«Обоснование и разработка льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа использования на молочно – товарных фермах» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Попова Мария Игоревна

• Попова Мария Игоревна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Попова Мария Игоревна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 10 ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ХОЛОДА НА МТФ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Установки искусственного холода, применяемых для охла- 12 ждения молока

1.2 Обзор научных исследований и производственного опыта 17 по использованию природного холода на молочно-товарных фермах РФ

1.2.1 Системы сезонного использования природного холода

1.2.2 Гибридные установки естественного холода

1.2.3 Круглогодичное использование естественного холода

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КРУГЛОГОДОВОГО ИСПОЛЬ- 36 ЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ХОЛОДА (СКИПХ)

2.1 Климатическая характеристика Оренбургской области

2.2 Разработка и обоснование структурных элементов и про- 38 цесса функционирования бассейна при аккумулировании льда методом последовательного затопления пластов

2.3 Обоснование устройства для предохранения стен бассейна 40 от разрушения при послойном намораживании льда

2.4. Обоснование и разработка технологии аккумулирования 49 льда методом послойного затопления пластов

2.5. Разработка системы круглогодового использования при- 51 родного холода (СКИПХ)

2.5.1. Разработка модели функционирования системы круглогодо- 51 вого использования природного холода

2.5.2. Разработка структурной модели системы круглогодового 53 использования природного холода

2.5.3 Разработка блока контроля и управления подсистемой акку- 58 муляции резервного объема льда

2.5.4 Разработка блока подплавления ледяного пласта перед его 65 затоплением

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 74 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа исследований

3.2 Методика и результаты определения скорости роста тол- 76 щины ледяного пласта

3.3 Методика и результаты тепловизионного исследования 79 скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта

3.4 Методика проведения многофакторного эксперимента

3.5 Производственные исследования

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 100 РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ЮПОМОЩЬЮ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Обоснование и разработка льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа использования на молочно – товарных фермах»»

ВВЕДЕНИЕ

Состояние молочно-товарного комплекса Российской Федерации в последние годы характеризуются прогрессирующей тенденцией спада производства молока и снижением численности поголовья коров. По данным на начало 2016 года молочно-товарные фермы РФ производят лишь 80% от необходимого количества молока и молочной продукции. Остальная потребность покрывается за счет импорта [17].

Причиной возникновения данной тенденции является нерентабельность молочно-товарных ферм (МТФ). Ведь в большинстве регионов нашей страны себестоимость производства молока превышает закупочную стоимость на сумму до четырех рублей за килограмм.

Для того, чтобы предотвратить сложившуюся тенденцию, необходимо повысить доходность молочно-товарного комплекса РФ. Достичь этого можно лишь снизив себестоимость производства молока. Именно так считает большинство экономистов [17,51,82,91].

Производственный процесс обслуживания крупного рогатого скота (КРС) и получения молочной продукции включает множество сложных механизированных процессов - кормление, поение, навозоудаление, доение и охлаждение молока. По данным ученых Ю.А. Цоя, Г.П. Юхина, В.И. Квашенникова, А.П. Козловцева и др., наиболее энергоёмким и затратным из комплекса операций по первичной переработке молока является его охлаждение [59-62,65,66,73,75-77,135,144]. Затраты на него составляют более 50% всех затрат на первичную обработку молока. Поэтому именно процесс охлаждения является самым перспективным с точки зрения сокращения затрат материально-энергетических ресурсов [45,65].

На современных молочно-товарных фермах практически весь объем свежевыдоенного молока охлаждается искусственным холодом машинной выработки [8,19,23,31,36,42,45,65,72,75,77]. Но холодильные машины дороги, энергоёмки, сложны в устройстве и эксплуатации, требуют дорогостоящего

технического обслуживания и ремонта, высококвалифицированного персонала. Следует учесть и слабые электрические сети фермерских и коллективных хозяйств, при которых проблема снижения установленной мощности технологического оборудования выдвигается на одно из первых мест [91].

Проблема использования естественного холода набирает актуальность, в первую очередь, вследствие обострения энергетических проблем [121]. Энергопотребление мирового промышленного производства непрерывно растет. В связи с этим рост цен на энергоносители - процесс объективный, так как месторождения полезных ископаемых истощаются, объёмы их добычи снижаются, а стоимость извлечения и доставки к местам потребления и переработки возрастает [19,53].

В этой связи интерес к использованию естественного холода в целях охлаждения молока и другой сельскохозяйственной продукции непрерывно возрастает, и любое научное исследование, направленное на снижение энергоёмкости производства и переработки молока в современном мире, является перспективным.

Степень разработанности темы. Исследования выполнялись в соответствии с планом фундаментальных исследований отдела механизации РАН на период 2013-2020 годы по направлениям: «Методы анализа и синтеза многофункциональных механизмов и машин для перспективных технологий и новых человеко-машинных комплексов» и 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 комбинированного двухёмкостного водооборотного льдоаккумулятора природного холода годовой потребности и способа его использования на молочно-товарных фермах.

Объект исследования. Тепломассообменные процессы функционирования комбинированного двухёмкостного водооборотного

льдоаккумулятора в системе заготовки льда для круглогодичного охлаждения молока на МТФ.

Предмет исследования. Закономерности тепломассообменных процессов в толще водяного бассейна комбинированного двухёмкостного водооборотного льдоаккумулятора.

Методика исследований. Теоретические исследования опираются на современные информационные технологии, аналитические исследования процессов тепломассообмена в системе льдоаккумулирования с применением законов классической механики, гидравлики, термодинамики, теории вероятностей и математической статистики, гидро- и ледотермики, теории планирования эксперимента и принципов создания проблемно-ориентированных программных комплексов. Для расчета динамики заморозки воды и образования льда применяли методику Г.В. Аникина, В.А. Бобкова, Ф.И. Быдина, А.И. Учеваткина и др..

Экспериментальные исследования проводили по разработанным частным методикам испытаний. Расчет и анализ параметров процесса осуществляли с использованием теории математической обработки данных, планирования многофакторных экспериментов. В работе использовались фото-, тепловизионная съемка, применялись программно-технические средства. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в соответствии с общепринятыми методиками планирования многофакторного эксперимента с использованием программных продуктов «Microsoft Excel», «MathCAD 10», «Statistica 10».

Научная новизна:

- теоретическое и экспериментальное обоснование режимов аккумуляции естественного холода в форме льда;

- методика учета массы накопленного льда и контроля интенсивности его намораживания для молочных ферм;

- 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 подплавле-ния и затопления пластов льда в бассейне;

- техническое решение применения естественного холода для охлаждения молока.

Научная гипотеза. Предполагается обеспечение МТФ холодом годовой потребности посредством внедрения комбинированного двухёмкостного водооборотного льдоаккумулятора природного холода, что позволит отказаться от использования холодильных машин.

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);

- предложен способ предохранения стен бассейна от разрушения при замерзании воды;

- разработан алгоритм и программа для расчёта процесса охлаждения жидкотекучих пищевых продуктов в охладителях молока (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614224);

- разработан алгоритм и программа для контроля процесса аккумуляции льда при стационарном и при последовательном затоплении пластов.

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 «Молодёжный 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), диплома 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 расчёта блока сезонного охладительного устройства (СОУ) при охлаждении молока;

- методика расчёта интенсивности послойного намораживания льда в бассейне резервного запаса холода для использования в периоды положительных температур воздуха;

- методика расчёта системы подплавления и затопления пластов льда в бассейне;

- результаты лабораторных и производственных испытаний установки послойного намораживания льда в комбинированной системе льдоаккумулирования;

- результаты технико-экономического обоснования внедрения системы аккумуляции и использования природного холода годовой потребности для молочно-товарной 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 18 работ, в том числе пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ, новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение № 2627574, № 2651817 и свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614224. Изданы рекомендации, утвержденные РАН.

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 15 таблиц, 49 рисунков и 20 приложений.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ХОЛОДА НА МТФ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Молоко - биологическая жидкость, секрет молочной железы млекопитающих животных [10,31,54,55]. В молоке содержатся высококачественные белки -казеин и лактальбумин, необходимые для нормального развития организма и обмена веществ. Кроме того, в состав молока входят все известные витамины. Молоко, безусловно, оказывает благотворное влияние на человека, но только в том случае, если оно качественное [10,29,38,49,54,55,62].

