Охлаждение молока - в результатах исследований

УДК 637.03

ОХЛАЖДЕНИЕ МОЛОКА - В РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В.В. Морозов, доктор технических наук В.А. Шилин, кандидат технических наук О.А. Герасимова, доктор технических наук Д.Ю. Кривогузов, аспирант

ФГБОУ ВО Великолукская государственная сельскохозяйственная академия E-mail: vgsha@mart.ru

Аннотация. Приводится анализ некоторых способов охлаждения молока, использующих систему аккумулирования холода, часть из которых используют естественный холод. Для этих схем приведены экономические показатели эффективности на основе проведенных исследований на молочном комплексе. Все это позволяет оценить важность такого способа сохранения молока, как охлаждение, а также эффективность и экономичность данных схем. В материале также затронута проблема оперативного сбора молока и описан способ ее решения. Работа базируется на анализе существующих методов и средств, обеспечивающих низкотемпературное состояние хладоносителя. На основе этого получена возможность высокоскоростного охлаждения молока до предельно низких допустимых для молока температур. В результате имеет место существенное уменьшение затрат труда. Отраженные в статье технические и технологические направления по вопросам охлаждения молока могут свидетельствовать о необходимости дальнейших научных поисков наиболее оптимальных вариантов. Исследованиями должны охватываться проблемы, связанные с хранением молока при низких энергозатратах и исключением бактериальных загрязнений, т. к. использование холода не обеспечивает бактериальную чистоту продукта. Как известно, холод не приводит к стерилизации молока, а к примеру, ультразвук или ультрафиолет обладают такой возможностью, значит, и технология хранения молока может быть более совершенной и экономичной [1, 2]. В работе сформирована задача целесообразности дальнейших исследований по данной проблематике. Ключевые слова: естественный холод, охлаждение молока, пропиленгликоль, сохранность молока, холо-доаккумулятор, энергосбережение, этанол, этиленгликоль.

Введение. Анализ состояния молочного скотоводства РФ показывает, что с 2001 года наблюдается определенное увеличение производства молока [3]. Выявлены регионы с заметным приростом его производства за последние годы. В качестве необходимых мер дальнейшего развития молочного скотоводства предлагается выполнение следующих мероприятий:

- выявление факторов, влияющих на производство молока, его реализацию, снижение себестоимости;

- использование эффективных инновационных технологий кормопроизводства, содержания скота, совершенствования продуктивности дойного поголовья;

- развитие племенной базы.

Благодаря этим мероприятиям в каждом

регионе увеличивается число хозяйств, до-

стигших высоких результатов в продуктивности молочного скотоводства. Наряду с этими позициями значительное влияние должно уделяться сохранности молока. В наибольшей мере это касается проблем, связанных с его охлаждением, при условии энергосбережения, использования нетрадиционных источников энергии. При анализе данных из журнала JARN, охватывающего в своих материалах и сферу малого бизнеса по производству охладителей от 10 до 35 кВт, наибольшее количество продаж охладителей наблюдается в Китае, Тайване и странах южной Европы [4]. В указанных странах эти охладители производятся чаще всего с тепловым насосом, использующим воздух в качестве источника теплоты для испарителей. В условиях жесткой конкуренции производителями предпринимаются следующие меры:

- улучшение качества и повышение надежности охладителей [5];

- из набора хладоносителей, включающих водные растворы неорганических солей, водные растворы гликолей и спиртов, водные растворы на основе солей органических кислот, диоксида углерода, воды, производят замену популярных хладагентов типа Я-14, Я-22 и других аналогичных на хладагенты, не наносящие ущерба окружающей среде и обладающие приемлемыми техническими свойствами;

- повышение эффективности использования энергии при полной или частичной нагрузке охладителей [6].

В настоящее время стало уделяться внимание аккумулирующим системам. В условиях производства охлаждение молока с использованием льдоаккумуляторов - еще одно установившееся, однако морально устаревшее, направление. Наибольшую практическую ценность льдоаккумуляторы представляют при наличии двух выраженных пиков - утренних и вечерних надоев. Льдоак-кумуляторы особенно эффективны при использовании маломощного оборудования.

Материалы и методы. С точки зрения энергосбережения и экологической безопасности [7], значительное внимание стало отводиться использованию в качестве хладагентов бинарных и тройных водных растворов этиленгликоля, пропиленгликоля и этанола [8], позволяющих обеспечить низкотемпературное состояние хладоносителя и, соответственно, обеспечить мгновенное низкотемпературное охлаждение продукта.

Особое отношение к проблеме охлаждения молока возникает при необходимости учета условий и требований, при которых производится этот процесс, когда в условиях стационара крупного животноводческого комплекса этот процесс отличается наличием современного оборудования [9].

