Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

COOLING MILK WITH SIMULTANEOUS WATER HEATING TO PREVENT THE FREEZING OF ROZHNOVSKY'S WATER-TOWERS

Research article
Ryazanov A.B.
Fomin M.B.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.85.7.005
Issue: № 7 (85), 2019
Published:
2019/07/18
PDF

ОХЛАЖДЕНИЕ МОЛОКА С ОДНОВРЕМЕННЫМ ПОДОГРЕВОМ ВОДЫ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ ВОДОНАПОРНЫХ БАШЕН РОЖНОВСКОГО

Научная статья

Рязанов А.Б.1, *, Фомин М.Б.2

1, 2 ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (alexeiryazanov[at]mail.ru)

Аннотация

Описывается метод охлаждения молока на молочно – товарных фермах с одновременным подогревом воды в водонапорных башнях с целью предотвращения их замерзания в зимний период эксплуатации, а также для получения теплой воды для поения животных и технологических нужд. Конструктивно это реализуется пропусканием холодной воды и теплого молока через рекуперативный теплообменный аппарат. При этом нет необходимости в установке и энергозатратах на работу холодильного оборудования для охлаждения молока и систем нагрева воды.

Ключевые слова: водоснабжение, водонапорная башня, молоко, охлаждение молока, теплообмен, теплообменный аппарат.

COOLING MILK WITH SIMULTANEOUS WATER HEATING TO PREVENT THE FREEZING OF ROZHNOVSKY'S WATER-TOWERS

Research article

Ryazanov A.B.1, *, Fomin M.B.2

1, 2 FSBEI HE Orenburg SAU, Orenburg, Russia

* Corresponding author (alexeiryazanov[at]mail.ru)

Abstract

The article describes the method of cooling milk on dairy commodity farms with simultaneous heating of water in water towers in order to prevent their freezing during the winter period, as well as to obtain warm water for animals and technological needs. Structurally, this is realized by passing cold water and warm milk through a recuperative heat exchanger. At the same time, there is no need for installation and energy consumption for the operation of refrigeration equipment for cooling milk and water heating systems.

Keywords: water supply, water tower, milk, milk cooling, heat exchange, heat exchanger.

Введение

Охлаждение молока является самым энергоемким процессом среди всех процессов обслуживания животных [1]. По данным профессора Юхина Г.П., затраты на охлаждение молока составляют до 50% всех затрат на первичную обработку молока [2]. Использование холодильного оборудования имеет очевидные недостатки: себестоимость оборудования, и стоимость электроэнергии, увеличивающиеся ежегодно. Поэтому актуален вопрос использования природного холода для охлаждения молока, желательно круглый год.

Увеличению интереса к использованию естественного холода также способствует обострение экологических проблем. Беспокойство ученых о возможном разрушении озонового слоя Земли привело к принятию 22 марта 1985 года Венской конвенции о защите озонового слоя, к подписанию всеми индустриальными странами в 1987 году Монреальского протокола, ограничивающего производство и использование фреонов и предписывающего поиск альтернативных хладагентов. В 1992 году в Копенгагене была принята жесткая редакция Монреальского протокола, был введен запрет на использование хлорсодержащих хладонов (ХФУ) с 1996 года, постепенное уменьшение не содержащих хлора хладонов (ГФУ).

Также для нормального функционирования молочных ферм необходимо достаточно большое количество воды (на производство 1 т молока – 5…10 т; на промывку 1 т соломы при выщелачивании – 50 т) [3]. Их водоснабжение целесообразно организовывать с применением металлических водонапорных башен Рожновского из-за их многочисленных преимуществ (дешевизна, легкость монтажа, регулирования расхода и напора воды в водопроводной сети, создания ее запаса и выравнивания графика работы насосных станций).

Правильная организация водоснабжения имеет исключительное значение для эффективной работы фермы, так как обеспечивает нормальное выполнение производственно-зоотехнических процессов и противопожарную безопасность, улучшает условия содержания, повышает производительность и культуру труда обслуживающего персонала, продуктивность животных и качество продукции, снижает себестоимость.

Поэтому организация надежного бесперебойного водоснабжения сельскохозяйственных потребителей является одной из наиболее важных задач сельскохозяйственного производства.

В настоящее время основная часть систем централизованного водоснабжения представлена локальными системами, имеющими водозабор из скважин, водонапорную башню и водопроводные сети. Из этих систем 55% нуждаются в техническом улучшении, в том числе 32% – в реконструкции, 12% – в расширении и 11% – в полном восстановлении.

Однако металлические водонапорные башни Рожновского необходимо защитить от обледенения при их эксплуатации в зимний период года [4].

