Введение к работе
Актуальность работы. Принятые Правительством Российской Федерации проект «Развития АПК» и «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции» фактически отражают взгляд сельских товаропроизводителей на процессы, обеспечивающие как продовольственную безопасность России, так и повышение конкурентоспособности отечественной продукции на внутреннем и внешних рынках. В этой связи увеличение производства молока и повышение его качества становится приоритетной задачей работников животноводческой отрасли и молокоперераба-тывающих предприятий агропромышленного комплекса.
Как показывает практика, наиболее целесообразно развивать отрасль за счет снижения себестоимости производства молока, причем технологическая прерогатива должна сохраняться за процессом энерго- и ресурсосбережения. Экологическая неустойчивость и рост цен на углеводородное топливо закономерно интенсифицирует реализацию проектов, направленных на внедрение альтернативных источников энергии, особенно тех, которые определяются спецификой ландшафтно-климатических условий территориального расположения предприятий и производственных комплексов.
Исследования, проводимые по проблеме снижения удельного расхода энергоносителей, в том числе и электроэнергии, на производство и переработку молока, показали актуальность конкретного направления научно-технического поиска и востребованность инженерных решений в области хладорезервирования и разработки систем искусственного охлаждения на основе экономии природно-энергетических ресурсов.
Появление новой тенденции поиска альтернативных хладагентов потребовало методологического обоснования и теории теплофизического анализа для структурных схем теплообмена без использования хладонов, результатом разложения которых является хлор и его водородные соединения. Ресурсо-климатический анализ подтверждает возможность использования естественного холода для создания технологий охлаждения молока с намораживанием ледяной массы. Более того, проектные расчеты показывают перспективность создания хладорезерва природного холода для круглогодового использования при первичной обработке молока. Поэтому разработка энергоэкономных методов внедрения технического обеспечения, реализующего циклы намораживания льда в заданных температурных режимах с установленной производительностью, является важной, значимой и критически необходимой задачей в настоящее время.
Степень разработанности темы. Исследования выполнялись в соответствии с планом фундаментальных исследований отдела механизации РА Н 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. Повышение эффективности процессов охлаждения молока посредством снижения энергозатрат.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи исследований.
-
Провести системный анализ и общее методологическое описание процессов охлаждения молока. Обобщить результаты научных исследований и дать оценку состояния процесса охлаждения.
-
Теоретически обосновать закономерности совершенствования систем охлаждения, снижения себестоимости за счет широкого использования естественного холода.
-
Разработать техническое обеспечение и обосновать параметры структурных элементов системы «атмосфера – инженерное сооружение – водная среда» (АТИВ) в аспекте развития интегрированной технологии, реализованной на принципах транспортабельности теплоносителя, оптимизации конструкционных характеристик устройств для генерации холода и дозирования воды, а также оптимизации режимов защиты от хладоразрушения льдонакопительных емкостей.
-
Установить закономерности образования ледяной массы при дифференцированном воздействии отрицательного температурного поля на верхние, средние и придонные слои водонакопительного бассейна.
-
Выполнить экспериментальные исследования и производственную проверку основных теоретических положений функционирования льдохранилища с годовой потребностью холода.
-
Дать технико-экономическое обоснование внедрения предлагаемых технических решений.
Объект исследования. Теплообменные процессы функционирования системы заготовки льда для круглогодичного охлаждения молока на животноводческих предприятиях.
Предмет исследования. Закономерности теплообменных процессов в толще водяного бассейна при подводе холода к нижним (придонным) слоям, к срединным и к верхним слоям воды в льдонакопительной емкости.
Методология и методы исследования. Методы и методология исследований опираются на современные информационные технологии, аналитические исследования процессов теплообмена в системе АТИВ 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. Вычисление возможной толщины ледяного покрова проводилось в основном по эмпирическим формулам, основой для которых послужили зависимости Е. Стефана. Реализация этапов вычислительного эксперимента для параметрического синтеза установок для послойного намораживания льда, простейших охладителей проводилась на основании разработанной методологии программирования. 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-, видео-, тепловизионная съемка, применялись программно-технические средства. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в соответствии с общепринятыми методиками планирования
многофакторного эксперимента с использованием программных продуктов «Mi-crosoft Excel», «Math CAD 10», «Statistica 6».
Научная гипотеза – снизить себестоимость процесса охлаждения молока в хозяйствах и предприятиях по переработке возможно путем применения систем круглогодичного использования естественного холода в виде намороженного льда.
Научная новизна работы:
– систематизация и анализ существующих перспективных методов качественного и энергоэффективного охлаждения молока;
– теоретическое обоснование режимов аккумуляции естественного холода в форме льда в льдохранилище для условий молочно-товарных ферм;
– режимы и параметры контроля интенсивности процесса намораживания льда в замкнутом объеме бассейна;
– эффективный способ предохранения стенок льдохранилища от разрушения при намораживании льда;
– математические модели энергоэффективного процесса охлаждения молока в емкостных охладителях ледяной водой льдохранилищ;
– математические модели послойного и объемного намораживания льда с использованием термосифонов;
– технические решения эффективного использования естественного холода для охлаждения молока.
