Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы охлаждения молока в условиях его непосредственного производства 15
1.1. Требования, предъявляемые к молоку при его массовых заготовках 15
1.2. Общая характеристика холодильного оборудования 16
1.2.1. Краткая историческая справка 17
1.2.2. Современное оборудование и перспективы его развития 20
1.3. Постановка задачи 34
2. Показатель эффективности технологических процессов и оборудования 36
2.1. Разработка методики количественной оценки бактерицидных свойств молока 36
2.2. Влияние технологии первичной обработки на качество вырабатываемого молока 45
2.3. Зависимость качества вырабатываемого молока от его исходной бактериальной обсемененности 51
2.4. Выводы 55
3. Разработка основных принципов построения энергосберегающей технологии охлаждения парного молока 58
3.1. Устройство и принцип работы проточного молокоохладителя 58
3.2. Основные технические показатели системы 61
3.2.1. Энергетические затраты на охлаждение 61
3.2.2. Оптимизация режима охлаждения 63
3.3. Режим движения молока в магистрали доильной установки 69
3.4. Элементы подключения теплообменника 71
3.4.1. Расширитель 71
3.4.2. Стабилизатор потока 74
3.5. Фильтры механической очистки молока 76
3.6. Собственный гидростатический напор 77
3.7. Водопроводная магистраль 82
3.8. Скважина малой производительности 84
3.9. Выводы 87
4. Исследование условий теплообмена в плоских каналах большой протяженности при ламинарном режиме течения 90
4.1. Основные соотношения, выбор геометрии каналов 90
4.2. Конструкция экспериментальных макетов 101
4.3. Схема экспериментальной установки 103
4.4. Анализ результатов эксперимента 104
4.5. Влияние толщины стенки 109
4.6. Расчет и проектирование жидкостных теплообменников 116
4.6.1. Параметр теплопередачи 116
4.6.2. Основное геометрическое соотношение 117
4.6.3. Соотношение между критериями Рейнольдса 118
4.6.4. Соотношение между коэффициентами теплоотдачи 119
4.6.5. Число каналов и их ширина 119
4.6.6. Длина каналов теплообменника 120
4.6.7. Площадь поверхности теплообмена 121
4.6.8. Зависимость условий теплообмена от величины зазоров 122
4.6.9. Методика расчета жидкостных теплообменников 123
4.7. Выводы 124
5. Результаты исследования процесса охлаждения молока в производственных условиях, внедрение результатов и экономическая эффективность 127
5.1. Программа и методика охлаждения молока в производственных условиях 127
5.2. Теплообменники производительностью 250 и 750 л/ч 128
5.2.1. Конструкция охладителя с производительностью 250 л/ч 129
5.2.2. Конструкция охладителя с производительностью 750 л/ч 135
5.2.3. Настройка и обслуживание охладителей 141
5.2.4. Результаты испытаний 143
5.3. Теплообменник производительностью 1000 л/ч 146
5.3.1. Конструкция охладителя 146
5.3.2. Результаты испытаний охладителя 150
5.4. Внедрение результатов исследований 151
5.5. Экономическая эффективность 152
5.6. Выводы 152
Выводы 156
Список литературы 161
Приложения 175
- Современное оборудование и перспективы его развития
- Разработка методики количественной оценки бактерицидных свойств молока
- Оптимизация режима охлаждения
- Основные соотношения, выбор геометрии каналов
Введение к работе
Основная масса молока, вырабатываемого в России, приходится на летний пастбищный период, с относительно высоким уровнем средней температуры окружающей среды. Из-за отсутствия эффективных способов охлаждения, в свежевыдоенном молоке происходит быстрый процесс нарастания кислотности, в связи с чем оно нередко становится малопригодным к глубокой переработке и принимается молочными предприятиями как низкосортное. Это приводит к существенным экономическим потерям товаропроизводителей, что, в сочетании с низкой производительностью труда, делает молочную отрасль производства в отдельных случаях практически нерентабельной. Поэтому в последнее время возникла острая необходимость в поиске новых технологических подходов к решению проблемы повышения качества первичной обработки молока в условиях его непосредственного производства.
Целью настоящей диссертационной работы является создание основных принципов построения энергосберегающей технологии охлаждения парного молока. Данная тема является логическим продолжением комплексных теплофизических исследований, проводимых на кафедре промышленной электроники Рязанском государственном радиотехническом университете, и направлена на решение одной из важных народно-хозяйственных проблем -повышение качества и продолжительности сохранения натуральных свойств свежевыдоенного молока.
В первой главе диссертации представлен аналитический обзор состояния проблемы охлаждения молока в условиях его непосредственного производства. Приведены основные требования, предъявляемые к молоку при его массовых заготовках. Изучены работы известных ученых занимающихся разработкой теории теплообмена и охлаждения молока М.А. Михеева, Ю.А. Цой,
П.В. Кугенева, Ю.В. Космодемьянского, С.А. Королева, Б.Ф. Галат. Дана
краткая историческая справка, а так же рассмотрены перспективы развития
современного холодильного оборудования и возможности его использования в
условиях работы летних лагерей. В связи с высокой энергоемкостью процесса
быстрого охлаждения проанализирован широкий перечень заявок и патентов на
изобретения авторов: Ю.А. Цой, Т.Г. Исмаилова, A.M. Мусина,
Ф.Г. Марьяхина, А.И. Учеваткина, П.А. Андреева, В.Д. Костина,
Б.П. Коршунова, П.П. Латышева, Е.М. Клычева, А.И. Зеленцова, В.Н. Туваева, Н.И. Орловой, А.В. Гольденфанга, А.А. Телевного, Г.Ю. Гончаровой, Б.А. Кузнецова, В.П. Проценко, В.К. Сафонова, Б.Т. Маринюка. Особое внимание при этом уделено анализу технических решений, в которых проявляются признаки энергосберегающих технологий. Рассмотрены некоторые особенности условий реального производства, непосредственным образом влияющие на биохимические показатели конечного продукта.
Показано, что наряду с необходимостью проведения исследований, направленных на разработку основных принципов построения энергосберегающей технологии быстрого охлаждения молока, осуществляемой в процессе его получения, немаловажное значение приобретает проблема расчета и оптимизации условий теплообмена, а также проблема количественной оценки эффективности работы таких систем. На основании проведенного анализа сформулированы основные направления исследований настоящей диссертационной работы.
Во второй главе диссертации приведены результаты теоретических исследований, связанных с разработкой методики количественной оценки бактерицидных свойств молока. Показано, что свежевыдоенное молоко представляет собой высокоэнергетичную систему, стремящуюся занять уровень с минимальным значением энергии. Такой переход связан с необратимым преобразованием энергии, средняя скорость рассеяния которой находится в хорошем соответствии с известным соотношением Аррениуса. По результатам математической обработки представленных в литературе экспериментальных
данных получены аналитические соотношения, описывающие процесс протекания бактерицидной фазы молока в зависимости от температурного режима его хранения. Это, в свою очередь, открывает возможность оценки эффективности оборудования и технологических процессов, предназначенных для первичной обработки молока с точки зрения качества конечного продукта.
Установлено, что общепринятая технология первичной обработки принципиально не способствует сохранению высокого качества молока независимо от условий его получения. В частности, максимальная продолжительность бактерицидной фазы молока вырабатываемого в условиях летних лагерей составляет около 2,4 часа. В условиях ферм продолжительность бактерицидной фазы несколько выше, хотя и в этом случае ее значение не превышает 2,7 часа. По сути дела ресурс бактерицидности молока является полностью израсходованным на этапе промежуточной транспортировки, либо практически сразу же после перекачки молока в танк-охладитель ТОМ-2.
В ходе дальнейшего анализа показано, что улучшение санитарного состояния доильного оборудования играет важную роль в формировании качества конечного продукта, однако основным направлением решения этой проблемы является реализация технологии быстрого охлаждения молока, осуществляемой в процессе его непосредственного получения.
По результатам исследований, представленным во второй главе сформулировано следующее научное положение, выносимое на защиту:
- использование термодинамического подхода к описанию процесса протекания бактерицидной фазы позволяет однозначно установить состояние свежевыдоенного молока с точки зрения конечного продукта и, таким образом, оценить эффективность технологических процессов и оборудования, предназначенных для его первичной обработки.
Третья глава диссертации посвящена разработке основных принципов построения энергосберегающей технологии быстрого охлаждения молока, основанной на использовании одного из наиболее доступных источников естественного холода - воды с глубиной залегания 10-15 метров. Ее
практическая реализация предусматривает непосредственное подключение высокоэффективного жидкостного теплообменника к вакуумной магистрали доильной установки через расширитель с фильтрами механической очистки и стабилизатор потока, соединенных между собой обводным вакуумпроводом. Такое конструктивное решение позволяет обеспечивать очистку и быстрое охлаждение молока практически сразу в процессе его получения при потребляемой мощности, которая в расчете на среднюю ферму хозяйства (стадо из 200 голов) не превышает 750 Вт.