Также очень важно отметить, что поение животных холодной водой ведет к ряду негативных последствий, среди которых наиболее существенными являются: рост заболеваний, уменьшение удоев, увеличение вероятности выкидышей, увеличение потребления корма для восполнения энергозатрат на нагрев организма при употреблении холодной воды.

Методы и материалы

 

24-07-2019 21-29-46

Рис. 1 – Технологическая схема охлаждения молока и подогрева воды в водонапорной башне

1 – водонапорная башня; 2 – теплообменник; 3 – молочно-товарная ферма

 

Мы предлагаем охлаждать молоко холодной водой, которая поступает из скважины, а затем подогретую воду направлять в водонапорную башню. Это можно сделать, пропустив холодную воду и теплое молоко через рекуперативный теплообменный аппарат в режиме противотока. Конструктивно система будет выглядеть следующим образом (рис. 1). Вода из водонапорной башни (1) направляется к молочно-товарной ферме (МТФ) (3), где проходит через теплообменный аппарат (2), нагреваясь за счет тепловой энергии молока и затем обратно возвращается в водонапорную башню. Молоко при этом остывает и затем транспортируется для дальнейшей переработки или отправляется на хранение. Одновременно с этим происходит нагрев воды, поступающей из скважины, которую затем можно использовать для поения животных, а также для различных зоогигиенических и технических нужд.

Процесс теплообмена в теплообменном аппарате описывается следующим уравнением теплового баланса:

24-07-2019 21-33-25

где св=4200 Дж/(кгоС) – удельная теплоемкость воды;

mв – масса воды, прошедшей через теплообменный аппарат, кг;

tвк – конечная температура воды у выхода из теплообменного аппарата, оС (возьмем равной 20 оС);

tвн – начальная температура воды до входа в теплообменный аппарат, оС (примем приближенно равной температуре грунтовых вод, т.е. 5 оС);

η=0,9 – коэффициент полезного действия теплообменного аппарата;

см=3900 Дж/(кгоС) – удельная теплоемкость молока;

mм – масса молока, прошедшего через теплообменный аппарат, кг;

tмн – начальная температура молока до входа в теплообменный аппарат, оС (равна температуре парного молока, т.е. 30 оС);

tмк – конечная температура молока у выхода из теплообменного аппарата, оС.

Пункты 7.3 и 7.4 ГОСТа регламентируют температуру молока не только при хранении, но и при перевозке: «Молоко транспортируют при его температуре от 2 оС до 8 оС не более 12 ч. У производителя молоко хранят при температуре 4 ± 2 оС не более 24 ч. При сдаче на предприятие молочной промышленности температура молока должна быть не выше 8 оС…».

Таким образом, возьмем tмк=6 оС.

Подставив данные в уравнение теплового баланса, получим, что при охлаждении 1 кг молока до требуемой температуры получается около 1,5 кг теплой воды.

При движении воды и молока через теплообменный аппарат их температуры будут меняться очень быстро, что также является преимуществом предлагаемого конструктивного решения. Особенно это важно для молока, т.к. время на его подготовку и реализацию ограниченно.

Также следует заметить, что молоко при этом охладится максимум до температуры воды, что исключает переохлаждение молока.

Если использовать холодильное оборудование, то в расчете на ферму из 200 голов затраты будут следующими: стоимость оборудования – 457125 р., электроэнергия – 70415 р., амортизация оборудования – 65308 р., техническое обслуживание и ремонт – 45255 р. Итого – 638103 р. Но все это оборудование объединяет одно общее свойство – ежегодное возрастание удельной стоимости оборудования (руб./кВт холодопроизводительности), расхода на электроэнергию, на ремонт и техническое обслуживание.

В предлагаемом нами варианте требуется только трубопровод, по которому подогретая вода будет идти в башню, и рекуперативный теплообменный аппарат, что потребует меньших затрат на установку, обслуживание и электроэнергию.

Приведенный расчет необходимо провести на каждом конкретном объекте в зависимости от конкретных условий (поголовье животных, удои, расстояние до водонапорной башни, параметры водонапорной башни). Если молочно-товарная ферма проектируется и строится заново, а не происходит модернизация существующей, то конструктивное решение, приведенное в данной статье, можно сразу учесть, проложив два трубопровода – от водонапорной башни и обратно, а также подобрать необходимый тип теплообменного аппарата.

Чем дальше башня находится от молочно-товарной фермы, тем сильнее будет остывать вода в зимний период при ее движении к теплообменному аппарату и, соответственно, эффективнее будет охлаждение молока. Трубопровод, по которому подогретая вода пойдет обратно в башню, целесообразно утеплить.

В летний период система тоже будет работоспособна, хотя и в меньшей степени, т.к. в башню подается холодная вода из скважины.

