Введение к работе
Актуальность работы. Состояние молочно-товарного комплекса Российской Федерации в последние годы характеризуется прогрессирующей тенденцией спада производства молока и снижением численности поголовья коров. По данным Росстата на начало 2016 года молочно-товарные фермы (МТФ) в РФ производили лишь 80 % от необходимого количества молочной продукции, остальная потребность покрывалась за счет импорта. Изменение сложившейся тенденции возможно за счет повышения доходности МТФ посредством снижения себестоимости производства молока.
Производственный процесс обслуживания крупного рогатого скота и получения молочной продукции включает множество сложных механизированных процессов: кормление, поение, навозоудаление, доение и охлаждение молока. По данным ученых Ю.А. Цоя, В.И. Квашенникова, А.П. Козловцева, наиболее энергоемким и затратным из комплекса операций по первичной обработке молока является процесс охлаждения молока. Поэтому именно он наиболее перспективен с точки зрения сокращения затрат материально-энергетических ресурсов.
На современных МТФ практически весь объем свежевыдоенного молока охлаждается холодом машинной выработки. Но холодильные машины энергоемки, сложны в устройстве и эксплуатации, требуют дорогостоящего технического обслуживания и ремонта, высококвалифицированного персонала. Следует учесть и слабые электрические сети фермерских хозяйств, вследствие чего проблема снижения установленной мощности технологического оборудования выдвигается на одно из первых мест.
Поэтому интерес к использованию естественного холода для охлаждения молока и молочной продукции возрастает, и любое научное исследование, направленное на снижение энергоемкости переработки молока в современном мире, является перспективным.
Степень разработанности темы. Работа выполнена в соответствии с программой научных исследований ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ № ААА-А-16-116060810025-6 по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ «Энергоэффективность и энергосбережение».
Цель исследования. Разработка и обоснование льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа его использования на МТФ.
Объект исследования. Тепломассообменные процессы функционирования льдоаккумулятора природного холода годовой потребности в системе заготовки льда для круглогодичного охлаждения молока на МТФ.
Предмет исследования. Закономерности тепломассообменных процессов в толще водяного бассейна льдоаккумулятора природного холода годовой потребности.
Методика исследований. Теоретические исследования опираются на современные информационные технологии, аналитические исследования процессов тепломассообмена в системе льдоаккумулирования с применением законов классической механики, гидравлики, термодинамики, гидро-, ледотермики, теории планирования эксперимента и принципов создания проблемно-ориентированных программных комплексов.
Экспериментальные исследования проводили по разработанным частным методикам испытаний. Расчет и анализ параметров процесса динамики образования льда осуществляли с использованием теории математической обработки данных, планирования многофакторных экспериментов. В работе использовались фото-, тепловизионная съемка, программно-технические средства. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в соответствии с методиками планирования многофакторного эксперимента с использованием программных продуктов «Microsoft Excel», «MathCAD 10», «Statistica 10».
Научная новизна:
– теоретическое обоснование режимов аккумуляции естественного холода в форме льда;
– методика учета массы накопленного льда и контроля интенсивности его намораживания;
– методика тепловизионного исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта;
– методика определения времени «отлипания» ледяного пласта от стенок горловины;
– способ предохранения стен льдохранилища от хладоразрушения;
– теоретическое и экспериментальное обоснование режимов подплавления и затопления пластов льда в бассейне;
– техническое решение применения естественного холода для охлаждения молока.
Научная гипотеза. Обеспечить МТФ природным холодом годовой потребности для охлаждения молока посредством внедрения льдоаккумулятора природного холода годовой потребности.
Теоретическая и практическая значимость:
– проведен анализ и систематизация существующих систем охлаждения молока естественным холодом;
– предложен новый способ накопления природного холода годовой потребности для молочной фермы, на основе которого обоснованы конструктивно-технологические параметры установки для послойного намораживания и использования льда при охлаждении молока (патент на изобретение № 2627574 РФ) и новый способ предохранения стен бассейна от разрушения при замерзании воды;
– разработана программа для расчета процесса охлаждения жидкотекучих пищевых продуктов в охладителях молока (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614224);
– разработана программа для контроля процесса аккумуляции льда при стационарном положении и при последовательном затоплении пластов льда (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018618718).
Вклад автора в проведенное исследование. Лично автором проведен обзор существующих технологий и производственного опыта по использованию естественного холода, теоретически обоснована и разработана опытная установка льдоаккумулятора, проведены лабораторно-производственные эксперименты, определена экономическая эффективность использования разработанного конструктивного решения.
Реализация результатов исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» Оренбургского ГАУ, система аккумулирования природного холода для охлаждения молока внедрена в хозяйствах Оренбургской области: ООО «А7 АГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района, СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского района.
Апробация. Основные положения диссертационной работы опубликованы в материалах международной научно-практической конференции «Молодежный форум: Технические и математические науки» (2015 г., г. Воронеж), международной научно-практической конференции «Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК» (2015 – 2017 гг., г. Оренбург). Технические решения удостоены дипломов лауреата областной выставки НТТМ (2016 – 2017 гг., г. Оренбург), отмечены дипломом и золотой медалью международной выставки «Золотая осень» ВДНХ (2016 г., г. Москва), дипломом Х специализированной выставки «ПРОМЭНЕРГО» (2015 г., г. Оренбург).
Научные положения, выносимые на защиту:
– теоретические положения по обоснованию конструктивно-режимных параметров комбинированной системы круглогодового использования природного холода в условиях молочно-товарной фермы;
– методика расчета блока сезонного охладительного устройства (СОУ) при охлаждении молока;
– методика расчета интенсивности послойного намораживания льда в бассейне резервного запаса холода для использования в периоды положительных температур воздуха;
– методика расчета системы подплавления и затопления пластов льда в бассейне;
– результаты лабораторных и производственных испытаний комбинированной установки послойного намораживания льда;
– результаты технико-экономического обоснования внедрения системы аккумуляции и использования природного холода годовой потребности для молочнотоварной фермы при охлаждении молока.
Обоснованность и достоверность. Достоверность научных положений работы подтверждается высоким уровнем сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ, новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение № 2627574, № 2651817 и свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2017614224, № 2018618718. Изданы рекомендации, утвержденные РАН РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и предложений, списка использованных источников литературы (152 наименования). Работа изложена на 127 страницах и включает 18 таблиц, 56 рисунков и 20 приложений.