Другим положительным моментом, связанным с реализацией данного способа охлаждения, является также решение проблемы водоснабжения летних лагерей.
Показано, что при наиболее приемлемом уровне охлаждения +9 С продолжительность бактерицидной фазы свежевыдоенного молока, обработанного по предлагаемой технологии, составляет 22,4 часа, что более чем в 9,3 раза превышает продолжительность бактерицидной фазы молока охлажденного по общепринятой технологии. Кроме того, по уровню бактериальной обсемененности, в пределах 28,8 часов хранения такое молоко сохраняет свойства, соответствующие высшему сорту и в течение этого времени может быть реализовано по самой высокой закупочной цене.
По результатам экспериментальных исследований режима движения молока в вакуумной магистрали, а также анализа баланса энергий в каналах теплообменника установлено, что основным условием, способствующим реализации высокой эффективности охлаждения, является обеспечение постоянства массовых расходов взаимодействующих жидкостей. Для выполнения этого условия разработана конструкция элементов подключения теплообменника (расширителя и стабилизатора потока), обеспечивающих отбор молока из магистрали молокопровода и преобразование его пульсирующей подачи в сплошной непрерывный поток без нарушения производительности доильной установки.
Показано, что уровень модуляции потока молока в системе определяется
геометрическими размерами расширителя и может быть сведен к минимуму путем соответствующего подбора его диаметра. Дополнительная стабилизация потока обеспечивается за счет размещения в расширителе фильтров механической очистки и выравнивания давлений остаточной атмосферы на входе и выходе теплообменника путем соединения объемов расширителя и стабилизатора потока обводным вакуумпроводом.
На основании комплексного анализа жидкостного тракта системы в целом сформулированы наиболее общие требования, предъявляемые к основным элементам устройства. Получено аналитическое соотношение, определяющие величину собственного гидростатического напора в системе. Установлена зависимость параметра теплопередачи от глубины остаточной модуляции массового расхода молока в каналах теплообменника.
Приведено устройство, а также описан один из наиболее простых способов бурения скважин малой производительности. При этом отмечается, что использование глубинных скважин центрального водоснабжения в качестве альтернативных источников охлаждающей воды является менее предпочтительным из-за ее неизбежного подогрева в теплое время года.
По результатам исследований, представленным в третьей главе сформулированы следующие научные положения:
- использование в качестве хладоносителя воды с глубиной залегания 10-
15 метров позволяет создавать системы проточного охлаждения парного
молока с высоким уровнем производительности при потребляемой мощности
не более 750 Вт.
- использование расширителя с фильтрами механической очистки и
соединенного с ним обводным вакуумпроводом стабилизатора потока в
качестве элементов подключения теплообменника к магистрали доильной
установки позволяет обеспечить максимальную эффективность его охлаждения
при минимальных массогабаритных показателях устройства.
В четвертой главе диссертации теоретически и экспериментально исследуются процессы, определяющие условия конвективного теплообмена в
каналах реальных охладителей. В ходе предварительного анализа установлен режим движения жидкостей, определена наиболее приемлемая с точки зрения построения компактных легкоразборных теплообменников форма сечения каналов, а также рассмотрены особенности граничных условий, определяющих процесс формирования коэффициентов теплоотдачи в каналах реальных систем.
Результаты предварительного анализа явились основанием для проведения серии модельных экспериментов по исследованию теплоотдачи в геометрически подобных системах при граничных условиях, максимально приближенных к реальным. По результатам обобщения экспериментальных данных получено критериальное соотношение, описывающее условия теплоотдачи в плоских каналах большой протяженности при ламинарном режиме течения жидкости.
Показано, что в условиях значительного перепада давлений в смежных контурах теплообменника деформация разделительных перегородок приводит к изменению гидравлического сопротивления каналов. В ходе экспериментальных и теоретических исследований сформулировано требование, предъявляемое к минимальному значению толщины стенки, при котором еще возможна компенсация потерь проницаемости в условиях располагаемого собственного гидростатического напора.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета высокоэффективных жидкостных теплообменников, а также сформулирован ряд практических рекомендаций по выбору основных параметров проектируемых устройств.
По результатам исследований, представленным в четвертой главе сформулировано следующее научное положение:
- использование плоских каналов с высоким отношением размеров смежных сторон позволяет создавать высокоэффективные легкоразборные проточные охладители молока с наиболее приемлемым соотношением между коэффициентом теплоотдачи и площадью поверхности теплообмена при
жестком ограничении на гидравлическое сопротивление теплообменника.
В пятой главе диссертации представлены результаты исследования процесса охлаждения молока в производственных условиях для теплообменников производительностью 250, 750 и 1000 л/ч.
Теплообменник с производительностью 250 л/ч спроектирован для совместной работы с доильными установками, оснащенными четырьмя вакуумными магистралями, а теплообменник с производительностью 750 л/ч предназначен для быстрого охлаждения молока в схемах доения коров с одним центральным молокопроводом.
В процессе изготовления, настройки и непосредственной эксплуатации систем быстрого охлаждения молока, теплообменники 250 и 750 л/ч, были выявлены некоторые особенности, анализ которых позволил сформулировать основные принципы дальнейшего совершенствования проточных систем:
конструкция охладителя должна иметь моноблочное исполнение, что может быть обеспечено объединением напорного коллектора горячего контура теплообменника с расширителем. Такое конструктивное решение полностью исключает возможность натекания атмосферного воздуха в объем теплообменника, а также способствует упрощению технологии очистки системы в целом;
при изготовлении охладителей необходимо использовать более стойкие по сравнению с алюминием материалы. Например, нержавеющую сталь 08Х17Т, 12Х18Н10Тили 12Х21Н5Т;
- как и в случае теплообменника с производительность 250 л/ч,
конструкция охладителя должна полностью исключать возможность контакта
молока с охлаждающей водой. В этом плане одним из наиболее перспективных
направлений решения этой проблемы является переход к менее трудоемким
полусварным конструкциям;
число герметизирующих прокладок должно быть сведено к минимуму, а крышки всех технологических люков должны оснащаться петлями;
конструкция охладителя должна быть унифицированной. При этом его
компоновочная схема, за исключением геометрических размеров, не должна зависеть от его производительности.
Эти принципы нашли свое воплощение в более перспективной конструкции базовой модели моноблочного охладителя, защищенной патентом Российской федерации. К настоящему времени данная модель охладителя прошла испытания и внедрена в СПК «Исады» Спасского района Рязанской области.
В процессе испытаний молокоохладителя (величина зазоров в каналах /г=1мм, ширина каналов Ь= 100 мм, длина каналов /то = 1000 мм, число каналов молочного контура -/VM=30, толщина стенки 5СТ= 1,5 мм, материал сталь нержавеющая 12Х18М10Т, диаметр расширителя dp=200 мм, высота расширителя /р=350 мм) были получены следующие результаты. При температуре воды +7 С, поступающей из скважины малой производительности с объемным расходом 1,5 м7ч, и температуре молока +36 С, поступающего в расширитель с объемным расходом 1 м7ч, температура молока на выходе охладителя составляла +9 С. По уровню бактериальной обсемененности молоко соответствовало высшему сорту. При годовой выработке молока 595,3 тонны и стоимости охладителя 75,4 тыс. рублей в год срок окупаемости установки составил 4,6 месяца.
По результатам исследований, представленным в пятой главе сформулировано следующее научное положение:
- реализация проточного охлаждения парного молока непосредственно в
процессе его получения, позволяет примерно на 2 часа сократить
продолжительность технологического процесса его первичной обработки в
условиях летних лагерей при одновременном увеличении продолжительности
бактерицидной фазы конечного продукта более чем в 9 раз.
Научная новизна. В ходе проведения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
- установлены аналитические соотношения, описывающие процесс
протекания бактерицидной фазы свежевыдоенного молока в зависимости от температурного режима его хранения;
- разработаны принципы построения экологически чистой
энергосберегающей технологии охлаждения парного молока за счет
использования воды с относительно небольшой глубиной залегания;
- установлено аналитическое соотношение, определяющее зависимость
параметра теплопередачи от глубины модуляции массового расхода молока в
каналах теплообменника;
- получено критериальное соотношение, описывающее условия
теплоотдачи в плоских каналах большой протяженности.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные принципы и технология охлаждения молока позволяют улучшить качество конечного продукта и продолжительность сохранения его натуральных свойств. Сконструированны три типа охладителей с производительностью 250, 750 и 1000 литров парного молока в час, предназначенных для использования в различных схемах доения коров. К настоящему времени изготовлено девять единиц оборудования, которые прошли испытания и успешно эксплуатируются в пяти профильных хозяйствах Спасского района Рязанской области. Их применение позволило примерно на два часа сократить продолжительность процесса первичной обработки молока, снизить потребление энергии на его охлаждение, существенно улучшить гигиену производства и качество вырабатываемого продукта.