За последние годы, как в мире, так и в нашей стране, требования к качеству молока повышаются, о чём свидетельствует ГОСТ 31449-2013 [35]. Молоко считается тем качественнее, чем ниже в нем содержание бактерий. Однако, молоко не только ценнейший продукт питания человека, но и прекрасная питательная среда для жизни и размножения микроорганизмов, в том числе патогенных. Непосредственно после доения молоко имеет естественную сопротивляемость микроорганизмам, это связано с тем, что в свежевыдоенном молоке содержатся бактерицидные вещества — иммунные тела, препятствующие развитию бактерий. Период времени, в течение которого молоко сохраняет бактерицидные свойства, называется бактерицидной фазой. По многочисленным исследованиям ученых [3,14, 20-22,31,34,38,49,68,126,131,150] длительность бактерицидной фазы зависит от условий хранения молока, а именно, от температуры и продолжительности хранения. Чем выше температура молока, тем быстрее развиваются в нем микроорганизмы и тем ниже продолжительность бактерицидной фазы (рисунок 1.1). Последствия для продукта весьма неутешительны: молоко с изначально высоким содержанием бактерий быстро скисает. Рост числа микроорганизмов может быть сведен к минимуму только с помощью незамедлительного охлаждения молока [20,38,56,58,132,136,151].

Операции по охлаждению молока в настоящее время регламентирует ГОСТ 31449-2013 «Молоко коровье — сырое. Технические условия». В соответствии с

ГОСТ охлаждение молока проводят в хозяйствах не позднее двух часов после дойки до температуры (4±2)°С.

Согласно Федеральному закону от 23 ноября 2009 года № 126-ФЗ допускается хранение сырого молока не более чем 36 часов с учетом времени перевозки при температуре 4°С [100]. Считается, что именно при такой температуре возможно обеспечение бактериальной стабильности.

0 Ь 8 12 16 20 24 28 Часы

Рисунок 1.1 - Зависимость количества бактерий от времени хранения при различных

температурах

Установлено, что незамедлительное снижение температуры молока непосредственно после доения способствует снижению развития микроорганизмов и сохранению его качества [10,70,71]. Но следует отметить, что процесс охлаждения не является фактором, восстанавливающим качество молока, и охлаждение молока лишь задерживает увеличение числа уже имеющихся в нем бактерий. Поэтому эффект от охлаждения молока будет только в случае, если оно получено от здорового животного и изначально соответствует высокому качеству. В связи с этим, тема работы посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме - влиянию процесса охлаждения молока на поддержание его качества.

1.1 Установки искусственного холода, применяемых для охлаждения молока

На сегодняшний день охлаждение молока в большинстве случаев осуществляется машинным способом, т.е. посредством специализированных охладителей [2,25,26,35,36,45,50,77,85,87,128]. Усилиями многочисленных ученых, инженеров и изобретателей их конструкции сегодня выведены на высокий уровень и продолжают совершенствоваться. Разработанные охладители можно классифицировать следующим образом (рисунок 1.2):

Рисунок 1.2 - Классификация современных охладителей

Простейшим вариантом охлаждения молока является его охлаждение во фляжных охладителях. Молоко наливают во фляги и погружают их в бассейн с ледяной водой (проточной или непроточной), по необходимости в бассейн добавляют лед (рисунок 1.3). Но такой способ охлаждения требует больших затрат на сооружение ванн, хранение и транспортировку льда, кроме того он не предназначен для охлаждения молока в промышленных масштабах, поэтому его применение ограничено [14,15].

Рисунок 1.3 - Схема установки для охлаждения молока во флягах.

1 - бассейн; 2 - фляга; 3 - вентиль; 4 - сливная труба.

Более прогрессивный способ охлаждения - использование специализированных охладителей, например, оросительных. Принцип действия оросительных охладителей основан на том, что по открытой поверхности аппарата сверху вниз стекает продукт, а хладоноситель (вода или рассол) циркулирует в закрытых каналах (рисунок 1.4) [31].

Рисунок 1.4 - Схема оросительного охладителя 1 - распределительный желоб; 2 - трубчатые секции охлаждения; 3 - желоб для сбора охлажденного молока; 4 - сливной патрубок; 5 - коллектор.

В линиях молокопровода, оснащенных циркуляционной системой промывки молочной линии, наибольшее распространение получили пластинчатые охладители (рисунок 1.5) [20,29,31,55,56]. Пластинчатые охладители представляют собой совокупность пластин, плит и винтовых штанг. Набор пластин сжимается винтовыми штангами между плитами. В плиты встроены штуцера для крепления трубопроводов, подводящих и отводящих молоко и охлаждающую воду. Молоко и вода движутся противотоком по разным сторонам пластин.

Л] Ю\\1_ \8\7_ \6_\L

Рисунок 1.5 - Схема пластинчатого охладителя

1 - штуцер; 2 - верхнее отверстие; 3 - кольцевые резиновые прокладки; 4 - граничная пластина; 5 - винт; 6 - нажимная плита; 7 - большая резиновая прокладка; 8 - нижнее отверстие; 9 - штанга; 10 - теплообменная пластина; 11 - стойка.

В рассмотренных выше конструкциях фляжных, пластинчатых и оросительных охладителей источником холода служит водопроводная или артезианская вода. Значительным недостатком таких охладителей является невозможность повторного применения использованной воды, её попросту сливают в канализацию или разливают на поверхность земли.

С целью достижения температуры, необходимой для сохранения качества молока, применяют специализированные холодильные машины (рисунок 1.6) [31,42,85,115].

газообразный хладагент жидкий хладагент

Рисунок 1.6 - Принципиальная схема холодильной установки 1 - компрессор; 2 - термобаллон; 3 - конденсатор; 4 - теплообменник; 5 - термовентиль; 6 - испаритель; 7 - бак водяной; 8 - бак молочный; 9 - мешалка; 10 - термореле; 11 - реле давления; 12 - фильтр-осушитель; 13 - ресивер.

В основе работы таких машин лежит принцип резкого охлаждения некоторых технических жидкостей, например хладона, при их испарении в процессе резкого перехода от состояния высокого давления к атмосферному. Хладагент в та-

ких машинах циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая фазовые превращения, испаряясь и забирая тепло у охлаждаемой воды, конденсируясь и отдавая тепло окружающему воздуху или проточной воде. Энергию для осуществления фазовых переходов хладагент получает от компрессора 1, сжимающего газообразный хладагент до давления конденсации [85,115].

На принципе резкого охлаждения хладона основан технологический процесс установки молокоохладительной установки СЛ - 1600 (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Молокоохладительная установка СЛ - 1600

1 - ванна водяная; 2 - вода; 3 - испаритель; 4 - теплоизоляционный слой; 5 - обшивка ванны; 6 - конденсатор; 7 - мешалка воды; 8 - молочная ванна; 9 - крышка ванны; 10 - привод мешалки; 11 - мешалка молока; 12 - молоко; 13 - патрубок молочный; 14 - патрубок водяной; 15 - опоры.

СЛ - 1600 имеет вид цистерны из нержавеющей стали, внутрь которой помещено молоко. Снаружи цистерна теплоизолирована рубашкой и герметичной обшивкой. В межстенном пространстве между цистерной и обшивкой циркулирует хладоноситель, отбирающий тепло молока, перемешиваемого специальной мешалкой. Вода, предназначенная для омывания цистерны с молоком, охлаждается испарителем 3 [31].

С целью охлаждения и хранения молока на МТФ также применяют и резер-вуарные охладители - молочные танки. Наиболее распространенной системой охлаждения, применяемой в танках таких производителей как DeLaval, Westfalia, Serap, является система непосредственного охлаждения [42,115]. При таком способе продукт охлаждается при непосредственном контакте с поверхностью испарителя холодильной машины, являющейся одновременно неотъемлемой частью конструкции внутренней емкости молочного танка. На современных российских МТФ для сбора, охлаждения и хранения молока применяются и отечественные

танки-охладители молока с непосредственным охлаждением (СМ - 1250; РНО - 1,6; РНО - 2,5; ТОМ - 2А) [114,115]. В качестве хладагента в них используется фреон, что значительно ухудшает экологическую обстановку [30,97].

Стоит отметить и то, что большинство холодильных машин, применяемых в современной промышленности, работает от трехфазной электрической сети. Вместе с тем, тарифы на электроэнергию неизменно растут, вследствие роста цен на невозобновляемые энергоносители - уголь, нефть, газ, т.к. именно из них генерируется большая часть производимой в России электроэнергии [110].

Анализируя данную ситуацию, мы выявили тенденцию роста цен на электроэнергию [122] и составили прогноз до 2049 года (таблица 1.2). Расчет стоимости электроэнергии с учетом подорожания произведен по формуле:

С = С0(1+%/100)п (1.1)

где С0 - цена на электроэнергию, руб; % - процент повышения цены; п - коэффициент.

