Энергосберегающая охладительная установка для горных пастбищ

Введение. Питьевое молоко – это стандартизированное молоко, прошедшее температурную обработку. Оно составляет наибольшую часть производства молочной продукции как в России, так и в мире.

Снижение качества молока во время задержки его очистки и охлаждения связано с интенсивным размножением вредных для человека микробов. В одном миллилитре свежеполученного молока содержится до 186000 единиц микроорганизмов, а далее при температуре молока +20 °С после 5

часов хранения число бактериальной обсемененности достигает уже 2 миллионов единиц. Такое молоко в качественном эквиваленте ниже первого сорта, так как в нем более 500000 единиц микробов [1]. Размножение микроорганизмов замедляется при температуре +10 °С и окончательно прекращается на отметке +2…3 °С.

Первичная обработка свежего парного молока, обычно выполняемого на ферме, охватывает фильтрацию, охлаждение и транспортировку на предприятия (предприятия могут забирать молоко с ферм своим транспортом). На предприятиях молоко возделывают повторно, чтобы получить товарное питьевое молоко. Различают следующие основные виды товарного питьевого молока:

• -    пастеризованное (нежирное и с содержанием жира 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,2; 3,5 и 6%);

• -    топленое (нежирное и с содержанием жира 1,0; 2,5; 4,0 и 6%);

• -    белковое (с содержанием жира 1,0 и 2,5%);

• -    стерилизованное (с содержанием жира 1,0,1,5, 2,5, 3,2 и 3,5%);

• -    витаминизированное, а также молоко с наполнителями (кофе, какао).

Молокоохладительные установки в Российской Федерации применяются различных конструкций как отечественного, так иностранного производства. Все эти устройства не отвечают требованиям по продолжительности охлаждения молока ГОСТа

Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье, сырое». Это связано с тем, что для охлаждения молока применяется метод прямого (непосредственного) охлаждения, что не позволяет снизить температуру молока до 4 °С в течение двухчасового периода. Причиной этого является почти нулевая скорость перемещения молока вдоль холодных стенок. Процесс охлаждения молока увеличивается до 3 часов от 37 до 5 °С. За этот период бактериальная обсемененность растет в десятки и даже в сотни раз. Некоторые хозяйства практикуют охлаждение молока до 0 °С и даже полную заморозку. После разморожения гибнут практически все полезные бактерии, необходимые в производстве живых йогуртов и т.п. продуктов.

На производство холода и работу системы охлаждения приходится большая часть электрической энергии от их суммарных затрат. Холодильные установки для генерации холода обычно централизованно обслуживают процессы производства как питьевого молока, так и других молочных продуктов.

Системы охлаждения при производстве питьевого молока потребляют около 3/4 всей электрической энергии, затрачиваемой на обработку и хранение продукта.

Известно, что на охлаждение 1 тонны парного молока затрачивается 30...35 кВт·ч электроэнергии. В настоящее время все большее предпочтение приобретают энергосберегающие технологии [2, 3, 4], что подтверждает повышение востребованности энергосберегающих конструкций молокоохладителей.

Для повышения энергоэффективности систем охлаждения в процессах обработки молока в настоящее время рекомендованы следующие меры:

• -    применять термоизоляцию труб, резервуаров и оборудования, предназначенных для переноса, хранения или обработки молока при температуре ниже окружающей, а также оборудования для процессов, связанных с охлаждением;

• -    оптимизировать функционирование систем водяного охлаждения для предотвращения избыточной продувки градирен;

• -    для приготовления ледяной воды использовать пластинчатый теплообменник для предварительного охлаждения воды аммиаком перед охлаждением в аккумулирующем резервуаре ледяной воды со змеевиковым испарителем.

Кроме того, эффективным методом снижения затрат энергии, повышения надежности и экологической чистоты процесса охлаждения молока в хозяйствах является разработка устройств, работающих на потенциале природного холода [5].

Для примера приведем подобную технологическую операцию. Для охлаждения 1500 кг свежевыдоенного молока от начальной температуры 36 °С до конечной 4 °С требуется отвести и рассеять в окружающую среду теплоту около 2,1·108 Дж [6]. При этом если не будет соблюдаться установленная    ГОСТом двухчасовая продолжительность охлаждения, то для диспергирования      такой      энергии холодопроизводительность разрабатываемых охладителей должна составлять не менее 30 кВт. Эта величина должна более чем в 4 раза превышать холодопроизводительность        любого холодильного агрегата, применяемого в настоящее время в подобных хозяйствах.

Территория       Северо-Кавказского федерального округа богата горными пастбищными угодьями (около 2,3 млн га), содержащими        высококачественные естественно произрастающие разнотравные корма. Преимущества содержания молочного поголовья в условиях горных пастбищ отмечают многие исследователи [7, 8, 9, 10, 11, 12], особенно по продуктивным и экологическим составляющим эффективности производства. Следует отметить наличие на территориях горных пастбищ большого количества горных ручьев и рек, берущих свои истоки от ледников.

Водный фонд горных пастбищ, расположенных с северной стороны склонов Эльбруса, приведен в таблице. Пастбища насыщены горными реками [13] с необходимыми параметрами для организации охлаждения производимого там же молока.

