Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 9
1.1. Состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки оборудования первичного охлаждения молока 9
1.2. Выводы по главе, цель и задачи исследований 20
2. Энергетическая эффективность, мощностные и расходные характеристики оборудования для первичного охлаждения молока 21
2.1. Типы, схемы и особенности существующих систем охлаждения 21
2.2. Стандарты охлаждения 25
2.3. Методика определения термодинамической эффективности, мощностных и расходных характеристик различных способов охлаждения 26
2.3.1. Параметры сравнения различных способов охлаждения 28
2.3.2. Эффективность установок с погружным испарителем 29
2.3.3. Эффективность способа охлаждения с аккумулированием холода 43
2.3.4. Эффективность проточного способа охлаждения 54
2.4. Сравнительный анализ эффективности различных способов охлаждения 55
2.5. Выводы по главе 57
3. Математическая модель процесса охлаждения и технико-экономическая оптимизация оборудования первичного охлаждения 59
3.1 Обоснование выбора функции цели 59
3.2. Математическая модель процесса охлаждения 63
3.2.1. Блоки задаваемых и оптимизируемых параметров 64
3.2.2. Блок расчета термодинамических и теплофизических свойств молока 65
3.2.3. Расчет свойств рабочего тела 67
3.2.4. Расчет термодинамического цикла 83
3.2.5. Тепловой расчет охладителя 86
3.2.6. Определение составляющей капитальных затрат функции цели 89
3.2.7. Определение.энергетических затрат в эксплуатационных издержках 92
3.3. Результаты оптимизационных исследований 92
4. Испытание опытно-промышленного образца охладителя молока, результаты измерений и поверка его математической модели 96
4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований при испытании опытно промышленного образца охладителя молока 96
4.2. Измерительная аппаратура и оборудование 100
4.3. Проверка адекватности математической модели по действительным показателям работы установки 102
5. Расчет экономической эффективности установки первичного охлаждения молока с оптимальными параметрами 104
Общие выводы 108
Список литературы 109
- Состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки оборудования первичного охлаждения молока
- Типы, схемы и особенности существующих систем охлаждения
- Блок расчета термодинамических и теплофизических свойств молока
- Цель и задачи экспериментальных исследований при испытании опытно промышленного образца охладителя молока
Введение к работе
Актуальность работы. Молоко и молочные продукты играют важную роль в пищевом балансе населения России и большинства стран мира. Наряду с задачей увеличения объемов производства исключительно важной задачей является повышение качества молока, так как молоко и молочные продукты, являясь жизненно необходимым продуктом питания человека, в то же время представляют благоприятную среду для развития многих видов патогенной микрофлоры, способны быстро утрачивать потребительские свойства и наносить существенный вред здоровью человека.
Развитие патогенной микрофлоры напрямую связано со скоростью
охлаждения и температурой хранения молока (рис. 1), поэтому в
нормативно-технических документах, используемых при производстве
молока и молочных продуктов, а именно: ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко
натуральное коровье - сырье. Технические условия» и проекте закона №
284053-4 «О специальном"техническом регламенте о молоке, продуктах
его переработки, их производстве и обороте», 2007 г., особое внимание
уделяется времени охлаждения и температуре охлажденного молока.
Млн go 'С
0 4 8 12 16 20 24 28 ч.
Рисунок 1 - Зависимость осемененности молока от температуры и времени
хранения Указанный ГОСТ устанавливает, что качественным признается
молоко, охлажденное в течение двух часов после дойки до температуры 4±2 С, а на момент сдачи имеющее температуру ниже 8 С.
Согласно ГОСТ Р 52054-2003, кроме категорий 1-го сорта, 2-го сорта и несортового сырья, вводится категория молока высшего сорта, стоимость которого на 10-20 % выше, чем за молоко 1-го сорта, поэтому основные экономические потери из-за несоответствия параметров молока новым требованиям могут быть связаны с первичным охлаждением молока, так как большинство сельхозпредприятий имеют старые охладители, не обеспечивающие выполнение нового ГОСТа, а сортность молока определяется по худшему показателю.