Разработка охладителя производительностью 1000 литров молока в час осуществлялось в процессе проведения НИР № 20-24, которая выполнялась на кафедре электронной техники и технологии РГРТА в соответствии с Постановлением губернатора Рязанской области «О финансировании проектов победителей конкурса грантов Рязанской области в сфере науки и техники из средств областного бюджета в 2004 году». В настоящее время данная модель охладителя, внедрена в СПК «Исады» Спасского района Рязанской области. Копии актов внедрения приведены в приложении.
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА В УСЛОВИЯХ ЕГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Охлаждение является основной технологической операцией первичной обработки, выполняемой с целью длительного сохранения натуральных свойств свежевыдоенного молока. Поэтому качество конечного продукта в значительной мере определяется эффективностью холодильного оборудования, используемого в условиях непосредственного производства.
1.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МОЛОКУ ПРИ ЕГО МАССОВЫХ
ЗАГОТОВКАХ
Основные требования, предъявляемые к молоку при его массовых заготовках, регламентируются ГОСТом Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье - сырое».
Исходя из этого стандарта, молоко после каждой дойки должно быть очищено от механических примесей и охлаждено. При этом оно должно удовлетворять общероссийской норме базисной жирности - 3,4%, а по внешнему виду и консистенции - соответствовать однородной жидкости от белого до светло-кремового цвета, без осадков и хлопьев. Оно также не должно иметь посторонних запахов и привкусов, несвойственных свежему натуральному молоку.
В зависимости от микробиологических, органолептических и физико-химических показателей молоко подразделяется на четыре сорта: высший, первый, второй и несортовое.
Молоко высшего сорта должно иметь кислотность не выше 18 Т (градусы Тернера), степень чистоты не ниже I группы, плотность не менее 1028,0 кг/м и бактериальную обсемененность не выше 3-Ю м".
Молоко первого сорта должно удовлетворять практически таким же показателям, за исключением того, что его плотность не должна опускаться ниже 1027,0 кг/м3, а бактериальная обсемененность не превышать 5-Ю1 м'3.
Молоко второго сорта должно иметь кислотность не выше 20,99 Т, степень чистоты не ниже II группы, плотность не менее 1027,0 кг/м и бактериальную обсемененность не выше 4-Ю м".
Молоко не соответствующее требованиям второго сорта, то есть с кислотностью более 21 Т, плотностью менее 1026,9 кг/м3, но со степенью чистоты не ниже III группы, принимается как не сортовое
Что касается теплового режима, то, независимо от сорта, охлаждение молока должно проводиться не позднее двух часов после дойки до температуры (4 ± 2) С. При сдаче на предприятия молочной промышленности температура молока не должна превышать 8 С. В тоже время, согласно пункту 7.4 настоящего ГОСТа, допускается (по договоренности сторон) вывоз неохлажденного (!) молока из хозяйств на перерабатывающие предприятия в течении не более одного часа после дойки.
Большинство из приведенных показателей не требует специальных пояснений. Тем не менее, следует особо подчеркнуть тот факт, что молоко, прошедшее операцию охлаждения и реализуемое высшим сортом, является наиболее ценным сырьевым продуктом и принимается перерабатывающими предприятиями по самой высокой закупочной цене.
1.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХОЛОДИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В настоящее время в плане повышения сохраняемости качества вырабатываемого молока большое внимание уделяется не только совершенствованию традиционных способов первичной обработки, но и поиску новых конструктивных и технологических решений, обеспечивающих его эффективное охлаждение в условиях молочно - товарных ферм.
17 1.2.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
История этой проблемы (как, впрочем, и проблемы сохранения других жизненно важных пищевых продуктов) восходит к периоду зарождения производственных отношений, однако вплоть до становления крупных молочных хозяйств ее решение основывалось на использовании естественных источников холода.
Согласно рекомендациям того времени, охлаждение молока осуществлялось во флягах, которые устанавливались в бассейне, заполненном проточной водой [1 -6]. Для ускорения процесса в бассейн помещались куски льда, а само молоко подвергалось непрерывному перемешиванию [2, 3, 5, 7].
Внедрение такой технологии охлаждения не требовало серьезных капиталовложений, но, вместе с тем, она обладала рядом серьезных недостатков: большая доля ручного труда, низкая эффективность теплообмена, высокая трудоемкость заготовки льда и сложности с его хранением в теплый период года [1 - 3, 5]. Скорее всего последнее и являлось основной причиной, по которой данная технология в полном объеме не получила широкого распространения в условиях летних лагерей.
Позднее, одновременно с развитием холодильной техники и повышением энерговооруженности коллективных хозяйств, были разработаны и выпущены небольшими сериями несколько типов молокоохладителей, представлявших собой ту или иную разновидность жидкостного теплообменника с относительно невысокой производительностью. В зависимости от конструктивного исполнения и способа подачи молока к поверхности теплообмена они подразделялись на цилиндрические, плоские, оросительные, вакуумно-оросительные и другие [2 - 5, 8]. В качестве охлаждающей среды в них использовалась холодная вода или рассол с объемным расходом, в 2,5-КЗ раза превышающим объемный расход охлаждаемого молока.
Параллельно с этим велись разработки танков для хранения охлажденного молока вместимостью от 2 до 20 тонн [3,9-11]. Первоначально
они представляли собой теплоизолированные емкости (рис 1.1) со средствами контроля температуры и люком для очистки внутренней поверхности. Впоследствии танки вместимостью до 2 тонн стали оснащаться холодильными машинами, которые подключались к молочному резервуару через промежуточный рассольный контур, либо путем непосредственного размещения испарителя в емкости танка [11-13]. Технические характеристики некоторых из них, заимствованные из работ [1 - 3, 9, 14,], приведены в табл. 1.1.
а) б)
Рис. 1.1. Емкости для хранения молока: а - горизонтальная; б - вертикальная
Таблица 1.1
Технические характеристики емкостей для охлаждения молока.
Благодаря простоте обслуживания, такие устройства пользовались наибольшим спросом в хозяйствах, в связи с чем были положены в основу более поздних разработок, в частности, танков-охладителей типа «ТОМ». По сути дела танки-охладители «ТОМ-1» и «ТОМ-2,0А» несмотря на относительно низкую холодопроизводительность, продолжают оставаться основным и пожалуй единственным типом технологического оборудования, которое в настоящее время используется для охлаждения и хранения молока в условиях его непосредственного производства [4].
Что касается проблемы быстрого (проточного) охлаждения молока на фермах, то одной из наиболее удачных попыток ее решения следует считать разработку и серийный выпуск пластинчатых охладителей типа ОМ-1, поставляемых в комплекте с доильными установками [1]. Однако, несмотря на достаточно высокую эффективность, они оказались малопригодными к длительной работе в реальных условиях эксплуатации. В частности, большое число фигурных резиновых прокладок не предусматривало периодического вскрытия теплообменников, поскольку нередко эта операция сопровождалась потерей герметичности и, как следствие, проникновением в молоко охлаждающей воды [3]. В то же время, отсутствие возможности оперативного доступа к поверхности теплообмена затрудняло проведение качественной очистки охладителей после каждого цикла доения, что являлось одной из основных причин ухудшения качества обрабатываемого молока по показателю бактериальной обсемененности. Дополнительно эта проблема осложнялась малым гидравлическим диаметром жидкостных каналов, а также наличием застойных объемов, способствовавших непрерывному накоплению плохорастворимых твердых загрязнений. В конечном итоге, частые засорения и низкая ремонтопригодность конструкции привели к полному выходу из строя всех пластинчатых охладителей, эксплуатируемых в хозяйствах.
20 1.2.2. СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
Несмотря на остроту проблемы эффективного охлаждения молока в условиях непосредственного производства, перечень выпускаемого в настоящее время технологического оборудования продолжает оставаться практически неизменным.
Так, например, предприятие ООО «АГРОКОМ-М» (г. Москва) по-прежнему предлагает танки-охладители «ТОМ-1200», «ТОМ-1600», «ТОМ-2000» и «ТОМ-2000Б» (рис. 1.2, а) вместимостью от 1,2 до 2 м3 [15]. Краснодарский машиностроительный завод выпускает танки-охладители молока типа «ОМН-1,0» и «ЮМН-2,0» (рис. 1.2, в) вместимостью 1 и 2 м соответственно [16]. Вологодский машиностроительный завод производит резервуары-охладители под маркой «ОРМ» вместимостью от 0,3 до 5 м3 [17].
