Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1 Условия и природный ресурс для производства молока
1.2 Анализ технических средств, применяемых при доении и первичной обработке молока на пастбищных комплексах
1.3 Анализ технологий охлаждения молока с использованием источников естественного холода *
1.4 Экономические условия содержания коров на пастбищных комплексах и задачи исследования 29
2 Теоретическое обоснование технологических процессов на пастбищных комплексах и охлаждения молока естественным холодом
2.1 Обоснование технологических процессов на пастбищных комплексах
2.2 Теоретическое обоснование процесса охлаждения молока в энергосберегающей установке с использованием природного холода
2.3Теоретическое исследование процесса охлаждения воды при её активном распылении
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований
3.1 Программа экспериментальных исследований 64
3.2 Описание конструкции экспериментальной установки для охлаждения молока
3.3 Измерительные приборы и оборудование и методика проведения эксперимента
4 Экспериментальная оценка воздействия конструктивных факторов на выходные параметры технологического процессах
4.1 Влияние факторов на конечную температуру молока при его охлаждении в процессе первичной обработки 88
4.2 Влияние факторов на конечную температуру воды при её охлаждении в процессе воздушно-капельного распыления
4.3 Влияние факторов на понижение температуры воды при её охлаждении в процессе воздушно-капельного распыления
4.4 Обоснование предлагаемого оборудования для пастбищного комплекса
5 Экономическая эффективность проекта 114
Выводы 121
Список использованной литературы 123
Приложения 134
- Экономические условия содержания коров на пастбищных комплексах и задачи исследования
- Обоснование технологических процессов на пастбищных комплексах
- Программа экспериментальных исследований
- Влияние факторов на конечную температуру молока при его охлаждении в процессе первичной обработки
Введение к работе
Актуальность исследований. Пастбищный период в молочном животноводстве Псковской области, где под пастбищами заняты значительные неиспользуемые площади, считается реальным резервом снижения себестоимости производства молока в летний период.
Травы пастбищного периода в несколько раз дешевле других кормов, скот выпасается в течение 140 дней. Эти травы являются естественным кормом для коров. Нельзя не учитывать и того обстоятельства, что в 1 кг сухого вещества зеленой бобово-злаковой смеси содержится более 100г переваримого протеина, до 70 г сахара, 10...12 МДж обменной энергии, каротин, витамины Д, Е и др. Животные, находясь на свежем воздухе, укрепляют здоровье, улучшают воспроизводительные функции. Как правило, 60...70% годового надоя приходится на пастбищный период. Однако при производстве молока на пастбищных комплексах отсутствует эффективная технология, отвечающая конкретным условиям региона, не решена задача первичного охлаждения молока, в то время как своевременное и качественное охлаждение способствует снижению количества бактерий и, соответственно, повышению качества молока и продолжительности его хранения. В современных условиях хозяйственных отношений мало произвести молоко, важно сохранить его на более длительный срок для последующей переработки и реализации как продукта высокого качества. В условиях пастбищного содержания коров в летний период эти вопросы особенно актуальны, если учесть условия получения молока, хранения и транспортировки.
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» в соответствии с планом НИР на 2006-2011 гг. по региональным научно-техническим проектам по теме №7 «Энергосберегающие технологии и технические средства для механизированных процессов в животноводстве», и соответствует плану научных исследований РАСХН.
Цель исследований. Повышение эффективности производства молока за счет улучшения организации использования естественных пастбищ и обоснования энергосберегающей технологической линии с применением устройства для первичной обработки молока.
Исходя из поставленной цели, намечены следующие задачи:
путем анализа современного состояния и обобщения результатов теоретических исследований повысить эффективность производства молока на пастбищных комплексах, обосновать его структуру, технологию непрерывного функционирования в режиме энергосбережения;
разработать эффективные технологические процессы производства и охлаждения молока с использованием естественного холода, влияющие на повышение качества молока;
на основании теоретических исследований обосновать конструктивные и технологические параметры охладителя молока, которые обеспечат
максимальную производительность при минимальных энергозатратах;
на основе математического моделирования технологических процессов охлаждения молока, а также результатов экспериментов, исследовать и установить рациональные конструктивные и технологические параметры охладителя молока с использованием естественного холода;
провести испытания охладителя молока в производственных условиях, установить экономическую эффективность результатов исследования и дать рекомендации производству.