Для сглаживания графика потребления электроэнергии в течение суток во многих странах мира, в том числе и в России, введены многоставочные тарифы на электроэнергию. Аккумуляторы холода обеспечивают равномерное потребление электроэнергии и

позволяют уменьшать холодопроизводитель-ность устанавливаемого оборудования [10]. «Ночной» режим аккумуляции холода позволяет экономить до 25% электрической энергии по сравнению с установками без системы аккумуляции. На конкретном примере использования холодоаккумуляторов в системе кондиционирования воздуха установлена эффективность от снижения затрат на электроэнергию за счет разницы тарифов [11]. Выявлено, что использование аккумулятора холода снижает потребление электрической энергии на 17%, а затраты на приобретение электрической энергии - на 34%.

Одной из рациональных схем является холодильная установка с аккумулятором холода из тепловых труб. Работает холодильная установка следующим образом. Компрессор отсасывает из испарителя пары хладагента, которые нагнетаются в конденсатор, где пары конденсируются. Жидкий хладагент сливается в ресивер, далее через дроссель-вентиль жидкий хладагент поступает в испаритель, где кипит, охлаждая верхние части тепловых труб. Цикл в контуре циркуляции хладагента замыкается [12].

В испарителе к хладагенту отводится теплота конденсации антифризного рабочего вещества, которым заполнены тепловые трубы и которое стекает в нижнюю часть тепловых труб, расположенных в баке, где испаряется. На наружных поверхностях тепловых труб, помещенных в воду, нарастает лед, который становится аккумулятором холода, вода в баке охлаждается до 0°С, забирается насосом и подается к потребителю холода, где происходит охлаждение технологического потребителя. Затем вода возвращается в бак. Цикл в контуре циркуляции воды как хладоносителя замыкается [13]. При нарастании критической массы льда открывают вентиль, и пары хладагента после маслоотделителя направляются через трубопровод и коллекторы в полости панелей. Антифризное рабочее тело труб нагревается, и намороженный лед сползает в воду бака, охлаждая ее в щадящем режиме работы агрегата.

Одним из реальных направлений, обеспечивающих снижение затрат, особенно в ус-

ловиях пастбищ, является использование естественного холода при охлаждении молока [14]. Это достаточно простая разработка, включающая два бака, бачок постоянного уровня, пластинчатый противоточный охладитель молока, резервуары рубашечного типа, водяной насос. Применение аккумуляторов естественного холода позволяет в зимнее время отключить холодильные установки с электропитанием (около 5 мес.), при этом электропитание затрачивается только на привод насоса и дает сокращение затрат с 20-25 кВт-ч молока при применении холодильных машин до 5-7 кВт-ч. Экономия электроэнергии на ферме 200 голов - около 6 тыс. кВт-ч в год [15]. Сокращаются затраты на обслуживание холодильных машин на 30-40%, увеличивается срок их службы. Во время остановки этих машин в зимнее время представляется возможным их ремонт и техническое обслуживание. Циркуляция воды идет по схеме: холодная вода нижнего бака через теплоизолированный ввод и трубу с помощью насоса в охладитель молока; теплая вода от охлаждаемого молока подается в верхний бак, из него с помощью козырька - в нижний бак, где охлаждается [16].

При втором режиме нагретая вода движется по поверхности льда верхнего бака, переливается, движется по поверхности льда нижнего бака, охлаждается, движется по переливной трубе в бачок постоянного уровня, поступает по трубе внутрь нижнего бака, откуда, как и в первом случае, забирается насосом. Лед под действием нагретой молоком воды может растаять, и установка автоматически переходит на первый режим работы.

Еще одной схемой охлаждения молока является схема обработки молока с применением аккумулятора естественного холода, теплохолодильной установки (на примере ТХУ-14) и солнечного нагревателя, позволяющая экономить до 25 тыс. руб. в год за счет снижения затрат на обработку и хранение молока. При ориентировочной стоимости оборудования в 800-1200 тыс. руб. окупаемость капиталовложений составит 1 -1,5 года [17]. Молоко из приемного бака с помощью насоса поступает в сепаратор-моло-

коочиститель, далее в противоточный пластинчатый охладитель в резервуар-термос. В охладитель холодная вода подается насосом из аккумулятора естественного холода, нагревается, возвращается для охлаждения в бак аккумулятора.

Линия получения горячей воды также имеет круговой цикл, при котором теплая вода после охлаждения молока подается в теплохолодильную установку, с помощью насоса накапливается в баке и далее на технологические нужды. В солнечную погоду подогрев воды может осуществляться солнечным водонагревателем. В зависимости от условий теплохолодильная установка может включаться или отключаться, когда возможен переход на естественные источники теплоты или холода [18].

