Обоснование параметров установки первичного охлаждения молока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Бабин, Владислав Николаевич

• Бабин, Владислав Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабин, Владислав Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки оборудования первичного охлаждения молока.

1.2. Выводы по главе, цель и задачи исследований.

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ, МОЩНОСТНЫЕ И РАСХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА.

2.1. Типы, схемы и особенности существующих систем охлаждения.

2.2. Стандарты охлаждения.

2.3. Методика определения термодинамической эффективности, мощностных и расходных характеристик различных способов I охлаждения.

2.3.1. Параметры сравнения различных способов охлаждения.

2.3.2. Эффективность установок с погружным испарителем.

2.3.3. Эффективность способа охлаждения с аккумулированием холода.

2.3.4. Эффективность проточного способа охлаждения.

2.4. Сравнительный анализ эффективности различных способов охлаждения.

2.5. Выводы по главе.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.

3.1 Обоснование выбора функции цели.

3.2. Математическая модель процесса охлаждения.

3.2.1. Блоки задаваемых и оптимизируемых параметров.

3.2.2. Блок расчета термодинамических и теплофизических свойств молока.

3.2.3. Расчет свойств рабочего тела.

3.2.4. Расчет термодинамического цикла.

3.2.5. Тепловой расчет охладителя.

3.2.6. Определение составляющей капитальных затрат функции цели.

3.2.7. Определениеэнергетических затрат в эксплуатационных издержках.

3.3. Результаты оптимизационных исследований.

4. ИСПЫТАНИЕ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА ОХЛАДИТЕЛЯ МОЛОКА, РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОВЕРКА ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований при испытании опытно-промышленного образца охладителя молока.

4.2. Измерительная аппаратура и оборудование.

4.3. Проверка адекватности математической модели по действительным показателям работы установки.

5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров установки первичного охлаждения молока»

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 20'С

900

500

10 3 1

0,3

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.

1. На основе термодинамических, теплофизических и технико-экономических методов оптимизации предложена математическая модель проектирования установок первичного охлаждения молока.

2. Разработана методика оценки термодинамической эффективности способов первичного охлаждения молока.

3. 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.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Бабин, Владислав Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика позволила установить, что существующие способы охлаждения не обеспечивают выполнение ГОСТ Р 520542003 как по времени охлаждения, так и по конечной температуре.

2. Установлено, что наиболее энергоемкими являются системы охлаждения с аккумулированием холода в виде водяного льда. Для установок такого типа затраты электрической энергии составляют 2532 кВт-ч на 1 т охлаждаемого продукта.

3. Определено, что установки проточного типа, работающие в стационарных условиях с непосредственным контактом через стенку "фреон-молоко", имеют самый высокий коэффициент трансформации, и, следовательно, потребляют минимальное количество электрической энергии, но, в то же время, имеют высокое значение присоединенной мощности. Энергетические затраты в таких установках могут быть снижены до 11 кВт-ч на 1 т охлаждаемого продукта.

4. С помощью математической модели, в которой размерность задачи оптимизации определяется в процессе оптимизационных исследований, установлено, что наиболее эффективной является установка с двумя контурами охлаждения, снижение стоимости составляет от 8 до 27% по сравнению с одно- и трехконтурными охладителями соответственно.

5. Годовой экономический эффект от применения установки проточного охлаждения, обслуживающей молочно-товарную ферму на 250 голов, составляет около 1 500 000 руб. в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабин, Владислав Николаевич, 2007 год

1. Кобулашвили Ш.Н. Молокоохладительная теплонасосная установка для молочнотоварных ферм /Ш.Н. Кобулашвили, М.Н. Романов, Т.Н. Латина// Важнейшие работы в области холодильной техники и технологии / :ВНИИ холодильной промышленности,- М., 1970.- С. 23-27.

2. Шутов Е.А. Охлаждение заготовляемого молока/ Е.А. Шутов, И.РгЕрмаков, А.А. Лутфулаев// Молоч. пром-сть> 2003.- № 10. -С. 68-69.