Очевидно, что затраты на производство молока высокого качества должны быть экономически оправданны, способствовать повышению конкурентоспособности сельхозпредприятия, особенно в свете перспективы вступления России в ВТО.
Оборудование для первичного охлаждения молока постоянно совершенствуется, это связано с большой конкуренцией на данном сегменте рынка, а также с ужесточением экологических, энергетических и других требований к данным установкам.
Так как затраты на создание и эксплуатацию охладителей являются значительными, уменьшение теплообменной поверхности аппаратов (снижение металлоемкости), повышение технико-экономических показателей и энергетической эффективности является важной научно-технической проблемой.
На основании вышесказанного формулируется цель исследований.
Цель работы.
Повышение эффективности первичного охлаждения молока путем оптимизации параметров оборудования.
Объект исследования.
Процесс первичного охлаждения молока.
Методы исследования.
Математическое моделирование, теоретические основы теплотехники в части термодинамического анализа, основы теплопередачи, а так же методы оптимизации.
Научная новизна исследований.
На основе термодинамических, теплофизических и технико-экономических методов оптимизации предложена математическая модель проектирования установок первичного охлаждения молока.
Разработана методика оценки термодинамической эффективности способов первичного охлаждения молока.
Разработан алгоритм построения характеристик охладителя на основе методики определения первого приближения для всех варьируемых параметров.
Практическая значимость.
Предложена методика для определения энергетической эффективности существующих способов первичного охлаждения молока. Обоснованы оптимальные параметры и режимы работы холодильного и теплообменного оборудования, позволяющие более чем в 2 раза снизить энергетические затраты на первичное охлаждение молока без увеличения капитальных вложений. Применение предложенного способа охлаждения молока позволяет сократить удельные затраты электроэнергии не менее чем на 40 % по сравнению с существующими способами.
Внедрение результатов.
Результаты выполненной работы использовались при разработке установки первичного охлаждения молока ОМО-2-М (конструкции ООО «СКТБ Технологии охлаждения», г. Новосибирск), производительностью 1 т/ч.
Проверка опытно-промышленного образца охладителя проводилась в ОАО «Лучезарное» Искитимского района Новосибирской области.
Результаты испытаний рассмотрены и одобрены НТС Департамента
АПК администрации Новосибирской области.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Современные и перспективные технологии в АПК Сибири» (г. Новосибирск, 2006 г.), на научно-техническом совете Департамента АПК администрации Новосибирской области (2007 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликованы 2 печатные работы.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 115 страницах, включая 20 рисунков и 27 таблиц и списка литературы из 51 наименования.
Состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки оборудования первичного охлаждения молока
В работе [8] рассмотрен вариант применения тепловых насосов (ТП) в вытяжных шахтах животноводческих помещений с целью сохранения теплоты и использования ее на производственные нужды. ТП передает теплоту от источника с низкой температурой к потребителю с высокой. Низкотемпературным источником в рассматриваемом случае является нагретый воздух, выходящий через вентиляционные шахты. Если расположить в них теплообменники из материалов с высокой теплопроводностью и увеличить время взаимодействия теплового потока с теплообмеником за счет применения многоходовой конструкции вытяжных шахт, то можно использовать до 35% теплоты теряющейся с вентиляцией. Под ее действием образуются пары теплоносителя, которые из испарителя всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления, а их температура повышается. Сжатые и нагретые до 70-90С пары попадают в конденсатор, где при их конденсации происходит выделение теплоты, которая отводится водой или воздухом и может быть использована на обогрев помещения или нагрев воды для производственных нужд. Из конденсатора сжиженный теплоноситель через регулирующий вентиль (дросселирующий клапан) поступает обратно в испаритель, где нагревается до кипения теплотой воды. При этом вода охлаждается, и ее можно использовать для охлаждения молока. Таким образом осуществляется круговая циркуляция теплоносителя в ТП с перекачкой теплоты на полезные цели и одновременным получением холода. Источником низкотемпературной теплоты также могут быть ямы для сбора навоза. Особенностью применения этого источника является использование теплообменников из материала, способного противостоять агрессивной среде, характерной для этих сооружений. Анализируя типы ТП и их конструкцией в зависимости от назначения и производительности, можно выбрать компрессионные, абсорбционные или термоэлектрические. Широкое распространение получили компрессионные как более надежные и простые.
