Электротехническая система охлаждения молока на фермах с использованием природного холода

Повышение экономической эффективности и энергосбережения охлаждающих систем является одной из актуальных проблем нашей страны в XXI веке. Решение этой проблемы способствует экономии энергетических ресурсов, совершенствованию топливно-энергетического баланса страны [1 .5].

Из-за низкого технологического уровня большинства животноводческих ферм и отсутствия по ряду процессов современного оборудования, качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным, а его обработка — энергоемким и трудоемким процессом, отмечено нарушение природно-экологического равновесия ферм, что отразилось на экологическом состоянии получаемой молочной продукции. В целом по России производится в среднем до 74% молока I сортом, 22% молока — II сортом и 4% молока — несортовым, из них менее 50% - охлажденным. При этом, из-за низкого уровня автоматизации затраты энергии на обработку 1 т молока составляют в среднем 30.35 кВт. ч [6. 14], а затраты рабочего времени оператора на управление процессом обработки — более 2000 часов в год [6, 13. .23].

Природный холод — один из важнейших возобновляемых источников энергии является одним из главных и экологически чистых энергосберегающих средств, обеспечивающих сохранность сельскохозяйственной и промышленной продукции непосредственно в местах её производства [6, 12.15]. Основной идеей его использования является аккумулирование низко потенциальной энергии природного холода воды, льда, грунта аккумуляторами холода.

Преимуществами установок природного холода являются: простота изготовления, обслуживания и ремонта оборудованиядоступность использования в отдаленных районахвысокая надежность охлаждающих системспособность к непрерывному аккумулированию холодаэкономия электроэнергии, остродефицитного холодильного оборудования и материалов, исключение использования фреона и фреоновых маселнизкая себестоимость холода.

Исследования в этом направлении начались в МГАУ и ВИЭСХ в 1979 г. Первый опыт крупномасштабного промышленного использования природного холода был осуществлён на животноводческом комплексе «Гольёво» племзаво-да — колхоза «Завет Ильича» Красногорского района Московской области. В этом хозяйстве в 1983 — 1984 г. г. были введены в эксплуатацию первые опытнопромышленные установки для доения [16] и охлаждения молока [6, 24.35], полученного от стада до 1000 голов. В 1984 г. на основе обобщения опыта племзавода — колхоза «Завет Ильича», по решению Госплана СССР (протокол заседания № 3 от 14. 12. 84 г.) впервые в России началось широкомасштабное использование природного холода для охлаждения молока и другой сельскохозяйственной продукции. В этом хозяйстве впервые установлены разработанные в МГАУ и ВИЭСХ микропроцессорные системы управления [19.21], водо-ледяные аккумуляторы и приёмники природного холода вертикального и горизонтального типов [24.60, 64.72, 80.83], максимальная хладопроизводительность которых превышает 60 кВт. Эти аккумуляторы работают до настоящего времени и обеспечивают сохранность с.х. продукции, при уменьшении расхода электроэнергии на производственные нужды, снижении эксплуатационных затрат на холодильное оборудование.

Большой вклад в решение проблемы эффективного использования природного холода внесли учёные Бобков В. А., Марьяхин Ф. Г., Мусин A.M., Учеваткин А. И., Коршунов Б. П., Цой Ю. А. и др. Они сформировали требования к системам охлаждения молока, разработали типоразмерный ряд установок для охлаждения молока с использованием природного холода [6, 11, 13.40] методики расчета и обоснования параметров, режимов работы.

Использование природного холода увеличило мощность холодильных систем, снизило стоимость холодильного оборудования, энергоёмкость производства и себестоимость продукции.

Использование энергосберегающих технологий и технических средств существенно изменяют структуру линий [6, 17. 19, 24.36], режимы их работы и методы управления ими. Появляется задача взаимосвязанного управления потоками молока и хладоносителя, охлаждаемого искусственным и природным холодом в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха. При этом меняются режимы работы отдельных звеньев т.к. их рабочие циклы включают и ночное время. Все это привело к усложнению алгоритма управления процессом охлаждения молока и соответственно систем автоматики [36.42].