Рис. 1.2. Охладители молока: а- «ТОМ» [15]; б - «ОМ-2.0» [18]; в- «ОМН-1.0» [16]
Сюда также следует отнести оборудование, поставляемое в Россию из стран «ближнего зарубежья». Это танки-охладители, выпускаемые под общей маркой «ОМ» (рис. 1.2, б) Мелитопольским заводом холодильного машиностроения «РЕФМА» (Украина) [18] и машиностроительной компанией
21 «Промтехника» (Беларусь) [19]. Их рабочая вместимость колеблется в пределах
от 0,13 до 5 м .
Из стран «дальнего зарубежья» особое место в нашей стране занимают шведские фирмы «Альфа-Лаваль» [9] и «DeLaval» [20]. Широкий спектр аналогичного оборудования, представленный этими фирмами отличается высокой надежностью, полной автоматизацией процесса и великолепным дизайном.
Однако, что касается наиболее важной характеристики танков-охладителей - скорости охлаждения, то, как в отечественных, так и в зарубежных разработках, она продолжает оставаться невысокой. Как и в установках типа «ТОМ», время охлаждения молока при 50% заполнении рабочей емкости танков (!) примерно одинаково и составляет около 3 часов.
В то же время следует отметить, что одним из основных факторов, ограничивающих возможность увеличения скорости охлаждения молока в резервуарах, является его слабая турбулизация при перемешивании и, соответственно, низкая эффективность теплоотдачи в пристеночном слое. Это, в свою очередь, практически полностью исключает возможность повышения эффективности теплообмена за счет понижения температуры стенки и использования более мощного холодильного агрегата.
Прежде всего это объясняется тем, что понижение температуры стенки неизбежно связано с намораживанием молока на ее поверхности. Как показывает анализ, появление и непрерывный рост толщины ледяной корки с низкой теплопроводностью приводит к существенному росту термического сопротивления теплопередающего тракта системы в целом. Кроме того, эта проблема осложняется значительным снижением холодопроизводительности используемого агрегата в связи с переходом теплоносителя в менее эффективный низкотемпературный режим кипения. Поэтому в реальной ситуации увеличение эффективности теплообмена проявляется лишь на начальной стадии охлаждения.
Другим отрицательным моментом, связанным с наморозкой молока на
стенках, является ухудшение его качества, поскольку это сопровождается разрывом оболочек жировых шариков и потерей молочным жиром своей стабильности [9]. По этой причине рекомендуемая температура охлаждения молока не должна опускаться по мнению автора ниже +6 С. Более глубокое охлаждение приводит к значительным непроизводительным затратам энергии и технологически не обосновано [21].
Так как указанные ограничения носят принципиальный характер, то единственным способом повышения эффективности охлаждения молока в резервуарах остается увеличение поверхности теплообмена. Однако, поскольку использование развитых поверхностей сопряжено с ухудшением условий проведения качественной очистки резервуаров, этот метод требует дополнительной проработки.
Справедливость такого утверждения подтверждается результатами патентного поиска. По крайней мере среди большого числа патентов и авторских свидетельств на изобретение (см. приложение), выданных за последние более чем 10 лет, обнаружено только три патента, непосредственно относящихся к данному направлению.
Так, например, в работе [22] для повышения эффективности охлаждения молока предлагается лопасти мешалки оснастить каналами, по которым должна циркулировать охлаждающая жидкость. Однако, из-за отсутствия в описании патента каких бы то ни было количественных соотношений, оценка энергетической эффективности данного конструктивного решения не представляется возможной. Поэтому, принимая во внимание низкое значение отношения площади поверхности мешалки к суммарной площади поверхности боковых стенок и дна резервуара, можно предположить, что она является недостаточно высокой.
То же самое можно сказать и о технических решениях, предложенных в работах [23 - 25], поскольку в данном случае охлаждение молока предлагается осуществлять с помощью только одного подвижного теплообменника, удерживаемого на поверхности молока за счет поплавка.
Имеются и другие патенты, связанные с улучшением работы танков-охладителей. Однако предлагаемые в них технические решения касаются в основном изменения формы корпуса резервуара [26], использования при его изготовлении менее теплоемких полимерных материалов [23] и уменьшения тепловых потерь за счет применения более эффективных теплоизоляционных покрытий [27].
Таким образом, из сказанного следует, что приведенное выше значение продолжительности охлаждения молока в танках-охладителях (около 3 часов при 50% загрузке) вряд ли может быть изменено (по крайней мере, в ближайшем будущем) в сторону меньших значений. Поэтому, несмотря на достаточно высокую мощность холодильного агрегата, они могут использоваться эффективно лишь в качестве устройств, предназначенных для длительного хранения молока, при условии, что оно уже прошло стадию предварительного проточного охлаждения [21].
Что касается оборудования для проточного охлаждения молока, то в настоящее оно представлено достаточно широким ассортиментом, хотя, как и в случае танков-охладителей, конструктивно (рис. 1.3) оно не претерпело, каких бы то ни было, существенных изменений.
а) б)
Рис. 1.3. Пластинчатые охладители молока
Поскольку некоторые особенности, связанные с эксплуатацией пластинчатых теплообменников в условиях молочно-товарных ферм уже рассматривались выше, остается лишь кратко остановиться на следующих, не
менее важных, ключевых моментах.
Прежде всего, отметим, что герметизация каналов, а также формирование потоков молока и хладагента в пластинчатых теплообменниках осуществляется с помощь резиновых прокладок, которые, как отмечается в работе [28], не обеспечивают строгого постоянства зазоров в каналах (особенно при их износе). Это приводит к потере эффективности теплообмена, так как «переохлаждение» молока в наиболее узких каналах и, соответственно, повышение его вязкости вызывает образование застойных зон, сокращающих эффективную поверхность теплообмена.
Кроме того, сама величина зазора, составляющая порядка 3,5 мм [28] представляется в данном случае не вполне оптимальной, поскольку при малых скоростях прокачки эффективность теплоотдачи при ламинарном режиме течения слабо зависит от скорости движения молока и находится лишь в жесткой обратнопропорциональной зависимости от величины эквивалентного диаметра каналов [29]. В то же время, уменьшение зазора за счет более сильного сжатия резиновых прокладок ограничено наличием рифлей.
Другим серьезным недостатком пластинчатых теплообменников является низкая эффективность охлаждения молока в режиме пульсирующей подачи, что имеет место при совместной работе охладителей с доильными установками. Это в свою очередь вызывает необходимость использования неоправданно больших поверхностей теплообмена и, соответственно, более мощных холодильных установок.
И, наконец, о более существенном. Относительно невысокое значение температурного напора между температурой парного молока и температурой охлаждающего рассола в промежуточном контуре системы вызывает необходимость тщательной оптимизации конструкции теплообменника, что в случае пластинчатых охладителей является практически невозможным из-за их высокой унификации.
Кроме того, имеющиеся в литературе расчетные критериальные соотношения для ламинарного режима течения являются приближенно
справедливыми лишь в двух частных случаях, когда температура стенки или плотность теплового потока вдоль поверхности теплообмена постоянны. При этом также предполагается, что за участком стабилизации коэффициент теплоотдачи и теплофизические свойства жидкости остаются неизменными. Поэтому в случае молока, из-за существенной зависимости его теплофизических свойств от температуры, использование рекомендованных соотношений приводит к большим погрешностям в расчетах, что в конечном итоге затрудняет выбор оптимальной конструкции, а также разработку нормального ряда высокоэффективного проточного оборудования, соответствующего производительности той или иной фермы.
В то же время, о необходимости разработки такого оборудования говорит хотя бы тот факт, что технология проточного охлаждения молока рассматривается практически во всех учебных пособиях, а также справочных изданиях, касающихся его первичной обработки. В связи с этим, может сложиться впечатление, что такая технология является общепринятой и используется если не во всех, то, по крайней мере, в подавляющем большинстве хозяйств. Однако в действительности дело обстоит далеко не так. Убедительным подтверждением этого является выдержка, заимствованная из работы из работы [21], которая в данном случае приводится без каких либо сокращений.
«В настоящее время на фермах режимы обработки молока определяются не технологическими требованиями, а имеющимся оборудованием. Оборудование же на фермах устанавливают малоэффективное, некомплектное. Применяемая в поточных линиях доения система обработки молока не позволяет получить продукт высших кондиций. Агрегаты по обработке молока могут работать только на равномерном потоке, а доильные установки создают пульсирующий поток. Поэтому из-за неэффективности большинства выпускаемых агрегатов по первичной обработке молока до 70% их бездействует. Кроме того, недостаток в сельском хозяйстве специалистов по молочному и холодильному оборудованию отрицательно сказывается на
результатах работы».