Таблица 1.1 - Прогноз стоимости электроэнергии до 2049 года в зависимости от подорожания (руб/кВтчас)

Год Ежемесячное подорожание

5% в год 10% в год 15% в год

2014 5,25 5,5 5,75

2019 6,38 8,05 10,06

2024 8,14 12,97 20,23

2029 10,39 20,89 40,68

2034 13,26 33,64 81,83

2039 16,93 54,17 164,59

2044 21,60 84,25 331,06

2049 27,58 140,5 665,88

Анализ существующих конструкций установок искусственного холода, применяемых для охлаждения молока, показал, что современные охладители имеют массу существенных недостатков, а именно:

- сложны в устройстве, металлоемки и, следовательно, дороги;

- требуют наличия высококвалифицированного персонала для осуществления технического обслуживания (ТО) и ремонта;

- работают на основе хладагентов, что наносит непоправимый ущерб экологии;

- энергоемки.

В связи с вышеизложенным, в последние годы возрастает интерес к использованию естественного холода в переработке и хранении молока и молочной продукции.

1.2 Обзор научных исследований и производственного опыта по использованию природного холода на молочно-товарных фермах РФ

На современных МТФ для охлаждения молока, повсеместно применяются холодильные машины и агрегаты, работающие на основе искусственного холода. Их конструкции и технологический процесс непрерывно совершенствуются, но даже самые прогрессивные модели таких машин имеют множество неисправимых недостатков.

В своей работе «Охлаждение молока на комплексах и фермах» И.Н. Босин отмечал: «Холодильные машины, широко применяемые на молочных фермах и комплексах, сложны в обслуживании, энергоемки и имеют высокую стоимость. На охлаждение каждой тонны молока с использованием холодильных машин затрачивается до 29 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, из-за недостаточно высокой надежности указанных машин и нередко низкой квалификации обслуживающего персонала возникают отказы в работе, приводящие к ухудшению качества молока». Это мнение разделяют и другие отечественные и зарубежные специалисты [5,7,9,33,35,52,59,61,63,69,70,72,78,79,84,88,89,90,96,99,

116,129,130,152], что обуславливает повышение интереса к использованию аккумуляторов естественного холода в переработке и хранении продуктов питания. Уже сейчас ведутся активные разработки энергосберегающих технологий охлаждения и хранения сельскохозяйственной продукции, которые можно классифицировать следующим образом (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Классификация систем охлаждения с ипользованием естественного холода

Разработка и применение аккумуляторов естественного холода с целью охлаждения стремительно набирает популярность еще и вследствие дефицита топливно-энергетических ресурсов, а также является одним из современных эффективных способов снижения энергозатрат на выработку холода [6,19,53]. Естественный холод экологически чист, возобновляем, способен полностью обеспечить сохранность скоропортящихся продуктов пищевой промышленности [20,33,45,62,65,67,76,143]. В качестве основных преимуществ установок, работающих на основе естественного холода, можно отметить простоту конструктивного исполнения, элементарность обслуживания и ремонта,

непрерывное аккумулирование холода в период отрицательных температур, возможность полного отказа от химических хладагентов, что позволяет снизить негативное влияние на окружающую среду. Вместе с тем, такие агрегаты высоконадежны и доступны к использованию в отдаленных районах РФ, в том числе и в регионах Южного Урала [65,72,77].

1.2.1 Установки сезонного использования природного холода

Первый опыт по использованию естественного холода с целью охлаждения пищевой продукции был приобретен еще нашими далекими предками. Они охлаждали продукты питания с помощью водоёмного льда, который заготавливали вырезанием блоков из ледяного слоя, образующегося в зимнее время на поверхности естественных водоемов. Заготовленный лед укладывали в погреба, в них же укладывали скоропортящиеся продукты, и таким образом осуществляли охлаждение. Этот способ теперь потерял свою актуальность из-за множества недостатков, свойственных ему: трудоемкости выколки, погрузки и транспортировки, невозможности повторного использования льда. На смену этому способу пришли два аналогичных, основанных на образовании льда при воздействии низких температур окружающей среды. Это способ послойного намораживания на специально оборудованных площадках и способ намораживания сосулек в градирнях.

Метод послойного намораживания воды на специализированных площадках применяется в регионах с устойчиво низкими температурами [46,48]. Площадку, на которой будет располагаться намороженный лед, заранее подготавливают -насыпают слой шлака и кладут деревянный настил, подводят к ней воду, а затем по периметру площадки роют сточные канавы. Перед тем, как начать наморозку льда, по периметру площадки устанавливают борты, затем с помощью шланга на площадку тонким слоем наливают воду. После её промерзания заливают следующую порцию воды и так далее. В ходе наморозки борты переставляют выше на 1-1,5 метра и делают отступ внутрь ледяного массива. Таким образом, ледяной массив будет иметь ступенчатый вид (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 - Схема площадки для заготовки льда намораживанием воды 1 - борты; 2 - подсыпка шлака; 3 - досчатый настил, 4 - каналы; 5 - лед.

При массовых заготовках льда таким способом полив целесообразно механизировать. С этой целью применяют форсуночную установку (рисунок 1.10) [83]. На глубине полуметра по оси площадки проводят водопроводную систему, имеющую отводы. К отводам, по мере намораживания, навинчивают стояки из труб диаметром 38 мм высотой 1,6 м, на которых расположены форсунки, предназначенные для равномерного распределения воды по всей площади.

Рисунок 1.10 - Схема форсуночной установки для намораживания льда 1 - форсунка; 2 - бунт льда; 3 - распределитель воды, 4 - водная магистраль; 5 - водопоглащающий колодец; 6 - тепляк; 7 - водомер.

Применение форсуночной системы сокращает трудозатраты, уменьшает себестоимость заготовки льда и при этом ускоряет процесс его намораживания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попова Мария Игоревна, 2018 год

использования

Подсистема накопления и использования

резервного объёма холода

Блок аккумуляции резервного объема холода

Блок контроля и управления

использования

резервного объема холода

Мерная I Герконовый ёмкость I датчик дня воды Щ уровня воды

Компьютер

Счетчик расхода воды

Шкаф управления

Рисунок 2.6 - Структурная схема системы круглогодового использования природного

холода.

Блок аккумуляции водного льда представляет собой бассейн с теплоизолированными стенами глубиной 5 метров. В верхней части бассейна смонтирована горловина, представляющая собой усеченный конус, выполненный из листовой оцинкованной стали, либо листов алюминиевых сплавов. Конус расположен малым основанием вверх. Величина конусности 0,4...0,6. Высота горловины определятся числовым значением толщины затапливаемого слоя, равным 0,1.0,25м. По наружной поверхности конуса наматывается нагревательный провод [прило-

жение 2]. Нагрев горловины позволяет перед затоплением подплавить поверхность ледяного слоя, примерзшего к внутренней поверхности горловины. Ниже горловины в выемках боковой цилиндрической стенки бассейна смонтированы фиксаторы затопленных ледяных пластов 6, в количестве 4 штук (рисунок 2.7).

Бассейн перед началом эксплуатации заполняется водой до верхней отметки

-5

горловины. Вместимость бассейна УБ (м ), в зависимости от поголовья коров на ферме, их годовой продуктивности и длительности периода положительных (бо лее +5оС) температур, рассчитывается по формуле [72,77]:

Vr _ N гУсм( Ьнач —ЬК0Н)Тп.п.ту ^

б ~--' (2.20)

3 6 5 1лРл

где Ыг - поголовье коров на ферме, гол;

у - годовая продуктивность коров , кг/гол; см - удельная теплоемкость молока Дж/кг °С;

Тп. п .т - длительность периода положительных температур, 115 суток; ц - коэффициент потерь льда в летний период; Ьл - удельная теплота плавления льда, 0,335 Дж/кг;

-5

рл - плотность льда 916,8 кг/м .

tнач - начальная температура молока, °С;

(К0н - конечная температура молока, °С.

По формуле (2.20) нами был произведен расчёт вместимости бассейна

-5

УБ (м ) в зависимости от поголовья коров на ферме и продуктивности стада (таблица 2.5).

Таблица 2.5 - Расчетный объем бассейна для аккумуляции резервного объема льда.