Существующая СЭ [6, 24, 34, 36] не обеспечивает комплектацию охлаждающих систем нового поколения ввиду постоянной модернизации оборудования и разработки нового. Кроме того, эффективность этой системы снижается устаревшей элементной и конструктивной базы. Ее функциональные возможности из-за несоответствия алгоритмов управления для новых машин, не позволяют реализовать новые энергосберегающие технологии и повысить уровень автоматизации систем охлаждения молока на фермах. Вместе с тем, ограниченный комплекс контролируемых и регулируемых параметров и технических средств не позволяет автоматизировать и интенсифицировать технологический процесс охлаждения молока на фермах [6, 17.19]. Для эффективного управления процессом охлаждения молока, необходимо иметь полную и достоверную информацию о контролируемых и регулируемых параметрах процесса, характеризующих технологический [6, 36]. Это требует исследований технологических линий охлаждения как объектов управления для получения и обработки информации, необходимой для создания энергосберегающих технологических систем и разработки СЭ и обоснования ее параметров [36].

Отсутствие методологии и принципов построения автоматизированных энергосберегающих систем и синтеза СЭ препятствует созданию комплексного подхода к исследованию технологических линий охлаждения как объектов управления и разработке практических методов построения и инженерного расчета энергосберегающих систем, позволяющих учесть все многообразие сложных взаимосвязей между звеньями и СЭ. Известные методы и существующие методики расчета и обоснования параметров и режимов работы технических средств [6.38] и синтеза унифицированной СЭ [36, 63, 84] используют невзаимосвязанные модели, отражающие различные стороны функционально-структурной организации линий охлаждения и СЭ без должного отражения концепции развития систем. Большинство моделей не учитывают основного свойства разрабатываемых энергосберегающих технологических систем и СЭцелостности в функциональном и структурном аспектах. Сложные связи, существующие между системой управления и управляемым технологическим оборудованием, их параметрами и возмущениями, могут быть раскрыты и реализованы только при использовании современных методов исследования [6, 36, 61] и приемов математического моделирования. Математическое описание технологического процесса обработки молока при воздействии различных факторов с учетом разнообразных условий функционирования — один из самых важных и ответственных этапов создания автоматизированных энергосберегающих систем и СЭ, позволяющей точно выдерживать заданные параметры технологического процесса [6, 36].

Установлено, что повышение уровней автоматизации, надежности, улучшение энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик линий, сокращение времени на обнаружение аварий и восстановление систем может быть достигнуто функционально — структурной организацией линий по модульному принципу и созданием СЭ с гибкой иерархической структурой, позволяющей интенсифицировать процесс обработки молока и обеспечить комплексную автоматизацию ферм и комплексов. Реализация такого подхода требует совершенствования существующих и разработки новых методов синтеза автоматизированных энергосберегающих систем, технических средств и СЭ технологических линий обработки молока [6, 23, 36].

Постоянно возрастающие требования к электрооборудованию, сложность и многообразие автоматизируемых охлаждающих систем и процессов, выдвигают необходимость создания методологической базы синтеза СЭ, разработки практических методов обоснования и формирования этих систем, максимально учитывающих сложность и особенности объекта управления.

Поэтому научные исследования, направленные на создание и разработку теоретических основ, методов создания новых эффективных энергосберегающих технологий, технических средств и СЭ, обеспечивающих интенсификацию технологического процесса обработки охлаждения молока на фермах, актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Связь выполненных исследований с государственными программами. Исследования выполнены в соответствии с Федеральной программой «Разработать научные основы развития системы технолого-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики» 19 962 001 гг. и Федеральной программой «Создание техники и энергетики нового поколения и формирования эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса» 2001;2005 гг.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является обоснование и разработка системы электрооборудования (СЭ) и технических средств охлаждающих систем с использованием природного и искусственного холода, обеспечивающих эффективное охлаждение молока на технологических линиях обработки молока животноводческих ферм.

Научная новизна исследований. Разработана методика блочно-модульного принципа построения СЭ для охлаждающих систем технологических линий первичной обработки молока, позволяющая обосновать и сформировать типовые алгоритмы управления исполнительными механизмами охлаждающих систем и на основе их многократного применения строить гибкую иерархическую структуру СЭ.

Обоснована двухуровневая структура СЭ, обеспечивающая автоматизацию процесса охлаждения молока, аккумулирование природного и искусственного холода, улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик линий и реализующая эффективные режимы работы технических средств охлаждающих систем.

Разработана методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием природного и искусственного холода на базе льдоаккумуляторов и установок комбинированного действия, обеспечивающих рациональное сочетание природного и искусственного холода в технологических линиях охлаждения в суточном и годовом циклах.

Предложен метод исследования охлаждающих систем технологических линий как объектов управления, позволяющий обосновать комплекс контролируемых и регулируемых параметров процесса охлаждения и выявить его влияние на энергетические и эксплуатационные характеристики линий.

На основе проведенных исследований предложены и разработаны энергосберегающие технические средства и низковольтные комплектные устройства управления (НКУ), серийно выпускающиеся в Российской Федерации и странах СНГ.