3. Маринюк Б.Т. Бесфреоновая холодильная машина для охлаждения молока/ Б.Т. Маринюк, С.И. Бажинов, С.М. Мусави// Экология и пром-сть России. 2004.- №-2 С. 30-31.

4. Телевной А.А. Особенности первичного охлаждения молока атмосферным воздухом / А.А. Телевной, А.В. Гольденфанг//

5. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве/ ВНИИ электрификации сел. хоз-ва. -М., 2003.- Ч. 3. С. 212-215.

6. Энергосберегающая система охлаждения молока с использованием естественного холода для хозяйств Центральной зоны России /Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве/ВНИИ электрификации сел. хоз-ва, М., 2004. Ч. 3. - С. 103-107.

7. Головко А.Н. Рациональное теплообеспечение производственных объектов в животноводстве/А.Н. Головко// Механизация и электрификация сел. хоз-ва.- 2005. №3 С. 12.

8. Мальнев В.П. Использование естественного холода в энергосберегающей системе охлаждения молока/ В.П. Мальнев// Техника и оборудование для села.- 2005.- № 1. С. 19-20.

9. Марков В. Оборудование для прибыльного производства молока/ В. Марков // Холодильный бизнес.- 2005.-№7.- С. 32-33.

10. Мохнаткин В.Г. Обзор способов первичной обработки молока и анализ их эффективности/ В.Г. Мохнаткин, P.M. Горбунов, В.М. Русских//Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики/Вятская гсха. Киров;2004.-Вып. 4. - С. 229-232.

11. Хлебников И.К. Состояние и перспективные направления механизации молочных ферм Сибири/И.К. Хлебников// Современные технологии производства продуктов животноводства/Сиб. н.-и. и проект.-технол. ин-т животноводства. Новосибирск, 2004, - С. 235-246.

12. Селедков А.Г. Льдоводяное охлаждение жидких сред/Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов/ А.Г.

13. Селедков, С.Ю. Гончаров, В.И. Полтавцев//Кемер. технол. ин-т пищ. пром-сти. Кемерово, 2004.- Вып. 8. С. 68.

14. Кузьмич В.В. Моделирование процессов тепломассопереноса в молокоохладителе СМ-1250П/В.В. Кузьмич, Д.В. Зимницкий //Аграрная энергетика в XXI столетии/Ин-т энергетики АПК НАН Беларуси. -Минск, 2005. С. 310-314.

15. Коршунов Б.П. Перспективы применения естественного холода в различных климатических зонах России/Б.П. Коршунов, Ф.Г. Марьяхин, A.M. Мусин, А.И. Учеваткин, В.П. Мальнев//С.-х. техника: обслуживание и ремонт,- 2006;.-№ 10. С. 22-26

16. Олконен А.Г. Влияние температуры охлаждения молока на показатели его качества/ А.Г. Олконен, В. Пассель, Ю. Карие// Улучшение качества и сокращение потерь продукции животноводства. -М., 1988. с. 149-154.

17. Чумаченко А. Д. Льдоаккумулятор/ А. Д. Чумаченко// Механизация и электрификация сел. хоз-ва.- 1994.-№ 7,- С. 28-29.

18. Барабаш B.C. Анализ экономического ущерба из-за снижения качества молока/В.С. Барабаш//Лечебно-профилактические меры против незаразных и заразных заболеваний сельскохозяйственных животных.-М.-1987, с. 102-105.

19. Корнеичев А.И. Расчет коэффициента теплофикации с помощью ЭВМ/А.И.Корнеичев//М.: МЭИ, 1980.

20. Марков В. С. Особенности получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов/ В. С. Марков, А. Г. Лазарев //Холодильная техника,- 2003.-№ 5.

21. Мартыновский В. С. Анализ действительных термодинамических циклов. М.: Энергия, 1972,213 с.

22. Мартыновский В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов/ В. С. Мартыновский// М.: Энергия, 1979.-288 с.

23. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа/ В.М. Бродянский //- М.: Энергия, 1973.-296 с.