Результаты. Предложена установка, использующая естественный холод. Установка включает аккумулятор холода и корпус, в котором размещен конденсатор в виде трубчатого змеевика, систему подачи охлаждающей воды к змеевику конденсатора, содержащую связанную с системой водоснабжения фермы подающую трубу с распылительными форсунками и установленный на ней дистанционно управляемый вентиль для порционной подачи воды и периодического смачивания поверхности змеевика конденсатора, вытяжной вентилятор, смонтированный перед распылительными форсунками. В пространство в виде камеры между распылительными форсунками в ее верхней части и аккумулятором холода в нижней части во встречном потоке воздуха, интенсифицирующем испарение воды со смачиваемых поверхностей и образуемом вытяжным вентилятором, внедрен радиатор, по теплообмен-ному змеевику которого движется под действием вакуума в системе от доильной установки охлаждаемое молоко в вакуумирован-ную емкость. Аккумулятор холода представляет собой резервуар с поперечными перегородками для изменения направления потока воды и увеличения пути ее движения к патрубку отбора с охлаждением поверхностных слоев горизонтальным воздушным потоком от вытяжного вентилятора.

Область применения результатов. Установка обеспечивает эффективное использование холода. Данный вывод базируется на результатах исследований, выполненных при охлаждении молока в условиях пастбища при производственной проверке в молочном комплексе ЗАО «Великолукское» Великолукского района Псковской области. Производственными испытаниями установлено, что использование новой установки для охлаждения молока естественным холодом обеспечивает снижение затрат на охлаждение на сумму 364200 руб. за сезон при поголовье КРС 200 голов. Сравнение велось с существующей системой первичной обработки молока.

Выводы. Отраженные в статье технические и технологические направления по вопросам охлаждения молока могут свидетельствовать о необходимости дальнейших научных поисков наиболее оптимальных вариантов. Исследованиями должны охватываться проблемы, связанные с хранением молока при низких энергозатратах и исключением бактериальных загрязнений, так как использование холода не обеспечивает бактериальную чистоту продукта. При дальнейших исследованиях необходимо иметь в виду, что практически все сельскохозяйственные объекты и технологии оказывают химическое, биологическое, физическое и механическое воздействие на основные компоненты окружающей среды и могут приводить к деградации ландшафтов.

Литература:

1. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул, 1997. 160 с.

2. Первичная ультрафиолетовая обработка молока на перерабатывающих предприятиях / В.Н. Расхожев и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. № 7. С. 53-55.

3. Хакимзянова Р.Р. Современное состояние молочного скотоводства в России и необходимые меры для его развития // Перспективные направления развития сельского хозяйства. М., 2015. С. 191-194.

4. Iiyama E. Мировые тенденции разработок охладителей и крупного оборудования кондиционирования воздуха // JARN. 2003. № 6. С. 70-78.

5. Ирландия представляет: оборудование для молоч-

ных ферм // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. 2008. № 8. С. 22-31.

6. Льдоакуумуляторы Everest // Heat exchange mastery. URL: https ://www. fic.com/ru/product/everest

7. О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения: ФЗ от 12.03.1999 № 52

8. Исследование плотности бинарных и тройных водных растворов этиленгликоля, пропиленгликоля и этанола / Хлиева О.Я. и др. // Холодильная техника и технология. 2016. № 52(2). С. 78-85.

9. Свиридов А.Г. Распределение давления в гидравлическом контуре автоматизированных доильных установок // МЭСХ. 2007. № 11. С. 14.

10. Кишев М.А. Энергосбережение при охлаждении молока на фермах // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. М., 2006. С. 90-115.

11. Энергосберегающее оборудование для аккумуляции холода и эффективного использования энергии льда / Коршунов Б.П. и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 2. С. 132-138.

12. Мищенко С.В., Бородин И.Ф. АСУ влажностно-тепловыми параметрами. М., 1988. 223 с.

13. Охлаждение молока при стационарном течении по трубопроводу с охладителем / Герасимова О.А. и др. // Техника в с. х. 2010. № 5. С. 11-13.

14. Использование озера как водоохлаждающей установки / Зогг Р. и др. // Энергосбережение. 2008. №5.

15. Режимы движения молока в молочных шлангах / Б.И. Вагин и др. // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования. СПб., 2014. С. 295.

16. Кузьмин А.Е. Гидравлическая характеристика доильных установок. Иркутск, 1997. 172 с.

17. Пат. 2486749 РФ. Установка, использующая естественный холод / Шилин В.А. и др. Опубл. 08.07.11

18. Самый популярный во Франции охладитель молока закрытого типа с автоматической системой мойки SERAP // Эффективное животноводство. 2009. № 9.

Literatura:

1. Hmelev V.N., Popova O.V. Mnogofunkcional'nye ul't-razvukovye apparaty i ih primenenie v usloviyah malyh proizvodstv, sel'skom i domashnem hozyajstve. Barnaul, 1997. 160 s.