Продуктивность стада, л/гол

3000 4000 5000 6000

Поголовье, 100 200 400 100 200 400 100 200 400 100 200 400

голов

Вместимость 66 132 264 88 176 353 110 221 441 132 265 529

бассейна, м 3

Рисунок 2.7 - Схема системы аккумулирования и использования природного холода годовой потребности методом затопления ледяных пластов

1 - льдохранилище; 2 - нагревательная обмотка для отпайки ледяного пласта; 3 - теплоизоляция; 4 - свежеразлитый слой воды; 5 - затопленный ледяной пласт; 6 - фиксаторы затопленных пластов льда; 7 - мерная емкость с герконовым датчиком уровня воды; 8 - поплавок с встроенным постоянным магнитом; 9 - герконы; 10 - шкаф управления; 11;14;20 - насосы; 12;19 - вентили; 13 - пластинчатый проточный охладитель молока; 15 - теплоизолированные вводы; 16;17 - трехходовые краны; 18 - емкость для воды блока «Сезонного охлаждающего устройства» (СОУ); 21 - форсунки; 22;23;24 -трубы; 25 - пласт льда; 26 - навес; 27 - вентилятор; 28 - счётчик расхода воды.

Нижняя придонная часть льдохранилища 1 соединена с отделением первичной обработки молока (рисунок 2.7) трубами 22, 23. Охлаждение молока при функционировании подсистемы осуществляется подачей ледяной воды из придонного пространства льдохранилища 1 в пластинчатый проточный теплообменник-охладитель 13 по трубе 22, затем вода снова возвращается в льдохранилище по трубе 23. Краны 16 и 17 в это время устанавливаются в положение II.

Для предохранения горловины льдохранилища 1 от солнечной радиации и атмосферных осадков над ней монтируется легкосъёмный навес 26. В срединной части навеса имеется люк, перекрываемый откидной крышкой. Над люком устанавливается вентилятор 27 с плавно регулируемой частотой вращения рабочего колеса.

Особую роль в этой подсистеме играет блок контроля и управления, включающий в себя мерную емкость с герконовым датчиком уровня воды 7 (рисунок 2.7), насос 11, счетчик расхода воды 28 и шкаф управления 10. Блок контролирует толщину намораживаемого слоя льда в ледяном пласте 25. При достижении суммарной толщины ледяного пласта заданного значения блок выдает звуковой и световой сигналы на табло шкафа управления 10 - «Затопление пласта».

При появлении этих сигналов оператор устанавливает кран 16 в положение II (рисунок 2.7), а кран 17 в положение I. После этого включается нагревательная обмотка горловины 2 на 15.20 минут. За этот период произойдет «отлипание» пласта льда от горловины по всему периметру. После «отлипания» пласта включается насос 20, который перекачивает воду из льдохранилища 1 в емкость 18, установленную на крыше молочного отделения. Уровень воды в льдохранилище 1 понижается и вместе с ним отпускается намороженный пласт льда 25. Как только пласт окажется ниже фиксаторов 6, насос 20 выключается.

Вода из емкости 18 через краны 17 и 16 возвращается в льдохранилище, где ее уровень устанавливается на начальной отметке. В этот момент оператор переводит кран 16 в положение I. Пласт льда в затопленном положении будет удерживаться фиксаторами 6. Далее процесс циклически повторяется со 2-м, 3-м и т.д. пластами.

При замораживании каждого пласта блок контроля, соединенный с компьютером, осуществляет расчет скорости роста толщины каждого слоя льда, толщины слоя, количество слоев в пласте и общее количество пластов, намороженных за весь морозный период. Принцип работы блока при выполнении перечисленных операции изложен ниже.

В летнее время охлаждения молока ведется аналогичным образом, т.е прогоном воды насосом 20 через пластинчатый охладитель молока 13. При этом краны 17 и 16 постоянно установлены в положение II.

В период намораживания пластов льда в безветренные дни включается вентилятор 27, установленный над горловиной. Электродвигатель вентилятора имеет плавную регулировку частоты вращения. Навес 26, сооружаемый над льдохрани-

лищем 1, защищает его поверхность от солнечных лучей, но не гарантирует от попадания снега. Но очищать поверхность льда от снега нет необходимости, т.к. при затапливании ледяного пласта снег уйдет вместе с ним под воду, превратившись, в конечном итоге, в дополнительное количество воды.

Подсистема текущего (сезонного) накопления холода включает в себя резервуар 18 с теплоизолированными вставками 15, насос 14, краны 16 и 17. Рабочий объем резервуара 18 должен вмещать объем воды, откачиваемый из бассейна во время затопления ледяного пласта, плюс оперативный объем, обеспечивающий накопление природного холода для суточного охлаждения молока в течения всего морозного периода.

При работе подсистемы сезонного накопления холода охлаждения молока в охладителе 13 осуществляется ледяной водой из резервуара 18, циркуляция воды в этом случае осуществляется насосом через краны 16 и 17, установленные в положение I. Теплоприток от охлаждаемого молока 2.3 раза в сутки обеспечивает в резервуаре 18 тепловой баланс, предотвращающий промерзание воды в ёмкости.

Таким образом, конструкция СКИПХ позволит обеспечить охлаждение молока в период отрицательных температур с помощью подсистемы сезонного накопления и использования природного холода, аккумулируя в это время потребный объём льда, предназначенный для охлаждения молока в период положительных температур.

2.5.3 Разработка блока контроля и управления подсистемой аккумуляции резервного объема льда

Главной контрольной функцией блока контроля и управления подсистемой аккумуляции резервного объема льда является непрерывный приборный контроль скорости роста толщины ледяного слоя и массы образовавшего льда.

Этот вид контроля является сложной задачей. Ведь трудно контролировать возрастающий от нулевого значения толщину слоя на поверхности бассейна площадью в несколько десятков квадратных метров. Такой же сложной задачей

является определение момента готовности пласта к затоплению. В настоящее время известен только один способ контроля толщины - высверливание отверстий в слое льда с последующим визуальным измерением. Однако, этот метод не приемлем ни с экономической точки зрения, ни сточки зрения безопасности обслуживающего персонала.

Трудности усугубляются еще и тем, что ледяной пласт затапливается под уровень воды. Значит, установка в слое льда каких - либо технических устройств - электродов, сосудов с гибкой стенкой, наполненных незамерзающей жидкостью и т.д. - невозможна, т.к. эти устройства вмерзнут в лёд и извлечь их оттуда перед затоплением пласта невозможно.

Нам не удалось найти сообщения о способах и технических устройствах для этих целей в литературе. Для изыскания возможности разработки технических устройств и методики приборного контроля процесса аккумулирования льда методом последовательного затопления пластов проведем анализ этого процесса.

При воздействии морозного воздуха на открытую водную поверхность бассейна на ней, за счет теплообмена между водой и морозным воздухом, начинает образоваться лед. Граница между льдом и незамерзшей водой непрерывно движется вниз. Толщина слоя льда непрерывно растет вниз. Намерзание льда вызывает непрерывное образование объема .

-5

Непрерывный поток воды Л=.А У/т (м3/ч), выходящий из подлёдного пространства льдохранилища 1 по трубе 24 через кран 12, попадает в мерную емкость с герконовым датчиком уровня воды 7 (рисунок 2.7).

Герконовый датчик уровня воды, устроен следующим образом. В центральной трубке 7, выполненной из нержавеющей стали вставлена пластина 6, на которой закреплены 4 геркона (0-1-2-3). Пластина закреплена на клеммной колодке. Каждый геркон на клеммной колодке имеет свой контакт (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Герконовый датчик уровня воды в мерной ёмкости а - детали датчика; б - датчик в сборе; 0; 1; 2; 3; 4 — герконы; 5 — поплавок со встроенным магнитом; 6 — пластина; 7 — центральная трубка.

По наружной поверхности центральной трубки свободно скользит пластиковый поплавок со встроенным магнитом 5 (рисунок 2.9). При повышении уровня воды в мерной емкости 4 поплавок всплывает. Как только поплавок достигнет уровня геркона, подключенного в электросхему шкафа управления, контакты этого геркона под воздействием магнитного поля поплавка замыкаются и в шкаф управления 6 подается сигнал о включении насоса 7 для откачки воды из мерной емкости 4.

Рис. 2.9 — Схема функционирования блока приборного контроля льдоаккумуляции в бассейне - условно-частотная модуляция. 0; 1; 2; 3 — герконы; 4 — мерная емкость; 5 — поплавок с встроенным магнитом; 6 — шкаф управления; 7 — насос; СРВ — счетчик расхода воды; Я = /(т) — криограмма рабочего процесса подсистемы аккумуляции льда.

Насос 7 перекачивает объем воды АУ в бассейн, где он разбрызгивается тонким слоем по поверхности пласта льда. Уровень воды в мерной емкости 4

опускается. Вместе с ним опускается и поплавок 5, скользя по наружной поверхности трубки. При полной откачке объема У поплавок окажется на уровне нулевого геркона, замкнув его контакты. Насос 7 выключается.