При этом следует отметить, что все сказанное выше характеризует состояние молочного производства на 1990 год, когда положение дел было еще не столь катастрофичным. И, тем не менее, приведенная здесь цифра 70% представляется несколько заниженной. По крайней мере, все попытки ознакомится с реальной технологией проточного охлаждения молока на примере хотя бы одного из хозяйств в настоящее время оказались безуспешными. Поэтому, как и прежде, основным потребителем пластинчатых охладителей остаются как крупные, так и небольшие предприятия, связанные с глубокой переработкой молока, поскольку в данном случае проблема стабилизации его потока, качественной предварительной очистки и технического обслуживания охладителей решается относительно просто.
Однако несмотря на это, пластинчатые охладители продолжают оставаться основным структурным элементом в ряде предлагаемых технических решений [30 - 36], в которых их относительно низкие эксплуатационные показатели могут быть отчасти скомпенсированы высокой производительностью.
Типичным примером таких разработок является конструкция проточного охладителя [31], включающая в себя холодильный агрегат, рассольный контур, и два пластинчатых теплообменника (рис. 1.4).
Молоко 4 С
ЧІ _ _Ч
Рис. 1.4. Конструкция проточного охладителя [31]: 1 - резервуар для сбора молока; 2а, 26 - холодный и теплый резервуары с рассолом; 3 - насос с плавной регулировкой подачи; 4, 5 - циркуляционные насосы; 6, 7 -разборный и паяный пластинчатые теплообменники; 8 - холодильный агрегат
В данном случае молоко предварительно собирается в отельную емкость, откуда с помощью насоса нагнетается в первый теплообменник. Охлаждение производится рассольным раствором, который в свою очередь охлаждается во втором теплообменнике хладагентом холодильного агрегата. Уровень охлаждения молока поддерживается автоматически путем изменения скорости его подачи в первый теплообменник.
Как видно, использование холодильной машины и автоматическое регулирование скорости подачи делает процесс охлаждения молока независящим от условий окружающей среды. Однако, поскольку уровень охлаждения молока находится в жесткой обратнопропорциональной зависимости от производительности устройства, вполне очевидно, что практическая реализация проточного охлаждения с использованием обычных холодильных агрегатов [24, 30, 31, 37 - 46] потребует существенных энергетических затрат.
Так например, средняя ферма (стадо из 200 коров) в процессе одной дойки вырабатывает примерно 1500 кг парного молока. Чтобы охладить такую массу до температуры +2 С (такой уровень охлаждения предлагается в работе [31]), необходимо отвести и рассеять в окружающую среду тепловую энергию
более 2-Ю Дж. Если при этом продолжительность охлаждения не будет выходить за пределы предусмотренного ГОСТом двухчасового (после каждой дойки) временного интервала, то для рассеивания такой энергии холодопроизводительность проточных охладителей должна составлять около 30 кВт, что примерно в 4 раза превышает возможности любого холодильного агрегата, эксплуатируемого в хозяйствах.
Практически то же самое можно сказать и о достаточно большом числе технических решений, в которых предлагается использование альтернативных с точки зрения экологической безопасности способов получения искусственного холода. В основном это касается устройств, основанных на скрытой теплоте парообразования (вакуумно-испарительное охлаждение) [32, 47 - 60], и эффекте Пельтье (термоэлектрическое охлаждение) [61 - 64]. При этом вполне
очевидно, что каждое из них в случае практической реализации может существенно отличаться по энергопотреблению, массе, габаритам, простоте обслуживания и стоимости. В то же время, применительно к системам охлаждения молока эти параметры могут и не иметь существенного значения, поскольку основным требованием, предъявляемым к такому типу оборудования, является сохранение высокого качества конечного продукта. Однако, из-за отсутствия в литературе методики количественной оценки этого показателя, детальный анализ эффективности предлагаемых устройств и, соответственно, выбор наиболее приемлемого конструктивного решения не представляется возможным.
И тем не менее, из приведенного выше расчета следует, что проточные охладители молока относятся к разряду установок средней холодопроизводительности. Как правило, это громоздкие и дорогие устройства, эксплуатация которых требует возведения специальных помещений, массивных фундаментов и, что не менее важно, повышения уровня квалификации обслуживающего персонала. Причем, будучи установленными на летних лагерях, они могут быть использованы лишь в теплое время года, так как из-за отсутствия какой бы то ни было мобильности, при переходе стада на зимний стойловый период, охладители должны быть надежно законсервированы с учетом возможных паводковых затоплений.
Возвращаясь вновь к проблеме энергопотребления, габаритов, массы и стоимости, следует иметь в виду, что еще совсем недавно они не оказывали существенного влияния на процесс внедрения любого технологического оборудования в хозяйствах. Однако с изменением общей экономической ситуации, требования к снижению этих показателей непрерывно возрастают и несомненно будут возрастать в дальнейшем. В то же время, приведенное выше
значение рассеиваемой энергии (не менее 2-Ю Дж на каждый из летних лагерей) является следствием, вытекающим из закона сохранения энергии, поэтому единственным способом снижения мощности холодильного агрегата (но не энергетических затрат в целом) является предварительная аккумуляция
холода.
В простейшем случае такая аккумуляция может быть реализована путем соответствующего увеличения объема промежуточного теплоносителя в системе и его более глубокого предварительного охлаждения [30, 32, 39, 41]. В качестве дополнительных мер, направленных на увеличения энергетической емкости аккумулятора холода, может также использоваться предварительная наморозка льда [37, 40, 63].
Рассмотрим принцип действия такого устройства на примере технического решения, предложенного в работе [37]. Его структурная схема (рис. 1.5) включает в себя молочный теплообменник, аккумулятор холода, линию подачи промежуточного теплоносителя и холодильный агрегат с холодопроизводительностью 1,65 кВт, испаритель которого размещен непосредственно в резервуаре аккумулятора.
—ч І Теплое молоко І
Заполнение, подпитка системы ^104 — 8 pq .-""Т j"
CZZJ
і
JІ
/ /к LL-!F==>i
Охлажденное молоко
Рис. 1.5. Устройство для охлаждения молока [37]: 1 - холодильный агрегат; 2 - аккумулятор холода; 3 - охладитель; 4 - компрессор; 5 -конденсатор; 6 - сборник охлажденного хладоносителя; 7, 8 -форсунки; 9-кожух охладителя; 10-каналы для хладоносителя; 11 - трубы; 12,13 - вентили; 14 - насос; 15 - молокоприемник
Зарядка аккумулятора холода производится между периодами охлаждения молока и осуществляется намораживанием льда на испарителе при заполнении резервуара аккумулятора водой, либо путем мелкодисперсного распыления воды через форсунки, установленные над испарителем.
В рабочем режиме молоко подается в теплообменник, где оно охлаждается в процессе взаимодействия с водой, нагнетаемой из аккумулятора
холода. С выхода молочного теплообменника «отработанная» вода возвращается в аккумулятор, в котором она охлаждается за счет поглощения теплоты плавления при пленочном обтекании ледяных наростов на испарителе. После этого вода вновь подается в молочный теплообменник и цикл повторяется.
При оценке реальной производительности такого устройства следует иметь в виду, что для охлаждения 1500 кг парного молока необходимо наморозить 640 кг льда. С учетом приведенного выше значения холодопроизводительности (1,65 кВт), минимальное время наморозки такой массы составит около 36 часов. Следовательно, при трехразовом режиме доения, каждый из летних лагерей хозяйства должен оснащаться, как минимум, пятью установками, работающими в непрерывном режиме. В случае использования одной, более мощной установки, ее производительность должна быть увеличена примерено на порядок и составлять не менее 17 кВт.
Однако следует отметить, что, несмотря на практически двукратное снижение холодопроизводительности, аккумуляция холода не снижает энергопотребления в целом, поскольку при данном способе охлаждения оно определяется только массой перерабатываемого молока, его конечной температурой и значением холодильного коэффициента (характеристика, аналогичная к.п.д.) используемого агрегата. Более того, по сравнению с предыдущим устройством, реальные энергетические затраты будут существенно выше в связи с неизбежным снижением холодопроизводительности устройства в процессе роста ледяных образований на испарителе, а также из-за притока тепла к аккумулятору холода из окружающей среды. Немаловажным окажется и тот факт, что ожидаемое улучшение массогабаритных показателей устройства за счет уменьшения мощности агрегата будет полностью (если не в большей степени) скомпенсировано наличием аккумулятора холода, что в сочетании с усложнением процесса обслуживания делает данный способ охлаждения практически неприемлемым в условиях работы летних лагерей.
В то же время вполне очевидно, что в условиях ферм, где проблема круглосуточного обслуживания (в том числе и проблема ограничения доступа посторонних лиц) решается несколько проще, последнее утверждение может оказаться не столь категоричным. Однако и в этом случае наиболее интересными представляются разработки, в которых проявляются признаки энергосберегающих технологий [30, 32, 38-41, 50, 52, 55, 57, 58].
Рассмотрим принцип действия таких устройств на примере технического решения, предложенного в работе [38].