2. Pervichnaya ul'trafioletovaya obrabotka moloka na pe-rerabatyvayushchih predpriyatiyah / V.N. Raskhozhev i dr. // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. 2000. № 7. S. 53-55.

3. Hakimzyanova R.R. Sovremennoe sostoyanie moloch-nogo skotovodstva v Rossii i neobhodimye mery dlya ego razvitiya // Perspektivnye napravleniya razvitiya sel'skogo hozyajstva. M., 2015. S. 191-194.

4. Iiyama E. Mirovye tendencii razrabotok ohladitelej i krupnogo oborudovaniya kondicionirovaniya vozduha // JARN. 2003. № 6. S. 70-78.

5. Irlandiya predstavlyaet: oborudovanie dlya molochnyh ferm // Sel'skohozyajstvennaya tekhnika: obsluzhivanie i remont. 2008. № 8. S. 22-31.

6. L'doakuumulyatory Everest // Heat exchange mastery. URL: https ://www. fic.com/ru/product/everest

7. O sanitarno-epidemiologicheskom blagopoluchii nase-

leniya: FZ ot 12.03.1999 № 52

8. Issledovanie plotnosti binarnyh i trojnyh vodnyh rast-vorov etilenglikolya, propilenglikolya i etanola / Hlieva O.YA. i dr. // Holodil'naya tekhnika i tekhnologiya. 2016. № 52(2). S. 78-85.

9. Sviridov A.G. Raspredelenie davleniya v gidravliches-kom konture avtomatizirovannyh doil'nyh ustanovok // MESKH. 2007. № 11. S. 14.

10. Kishev M.A. Energosberezhenie pri ohlazhdenii moloka na fermah // Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom hozyajstve. M., 2006. S. 90-115.

11. Energosberegayushchee oborudovanie dlya akkumul-ya-cii holoda i effektivnogo ispol'zovaniya energii l'da / Korshunov B.P. i dr. // Al'ternativnaya energetika i ekolo-giya. 2013. № 2. S. 132-138.

12. Mishchenko S.V., Borodin I.F. ASU vlazhnostno-tep-lovymi parametrami. M., 1988. 223 s.

13. Ohlazhdenie moloka pri stacionarnom techenii po tru-boprovodu s ohladitelem / Gerasimova O.A. i dr. // Tekhnika v s. h. 2010. № 5. S. 11-13.

14. Ispol'zovanie ozera kak vodoohlazhdayushchej usta-novki / Zogg R. i dr. // Energosberezhenie. 2008. №5.

15. Rezhimy dvizheniya moloka v molochnyh shlangah / B.I. Vagin i dr. // Nauchnoe obespechenie razvitiya APK v usloviyah reformirovaniya. SPb., 2014. S. 295.

16. Kuz'min A.E. Gidravlicheskaya harakteristika doil'nyh ustanovok. Irkutsk, 1997. 172 s.

17. Pat. 2486749 RF. Ustanovka, ispol'zuyushchaya este-stvennyj holod / SHilin V.A. i dr. Opubl. 08.07.11

18. Samyj populyarnyj vo Francii ohladitel' moloka zak-rytogo tipa s avtomaticheskoj sistemoj mojki SERAP // Effektivnoe zhivotnovodstvo. 2009. № 9.

MILK COOLING - IN RESEARCHES' RESULTS V.V. Morozov, doctor of technical sciences V.A. Shilin, candidate of technical sciences O.A. Gerasimova, doctor of technical sciences D.Yu. Krivoguzov, post graduate student FGBOY VO Velikolukskya state agricultural academy

Abstract. The analysis of milk cooling's some methods, using cold accumulation system, some of which take natural cold is given. For these schemes the efficiency's economic indicators on the dairy complex's conducted researches basis are given. All this allows importance of such milk preserving method as cooling, as well as these schemes' effici-ency and economy to assess. The material also addresses the milk rapid collection's problem and a way of its solving. The work is based on the existing methods and tools analysis providing a coolant low-temperature state. On the basis of this, the possibility of high-speed milk cooling till the milk lowest permissible temperatures was obtained. As a result, there is a significant labor costs reducing. The reflected in article milk cooling's technical and technological directions may the further scientific research need for the best options' indicate about. The studies should cover the problems associated with milk storage at low energy costs and bacterial contamination exclusion, because cold using doesn't product's bacterial purity provide. As it's known, cold does not lead to milk sterilization, and for example, ultrasound or ultraviolet have such possibility, and so the milk storage technology can be more perfect and economic ones [1,2]. There the task of further expediency researches on this problem is formed.

Keywords: natural cold, milk cooling, propylene glycol, safety of milk, cold accumulator, energy saving, ethanol, ethylene glycol.