Далее наступает пауза I — ого цикла - длительность наполнения мерной емкости до уровня рабочего геркона. Насос 7 в это время не работает. Длительность паузы характеризует длительность намораживания очередного го слоя льда в у - ом пласте.

Таким образом, мерная емкость работает циклично. Цикл состоит из двух отрезков времени: длительность наполнения тн :^ и длительность откачки воды из мерной емкости тот. Но производительность насоса 7 многократно превышает поток Лвх ±, характеризующий скорость роста толщины ледяного слоя. В связи с этим, в дальнейших расчетах длительностью откачки тот можно пренебречь, т.к. Тот « т i. Нулевой геркон является общим.

При подключении к электросхеме шкафа управления 6 геркона 1, насос будет перекачивать воду в объеме У± (0.1). Если вместо геркона 1 подключить геркон 2, то рабочий объем У2 будет «0.2» и т.д. Обозначим объем, заключенный между нулевым герконом и каким-либо другим (1; 2; 3) символом У и назовем его рабочим объемом, а подключенный в электросхему шкафа управления 6 гер-кон - рабочим герконом. Таким образом, в мерной емкости можно создать 4 размера рабочего объема: У4 >У3> У2 > V1.

Объему А У соответствует масса льда, образовавшегося в бассейне (2.10) тл = кА У.

Следовательно, Н • 8б • рл = kAV (2.21)

Тогда:

Н = кА У /рл 8б, (2.22)

где Н - толщина слоя льда, м;

л

Бб - площадь водной поверхности бассейна, м ; к - коэффициент аномальности воды, кг/м 3.

Из схемы функционирования блока приборного контроля (рисунок 2.9) видно, что длительность тЯд наполнения объема У определяется числовым значением потока X, значит скоростью роста толщины слоя кл, м/час. Скорость роста толщины слоя кл является основной характеристикой динамики процесса намораживания каждого I — ого слоя в каждом у — ом пласте льда. Измеряя «тя» можно определять Нл = Я/тЯд т.е. контролировать скорость роста каждого слоя льда, либо при последовательном затоплении пластов, либо без затопления, т.е. рост толщины пласта в стационарном режиме.

Поток воды, выходящий из подледного пространства льдохранилища X и, определяемая им скорость роста толщины ледяного слоя кл, является функцией параметров окружающей среды (температуры и влажности воздуха, скорости ветра, наличия атмосферных осадков, солнечной радиации и т.д.).

Из принципа работа блока контроля (рисунок 2.9) видно, что закономерность изменения Явх определяет частоту срабатывания блока. Производительность насоса 7 блока постоянна, а интервал между его включениями плавно изменяется: уменьшаясь при увеличении Явх и увеличиваясь при уменьшении Явх. Т.е., частота включения плавно меняется во времени. Такой вид трансформации входного сигнала в технике называется частотной модуляцией. В связи с таким преобразованием входного потока Явх, в блоке контроля этот процесс, по нашему мнению, можно назвать условно-частотной модуляцией. Таким образом, блок контроля является условно-частотным модулятором входного сигнала - потока X.

В ПК частотно-модулированный сигнал, после обработки по соответствующей программе, снова трансформируется в аналоговый сигнал, т.е. выполняется амплитудная модуляция. ПК выдает истинный график течения процесса намораживания ледяного слоя, который можно назвать криограммой рабочего процесса системы круглогодового использования природного холода. Криограмма имеет продолжительность всего морозного периода. Её отдельные отрезки — суточный, недельный, месячный и т.д. — несут информацию о соответствующем периоде намораживания льда.

Нами были разработаны блок - схемы алгоритмов контроля процесса аккумуляции льда как при стационарном положении ледяного пласта, т.е. без затопления, так и при периодическом затоплении пластов (рисунок 2.10, 2.11). По данным алгоритмам разработана программа для ЭВМ [приложение 3].

Рисунок 2.10 - Блок схема алгоритма «Расчета процесса аккумуляции льда стационарном положении ледяного пласта» Л I - часовая скорость намораживания / — ого слоя, м/час; Н - толщина слоя льда (м) при

«-» 3

заданных значениях У; к; рл; 5; У - объем мерной емкости, м ; рл - плотность льда при 0°С, кг м ; - площадь водной поверхности бассейна, м ; - глубина бассейна, м; - счетчик слоев; - суммарная толщина слоев; - длительность намораживания ого слоя.

Рисунок 2.11 — Блок схема алгоритма «Расчет процесса аккумулирования льда с последовательным затопление пластов» Иц — часовая скорость намораживания / - ого слоя в }- ом пласте льда, м/час; Н — толщина слоя льда при заданных объёмах У (мерной емкости), м; Б — площадь водной поверхности

2 3 3

бассейна, м ; рл — плотность льда, кг/м ; к — коэффициент аномальности воды, кг/м ; В — толщина пласта, м; N — планируемое число пластов льда, намораживаемых за весь морозный период; Тц — длительность часов намораживания / - го слоя в } - ом пласте, час; / — счетчик слоев; } — счетчик пластов; — суммарная толщина / слоев в } - ом пласте.

Таким образом, блок контроля и управления подсистемой аккумуляции резервного объёма льда позволяет осуществлять непрерывный контроль скорости роста толщины слоя льда и его массы, посредством программы для ПК.

2.5.4 Разработка блока подплавления ледяного пласта перед его затоплением

В природе не существует материалов со стопроцентной льдофобностью [16,37,139,146,148,149]. Более того, силы сцепления ледяного слоя с какой - либо поверхностью значительно превышают величины сил внутреннего сцепления льда. В связи с этим использование каких-либо способов механического отделения ледяного слоя от стен горловины бассейна экономически не приемлемо. Наилучшим способом «отлипания» льда от подстилающей поверхности является его подплавление путем нагрева подстилающей поверхности нагревательными электропроводниками. В настоящее время наибольшее распространение для под-плавления ледяного слоя получили нагревательные провода российской фирмы Heatline.

Для нагрева стенки горловины при «отлипании» льда нагревательный провод при монтаже закрепляется на цилиндрическую горловину льдохранилища с определенным шагом намотки Ш. Потребная длина провода Ьп при известных значениях высоты горловины Ж, диаметра В и шага Ш определяется по формуле:

утг

Ьп = пЭ ) (2.23)

Высота горловины Ж зависит от толщины затапливаемого слоя Н. Для надежного подплавления высота должна быть не менее 2Н, поэтому Ж>2Н. Диаметр горловины бассейна определяется расчетным значением объема бассейна (2.20).

Горловина бассейна после закрепления нагревательного провода теплоизолируется теплоизоляционным слоем «Пеноплекса». Толщина слоя составляет 25.30 см, что надежно защищает наружную поверхность горловины от теплопо-терь. Таким образом, при расчете потребной длины нагревательного провода теп-лопотерями с наружной поверхности можно пренебречь ввиду их малости, по сравнению с теплоотдачей внутренней поверхности контактирующей с водой, льдом.

Неопределенной величиной в формуле (2.23) является числовое значение шага намотки Ш. Конечно, при сплошной намотке, т.е. при Ш = 0, подплавление пласта будем самым надежным, но высокозатратным. Надежность можно обеспечить и при шаге Ш > 0.

Для определения числового значения шага Ш проведем анализ процесса теплопередачи от нагревательного провода по высоте стенки горловины. Стенка является цилиндрической поверхностью горловины. В теории теплопередачи через цилиндрическую стенку утверждается, что если отношение наружного диаметра стенки Бнар к внутреннему диаметру стенки Бвн меньше 3-х, то стенку можно рассмотреть как плоскую. Принимаем стенку горловины, выполненной из листового металла, толщиной 3 мм. Значит, Внар/Ввн<<3.

Вырежем из горловины кусок стенки длиной w =1 с закрепленным на нем нагревательным проводом с шагом Ш (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема теплопередачи по стенке горловины бассейна от нагревательного

провода

1 - саморегулирующийся нагревательный провод; 2 - стенка горловины; w - длина участка горловины; г - толщина стенки; Ш - шаг намотки нагревательного провода.

При включении провода в электросеть теплота от координаты расположения провода будет распространяться в обе стороны, т.е. вверх и вниз (рисунок 2.13). Не забудем при этом, что наружная поверхность стенки теплоизолирована.

с!

/ ш

До включения электрического тока стенка имела температуру окружающей среды Т5 по всей площади. В первые мгновения после начала нагрева температура стенки начнет возрастать. Процесс изменения температуры стенки до истечения времени стабилизации т будет иметь характер нестационарного. После стабилизации процесса тепловой поток от нагревательного провода будет постоянным, т.е. температура в любой точке стенки не изменяется с течением времени. Процесс станет стационарным.