В работе сделан вывод о том, что экономическая эффективность рассмотренной системы не очень высокая из-за большой стоимости ТП и большого срока их окупаемости. Однако они имеют длительный период эксплуатации, поэтому по окончании срока окупаемости система еще будет иметь существенный ресурс.
К передовым для своего времени можно отнести разработанную в середине 60-ых годов молокоохладительную теплонасосную установку для молочнотоварных ферм конструкции ВНИХИ [1] производительностью 500 л/ч, прошедший промышленные испытания в колхозе «Новая жизнь» Ступинского района Московской области в 1964-1967 гг.
Охладитель конструкции ВНИХИ имел ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами, а именно: Два конденсатора - водяного и воздушного охлаждения - снижают расход электроэнергии на охлаждение. Водяной конденсатор позволяет подогревать воду для нужд молочнотоварной фермы. Воздушный конденсатор позволяет обогревать помещение в зимний период. Аккумуляция холода в виде водяного льда на змеевиковом испарителе дает возможность получать ледяную воду с температурой 0,2 С. Установка полной заводской готовности позволяет отказаться от проведения монтажных и пуско-наладочных работ на молочно-товарной ферме. Однако данная установка не соответствует современным требованиям скорости охлаждения молока. В последнее время (1995-2007 гг.) основные исследования научных коллективов России по повышению эффективности первичного охлаждения направлены на использование естественного холода атмосферного воздуха, грунта и грунтовых вод. Наиболее показательна работа по использованию холода земли, проведенная коллективом авторов (Ф.Г. Марьяхин, А.И. Учеваткин, Б.П. Коршунов, А.А. Орлов и В.П. Мальнев) во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства [2]. Согласно данной работе, основным недостатком существующих установок для охлаждения сельскохозяйственной продукции естественным холодом грунта и грунтовой воды является их большая материалоемкость, высокая стоимость и необходимость обеспечения высокой интенсивности подачи охлаждающей воды. Установка, созданная при ГНУ ВИЭСХ, устраняет эти недостатки, а также вносит ряд дополнительных преимуществ, которые позволяют в режиме замкнутого цикла использовать эту систему и как холодильник и как систему производства теплой воды. Принципиальная схема предложенной установки приведена на рисунке 1.1. Принцип работы системы описан ниже. По трубе 3 холодная грунтовая вода из скважины подается погружным насосом 2 через вентиль 4 и входной патрубок в теплообменник 5, охлаждает находящееся в нем молоко и через выходной патрубок и вентили 13, 8 попадает в трубу большего диаметра 1 и уходит обратно в грунт. Поступление воды в распылительные форсунки 11 может перекрываться вентилем 13. Хладоноситель (вода) может подаваться и насосом, расположенным на поверхности. Часть холодной воды через вентиль 6 может подаваться в магистрали холодной воды, а теплой воды через вентиль 7 - в резервуар для теплой воды.
