непрерывных и дискретных режимах широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (дискретно-регулируемые звенья транспортировки) и время-импульсной модуляции (ВИМ) (дискретно-регулируемые звенья учёта). Составление словесных алгоритмов управления системы. Система охлаждения технологической линии имеет три основных режима работы в зависимости от времени года. Теплое время года. Молоко по молокопроводу поступает в НРБ 1, откуда молочным насосом 2 через устройство для бесконтактного контроля и регулирования потока молока 3 (учет молока), поддается в проточный теплообменник 4, где оно охлаждается и поступает на временное хранение в резервуары термосы или выдается в молоковоз. Охлаждение молока осуществляется в две ступени. СУ Рис. 3.1. Схема автоматизации с дискретно регулируемым электроприводом комбинированной охлаждающей линии племзавода-колхоза "Завет Ильича" 1 - накопительно-регулирующая ёмкость (ИРЕ); 2 - молочный насос НМУ-6; 3 - устройство для контроля и регулирования потока молока УКРП-1; 4 - проточный теплообменник; 5 - насос хладоносителя; 6 промежуточная емкость хладоносителя; 7 - льдоаккумулятор естественного холода (АЕХ) комбинированного действия. Н - уровень молока в НРЕ; Qn - поток подачи молока; Qp - поток расхода; tM - температура молока; tx - температура хладоносителя; to - температура на ружного воздуха; Ус - усилительное звено; СУ - система управления. + молоко; хладоноситель; предварительное охлаждение В первую секцию проточного теплообменника 4 в качестве хладоносителя поступает холодная вода из местной системы водоснабжения фермы (грунтовое охлаждение), во второй секции теплообменника 4 осуществляется глубокое охлаждение молока искусственным холодом, вырабатываемым холодильной установкой типа МКТ-20, ТХУ-14 или АВ-10. В процессе функционирования холодильной установки в ее работе участвуют электродвигатели: насоса хладоносителя Yx, насоса системы охлаждения конденсатора YKH, компрессора YK. Включение электродвигателей должно производится только при включении электродвигателя молочного насоса YM, подающего молоко в проточный охладитель. Включение электродвигателя насоса системы охлаждения конденсатора YKH, а затем компрессора YK должно осуществляться только при температуры хладоносителя tx2 3С. Отключению электродвигателя компрессора YK должно предшествовать отключение электродвигателя насоса оборотной воды системы охлаждения конденсатора YKH, который должен отключаться при температуре хладоносителя
Производственные испытания системы охлаждения молока с использованием природного холода
Испытания системы охлаждения молока проводились в СПК "Завет Ильича" (Животноводческий комплекс "Гольёво") на ферме 400 голов в 2000...2003 гг. в холодное и тёплое время года. Общий вид представлен на рис. 4.1 ...4.3. Расчётный удой на одну корову принят 5200 кг молока в год.
Льдоаккумулятор естественного холода установлен в непосредственной близости от фермы. Приёмники-аккумуляторы естественного холода как роторного так и эжекторного типа установлены непосредственно на крыше молочного блока животноводческого помещения. Аккумулятор естественного холода круглогодового типа установлен непосредственно в машинном отделении под приёмником-аккумулятором. В систему охлаждения поступает холодная вода непосредственно из системы водоснабжения фермы.
Во время испытаний фиксировались параметры, влияющие на потенциал естественного холода наружного воздуха: - tH - расчётная температура наружного воздуха холодного периода; - txc - средняя температура наиболее холодных суток; - ton - средняя температура расчётного периода естественного охлаждения; - tr(W — расчётная температура наружного воздуха холодного периода; - поп — продолжительность расчётного периода естественного охлаждения. Фиксировалось уменьшение установленной мощности электрооборудования, капитальных и эксплуатационных затрат по сравнению с базовой пароком-прессионной системой. Программа испытаний включала: - испытания системы на работоспособность и функционирование в производственных условиях; - проверку соответствия системы в т. ч. системы управления и электрооборудования технологическим, эксплуатационным и энергетическим требованиям; - проверку влияние системы на качественные показатели молока; - удобства обслуживания системы оператором. Оценка указанных параметров производилась путем сравнения результатов испытаний системы с соответствующими параметрами технического задания. Контролировались следующие параметры: - температура молока, поступающего на обработку; - температура охлажденного молока; - величина потока молока, поступающего на обработку; - температура молока на входе в теплообменник; - температура молока на выходе из теплообменника; - температура хладоносителя на входе в теплообменник - удельный расход электроэнергии на охлаждение молока с ЭБС; - соответствие поступающего молока требованиям высшего сорта по ГОСТ 13264-88 "Молоко Коровье. Требования при заготовках"; - изменения качественных параметров при обработке молока; - потребляемая мощность электрооборудования; - другие экономические, технологические и эксплуатационные характеристики, предусмотренные техническим заданием на систему. Исходные данные: Количество коров в коровнике, гол 400 Годовой удой на одну корову, кг 5200 Число доек в сутки, раз 3 Время и длительность доек: утренней с 05.00 до 07.00 ч 2 часа обеденной с 12.30 до 14.00 ч 1,5 часа вечерней с 19.00 до 21.00 ч 2 часа Коэффициент суточной неравномерности У сут 1,1 121 Коэффициенты разовой неравномерности Ур, приняты: утренний - 0,4; обеденный - 0,30; вечерний - 0,30. Коэффициент сезонной неравномерности Ус рассчитан по результатам хозяйственной деятельности сельскохозяйственного производственного кооператива "Завет Ильича". Годовой надой и надой по месяцам определялись по зависимостям Мгод = 0,001АМмес, (4.1) Ммес. = 0,001.УсАМг.ф., (4.2) где Мгод- годовой валовой надой, т; Ммес#- месячный валовой надой,т; Мг#ф,- годовой надой на фуражную корову, кг; А -количество коров, голов; У с- коэффициент сезонной неравномерности. Среднее суточное производство и максимальное суточное производство молока по месяцам определяли по формулам УСАМГ0Д12 ср.сут — Г7 . (4-3) УСУТАМГ0Д 12 М = У - (А А\ 1Жмах.сут , _ v J где МСрсут#— среднее суточное производство молока по месяцам, кг; Ммах.сут.- максимальное суточное производство молока в каждом месяце, кг; УСут_ коэффициент суточной неравномерности (исходные данные). Среднее разовое производство молока было определено по формуле: Ур.АМгф 12 М = _0 L?: (4 5) 1 С-Р- 365 где Мс#р- разовое производство молока от среднесуточного по месяцам, кг; У р- коэффициент разовой неравномерности (исходные данные).