Рисунок 2.13 - Закономерность изменения температуры стенки Т = / (х)

Условимся, что материал стенки однородный и теплопроводность постоянная, т.е. коэффициент теплопроводности Вт/(мК) постоянен. Температуру окружающей среды также условимся считать постоянной, т.е. коэффициент теплоот-

л

дачи от стенки в окружающую среду (Вт/м К) постоянен.

Рассмотрим небольшой элемент стенки высотой Ах (рисунок 2.13). Элемент имеет площадь поперечного сечения Sс.= 2 • w, а площадь поверхности А8п = ^ + 2) Ах. Но длина и высота куска стенки много больше по отношению к толщине листа, из которого стенка сделана. Поэтому можно считать, что А$>п= w • Ах.

Пусть Т - температура стенки в элементе Ах. Можно предположить, что температура стенки будет функцией координаты х. Непосредственно под проводом температура будет максимальной Т а в точках, расположенных на расстоянии «в» (прогреваемая зона), Т > 0 °С. В точках, расположенных на расстоянии больше «в»; х>в, температура будет равна температуре окружающей среды Т5 .

Таким образом, между двумя соседними витками, расположенными с шагом больше оптимального значения всегда будет располагаться непрогреваемая зона «&> (рисунок 2.13).

Задача расчета - определить величину шага Ш при котором непрогреваемая зона «^» будет отсутствовать. Только в этом случае подплавление пласта будет осуществляться по всей его высоте.

Поскольку окружающая среда постоянна, а температура стенки является функцией .х (чем больше х, тем меньше температура) разница между температурой стенки Т и окружающей средой Т 5 будет равна 6.

6 = Т-Т5 (2.24)

Дифференцируя (2.24), получим:

й6 = с!Т (2.25)

Рассмотрим тепловой баланс в элементе Ах.

В него входит теплота , определяемая температурой нагревательного провода, а выходит два тепловых потока:

- Один поток - за счет теплопроводности к нижележащим слоям стенки, равный цх+АХ;

- Второй - с внутренней поверхности горловины передается льду, примороженному к ней, для нагрева льда от Т5 до температуры плавления, т.е. до 0 °С, ц5.

Теплота, входящая в элемент Ах, в соответствии с законом Фурье и с учетом уравнения (2.25), равна:

ат

ав

цх = к5с — = кгш — , (2.26)

где к - коэффициент теплопроводности (Вт/м К).

Тепловой поток, выходящий из грани элемента х + Ах, в соответствии с законом Ньютона - Рихмана, равен:

ат

ав

х + Ах

йх

Ях+Ах = кБс~^ . =- к$с~ . (2.27)

х + Ах

Тепловой поток, идущий на нагрев льда от отрицательной температуры Т до нуля градуса, равен:

Яз = - тлсле = - 5 ¿Рл Сл А х в, (2.28)

где толщина слоя льда, которую предстоит расплавить (м). Эта толщина должна быть более высоты неровностей внутренней поверхности стенки (вмятин, головки заклепок, болтов и т.д.);

-5

тл, рл, сл — соответственно масса (кг), плотность льда (кг/м ), удельная теплоемкость льда (Дж/кгК).

Тепловой запас в элементе Ах выглядит следующим образом:

Ях — Ях+Ах — Яб = 0 ,

Ях = Ях+Ах + Яб. (2.29)

После подстановки значений ях> Ях+Ах> Яз в (2.29), тепловой баланс примет

вид:

ав

кгш —

йх

ав

= кгш —

йх

+ 5 1рлсл А хв.

х + Ах

Сокращая на кzwАx, получим: йв

ав

йх

— 8рАв = о (2.30)

х + Ах

В предельном случае, когда Ах стремится к нулю, уравнение (2.30) принимает вид неполного дифференциального однородного уравнения второго порядка:

Ц —Ч2в = 0, (2.31)

„. 3 рл сл

где Ч = I--постоянное значение.

"V кг

Решая уравнение (2.31) получим:

а2 — Ч2 = 0 (2.32)

Это квадратное уравнение называется характеристическим уравнением, соответствующим однородному дифференциальному уравнению (2.31).

Если в результате решения характеристического уравнения (2.32) окажется, что корни уравнения и это действительные, а не мнимые числа, то реше-

ние уравнения (2.31) записывается в виде:

в (х) = сгеа1 х + с2ех (2.33)

В нашем случае корень а ± = VЧЧ2 = Ч ; а 2 = — VЧЧ2 = — Ч.

Тогда общее решение уравнения (2.27) принимает вид: в = с те Чх + с 2е - Чх (2.34)

Для отыскания частных решений необходимо иметь граничные условия:

• Значение —, при x = 0;

dx

„ de

• Значение —, при x = в.

dx

Граница x = в это место, где начинается непрогреваемая зона (рисунок 2.13). Передача теплоты в нижележащие слои стенки в этом случае не происходит.

Значит ^ = 0 , при x = в (2.35)

Первое граничное условие заключается в том, что при x = 0 (рисунок 2.13), в = в 0 = Т0-Т5 (2.36)

Чтобы использовать условие (2.35) необходимо продифференцировать общее решение (2.34).

™ = Vст е Чх - 4>с2е -Чх

dx 1 z

dO

Но — = 0, при x = в. Подставив этот дифференциал в (2.35) получим: WcteЧв - Wc2e-Чв = 0 ,

стеЧв = с 2е- Чв. (2.37)

Для использования первого условия значение x = 0, подставим в общее решение (2.34), учитывая, что при x = 0, в = в0 получим:

в0 = сгеч'0 + с2е- 4 ' 0 , или в0 = с± • 1 + с2 • 1

в 0 = с±+ с 2 (2.38)

Для определения постоянных интегрирования сти с2 , решим систему уравнений (2.37) и (2.38).

с С-? е-'в=0 (2.39)

с с

В результате решения получим:

= 0 ре-Ув . в ре Ув

с 1 е + е - * в; с2 е^ + е - ^

Для получения частного решения, подставим значения с±и с2 в общее решение (2.34):

Я « - Фе а „ Фв

оп^ Ц/т . с>пе

(2.40)

В этом уравнении численное значение е- Чв « еЧв. Поэтому значением е - 413 в знаменателе можно пренебречь. Тогда получим:

е=°7-е--е + - Чх (2.41) При х = в, уравнение (2.41), после преобразований, имеет вид:

е = (2.42) Решим уравнение (2.42) относительно «в»:

в = ±1п2°- , (2.43)

ч> в ' 4 '

Но е0=Т0-1Т51 а 0 = Т—|Т5| (2.44) где Т5 — значение отрицательной температуры воздуха.Тогда:

в = 11 пЭДсЕШ (2.45)

и1 8 р л сл

где Ч = '--

хг

Формула (2.45) справедлива при отрицательных температурах воздуха. При положительных температурах намораживание льда и, следовательно, подплавле-ние льда не происходит. Для использования формулы (2.45) нужно знать значение Т0, определяемое маркой нагревательного провода и, задавшись значением Т на средине между соседними витками, вычислить «в».

Используя значение «в» вычислим шаг намотки нагревательного провода:

Ш= 2 в = - / п2 (То -|Т-И) (2.46)

Значение Т необходимо подбирать так, чтобы разность Т — | Т51 была больше нуля. Значение Т— |Т5| говорит о том, что если Т увеличивать, то «в» будет уменьшаться и наоборот. Например, при температуре воздуха Т5 = — 1 0 ° С, значе-

ние Т примем 11°С, тогда лёд будет нагреваться при температуре +1 °С. Если же Т = 20 °С, то нагрев льда будет происходить при +10 °С, что естественно повлияет на скорость нагрева и подплавления льда. В соответствии с этим, чем меньше величина шага, тем выше получится температура, подводимая ко льду, что и следует из формулы (2.46).

Для решения обратной задачи - определение температуры Т при известной величине «в» - необходимо использовать уравнение (2.42) с учетом выражений (2.44).

Т = ^(Т0 — |Тз|) + |Тз| (2.47)

Таким образом, используя для расчёта шага намотки нагревательного провода формулу (2.41), можно обеспечить равномерный прогрев горловины по всей высоте и избежать появления зоны «^» (непрогреваемой зоны), обеспечив тем самым минимальное время «отлипания» льда от стенок.

Выводы по главе

1. Система круглогодового использования природного холода для охлаждения молока является сложной технической системой, состоящей из двух подсистем:

• подсистема аккумулирования природного холода резервного объема, функционирующая без периодических теплопритоков от охлаждаемого молока;

• подсистема сезонного охлаждения, функционирующая как при отрицательных, так и околонулевых положительных температурах воздуха (СОУ) с регулярными суточными теплопритоками.