Объект и предмет исследования. Организация пастбищного комплекса с установкой для первичного охлаждения молока естественным холодом.
Научная новизна. Разработаны: алгоритм достижения цели совершенствования технологических процессов при пастбищном содержании коров; экономико-математическая модель обоснования эффективности производства молока в летний период на основе пастбищного комплекса; разработка теории, позволяющей установить возможность эффективного использования природного холода для получения необходимой конечной температуры молока при его первичном охлаждении; разработке оптимального коэффициента, позволяющего получить более точные технологические и конструкционные параметры по отношению к устройству для первичного охлаждения молока с использованием естественного холода, применимого большей частью для условий пастбищ.
Практическая значимость. В результате проведенных исследований получена возможность внедрения технологической линии производства молока для пастбищного содержания коров при отсутствии централизованного электроснабжения. Разработанная технологическая линия и методы её расчета могут использоваться при создании пастбищных комплексов для содержания дойного поголовья КРС в летний период.
Основные положения, выносимые на защиту:
обоснование необходимости развития пастбищных комплексов;
теоретические предпосылки по обоснованию технологических и конструктивных параметров установки для первичного охлаждения молока;
математические модели рабочего процесса установки;
практические результаты выполненных исследований и их энергетическая и экономическая эффективность.
Реализация результатов. По результатам исследований в ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» изготовлен опытный образец установки для первичного охлаждения молока естественным холодом производительностью 0,82 м3/ч по охлажденному молоку и - 1,8 м3/ч по охлажденной воде, которая прошла производственную проверку в ЗАО «Великолукское» Великолукского района Псковской области, что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены: на конференции профессорско-преподавательского
состава С-ПбГАУ - 2007...2011гг., на научно-практических конференциях Великолукской ГСХА - 2007...2011 гг., на Международной научно-практической конференции молодых ученых НПЦ НАН Белоруссии по механизации сельского хозяйства, Минск, 25...26 авг. 2010 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 печатных работ, поданы две заявки на выдачу патента Российской Федерации на изобретение, на одну получен патент.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 119 наименований, приложения. Содержит 170 страниц, 3 таблицы, 42 рисунка и 14 приложений.
Экономические условия содержания коров на пастбищных комплексах и задачи исследования
За рубежом и в нашей стране активизировались разработки: установок, использующих естественные источники холода: атмосферный; воздух в зимнее время, лед в летнее время и артезианскую воду круглогодично: /5,6,55/.
Способы охлаждения, которые основаны на использовании воды, доводят температуру молока до температуры, которая, превышает температуру воды на 2...4 С. Это означает, что при температуре воды в 7...8 С молоко можно охладить до 14 С.
Как известно, вода, залегающая на глубине около 5...7 м (для условий Великолукского района /85/), является идеальным хладоносителем. Ее температура практически не изменяется: в течение года и составляет около 7... 8 С. Незначительные отклонения от этого значения (±0,5 С) определяются, принадлежностью к тому или иному артезианскому бассейну, а также глубиной залегания одного из ближайших.водоупорных слоев.
Высокая удельная теплоемкость, неограниченные запасы и относительная доступность воды в местах расположения летних пастбищ позволяют создавать компактные системы проточного охлаждения с высоким уровнем холодопроизводительности. Такие системы можно использовать на любых этапах процесса получения молока, однако наибольшего эффекта следует ожидать при непосредственном сочленении системы с магистралью доильной установки.
Также под использованием источника естественного холода следует понимать холод и тепло атмосферного воздуха, природного льда или мерзлого грунта.