Достоверность теоретических положений подтвердилась длительной эксплуатацией на фермах и государственными испытаниями разработанных опытных партий и серийно выпускаемых технических средств и оборудования.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ теплотехники, теории планирования эксперимента, методов анализа и синтеза СЭ, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, физического моделирования, математической обработки данных и компьютерного моделирования (MathCAD, AutoCAD, Excel и др.).

Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники на действующих автоматизированных энергосберегающих технологических линиях первичной обработки молока путем непосредственных измерений и сравнения с данными теоретических.

Практическая ценность диссертации — в создании практических методов синтеза электрооборудования, позволяющих формировать по модульному принципу СЭ для любых охлаждающих систем животноводческих фермв разработке и внедрении новых эффективных технических средств, обеспечивающих охлаждение молока природным и искусственным холодом, аккумулирование природного и искусственного холодав разработке комплекта электрооборудования, состоящего из НКУ и централизованного устройства дистанционного контроля и управления (ЦУДКУ), построенных по блочно-модульному принципу. Разработанный комплект электрооборудования позволяет формировать СЭ для любых типов и вариантов охлаждающих систем технологических линий.

Применение комплекта СЭ в охлаждающих системах технологических линий, позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока не менее чем 2,5 раза, уменьшить установленную мощность электрооборудования холодильных установок в 2 раза, материалоемкость аккумуляторов природного и искусственного холода до 4 раз, сократить непроизводительные затраты рабочего времени оператора на управление и эксплуатацию линией на 40%. При этом уровень автоматизации линий повышается не менее, чем на 40%.

Внедрение результатов исследований. В результате проведенных исследований, включающих в себя обоснование параметров и режимов работы охлаждающих систем, технических средств и СЭ, разработку опытных образцов и их производственные испытания на молочных фермах, разработаны и утверждены технические задания на 5 различных установок, устройств и НКУ для технологических линий первичной обработки молока. По исходным требованиям (техническим заданиям) организации промышленности выполнили ОКР, разработали промышленные образцы и провели хозяйственные, ведомственные и государственные испытания с рекомендациями серийного производства и широкого внедрения на животноводческих фермах и комплексах страны. По большинству разработок начато серийное производство в России и странах СНГ.

Результаты исследований составили научную базу для разработки:

Рекомендаций по автоматизации производственных процессов для объектов сельскохозяйственного назначения" — «Рекомендаций по разработке линий обработки молока с энергосберегающими технологиями для доильно-молочных блоков животноводческих ферм и комплексов" — «Технических требований и технико-экономических обоснований на серийное производство унифицированной СЭ для технологических линий обработки молока», на основе которых начато серийное производство низковольтных комплектных устройств управления (НКУ) для технологических машин.

Результаты исследований внедрены на молочном комплексе «Гольёво» сельскохозяйственного производственного кооператива «Завет Ильича» (СПК «Завет Ильича») Красногорского района Московской области, использованы для подготовки проекта «Рекомендаций по применению бесфреоновых охлаждающих систем в с/х производстве». Разработаны предложения в виде технических заданий и инструкции по эксплуатации, которые приняты ОАО «Московский специализированный комбинат холодильного оборудования» (ОАО «МСКХО») и АООТ Московский завод холодильного машиностроения «Искра» (АООТ МЗХМ «Искра») для разработки конструкции серийных образцов с последующим освоением их производства.

Разработанная СЭ прошла проверку в производственных условиях на молочных фермах, неоднократно экспонировались на международных и всероссийских выставках и отмечена медалями и дипломами ВДНХ СССР и ВВЦ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод обоснования параметров и структуры СЭ охлаждающих систем с использованием природного и искусственного холода, основанный на анализе материальных потоков хладоносителя и молока, временных и энергетических режимов работы охлаждающих звеньев, позволяющий определить контролируемые и регулируемые параметры, выбрать комплекс технических средств для получения информации о состоянии объекта управления и структуру СЭ для охлаждающих систем, обеспечивающих повышение уровня автоматизации.

2. Математические модели, устанавливающие количественные взаимосвязи режимов работы электрооборудования охлаждающих звеньев с энергетическими и эксплуатационными характеристиками линий, обеспечивающие взаимосвязанное управление потоками молока и хладоносителя, охлаждаемого как искусственным, так и природным холодом в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха.

3. Метод синтеза системы электрооборудования, заключающийся в формировании типовых алгоритмов управления звеньев линии, позволяющий строить устройства управления с гибкой иерархической структурой.