2. В связи с аномальным свойством воды, проявляющимся в процессе её замерзания, в подледном пространстве любой емкости всегда образуется дополнительный объем воды АУ= Ул - Ув. Из - за наличия АУ в подлёдном пространстве возникает избыточное давление, являющееся причиной разрушения стен емкостей и пластов льда.

3. Аномальные свойства воды следует оценивать коэффициентом аномальности . Коэффициент имеет вполне конкретный физический смысл и постоян-

ное числовое значение - это масса льда (кг), образующаяся в емкости при вытеснении из нее этим льдом одной единицы объема воды к = 1 1 044 к г / м3. Для предохранения стен емкостей и ледяных пластов от разрушения объем воды необходимо непрерывно отводить из подлёдного пространства.

5. Для непрерывного мониторинга динамики намораживания льда разработана конструкция устройства, выполняющего условно - частотную модуляцию непрерывного потока с подачей частотно-модулированного сигнала в ЭВМ. Для выполнения условно - частотной и амплитудной модуляции разработаны блок-схемы алгоритмов, по которым создана программа для ЭВМ, позволяющая автоматизировать контроль и учёт массы льда, накопленного в льдохранилище.

6. При горловине бассейна, выполненной из листового алюминия толщиной 3 мм и температуре нагревательного провода 60°С, температуре морозного воздуха минус 10°С расчётный шаг намотки провода составит не более 56 мм. При горловине, выполненной из оцинкованной стали толщиной 3 мм и аналогичным температурным условием шаг намотки провода должен быть не более 29 мм.

3. ПРОГРАММА, МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа исследований

Программа экспериментальных исследований установки для охлаждения молока, основанной на методе использования естественного холода в виде послойно намороженного льда, по оценке интенсивности намораживания ледяной массы и по выбору нагревательной системы для подплавленияя льда от стенок горловины льдохранилища и его затопления в бассейне состояли из лабораторных и производственных экспериментов [1,11,39,41,92].

Лабораторный эксперимент состоял из нескольких циклов опытов, проведенных на базе лаборатории кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» Оренбургского государственного аграрного университета.

В первом цикле опытов задачами исследования предусматривалось определить динамику послойного намораживания льда в льдохранилище. Второй цикл опытов включал исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта [приложение 4]. Третий цикл опытов направлен на определение времени отлипания ледяного пласта от стенок горловины [приложение 5].

Для экспериментального исследования потребовались данные о влиянии температуры окружающего воздуха и скорости воздушного потока на процесс промерзания воды. В основе исследований лежит методика определения скорости замерзания льда на поверхности воды. Также потребовались данные о свойствах материалов опытных образцов и теоретические основы теплораспределения.

Некоторые величины, определенные аналитически, были получены с оговоренными допущениями, так как их точное определение осложнено ввиду малой изученности процесса наморозки льда на поверхности воды льдохранилища [98,127].

По результатам проведенных теоретических исследований были определены основные параметры, влияющие на динамику послойного намораживания льда в льдохранилище, влияние температуры на скорость намораживания поверхностного слоя, основные закономерности теплораспределения при использовании нагревательного провода Heatline.

На заключительном этапе, с целью подтверждения теоретических и экспериментальных исследований, проводились производственные эксперименты [1,40] [приложение 4].

Экспериментальные исследования предусматривали применение нескольких методик:

- методика и результаты определения скорости роста толщины ледяного пласта;

- методика и результаты тепловизионного исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта;

- методика и результаты определения времени отлипания ледяного пласта от стенок горловины;

- методика проведения многофакторного эксперимента.

Производственные исследования были проведены в хозяйствах Оренбургской области: ООО «А7 АГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района, СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского района. Характеристики МТФ данных хозяйств представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Характеристики МТФ предприятий

Место проведения исследований ООО «А7 АГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского района

Поголовье коров, (гол) 600 600

Средний удой от одной коровы (л/сут) 16,9 18,5

Время охлаждения молока, (ч) 1,8 1,8

Сроки проведения исследований Ноябрь - декабрь 2016 Ноябрь 2016 - февраль 2016

3.2 Методика и результаты определения скорости роста толщины ледяного пласта

Основным показателем качественной работы разработанного устройства льдоаккукмулятора (глава 2) является условие послойного намораживания льда в льдоаккумуляторах в зимний период. Процесс намораживания льда для круглогодичного охлаждения молока зависит от температуры морозного воздуха и основным показателем эффективности намораживания является его интенсивность. Методика определения интенсивности роста толщины льда заключается в следующем.

Для подтверждения теоретических исследований, была сконструирована лабораторная установка (рисунок 3.1), состоящая из ёмкости 1, заполненной водой 2 и измерительного устройства, включающего пару электродов 5 и мульти-метр «MastechMY62» 4, и источника переменного тока 3. Электроды расположены вертикально в ёмкости 1 на расстоянии 0,03 м друг от друга и представляют собой пластины из нержавеющей стали, выполненные в виде чередующихся проводящих и изолированных участков. Проводящий участок одной пластины расположен на уровне центральной части изолированных участков второй пластины. Режим работы мультиметра выбран путём перестановки переключателя в режим «А» (измерение переменного тока). Тип тока определён источником питания цепи.

3 4

Рисунок 3.1 - Схема лабораторной установки

1 - ёмкость; 2 - вода; 3 - источник переменного тока; 4 - мультиметр«MastechMY62»; 5 - электроды.

Внутрь ёмкости, частично заглубленной в грунт, залита вода 2. Верхняя часть ёмкости располагалась под открытым небом (рисунок 3.2). Среднесуточная температура окружающей среды составила -26°С. В ходе предварительных испытаний было выявлено, что толщина исследуемого слоя льда значительно изменяется в начальный период, температура воды в емкости остаётся почти неизменной. Толщина слоя льда определялась по величине вмерзания в лед электродов 5 и, следовательно, по изменению показаний мультиметра (силы тока).

5

Рисунок 3.2 - Лабораторная установка для определения интенсивности намораживания

льда

1 - ёмкость; 2 - замерзшая вода; 3 - источник переменного тока; 4 - мультиметр М^есИ - МУ62; 5 - электроды.

Тарировка измерительного устройства осуществлялась посредством снятия показаний мультиметра при различной толщине слоёв льда и воды, измеряемой мерной линейкой с ценой деления 1 мм. При тарировке градуировка выполнялась по девяти точкам: 0, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200 мм. По результатам эксперимента был построен график зависимости значения силы тока I (А) от толщины льда Н (мм) (рисунок 3.3.).

0 25 50 75 100 125 150 200 н (мм) Рисунок 3.3 - Зависимость значения силы тока I от толщины льда Н

График был аппроксимирован степенным полиномом третьей степени, позволяющим вычислять толщину льда Н (мм) по значению силы тока I (А), проходящей через электроды по мере их вмерзания в лед. Величина силы тока зависит от сопротивления межэлектродного пространства (воды или льда).

Замеры времени замерзания слоя льда Н осуществлялись в течение 24 часов с интервалом в 2 часа и регистрацией данных с помощью ПК (рисунок 3.4). Согласно предложенной методике провели лабораторный эксперимент в трехкратной повторности.

Полученные в ходе экспериментов данные были усреднены и сведены в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Зависимость толщины льда от времени снятия замера

№ снятия замера Время снятия замера т, ч Толщина льда Н, мм (эксперимент) Толщина льда Н, мм (эксперимент)

1 0 0 0

2 2 11 10,8

3 4 23 22,8

4 6 34 33,7

5 8 43 43,1

6 10 53 53,2

7 12 61 59,7

8 14 67.6 67,5

9 16 73 73,1

10 18 77 77,1

11 20 80.7 80,8

12 22 83.4 83,2

13 24 85.4 85,8

Обработка опытных данных проводилась на ЭВМ с комплектом программ Mikrosoft Offise 2007 (Excel), Statistika 10.0, MathCAD10 [133]. По результатам полученных данных построены графики зависимости толщины льда Н от времени снятия замера т (рисунок 3.5).

Н (мм)

2.5

1.5

0.5

у=(а+сх)/(1+Ьх)

гА2=0.98947446 ББ М| 1^2=0.98496351 Р»1а1=376.02803

а=0.14240236 Ь=0.083218173 с=0.33620778

—■—'

'ф'

0 5 10 15 20 Т (ч)

Рисунок 3.5 - Зависимость значения т толщины льда Н от времени снятия замеров т

3

2

1

Уравнение регрессии, описывающее взаимосвязь толщины льда и времени намораживания следующее:

у _ 0,1424+0,3362*

1+0,0832х (3.1)

Графическое представление наглядно показывает, что максимальная интенсивность роста толщины льда происходит в начальный период времени, затем интенсивность снижается, что подтверждает экспериментальные и теоретические исследования ученых [13,27,28,47,107,123,134].