В принципе, его структурная схема (рис. 1.6) мало отличается от приведенной выше, за исключением того, что испаритель холодильной машины выполнен в виде соединенных между собой в батарею вертикальных труб, верхняя часть которых выступает над уровнем воды в ванне аккумулятора холода.
Рис. 1.6. Устройство для охлаждения молока [38]: 1 - теплообменник; 2 -циркуляционный контур охлаждающей воды; 3 - нагнетатель; 4 - контур охлаждаемого молока; 5 - нагнетатель; 6 - компрессор; 7 - испаритель; 8 -конденсатор; 9 - регулирующий вентиль; 10 - циркуляционный контур хладагента; 11 - ванна; 12 - боковая стенка ванны; 13 - отверстие; 14 -вентилятор; 15 - регулирующий элемент; 16 - датчик температуры; 17 - приспособление для вертикального перемещения испарителя
В процессе работы молоко охлаждается проточной водой, нагнетаемой в молочный теплообменник из ванны, где в теплое время года она охлаждается за
счет использования холодильного агрегата. Ванна и испаритель выполняют роль льдогенератора, накопление которого повышает эффективность охлаждения в режиме пиковых нагрузок. Однако с наступлением холода охлаждение циркулирующей воды производится при отключенной холодильной машине и осуществляется путем прокачки наружного воздуха через верхнюю часть батареи вертикальных труб испарителя с помощью мощного осевого вентилятора, установленного в боковой стенке аккумулятора холода. При этом передача тепла от воды к воздуху осуществляется за счет термосифонного эффекта, возникающего в трубах испарителя.
По сути дела, в данном техническом решении рассматривается попытка объединения двух независимых способов охлаждения, практическая реализация которых основывается на использовании общих структурных элементов: молочного теплообменника, жидкостной магистрали и испарителя холодильного агрегата, выполняющего одновременно роль воздушного теплообменника. Однако, несмотря на высокую эффективность теплопередачи, обеспечиваемой термосифонным эффектом в испарителе, общее термическое сопротивление теплопередающего тракта (молоко - окружающая среда) из-за наличия большого числа теплопередающих поверхностей представляется достаточно высоким. В связи с этим, реализация требуемого уровня холодопроизводительности за счет использования холода наружного воздуха возможна лишь при относительно высоких отрицательных температурах окружающей среды. Поэтому, в целом, экономическая эффективность от использования таких устройств (а также устройств, основанных только на использовании естественных источников холода: холода наружного воздуха [34, 65 - 70], холода грунтовых вод [71], естественного холода грунта [72, 73], холода льда [66]), может оказаться не столь ощутимой, поскольку данная технология применима лишь в периоды, которые по времени совпадают с периодами резкого снижения количества вырабатываемого молока. В теплый же период года охлаждение молока осуществляется с помощью холодильных машин, недостатки которых уже отмечались ранее.
Однако каждому из описанных устройств присущ и более серьезный недостаток, который заключается в том, что процесс охлаждения молока в них осуществляется только после его высвобождения из-под вакуума, то есть после окончания процесса доения коров. В то же время, хронометраж основных этапов получения молока, таких как: непосредственное доение; раздельное взвешивание молока, полученного каждой дояркой; перекачка молока из накопительных емкостей в общую промежуточную емкость, показывает, что свежевыдоенное молоко около 2,5 часов находится при достаточно высокой температуре, которая в летнее время года в среднем составляет около +36 С. Поэтому еще до поступления в охлаждающие устройства (включая танки-охладители типа «ТОМ») оно практически полностью расходует свой ресурс бактерицидности [74]. Последующее за этим охлаждение лишь незначительно снижает скорость нарастания кислотности и таким образом практически не способствует решению одной из наиболее важных задач первичной обработки -сохранению высокого качества конечного продукта.
Существует и другая проблема, непосредственно связанная с качеством молока, вырабатываемого в условиях работы летних лагерей. Это высокий процент заболевания коров туберкулезом, ящуром и инфекционным воспалением вымени. В основном заражение скота, и соответственно, молока обусловлено низкой гигиеной производства, в частности, использованием воды из открытых водоемов. Кроме того, использование некачественной воды для промывки магистралей доильных установок, накопительных емкостей и фляг является одной из главных причин, приводящих к резкому снижению продолжительности бактерицидной фазы получаемого молока. Однако, несмотря на вполне очевидные экономические потери, а также непрерывные штрафные санкции, предъявляемые к товаропроизводителям со стороны санитарно-эпидемиологических служб, проблема снабжения летних молочных лагерей качественной питьевой водой в большинстве хозяйств остается нерешенной.
Что касается экономических потерь, которые несут товаропроизводители
из-за низкого качества поставляемого молока, то они находятся на уровне 10-15% от реализуемого объема. Если при этом учесть, что основная масса молока (более 70 %) вырабатывается в условиях летних лагерей, находящихся, как правило, на большом удалении от центральных усадьб, общие экономическое потери весьма ощутимы.
Таким образом, из приведенного выше анализа следует, что решение проблемы повышения качества и сохраняемости вырабатываемого молока является важной народно-хозяйственной задачей, успешное решение которой возможно лишь при комплексном подходе к проблемам летних лагерей. В основном, это создание условий для улучшения производственной гигиены путем приведения в соответствие санитарным нормам их водоснабжения, что, в свою очередь, открывает возможность реализации энергосберегающей технологии быстрого охлаждения парного молока, осуществляемой в процессе его непосредственного получения.
1.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Современное оборудование и перспективы его развития
Несмотря на остроту проблемы эффективного охлаждения молока в условиях непосредственного производства, перечень выпускаемого в настоящее время технологического оборудования продолжает оставаться практически неизменным.
Так, например, предприятие ООО «АГРОКОМ-М» (г. Москва) по-прежнему предлагает танки-охладители «ТОМ-1200», «ТОМ-1600», «ТОМ-2000» и «ТОМ-2000Б» (рис. 1.2, а) вместимостью от 1,2 до 2 м3 [15]. Краснодарский машиностроительный завод выпускает танки-охладители молока типа «ОМН-1,0» и «ЮМН-2,0» (рис. 1.2, в) вместимостью 1 и 2 м соответственно [16]. Вологодский машиностроительный завод производит резервуары-охладители под маркой «ОРМ» вместимостью от 0,3 до 5 м3 [17].
в Россию из стран «ближнего зарубежья». Это танки-охладители, выпускаемые под общей маркой «ОМ» (рис. 1.2, б) Мелитопольским заводом холодильного машиностроения «РЕФМА» (Украина) [18] и машиностроительной компанией «Промтехника» (Беларусь) [19]. Их рабочая вместимость колеблется в пределах от 0,13 до 5 м .
Из стран «дальнего зарубежья» особое место в нашей стране занимают шведские фирмы «Альфа-Лаваль» [9] и «DeLaval» [20]. Широкий спектр аналогичного оборудования, представленный этими фирмами отличается высокой надежностью, полной автоматизацией процесса и великолепным дизайном.
Однако, что касается наиболее важной характеристики танков-охладителей - скорости охлаждения, то, как в отечественных, так и в зарубежных разработках, она продолжает оставаться невысокой. Как и в установках типа «ТОМ», время охлаждения молока при 50% заполнении рабочей емкости танков (!) примерно одинаково и составляет около 3 часов.
В то же время следует отметить, что одним из основных факторов, ограничивающих возможность увеличения скорости охлаждения молока в резервуарах, является его слабая турбулизация при перемешивании и, соответственно, низкая эффективность теплоотдачи в пристеночном слое. Это, в свою очередь, практически полностью исключает возможность повышения эффективности теплообмена за счет понижения температуры стенки и использования более мощного холодильного агрегата.
Прежде всего это объясняется тем, что понижение температуры стенки неизбежно связано с намораживанием молока на ее поверхности. Как показывает анализ, появление и непрерывный рост толщины ледяной корки с низкой теплопроводностью приводит к существенному росту термического сопротивления теплопередающего тракта системы в целом. Кроме того, эта проблема осложняется значительным снижением холодопроизводительности используемого агрегата в связи с переходом теплоносителя в менее эффективный низкотемпературный режим кипения. Поэтому в реальной ситуации увеличение эффективности теплообмена проявляется лишь на начальной стадии охлаждения.
Другим отрицательным моментом, связанным с наморозкой молока на стенках, является ухудшение его качества, поскольку это сопровождается разрывом оболочек жировых шариков и потерей молочным жиром своей стабильности [9]. По этой причине рекомендуемая температура охлаждения молока не должна опускаться по мнению автора ниже +6 С. Более глубокое охлаждение приводит к значительным непроизводительным затратам энергии и технологически не обосновано [21].
Так как указанные ограничения носят принципиальный характер, то единственным способом повышения эффективности охлаждения молока в резервуарах остается увеличение поверхности теплообмена. Однако, поскольку использование развитых поверхностей сопряжено с ухудшением условий проведения качественной очистки резервуаров, этот метод требует дополнительной проработки.