Использование естественного льда в качестве источника холода объясняется его ценными физическими свойствами: низкой температурой таяния (0С) и высокой теплотой плавления, равной в обычных условиях 335 кДж/кг. Затем при применении льдобунтов — фригаторов, заготовленный в зимний период холод, расходуется на охлаждение молока на пастбищных комплексах.
Охлаждение воды, необходимой для охлаждения молока, потоком воздуха осуществляется передачей тепла от воды к воздуху теплопередачей испарением. Такое охлаждение возможно при превышении температуры воды над температурой окружающего воздуха по сухому термометру. Этот процесс можно использовать при охлаждении воды в установке для первичного охлаждения молока, так как температура воды, которая уже нагрелась потоком молока, будет превышать температуру атмосферного воздуха в летний период. График изменения среднемесячных температур в пастбищный период приведен на рисунке 1.2.
Многие процессы охлаждения основаны на принципе удаления теплоты из жидкости. Для испарения жидкости необходима теплота. Данная теплота поступает из среды, в которой происходит испарение жидкости.
Процесс испарения воды в граничном слое с воздухом можно представить следующим образом. Молекулы воды движутся беспорядочно, при этом молекулы с наибольшей кинематической скоростью отрываются от поверхности воды. При этом часть молекул, оторвавшаяся от поверхности воды, при столкновении с молекулами воздуха могут изменить направление своего движения и вернуться обратно в воду. Другая часть, которая оторвалась от поверхности воды, образует пары воды в воздухе. Эта часть молекул и составляет сущность процесса испарения/109/.
Более высокой температуре воды соответствует более высокая средняя кинетическая энергия молекул, которая у оторвавшихся от воды больше, чем у оставшихся. Следовательно, температура воды, оставшейся в результате испарения будет снижаться/110/.
Обоснование технологических процессов на пастбищных комплексах
В основе проектирования технологических линий производства молока в условиях пастбищ лежит увеличение пропускной способности при одновременном снижении затрат на единицу произведенной продукции. На этом можно определить постоянно функционирующую систему «корма (пастбища) — животное (корова) — производственные процессы (пастбищные комплексы) — продукция животноводства (молоко) — потребитель (человек)», обязательным элементом которой в летних условиях являются летние оборудованные пастбища для обслуживания коров.
В инженерно-экономическом отношении технологическая линия пастбищного комплекса - это функционирующая система машин, обеспечивающая выполнение поточного технологического процесса с заданными показателями эффективности использования оборудования, а так же получения молока , отвечающего требованиям стандарта.
Построение технологического процесса начинают с определения состава и последовательности операций, которые входят в технологическую линию.
Технологические линии должны:
- осуществлять технологический процесс с наименьшими затратами труда, энергии, средств и времени;
- отвечать зоотехническим требованиям;
- быть максимально надежными в работе.
В сочетании с поточным методом организации работ комплексная механизация дает наибольший экономический эффект. При выполнении производственных процессов на пастбище должны соблюдаться основные требования: разделение производственного процесса на операции; специализация выбранных машин и оборудования, непрерывность потока в определенное технологией время, синхронизация операций.
При обосновании технологических линий для пастбищного комплекса возникают сложные оптимизационные задачи, решение которых возможно лишь с помощью экономико-математических методов и современной вычислительной техники. Это обусловлено многообразием возможных технологии и технологических линий производства молока в условиях пастбищ, определяемых их мощностью, спецификой назначения и условиями функционирования.
Общие подходы к решению таких задач изложены в работах /37,48,60,65/. В качестве вычислительного алгоритма их решения предложен метод ветвей и границ, требующий определенных навыков программирования на ЭВМ от лица, принимающего решение. Появление в последнее время в качестве программного обеспечения персональных мощных табличных процессоров типа Excel /51,82/ значительно облегчает решение подобных задач и практически не требует специальных навыков в программировании.
Анализ функционально-технологической модели производства молока свидетельствует, о том, что с позиции системного подхода эти процессы можно разделить на три функционально - технологические линии: доильную, первичной обработки молока и подготовки холодной воды (рисунок 2.2).