3.3 Методика и результаты тепловизионного исследования скорости распространения теплоты по стенке горловины льдохранилища при подплавлении ледяного пласта

Анализ трудов ученых [37,72] и собственные исследования показали, что одной из проблем функционирования предлагаемой системы хладонакопления является «примерзание» льда по периметру стенок горловины льдоаккумулирую-

щей ёмкости (глава 2). В связи с этим, в работе нами был рассмотрен вопрос о возможности решения данной проблемы и проведен лабораторный эксперимент, задачей которого является определение величины шага намотки Ш (мм) нагревательного провода, при котором горловина будет прогреваться равномерно и будет обеспечено отсутствие непрогреваемой зоны. С этой целью мы провели замеры теплораспределения от нагревательного провода для каждого из опытных материалов (оцинкованная сталь, алюминий, пластик) посредством тепловизионного исследования портативным тепловизором «Testo 875» и ПК (рисунок 3.6).

44:

fsfl I

Рисунок 3.6 — Тепловизор «Testo 875» и ПК с программным обеспечением

Для обеспечения точности замеров в процессе тепловизионных исследований тепловизором «Testo 875» была определена методика работы с ним и обозначены его основные характеристики (таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Технические характеристики «Testo 875»

№ Характеристика Параметры

1. Температурная чувствительность (КЕТО) < 50 мК(при 30°С)

2. Диапазон измерения температуры -30...100 0С

3. Погрешность измерения температур в диапазоне от -30...+100°С Диапазон 1@ (-20.100 0С) ±2°0С Диапазон 1@ (-30.-21 0С) ±3°0С

4. Установка коэффициента излучения 0,01.1,00

_Продолжение таблицы 3.3

№ Характеристика Параметры

5. Воспроизводимость ±1 0С или ±1 % от показания

6. Частота обновления 8 до 15 Гц

7. Габаритные размеры/масса приемной ИК- камеры 152 х 108 х 262 мм (5,98 х 4,17 х 10,31"

8. Потребляемая мощность 1,5 Вт

Методика работы с тепловизором «Testo 875» на первоначальном этапе предусматривает настройку прибора:

1. Выбор диапозона: выбор диапозона осуществляется так, чтобы все значения температур объекта входили в данный диапазон. В ходе исследований теп-лораспределения нагревательного провода ширина диапазона устанавливается на величину -30. +70°С.

2. Установка оптимального значения начальной температуры: оптимальные значения начальной температуры выбирают с таким расчетом, чтобы средние значения температуры объекта находились по возможности в центре температурного диапазона. При обследовании начальное значение температуры -20°С (изменять начальную температуру следует после получения первого кадра).

3. Подбор палитры: выбор оптимальной для восприятия палитры термограммы осуществляется после получения первого кадра.

Следует отметить следующие особенности работы с тепловизором «Testo875»: снимки следует делать в прямой проекции с различных сторон. Величина угла исследования должна составлять не более 15°.

Методика тепловизионных исследований заключается в следующем. Изначально, температура провода и место его контакта с ёмкостью равна температуре окружающего воздуха, т.е. отрицательна (рисунок 3.7). После того, как провод подключен к сети, он начинает нагреваться, прогревается и материал опытного образца, к которому этот провод закреплен. С течением времени температура провода и опытного образца повышается, увеличивается площадь нагрева поверхности ёмкости со льдом. По мере удаления от провода температура нагретой поверхности уменьшается и положительные значения температуры переходят

границу 0°С, называемую нулевой изотермой, и вновь принимают отрицательные значения. В ходе эксперимента для определения теплораспределения по поверхности определяли расстояние между нулевыми изотермами М (мм) для определения теплораспределения.

Замеры интенсивности теплораспределения от нагревательного провода проводились в лаборатории кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» Оренбургского ГАУ.

т=0 мин х-2мин Ы пин

Рисунок 3.7 - Схема тепловизионных исследований

К каждому опытному материалу (оцинкованная сталь, алюминий, пластик) были последовательно прикреплены провода удельной мощностью 5 Вт/м, 10 Вт/м, 15 Вт/м, 20 Вт/м (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Тепловизионные исследования

1 - Тепловизор «Testo 875»; 2 - емкость из материала «алюминий»; 3 - емкость из материала «пластик»; 4 - емкость из материала «оцинкованная сталь»; 5 - нагревательный провод Heatline с удельной мощностью 20 Вт/м.

Тепловизионные замеры для каждого параметра удельной мощности проводились тепловизором «Testo 875» в течение 20 минут с интервалом 2 минуты, контроль времени осуществлялся секундомером. Результаты замеров занесены в таблицу 3.4, где tn - температура провода, °С; M - расстояние между нулевыми изотермами, мм. Температура окружающего воздуха в ходе исследований составила от -9 до -15.5°С.

Результаты тепловизионных замеров теплораспределения от нагревательных проводов «Heatline» удельной мощностью 5 Вт/м оказались неудовлетворительными для каждого маетриала, нагрев провода идёт слишком медленно, тепло-распределение низкое.

Таблица 3.4 - Результаты тепловизионных замеров теплораспределения от

нагревательного провода

Продолжительность опыта, мин Удельная мощность 5 Вт/м

Оцинкованная сталь Алюминий Пластик

t °С с М, мм t °С 1п С М, мм t °С 1п, с М, мм

0 -9 0 -9 0 -9 0

2 3,1 0,29 4,6 0,7 2,1 0,1

4 3,6 0,34 5,3 1 2,5 0,15

6 3,9 0,5 5,8 1,6 2,8 0,25

8 4,3 1 6,4 2 3,3 0,30

10 4,6 1,5 7,1 2,7 3,6 0,35

12 4,8 2 7,6 3,5 3,9 0,40

14 5,2 2,8 8,6 4,2 4,2 0,45

16 5,6 3 9,1 5 4,6 0,50

18 5,9 3,4 9,5 5,5 5,1 0,55

20 6,2 5 9,8 6,1 5,6 0,65

Продолжительность опыта, мин Удельная мощность 10 Вт/м

Оцинкованная сталь Алюминий Пластик

t °С 1п-, С М, мм t °С 1п-, с М, мм t °С 1п1 с М, мм

0 -13 0 -13 0 -13 0

2 5,1 0,4 6,5 0,9 4,1 0,12

4 6,7 0,75 6,9 1,6 4,6 0,20

6 7,8 0,9 8,1 2,1 5,3 0,3

8 9,1 1,5 9,6 2,9 5,8 0,35

10 11,4 1,9 11,8 3,8 5,3 0,4

12 12,3 2,8 12,9 4,6 5,9 0,43

14 15,4 3,8 15,8 5,5 6,2 0,5

16 16,8 4,6 17,2 6,2 6,6 0,65

Продолжение таблицы 3.4

Продолжительность Удельная мощность 10 Вт/м

опыта, мин Оцинкованная Алюминий Пластик

сталь

t °С М, мм t °С М, мм t °С М, мм

18 17,4 5,7 18 6,8 7 0,75

20 17,2 6,9 18,1 8 7,4 0,9

Продолжительность Удельная мощность 15 Вт/м

опыта, мин Оцинкованная Алюминий Пластик

сталь

t °С М, мм t °С М, мм t °С М, мм

0 -15,5 0 -15,5 0 -15,5 0

2 10,2 1,5 13 1,9 7,4 0,20

4 13,3 1,9 15,6 2,7 7,9 0,25

6 15,1 2,8 17,1 3,6 8,2 0,35

8 18,3 3,8 19,5 4,7 9,6 0,40

10 19.8 4,6 25,3 5,7 10,8 0,44

12 20.3 5,7 29.8 7,5 12,4 0,49

14 23,7 6,9 32,7 8,2 14,1 0,58

16 26,9 8,3 34,8 9,3 15,6 0,85

18 30,2 11 38,1 12,5 16,8 1

20 34,7 14,5 40,5 17,4 18,4 1,2

Продолжительность Мощность 20 Вт/м

опыта, мин

Оцинкованная Алюминий Пластик

сталь

t °С М, мм t °С М, мм t °С М, мм

0 -13,5 0 -13,5 0 -13,5 0

2 20,7 1,8 24,7 2 12 0,9

4 25,8 5,8 27,7 6,2 16,2 1,1

6 29,7 8,3 34,7 10,4 19 1,4

8 31,6 13,3 38,6 15,7 21,5 1,7

10 34,7 16,2 44,5 18 23,1 1,9