Справедливость такого утверждения подтверждается результатами патентного поиска. По крайней мере среди большого числа патентов и авторских свидетельств на изобретение (см. приложение), выданных за последние более чем 10 лет, обнаружено только три патента, непосредственно относящихся к данному направлению.
Так, например, в работе [22] для повышения эффективности охлаждения молока предлагается лопасти мешалки оснастить каналами, по которым должна циркулировать охлаждающая жидкость. Однако, из-за отсутствия в описании патента каких бы то ни было количественных соотношений, оценка энергетической эффективности данного конструктивного решения не представляется возможной. Поэтому, принимая во внимание низкое значение отношения площади поверхности мешалки к суммарной площади поверхности боковых стенок и дна резервуара, можно предположить, что она является недостаточно высокой.
То же самое можно сказать и о технических решениях, предложенных в работах [23 - 25], поскольку в данном случае охлаждение молока предлагается осуществлять с помощью только одного подвижного теплообменника, удерживаемого на поверхности молока за счет поплавка.
Имеются и другие патенты, связанные с улучшением работы танков-охладителей. Однако предлагаемые в них технические решения касаются в основном изменения формы корпуса резервуара [26], использования при его изготовлении менее теплоемких полимерных материалов [23] и уменьшения тепловых потерь за счет применения более эффективных теплоизоляционных покрытий [27].
Таким образом, из сказанного следует, что приведенное выше значение продолжительности охлаждения молока в танках-охладителях (около 3 часов при 50% загрузке) вряд ли может быть изменено (по крайней мере, в ближайшем будущем) в сторону меньших значений. Поэтому, несмотря на достаточно высокую мощность холодильного агрегата, они могут использоваться эффективно лишь в качестве устройств, предназначенных для длительного хранения молока, при условии, что оно уже прошло стадию предварительного проточного охлаждения [21].
Что касается оборудования для проточного охлаждения молока, то в настоящее оно представлено достаточно широким ассортиментом, хотя, как и в случае танков-охладителей, конструктивно (рис. 1.3) оно не претерпело, каких бы то ни было, существенных изменений.
Разработка методики количественной оценки бактерицидных свойств молока
Одним из важных свойств свежевыдоенного молока является его бактерицидная активность, которая проявляется в способности противостоять интенсивному размножению бактерий. Однако без применения специальных мер, эта способность сохраняется в течение относительно короткого промежутка времени. В частности, при температуре молока +30 С его бактерицидность сохраняется лишь около 3 часов, после чего в нем происходит быстрый процесс нарастания кислотности, приводящий к резкому ухудшению его качества [80]. Поскольку этот процесс носит экспоненциальный характер, то вполне очевидно, что при естественной температуре парного молока +37 С любые нежелательные отклонения в технологии его получения приводят к существенному сокращению указанного промежутка времени.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения срока бактерицидности молока является его быстрое охлаждение [80]. Например, парное молоко, быстро охлажденное от исходной температуры +37 С до температуры +15 С способно задерживать размножение бактерий около 12 часов. При таком же способе охлаждения до температуры +10 С практически полностью прекращается процесс развития большинства микробов (за исключением хладолюбивых). В данном случае продолжительность бактерицидной фазы возрастает примерно вдвое и достигает 24 часов. При конечной температуре охлаждения +5 С срок бактерицидности составляет около 36 часов.
Столь подробное описание зависимости продолжительности бактерицидной фазы от температуры обусловлено, прежде всего, тем, что это практически вся (!) количественная информация, которая напрямую связана с бактерицидными свойствами молока. Немаловажным является и тот факт, что эти данные заимствованы из второго издания Большой Советской Энциклопедии, выпущенной в 1954 году. При этом статья «Молоко» в ней написана по материалам работы, опубликованной в 1948 году. Тем не менее, эта зависимость продолжает оставаться неизменной по настоящее время, о чем свидетельствуют экспериментальные данные, представленные в табл. 2.1. Поэтому, если не считать некоторой неопределенности в сроке бактерицидности молока в области низких температур, можно сделать вывод о том, что за столь продолжительный период развития технология его непосредственного производства не претерпела каких бы то ни было существенных изменений.
Следует также иметь в виду, что приведенные выше зависимости характеризуют свойства небольших проб молока, охлажденных сразу же после извлечения из вымени. Поэтому они не дают представления о реальных потерях бактерицидности в процессе доения коров, взвешивания, перекачки и транспортировки молока с летних лагерей в места расположения центральных усадьб. Кроме того, они не отражают потерь, связанных с низкой скоростью последующего охлаждения, а также с возможным ростом температуры молока во время его хранения и транспортировки потребителю. В конечном итоге, отсутствие возможности количественной оценки этого показателя приводит к тому, что достаточно широко распространенный в молочном производстве термин «бактерицидная фаза» продолжает использоваться лишь в качестве общего понятия.
При этом вполне очевидно, что многофакторность процесса протекания бактерицидной фазы существенно осложняет его математическое описание. Однако, как показывает анализ, оно является принципиально возможным, если для решения этой проблемы воспользоваться методами статистической термодинамики. В пользу такого подхода говорит хотя бы тот факт, что представленные в табл. 2.1 зависимости носят признаки, которые хорошо вписываются в законы термодинамики необратимых процессов.
Прежде всего, отметим, что независимо от вида бактерий механизм их размножения примерно одинаков [84]. Предварительно бактериальная клетка увеличивается в размерах, после чего она дает новое поколение путем простого деления на две абсолютно идентичные клетки. Однако даже в благоприятной среде размножение бактерий начинается не сразу. Необходим некоторый период времени, прежде чем клетки начнут делиться с максимальной скоростью.
В молоке период адаптации более продолжителен. Это обусловлено наличием в нем бактерицидных веществ: лактелина, лизоцимов, лейкоцитов и других иммунных тел, которые вырабатываются в организме животного и содержатся только в свежевыдоенном молоке [85]. Находясь в активной фазе, бактерицидные вещества блокируют деление клеток, поэтому на начальном этапе развития скорость их размножения может принимать как положительные, так и отрицательные значения, хотя в каждом из этих случаев она близка к нулю. Затем, по мере снижения активности бактерицидных веществ, микрофлора вступает в период роста, в котором скорость размножения бактерий становится пропорциональной их количеству [84]. И, наконец, при достижении концентрации бактерий порядка 1014 м 3 (или 100 млн. в 1 мл), начинают проявляться отчетливые признаки порчи молока [86].
Поскольку речь идет о полной потере качества, то вполне очевидно, что утрата бактерицидных свойств молока должна проявляться на более ранних этапах его хранения, то есть при существенно более низкой концентрации бактерий. По крайней мере, она не должна превышать значения 4-10 м", при котором сырое молоко еще может приниматься предприятиями для соответствующей переработки [87].
Таким образом, можно говорить о некоторой предельной концентрации бактерий, которой способно противостоять свежевыдоенное молоко при полном сохранении его вкусовых и технологических качеств. Поскольку способность к сохранению этих свойств обусловлена наличием определенного запаса бактерицидных веществ, то их исходная концентрация должна быть пропорциональна предельной концентрации бактерий.
Оптимизация режима охлаждения
Как видно из рисунка, парное молоко, поступающее по вакуумной магистрали молокопровода доильной установки 1, попадает в расширитель 2 и далее, пройдя через фильтры механической очистки 10, под действием собственного гидростатического напора подается во внутренний контур жидкостного теплообменника 3. В процессе взаимодействия с водой, циркулирующей во внешнем контуре теплообменника, температура молока понижается, после чего оно поступает в стабилизатор потока 4 и затем сливается в теплоизолированную накопительную емкость 6, где продолжает оставаться до окончания процесса доения коров.
Используемая для охлаждения молока вода извлекается из скважины малой производительности 7 с глубиной бурения 10-15 метров и установленной в непосредственной близости от фермы. Подъем воды и ее нагнетание во внешний контур теплообменника 3 осуществляется с помощью центробежного нагнетателя 8. Накопитель 9, соединенный с выходом внешнего контура теплообменника 3 предназначен для сбора «отработанной» подогретой воды, которая в дальнейшем используется в качестве питья для коров, а также проведения различных гигиенических мероприятий, связанных с эксплуатацией летних лагерей.
Что касается наиболее важных преимуществ, которые позволяет реализовать данная технология охлаждения, то они заключаются в следующем.
Во-первых, молоко охлаждается практически сразу после извлечения его из вымени. Такой режим охлаждения обеспечивает максимально возможный ресурс бактерицидности, который проявляется в способности молока длительное время сохранять свои высокие технологические качества при полной биологической активности всех витаминов и ферментов. При этом, практически полностью исключается контакт молока с окружающей средой.