Теоретическая и практическая значимость работы.
– Алгоритмы и программы для расчёта процесса охлаждения молока в емкостных охладителях ледяной водой из льдохранилища, оценки интенсивности намораживания ледяной массы в бассейне, выбора холодильных машин, позволяющих рассчитать и подобрать оборудование для охлаждения в зависимости от условий эксплуатации, оценить интенсивность процесса охлаждения и сравнить между собой теплофизические характеристики применяемых охладителей.
– Методы и алгоритмы расчета теплообменных характеристик процессов охлаждения, которые могут быть использованы при решении новых научно-исследовательских, инженерных и проектных задач.
– Программные модули, позволяющие без проведения дорогостоящих экспериментов получать интегральные и локальные теплообменные характеристики.
– Способ предохранения стен бассейна, позволяющий обеспечить защиту от хладоразрушения льдонакопительных емкостей.
– Результаты экспериментальных исследований тепломассообменных процессов при намораживания льда в бассейне льдоаккумулятора, использование которых дает возможность сделать заключение об эффективности применения энергосберегающих технологий охлаждения молока.
– Конструкции устройств для испытания элементов и изучения теплообмен-ных процессов в устройствах намораживания льда с его годовым запасом в зависимости от поголовья и продуктивности коров на ферме, позволяющие повысить энергосбережение процессов охлаждения молока.
Вклад автора в проведенное исследование. Автор является основным исполнителем данной диссертационной работы. Все диссертационные исследования, которые состоят из обзора существующих технологий и производственного
опыта по использованию естественного холода, постановки проблемы, формулировки цели и задач исследования, выявления перспективных направлений повышения эффективности функционирования существующих систем намораживания льда для охлаждения молока, теоретического обоснования и разработки новых опытных установок льдоаккумуляторов, экспериментального подтверждения теоретических предпосылок и выявления оптимальных технико-технологических параметров разработанных систем в лабораторных условиях, внедрения конструкций в производство, а также определения экономической эффективности использования разработанных конструктивных решений выполнены лично автором.
Положения, выносимые на защиту:
– концептуальные основы обоснования разработки методик, технологических режимов и средств новой энергосберегающей техники льдоаккумулирования в системе охлаждения молока;
– теоретические положения по обоснованию и совершенствованию конструктивно-режимных параметров разработанных систем использования естественного холода;
– новые технические решения и программные средства для исследования процесса наморозки льда;
– новые технико-технологические решения, обеспечивающие возможность намораживания и дальнейшего использования льда, влияющего на снижение расхода электроэнергии при охлаждении молока;
– математические модели для численного моделирования процессов образования ледяной массы в системах послойного намораживания и с использованием термосифонов;
– результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы звеньев АТИВ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях (кафедра «МТП в АПК» ОГАУ) и производственных (ООО «Пи-люгинский АПК» Бугурусланского района, ОАО «Ключевское» Пономаревского района, ООО «А7 АГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района, СПК (колхоз) «им. Шевченко» Грачевского района); а также соответствием приведенных результатов данным, полученным другими авторами, воспроизводимостью результатов в пределах точности эксперимента, согласием результатов проведенных экспериментов с данными независимых опытов в диапазоне совпадения параметров, а также удовлетворительным согласием с расчетами по теоретическим моделям.
Апробация работы. Отдельные разделы и материалы диссертационной работы были доложены и одобрены на международных научно-технических конференциях Оренбургского ГА У (2010 – 2017); ГНУ ВНИИМЖ (Подольск, 2010, 2011 гг.); Пензенской ГСХА (2011); Воронежский ГАУ (2015); на XVI международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Минск, НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2012); на Всероссийской конференции «Роль науки в инновационном развитии АПК» (Уфа, 2012); на 17-й международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства производства продукции животноводства» (Москва,
2014); на V Евразийском экономическом форуме «Роль Евразийского союза в развитии рынка интеллектуальной собственности и защита интеллектуальных прав» (Оренбург, 2015), на международном образовательном форуме «Евразия» (Оренбург, 2016).
Технические решения удостоены дипломов лауреата областной выставки НТТМ (Оренбург, 2013, 2014, 2015, 2016 гг.), отмечены дипломами и золотыми медалями международной выставки «Золотая осень» ВДНХ (Москва, 2014, 2016), диплома Х специализированной выставки «ПРОМЭНЕРГО» (Оренбург, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 работ (в том числе 15 статей опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ). Издана одна монография, одно учебное пособие и рекомендации (утверждены РА Н ), которые внедрены в учебный процесс Оренбургского, Башкирского и Мичуринского ГАУ. Новизна технических решений защищена пятью патентами на изобретения и тремя свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 301 наименования, из них 12 на иностранном языке. Работа изложена на 274 страницах машинописного текста, включая список литературы, содержит 83 рисунка, 33 таблицы и 31 приложение.