Типы, схемы и особенности существующих систем охлаждения
Несмотря на многообразие производимого оборудования, существует весьма небольшое количество принципиально различных типов охладителей. Принципиальные схемы всех типов охладителей приведены на рисунке 2.1. - теплообменник молочный; 8 - насос водяной К первому типу относятся танки-охладители молока с погружными испарителями прямого охлаждения, в которых теплопередача от молока к хладагенту осуществляется непосредственно через стенку. В нижней части танка расположен стационарный или съемный испаритель, в котором выкипает хладон (фреон), охлаждая молоко. Принципиальная схема охладителя первого типа приведена на рисунке 2.1 а. Основные заявляемые преимущества таких систем: простота конструкции; малые габаритные размеры; минимальное потребление электроэнергии (максимальный холодильный коэффициент). Основные недостатки: риск намораживания молока на стенках танка при низком уровне заполнения; — малая скорость охлаждения молока; смешивание теплого и холодного молока, приводящее к нарушению «Санитарных и ветеринарных правил для молочных ферм колхозов, совхозов и подсобных хозяйств», утвержденных Госагропромом СССР 29.09.1986 г (П.5.2); максимальная присоединенная электрическая мощность; минимальная степень загрузки холодильного оборудования; наличие механических частей (мешалок) с электроприводами. Ко второму типу охладителей относятся различные системы с аккумулированием холода, в основном - водяного льда. Существуют две разновидности таких установок, имеющие конструктивные особенности. Первая разновидность - танки-охладители молока с аккумулированием холода (льда) непосредственно в корпусе самого танка (Ice Bank). В этой системе испаритель находиться в ёмкости, заполненной хладоносителем (обычно водой) и расположенной под танком-охладителем молока. Аккумуляция холода происходит между доениями за счет намораживания льда на внешней поверхности труб испарителя змеевикового или спирально навитого типа с кипением хладагента во внутритрубном пространстве. При поступлении молока в танк ледяная вода забирается из аккумулятора, орошает стенки танка, охлаждая молоко. Отепленная вода стекает в «ледяной банк», охлаждается за счёт таяния льда и вновь подается на стенки танка, цикл замыкается. Основные преимущества: исключается замораживание молока на стенках танка при низком уровне заполнения; имеется возможность использования аккумулированного холода для подключения внешнего теплообменника для первичного охлаждения молока до температуры 6-8С, что исключает проблему смешивания холодного и теплого молока; большая по сравнению с системой «прямого расширения» скорость охлаждения молока; большая степень загрузки холодильного оборудования; возможность использования многоставочных тарифов на электроэнергию; снижение присоединенной мощности компрессора. Основные недостатки: большее потребление электроэнергии; большие габаритные размеры; наличие механических частей (мешалок) с электроприводами. Вторая разновидность охладителей с аккумулированием холода аналог предыдущей системы, в которой аккумулятор холода конструктивно не связан с танком. Принципиальная схема такой системы представлена на рисунке 2.1.6. Основные заявляемые достоинства: охлаждение молока до требуемой температуры в пластинчатом теплообменнике перед поступлением в танк, что исключает проблему смешивания холодного и теплого молока; более высокая по сравнению с танками-охладителями скорость охлаждения молока; максимальная степень загрузки холодильного оборудования; возможность использования многоставочных тарифов на электроэнергию; снижение присоединенной мощности компрессора. Основные недостатки: большое потребление электроэнергии; большие габаритные размеры; наличие механических частей (мешалок) или воздушных компрессоров с электроприводами для интенсификации теплообмена вода - лед; возможное повышение температуры воды на выходе из аккумулятора до 4-6 С при недостаточной интенсивности теплообмена отепленная вода-лёд; большие затраты на трубчатые испарители. Кроме вышеперечисленных систем, существуют системы третьего типа с непосредственной теплопередачей через стенку "рабочее тело-молоко" в теплообменнике, который вынесен за объем танка. Принципиальная схема такой установки приведена на рисунке 2.1.в. Основные заявляемые преимущества таких систем: простота конструкции; малые габаритные размеры; минимальное потребление электроэнергии (максимальный холодильный коэффициент). Основные недостатки: большая присоединенная электрическая мощность; отсутствие возможности использования многоставочных тарифов на электроэнергию.
Блок расчета термодинамических и теплофизических свойств молока
С помощью разработанной математической модели был создан опытно-промышленный образец охладителя молока конструкции ООО СКТБ «Технологии охлаждения», г. Новосибирск.
Производственные испытания охладителя молока проводились в хозяйстве 000 «Лучезарное» Искитимского района Новосибирской области.
В задачу испытаний входили проверка работоспособности охладителя в целом и отдельных оригинальных узлов в отдельности, определение соответствия установки расчетным, параметрам и действительных характеристик при изменении параметров окружающей среды.
Эскиз внешнего вида охладителя молока приведен на рисунке 4.1. Принцип работы установки заключается в следующем.