Во-вторых, совмещение операции охлаждения молока с процессом доения коров примерно на 2 часа сокращает длительность технологического процесса его первичной переработки. Молоко поступает в накопительную емкость очищенным и охлажденным. Поэтому по окончании процесса доения оно может сразу же отправляться на реализацию потребителю.
В-третьих, существенно улучшаются условия обслуживания устройства. Одновременно с этим решаются многие проблемы, связанные с водоснабжением летних лагерей. Следует также отметить, что отвод молока из вакуумной магистрали и подача его во внутренний контур теплообменника и далее в накопительную емкость доильной установки осуществляется под действием собственного гидростатического напора. Это исключает необходимость в дополнительном нагнетателе, что, в свою очередь, способствует максимальному снижению энергетических затрат на охлаждение, а также повышению надежности устройства в целом. Как уже отмечалось ранее, основным требованием, предъявляемым к технологическому оборудованию, предназначенному для быстрого охлаждения парного молока в условиях работы летних молочных лагерей, является сохранение высокого качества конечного продукта. К другим техническим показателям, характеризующим конкурентоспособность таких систем, следует отнести энергетические затраты и достигаемый при этом уровень охлаждения. Одним из важных параметров, определяющих эффективность работы любого проточного охладителя, является массовый расход воды тх, циркулирующей во внешнем контуре жидкостного теплообменника. Обычно этот расход задается в относительных единицах в виде соотношения где тг0 - усредненный за большой промежуток времени массовый расход молока в системе (производительность доильной установки). При выборе конкретного значения этого параметра следует учитывать, что с увеличением 0 эффективность охлаждения молока возрастает. Одновременно с этим возрастает значение располагаемого температурного напора, что, в свою очередь, позволяет реализовать необходимый уровень холодопроизводительности при вполне приемлемых массогабаритных показателях устройства. В то же время, стремление к обеспечению максимального значения соотношения массовых расходов сопряжено с необходимостью подъема большого количества воды. Помимо возрастающих энергетических затрат это может оказаться недопустимым с экологической точки зрения. Поэтому наиболее приемлемое значение параметра 8 может быть установлено исходя из среднесуточного расхода воды, необходимого для удовлетворения технологических потребностей летних лагерей. Вполне очевидно, что при таком подходе практически полностью исключается вопрос о непроизводительном сбросе отработанной воды в окружающую среду. Исходя из общепринятых санитарных норм, суточная потребность в чистой питьевой воде на содержание одной коровы составляет 50 литров. В пересчете на стадо из 200 голов суточная потребность фермы равна 10 кубометрам, то есть в процессе каждой дойки (при трехкратном режиме доения) необходимо создавать запас около 3,3 кубометров свежей питьевой воды. Если продолжительность дойки не превышает 2 часов, то объемная скорость подачи воды в накопительную емкость летнего лагеря должна составлять 27 литров в минуту. В соответствии с этим, соотношение массовых расходов принимает значение 0 = 2, что вполне соответствует общепринятым нормам в режиме проточного охлаждения. Однако с целью повышения конкурентоспособности предлагаемых систем, а также с учетом возможной работы в условиях обедненных водоносных слоев, это соотношение целесообразно понизить до 0 = 1,5. Это, в свою очередь, позволит осуществлять достаточно надежное охлаждение молока при существенно меньших объемных расходах воды, вплоть до 18 литров в минуту. Что касается значения верхнего предела объемного расхода (27 л/мин), то, как показывает опыт, оно может быть достаточно легко обеспечено скважиной малой производительности с глубиной бурения 10-15 м. Подъем воды из таких скважин может осуществляться с помощью обычных бытовых центробежных насосов типа БЦ-0,4-20У1,1 «Агидель» или БЦ 1,1-18-У 1,1, или погружных. Энергетические затраты на подъем воды и, соответственно, охлаждение молока в этом случае не превысят 500 или 750 Вт соответственно. Других энергетических затрат на проточное охлаждение парного молока не требуется.
Основные соотношения, выбор геометрии каналов
Поскольку соотношение (4.18) имеет приближенный характер, то вполне правомерен вопрос о погрешностях, возникающих в процессе выполнения теплотехнических расчетов. В связи с этим, остановимся кратко на некоторых ключевых моментах, касающихся способов получения и дальнейшего практического использования критериальных уравнений вида (4.11).
Прежде всего следует отметить, что подавляющее большинство из них представляет собой результат обобщения опытных данных. Связанная с этим относительная простота предлагаемых уравнений одновременно является их достоинством и недостатком, поскольку вполне очевидно, что в процессе их получения были отброшены ряд аргументов, которые, по мнению авторов в условиях рассматриваемых процессов не оказывали существенного влияния на вид искомой функции. Поэтому они являются справедливыми лишь в определенном диапазоне значений критериев Рейнольдса и Прандтля, границы которых отмечаются в кратких комментариях. Однако и в этом случае рекомендуемые формулы редко позволяют рассчитать коэффициенты теплоотдачи с точностью, лучшей, чем ±15%, что отчасти связано с погрешностью экспериментальных результатов, лежащих в основе того или иного соотношения [105,106].
Следует также иметь в виду, что с целью придания большей универсальности некоторые из критериальных соотношений распространяются одновременно на несколько типов геометрических систем. Однако, поскольку на участке стабилизации все многообразие форм каналов учитывается только одним параметром - определяющим размером (d3KB), вполне очевидно, что ценой универсальности таких зависимостей является их точность. Поэтому пользоваться ими следует с известной мерой осторожности. В то же время такими соотношениями нельзя пренебрегать хотя бы потому, что на их основе спроектировано и построено большое число реально действующих теплотехнических устройств.
Все это в определенной мере относится и к соотношению (4.18). И, тем не менее, оно дает достаточно наглядное представление о том, что при больших значениях /то теплоотдача при ламинарном режиме течения практически не зависит от скорости движения жидкости. По крайней мере, скорость не присутствует в нем в явном виде, поэтому слово «практически» в данном случае подчеркивает опосредованный характер ее влияния.
Дело в том, что скорость движения жидкости определяет степень ее нагрева или охлаждения в каналах. Связанное с этим изменение ее теплофизических свойств, неизбежно отражается на значениях чисел Нуссельта и Прандтля, что в конечном итоге приводит к изменению коэффициента теплоотдачи а. Однако, как показывает анализ, для определенных условий это изменение оказывается не столь существенным. Поэтому наблюдаемый с увеличением скорости жидкости рост эффективности теплообмена связан в основном с ростом температурного напора в системе «жидкость-стенка».
Другим немаловажным следствием, вытекающим из соотношения (4.18), является достаточно существенная зависимость коэффициента теплоотдачи а от геометрии системы. При этом наибольшей эффективностью характеризуются каналы прямоугольной формы сечения с высоким значением отношения размеров смежных сторон (плоский зазор). При таких условиях, согласно (3.21), величина эквивалентного диаметра каналов перестает зависеть от их ширины. Это в свою очередь способствует реализации наиболее приемлемого соотношения между коэффициентом теплоотдачи и площадью поверхности теплообмена в условиях жесткого ограничения на гидравлическое сопротивление каналов. Одновременно с этим, прямоугольная форма является наиболее рациональной с точки зрения построения компактных теплообменников, характеризующихся наиболее высоким отношением площади поверхности теплообмена к занимаемому объему.
К другим очевидным достоинствам таких каналов следует отнести их высокую технологичность и относительную доступность в плане проведения качественной механической очистки и, как следует из опыта построения высокоэффективных теплообменников, прямоугольная форма сечения наиболее приемлема для разработки легкоразборных конструкций. Поэтому предпринятые в настоящей работе экспериментальные исследования, а также их дальнейшая практическая реализация в ряде конкретных разработок связаны с формой каналов в виде плоского зазора.
Однако и в случае прямоугольных каналов при отношении смежных сторон больше 10 критерий Нуссельта достигает насыщения, приближаясь к асимптотическим значениям, зависящим от типа граничных условий.
При граничных условиях первого рода, то есть при постоянной по длине канала температуре стенки (Гст = const), для расчета коэффициентов теплоотдачи в плоских зазорах применимо следующее соотношение [107]:
Поскольку соотношения (4.19) и (4.20) описывают лишь два предельных случая, которые на практике встречаются крайне редко, то обоснованное заключение об их соответствии условиям поставленной задачи может быть получено лишь на основе анализа, подтверждающего справедливость предпосылок Гст = const или q = const.
Для оценки особенностей граничных условий в реальном теплообменнике воспользуемся рис. 4.1 [104], на котором показан качественный характер изменения температур горячей и холодной жидкостей по длине охладителя молока, работающего в режиме противотока. При этом, с целью упрощения анализа, сделаем ряд допущений, аналогичных принятым при выводе соотношения для среднелогарифмической разности температур -отсутствие перетока тепла вдоль поверхности теплообмена, а также постоянство всех величин, входящих в исходные уравнения (3.2) и (3.3).