Технологическая линия доения коров включает рабочие процессы подгона и непосредственно доения коров. Технологическая линия навоза включает в рабочий процесс удаления навоза с доильного центра.
В модели входными воздействиями приняты переменные, определяющие конструктивные особенности машин и оборудования и режимы эксплуатации машин xJ (/) .
На выходные переменные показатели удельные приведенные затраты П] (/) , энергозатраты (?) и показатели качества работы машин К , (О
оказывают конструктивно — технические и настроечные параметры.
Показатели эффективности могут быть получены при условии применения прогрессивных и строительных решений, а также оптимального набора машин и оборудования, позволяющего значительно повысить производительность труда, снизить энергозатраты на производство молока.
Из этого можно сделать следующий вывод, объективная оценка технологий и технологических линий для пастбищного комплекса позволяет выявить резервы экономии совокупной энергии. Предлагаемая методика комплектования ПТЛ способствует снижению энергопотребления и существенному сокращению себестоимости производства молока.
Программа экспериментальных исследований
На основании проведенных исследований рекомендована технологическая линия для пастбищных комплексов» с доением коров на доильной установке УДС-ЗБ. При доении коров на доильных установках с индивидуальными параллельно-проходными станками корову выдаивают независимо от других коров.1
Выдоенное молоко по молокопроводу через фильтр направляется на первичное охлаждение в разработанную установку, где охлаждается до температуры 14...14,1С. Затем молоко направляется на доохлаждение и хранение в молочный вакууммированный резервуар. Для первичного охлаждения молока используется вода, охлажденная в разработанной установке.
В качестве источника вакуума используются вакуумные установки на базе водокольцевых насосов ВВН-3, ВВН-6. Они обеспечивают высокую стабильность вакуума и надежность в работе.
Для раздачи концентрированных кормов во время доения доильные установки УДС-ЗБ оснащены системой раздачи концкормов из накопителей, расположенных над доильными станками. Концентрированные корма доставляются1 на пастбищные комплексы трактором с прицепом. Водоснабжение осуществляется за счет бурения артезианской скважины или привоза воды, поение — из групповых поилок установленных в загонах и преддоильной площадке.
Животные в ночное время содержатся под навесами на глубокой подстилке, которую доставляет трактор с прицепом. Навоз удаляется один раз осенью и складируется, а весной погрузчиком грузится в транспортное средство и вывозится.
Полученные по формулам 2.1...2.10 расчеты сведены в таблицу приложение К. Разработанная технологическая линия обеспечивает снижение затрат энергии на 27%, при этом удельные энергозатраты составят
3,27 МДж/кг, по исходной технологии 5,19 МДж/кг. Графики изменения энергозатрат также приведены в приложении Л. Глава 5 Экономическая эффективность разработки
Экономическую эффективность предполагаемого технического решения определяем по известным методикам расчета /9,25,38,59/. Себестоимость молока (из расчета сезонного объема работ) принимаем из существующего уровня по молочному комплексу ЗАО «Великолукское» Псковской области» Зисх =10,12 руб./кг.
Часть молока перерабатывается в собственном мини-цехе, а другая часть сдается на «Великолукский молочный комбинат по цене 13,8 руб./кг(высший сорт) или 12,9 руб./кг (первый сорт).
В основу исходных данных при расчетах принимаем отчетные итоги /96/ по среднегодовому удою — 3870 кг при поголовье 200 голов. При внедрении проектируемой технологии среднегодовой удой на одну фуражную корову составил 4530 кг, при этом надой за пастбищный период составляет 70.. .75% /81/ годового.
Себестоимость производства молока на пастбищных комплексах при использовании предлагаемой ними поточно-технологической линии определим, используя таблицу 5.1.