24. Бродянский В.М. Применение понятия эксергии в холодильной технике/В.М. Бродянский, Л.Е. Медовар//Холодильная техника.-1961.- №. с. 41-47.

25. Шаргут Я. Эксергия/ Я. Шаргут, Р. Петела/ М.: Энергия, 1968.280 с.

26. Эксергетический метод и его приложения/под ред./В.М. Бродянского -М.: Мир, 1967.- 248 с.

27. Розенфельд JI.M. Холодильные машины и аппараты/ JI.M. Розенфельд, А.Г. Ткачев// М.: Госторгиздат.- 1960.- 656 с.

28. Кириллин В. А. Техническая термодинамика/В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин -М.: Энергия, 1968. 472 с.

29. Кинан Дж. Термодинамика/ Дж. Кинан. -М.; JL: Госэнергоиздат, 1963.- 280 с.

30. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: справочник/ X. Уонг М.: Атомиздат, 1979.- 215 с.

31. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена/С. С. Кутателадзе М.: Атомиздат, 1979.- 416 с.

32. Кулинченко В. Р. Справочник по теплообменным расчетам/ В. Р. Кулинченко Киев: Техника, 1990.- 165 с.

33. Жукаускас А. Конвективный перенос в теплообменниках/А. Жукаускас- М.: Наука, 1982,- 472 с.

34. Холодильные машины/под общ. ред. А.В. Быкова М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1982.-224 с.

35. Холодильные машины/под общ. ред. И.А. Сакуна Л.: Машиностроение, 1985.- 512 с.

36. Курылев Е.С. Еще раз об оптимизации холодильных установок/ Е.С. Курылев, В.В. Оносовский, И.Н. Бахарев//Холодильная техника, 1982.- № 10.- с. 41 43.

37. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника: Свойства веществ: справочник/С.Н. Богданов, О.П. Иванов, А.В. Куприянова 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985,.- 208 с.

38. Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений и новой техники в народное хозяйство СССР. -М.: АН СССР, 1966.

39. Экономическая школа / Предприятие «Экономическая школа», Санкт-Перерб. ун-т экономики и финансов. СПб., 1992,- Вып. 2.

40. Табунщиков Ю. А. Потребительские качества зданий/Ю. А. Табунщиков// АВОК.- 2004,- № 4.

41. Производство молока / Дж.Р. Кэмпбелл, Р.Т. Маршалл; пер. с анл. М.Н. Барабанщикова, В.Р. Зельнера, Д.В. Карликова, Е.Г. Коноплева; под ред. и с предисл. Н.В. Барабанщикова, А.П. Бегучева. -М.: Колос, 1980.

42. Теплофизические характеристики пищевых продуктов/А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская -М.: «Пищ. пром-сть», 1980.-288 с.

43. Клёцкий А. В. Структура взаимосогласованных уравнений состояния хладагентов/А. В. Клёцкий//Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха: межвуз. сб. науч. тр. -JL: ЛТИ им. Ленсовета, 1976.- № 1.- с. 169—174.

44. Клименко А. П. Методика расчета фазового равновесия смесей фреонов на ЭВМ/А. П, Клименко, С. И. Красноокий, В. М. Колесник//Алгоритмизация расчета процессов и аппаратовхимических производств на ЭВМ. -Киев, Наук, думка, 1974.- вып. 6.- с. 75—82.

45. Мейсон Э. Вириальное уравнение состояния/Э. Мейсон, Т. Сперлинг// -М.: Мир, 1972. -280 с.

46. Перелыптейн И. И. Исследование термодинамических свойств холодильных агентов/И. И. Перелыптейн.- М.: Госторгиздат, 1962. -62 с.

47. Перелыптейн И. И., Парушин Е. Б. Методика определения термодинамических свойств основных хладагентов по экспериментальным данным/ И. И. Перелыптейн, Е. Б. Парушин//Холодильная техника.- 1976.- № I.- с. 27—30.

48. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров/ Г. Корн, Т. Корн -4-е изд.- М.: Наука, 1978.- 832 с.