Горные реки северного склона Эльбруса, проходящие через пастбища

Mountain rivers from the northern slope of Elbrus passing through pastures

№	Название Name	Исток Source	Высота расположения, м, над уровнем моря Altitude, m, above the sea level	Температура воды в теплый период года, °С Water temperature during the warm period of the year, °C
1	Екепцоко Yekeptsoko	склон горы Бгюх the slope of the mountain Bgyukh	1400	4…6,5
2	Золка Zolka	северное подножье Дженалского хребта the northern foot of the Jenal Range	1500	4…6,5
3	Кичмалка Kichmalka	ледник северного склона Эльбруса the glacier of the northern slope Elbrus	3200	3,5…5
4	Лахран Lakhran	склон горы Уллу-Лахран the slope of the mountain Ullu-Lakhran	1883	4…5,5
5	Мазеха Masekha	склон горы Мазеха the slope of the mountain Masekha	1300	4…6,5
6	Малка Malka	северный склон Эльбруса the northern slope of Elbrus	2500	4…5,5
7	Уллу-Таллыкол Ullu-Tallykol	северный склон Эльбруса the northern slope of Elbrus	2300	4…5,5

№	Название Name	Исток Source	Высота расположения, м, над уровнем моря Altitude, m, above the sea level	Температура воды в теплый период года, °С Water temperature during the warm period of the year, °C
8	Шаукол Shaukol	начало из небольшого озера на перевале Шаукам the start from a small lake at the Shaukam pass	2925	4…5

Цель исследований заключается в разработке технического средства, повышающего эффективность процесса охлаждения свежевыдоенного молока на основе возобновляемого источника энергии горных рек пастбищ.

Методика исследований. Методологическая основа исследования содержит основные методы системного и структурного мониторинга технологических и конструктивных решений, математическую статистику и сравнительный эксперимент.

Результаты исследований и их обсуждение. Разработанная охладительная установка (рисунок 1) [14] осуществляет процесс охлаждения за счет низкой температуры и возобновляемой энергии потока горной реки.

Установка апробирована в действительных производственных условиях. Проведены необходимые замеры начальной и конечной температур свежевыдоенного молока во временных промежутках охлаждения и дальнейшего его хранения. Результаты представлены на рисунке 2.

Холодильную установку монтируют на салазки и устанавливают вблизи горной реки или ручья, с учетом рельефа доильного центра. Искусственный речной рукав устанавливают с уклоном. Молоко поступает в резервуар-теплообменник. По искусственному водяному рукаву холодная речная вода втекает через входной патрубок в охлаждающую рубашку, где происходит процесс теплообмена через стенки резервуар-теплообменника между речной водой с температурой 4…6 °С и молоком с температурой 36°, доводя процесс охлаждения молока до температуры 6…4 °С.

1 – входной патрубок; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – резервуар-теплообменник;

4 – температурный датчик; 5 – мешалка; 6 – передаточный механизм; 7 – выходной патрубок; 8 – лопасть; 9 – водяное колесо; 10 – салазки; 11 – отработанная вода; 12 – направляющая;

13 – молоко; 14 – речная вода; 15 – искусственный речной рукав

Рисунок 1 – Холодильная установка для молока с применением естественного холода

1 – inlet pipe; 2 – cooling jacket; 3 – tank-heat exchanger; 4 – temperature sensor; 5 – stirrer;

6 – transmission mechanism; 7 – outlet pipe; 8 – blade; 9 – water wheel; 10 – sled; 11 – waste water;

12 – guide; 13 – milk; 14 – river water; 15 – artificial river branch

• Figure 1    – Cooling unit for milk using natural cold

  
  
  

Продолжительность охлаждения, сек

Cooling time, sec

Рисунок 2 – Характеристика процесса охлаждения молока разработанной холодильной установкой

• Figure 2    – Characteristics of the milk cooling process developed by the refrigeration unit

В охладительной рубашке поступившая речная вода, вступив в процесс теплообмена, вытекает через выходной патрубок и попадает по направляющей на лопасти водяного колеса, приводя во вращательное движение указанное водяное колесо. Вращение водяного колеса передается через передаточный механизм мешалке. Вращение мешалки в резервуаре-теплообменнике осуществляет перемешивание молока, что позволяет интенсивно производить процесс охлаждения. Далее можно продолжать описанный процесс охлаждения молока для осуществления хранения.

Внедрение данной установки в производственные условия при содержании дойного стада численностью 200 коров позволит получить экономию электроэнергии около 140 кВт·ч в день [14], а с учетом хранения охлажденного молока и более.

Выводы. Проведен анализ существующих средств охлаждения молока в условиях пастбищ. Выявлены существенные энергетические затраты существующими холодильными установками в условиях пастбищного производства молока.

Разработана энергосберегающая холодильная установка, работающая от возобновляемого источника – горных рек. Она прошла апробацию в условиях фермерских хозяйств, расположенных на территориях горных пастбищ Северного Кавказа, в комплексе технологического оборудования доильных центров.