4. Режимы работы комбинированной системы охлаждения молока, обеспечивающие сокращение удельных затрат электроэнергии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода МГАУ им. В. П. Горячкина, научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России» (6−7 октября 1999 г., г. Москва), на 2-й Международной конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (3−5 октября 2000 г. Москва), на заседаниях секции электрификации и энергетики АПК Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (1999;2002 гг.) и на 5-й Международной научно-практической конференции «Концепция механизации и автоматизации животноводства в XXI веке» (апрель 2002 г., г. Подольск), на Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки — агропромышленному производству» (27−30 января 2003 г. ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы вузовской агроинженер-ной науки» (24−28 января 2005 г., ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы агро-инженерной науки» (12−14 октября 2005 г., ФГОУ ВПО МГАУ, г. Москва).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 23 печатных работах, в том числе в 2 патентах России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 141 стр., включая 20 таблиц, 31 рисунок и библиографию из 103 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Аналитический обзор существующих электротехнических систем показал, что снижение энергоемкости и трудоемкости процесса охлаждения может быть достигнуто путем внедрения прогрессивных энергосберегающих систем охлаждения с использованием природного холода и принципиально новой двухуровневой СЭ. Установлено, что наиболее перспективными являются системы круглогодового действия комбинированного типа, включающие льдохранилища, водо-ледяные аккумуляторы природного и искусственного холода, приемники природного холода в сочетании с подзарядными холодильными установками.

2. Математическое моделирование процессов охлаждения, аккумулирования и регулирования потоков молока и хладоносителя позволило обосновать перечень контролируемых и регулируемых параметров, определить технические средства для получения информации о состоянии объекта управления, необходимых для формирования СЭ с гибкой иерархической структурой, обеспечивающих автоматизацию процесса охлаждения, улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик.

3. Предложенный метод обоснования параметров и расчета режимов работы электротехнических систем при реализации энергосберегающих технологий охлаждения и способов аккумуляции природного и искусственного холода, позволяет формировать гибкие системы охлаждения для любых типов ферм, обрабатывать молоко в закрытом потоке синхронно с доильной установкой, повысить качество молока, на 40% сократить затраты рабочего времени оператора на управление линией.

4. Разработанные математические модели процесса охлаждения молока и аккумулирования природного и искусственного холода, позволяют перейти к блочно-модульному построению систем охлаждения и установить связь основных параметров электротехнических средств с технологией охлаждения и температурой атмосферного воздуха, минимизировать затраты энергии и эффективно использовать аккумулирующую способность аккумуляторов природного и искусственного холода.

5. Установлено, что использование предварительного охлаждения молока до 15 °C и аккумуляторов природного и искусственного холода, позволяют сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение в холодное время года до 10 раз, установленную мощность электрооборудования и хладопро-изводительность подзарядных холодильных установок до 2 раз, материалоемкость аккумуляторов до 4 раз, повысить аккумулирующую способность системы не менее чем в 2 раза по сравнению с традиционными способами охлаждения.

6. На основании математического моделирования и анализа временных режимов работы и структуры затрат рабочего времени оператора на управление процессом охлаждения молока выявлены закономерности и особенности функционирования разработанных систем на фермах. Установлено, что наиболее эффективной является централизованная двухуровневая иерархическая структура СЭ, состоящая из НКУ, расположенных на первом уровне управления и ЦУДКУ, расположенного на втором уровне. Уровень автоматизации предложенной системы повышается на 40%.

7. Предложена двухуровневая СЭ дискретно-регулируемых звеньев, использующих принцип время-импульсной модуляции, позволяющая регулировать потоки молока и хладоносителя в широких пределах, определённых техническими требованиями систем.

8. Экспериментально исследованы алгоритмы управления электротехнической системы и обоснованы параметры двухуровневой СЭ. Установлено, что использование блочно-модульного принципа построения позволяет применять новые технические средства управления и элементную базу (микросхемы, магнитоуправляемые, герметичные контакты и т. п.), сочетать их с релейно-контактной аппаратурой и строить НКУ с гибкой иерархической структурой из блоков путем многократного их применения.

9. Производственные испытания показали, что предлагаемая электротехническая система охлаждения молока, позволяет сократить капитальные и эксплуатационные затраты на 40%, расход энергии в среднем не менее чем в 2 раза, повысить надёжность систем охлаждения, уменьшить потери молока.

10. Годовой экономический эффект от применения электрифицированных систем охлаждения молока с применением природного холода на фермах 400 голов составила 195 тыс. руб. в год при годовом удое 5200 кг в год.