На технологические нужды в сезон необходимо 4562,76 м3 воды. Стоимость 1 м3 воды при пастбищном содержании и доставке воды из артезианской скважины 8,36 руб., тогда стоимость воды 38144,67 руб. Амортизационные отчисления на оборудование — 278320 руб. Предусмотрена реклама в местной газете о новой разработке. Периодичность рекламы 1 раз в месяц. Стоимость 1/64 полосы рекламы в газете составляет 140,6 руб., тогда расход на рекламу 140,6 12 = 1687,2 руб.
Отчисления в дорожные фонды рассчитываем исходя из ставки 0,4% выручки без НДС, определенной по среднерыночной стоимости (руб.) и объёму 669012 кг, т.е. (13,8 669012 0,4)/ 100 = 36929,46 руб. Затраты на запасные части - 0,2% от стоимости оборудования - (0,2 1988000)/100 = 3796 руб.; отчисления на текущий ремонт и техническое обслуживание — 318080 руб. Итого - 321876 руб. Стоимость кормов с учётом отчислений за использование пастбищных угодий и раздачи концентрированных кормов /60/ во время доения 3058600 руб.
Влияние факторов на конечную температуру молока при его охлаждении в процессе первичной обработки
Основной задачей экспериментальных исследований являлось исследование вопроса повышения эффективности процесса охлаждения молока в разработанной установке с использованием естественного холода.
В соответствии с поставленными задачами, экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях (лаборатория Великолукской ГСХА, ЗАО «Великолукское» Великолукского района Псковской области).
В качестве объекта исследований принята разработанная установка для охлаждения молока естественным холодом, которая позволяет охлаждать молоко в процессе доения и первичной обработки. Также установка позволяет дополнительно охлаждать хладоноситель в процессе воздушно-капельного распыления.
Принимая во внимание различные технологии и способы охлаждения молока и на основе анализа методик /23,30/ испытания установок для охлаждения молока, а также теоретических предпосылок, разработанных в главе 2, предлагается следующая программа:
1. Исследование влияния технологических параметров установки для охлаждения молока с использованием естественного холода (начальной температуры хладоносителя, объемной скорости молока, длины теплообменного аппарата) на процесс первичного охлаждения молока, с целью обоснования рационального сочетания технологических и конструкционных параметров, обеспечивающих максимальное снижение температуры молока с учетом зоотехнических требований.
2. Исследование влияния технологических параметров разрабатываемой установки для воздушно-капельного охлаждения воды (давления воды, подаваемой в распылитель, диаметра отверстий распылителя, скорости воздушного потока) на процесс охлаждения воды, с целыо обоснования рационального сочетания технологических и конструктивных параметров обеспечивающих поддержание температуры воды на заданном уровне.
3. Разработать установку для первичного охлаждения молока с использованием естественного холода, позволяющую получить минимально возможную температуру молока в процессе доения.
4. Исследовать влияние конструктивных параметров установки для охлаждения молока на качественные и энергетические показатели процесса охлаждения молока и воды в производственных условиях с целью обоснования рациональных конструктивных и технологических параметров, удельной энергоемкости процесса.
5. Проверить и сопоставить теоретические и экспериментальные исследований с целью выборки рекомендаций для практических расчетов, проектирования и эксплуатации установки.
6. Провести сравнительные испытания опытного образца, с целью выявления преимуществ и недостатков предлагаемых решений.
7. Провести технико-экономическую оценку предлагаемых решений.
Общая схема планируемого исследования представлена на рисунке 3.1. На основании программы исследований для проведения эксперимента на кафедре "Механизации животноводства и применения электрической энергии в сельском хозяйстве" Великолукской ГСХА была разработана и сконструирована экспериментальная установка, основной эффект которой заключается в возможности использования природного холода созданием циркуляционного воздушно-водяного контура охлаждения воды с использованием атмосферного воздуха при его естественной тяге/34,54/. Технологическая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.2. Она состоит из теплоизолированной емкости для теплого молока 16, терморегулятора 17 для поддержания температуры парного молока, нагревательного элемента 18; вакуумного насоса с приводом, аккумулятора холода 3, в который помещен змеевик с молоком 1, центробежного насоса 20 для подачи воды в теплообменную камеру 2.