Молоко через регулирующий вентиль 6 поступает в теплообменник 1, где охлаждается за счет кипения фреона; охлажденное до требуемой температуры молоко из поддона 9 молочным насосом 5 направляется в емкость для охлажденного молока (автомобильную цистерну). Холодильная установка состоит из двух холодильных компрессоров 2 и 3, ресивера 4 и ящика холодильной автоматики 8. В установке 0М0-2-М конденсатор 10 располагается на единой раме с холодильными компрессорами.
Режим работы «Бак» В режиме работы «Бак» температурный датчик располагался в баке, в месте, максимально удаленном от сливного патрубка охлажденного молока; система автоматического управления отключала компрессоры холодильных машин при достижении заданной температуры, задаваемой на электронной панели управления ЕКС 102. Режим работы «Проток» В режиме работы «Проток» температурный датчик располагался в сливном корыте. Температура на выходе из теплообменного аппарата устанавливалась вручную, с помощью вентиля, расположенного на входном патрубке установки. Отключение холодильных машин производилось по реле низкого давления при отсутствии протока молока через теплообменный аппарат. Основные технические характеристики охладителя приведены в таблице 4.1., а внешний вид установки ОМО-2-М на рисунке 4.2.Установка охлаждения молока ОМО-2-М конструкции СКТБ «Технологии охлаждения» Целью экспериментальных исследований при проведении производственных испытаний являлась проверка адекватности математической модели реальному процессу охлаждения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи. 1. Собрать данные, необходимые для сравнения с расчетами исследуемой модели. 2. Определить погрешность измерений. 3. Обработать данные измерений для возможности сравнений на ПЭВМ. 4. Провести сравнение полученных данных с расчетными для подтверждения адекватности теоретической модели. Измерения проводились в условиях натурных испытаний, погрешность измерений датчиков не более 1%, погрешность измерения приборов 0,5%. Состав основного измерительного оборудования приведен в таблице 4.2. Все приборы оборудованы интерфейсом RS 485 для связи с компьютером. Программный пакет позволяет считывать и отображать текущие показания приборов в реальном времени, накапливать значения, конвертировать данные в формат таблицы для дальнейшей обработки.
Цель и задачи экспериментальных исследований при испытании опытно промышленного образца охладителя молока
Для MGM-80 время охлаждения составит 2 ч 38 мин; для MGM-100 - 1 ч 51 мин. Очевидно, что необходимо выбрать более мощный компрессор MGM-100, так как во время охлаждения существуют теплопритоки в охлаждаемую емкость через ограждения (стенки молочного танка).
Перейдем к решению задачи определения энергетических затрат на цикл охлаждения молока. На рисунке 2.5.а представлена зависимость потребляемой приводом компрессора электрической мощности в приведенных единицах по результатам таблицы 2.5.
Так как температура кипения в конце цикла была определена ранее (см. рисунок 2.3), определяем относительную потребляемую электрическую мощность в конце процесса охлаждения. В данном случае она равна 68% от начальной потребляемой мощности. Для этого совместим графики холодильной мощности (см. рисунок 2.2) и потребляемой электрической мощности (см. рисунок 2.5.а) на рисунке 2.5.6. Заметим, что зависимости, приведенные на рисунке 2.6 имеют самостоятельное значение, так как позволяют отказаться от применения громоздких табличных данных и с большой точностью определять для любого компрессорно-конденсаторного агрегата фирмы «Maneurop» холодильную мощность, потребляемую электрическую мощность и, как следствие, холодильный коэффициент. Для этого необходимо знание значений указанных величин только для единственного значения температуры кипения (максимальной) и единственного значения температуры окружающей среды. Для построения графика относительной потребляемой мощности от относительного времени охлаждения, аналогичного графику зависимости относительной холодопроизводительности от относительного времени, представленному на рисунке 2.4, воспользуемся методикой приведенных мощностей и данными графика рисунка 2.5.6.
В таблице 2.8 приведены данные по соответствию холодопроизводительности и потребляемой мощности в безразмерных единицах и определено относительное время работы системы при потреблении того или иного значения мощности, а на рисунке 2.6 -приведены графики потребляемой электрической мощности в зависимости от времени работы, рассчитанные по (2.1)-(2.4) и по аппроксимационной зависимости (2.5).