Заключение

Тем самым будут решены обе поставленные задачи: охлаждение молока без использования холодильного оборудования, а также подогрев воды в водонапорных башнях с целью предотвращения их обледенения и поения животных теплой водой.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Юхин Г.П. Алгоритмическое и программное обеспечение для расчетов параметров средств механизации животноводческих ферм / Г.П Юхин. – Уфа: Издательство БГАУ, 2002. – 188 с.
  2. Козловцев А.П. Обоснование и разработка энергосберегающей технологии охлаждения молока в замкнутом цикле системы "атмосфера-инженерное сооружение-водная среда: дисс. на соискание ученой степени док. техн. наук: 05.20.01 / Козловцев Андрей Петрович – Оренбург, 2017 – 385 с.
  3. Карташов Л. П. Механизация, электрификация и автоматизация животноводства / Л. П. Карташов, А. И. Чугунов, А. А. Аверкиев. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: «Колос», 1997. – 368 с.
  4. Петько В.Г. Совершенствование конструктивных параметров водонапорных башен Рожновского для повышения устойчивости к обледенению / В.Г. Петько, А.Б. Рязанов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – Оренбург, изд. центр ОГАУ, 2009. – № 4. – С. 85-86.
  5. Асманкин Е.М. Использование низкопотенциальной геотермальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях / Е.М. Асманкин, А.Б. Рязанов, М.Б. Фомин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – № 6. – 2015. – С. 27–28.
  6. Фомин М.Б. Экспериментальное исследование процесса льдообразования водонапорных емкостей с комбинированным подводом энергии / М.Б. Фомин, Е.М. Асманкин, И.А. Рахимжанова, Л.Р. Фомина, Э.А. Нигматов // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2017. – С. 46–50.
  7. Петько В.Г. Процесс обледенения металлической водонапорной башни в системах водоснабжения объектов сельского хозяйства, выполненной по типу «бак-стойка» / М.Б. Фомин, В.Г. Петько, Л.Р. Фомина, С.А. Соловьев // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2017. - №5(67). – С. 129-132.
  8. Петько, В.Г. Перспективы усовершенствования водоснабжения в АПК / В.Г. Петько, А.Б. Рязанов // Состояние, перспективы экономико-технологического развития и экологически безопасного производства в АПК. – Оренбург, изд. центр ОГАУ, 2010. – С. 524-527.
  9. Петько В.Г. Совершенствование конструктивных параметров водонапорных башен Рожновского для повышения устойчивости к обледенению / В.Г. Петько, А.Б. Рязанов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – Оренбург, изд. центр ОГАУ, 2009, № 4. – С. 85-86.
  10. Петько В.Г. Незамерзающая водонапорная башня / В.Г. Петько, А.Б. Рязанов // Сельский механизатор. – Сергиев-Посад, Патриарший издательско-полиграфический центр, 2008, № 2. – С. 32.
  11. Рязанов А.Б. Исследование стационарного режима работы водонапорной башни Рожновского / А.Б. Рязанов // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, ОГУ, 2006, № 13. – С. 97-98.
  12. Патент РФ № 2379452, МПК Е 04 Н 12/30. Водонапорная башня / В.Г. Петько, А.Б. Рязанов. – опубл. 20.01.10. Бюл. № 2.
  13. Кухлинг Х. Справочник по физике: пер. с нем. Е.М. Лейкина / Хаузен Кухлинг. 2-е изд. – М.: Мир, 1985. – 520 с.: ил.
  14. Рязанов А.Б. Повышение эффективности функционирования водонапорной башни Рожновского при отрицательных температурах окружающего воздуха: дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук, Оренбург, 2012, 136 с.
  15. Asmankin Y.M., Ushakov Y.A., Fomin M.B., Fomina L.R. More efficient use of the water tower agricultural land at low ambient temperatures, V international scientific congress. Agricultural machinery 2017, 21.06 – 24.06.2017, Varna, Bulgaria. P. 149-151.

 Список литературы на английском языке / References in English

  1. Yukhin G.P. Algoritmicheskoe i programmnoe obespechenie dlya raschetov parametrov sredstv mekhanizatsii zhivotnovodcheskikh ferm [Algorithmic and Software for Calculating the Parameters of Livestock Farms Mechanization] / G.P. Yukhin. – Ufa: BSAU Publishing House, 2002. – 188 p. [In Russian]
  1. Kozlovtsev A.P. Obosnovanie i razrabotka energosberegayushchei tekhnologii okhlazhdeniya moloka v zamknutom tsikle sistemy "atmosfera-inzhenernoe sooruzhenie-vodnaya sreda: diss. na soiskanie uchenoi stepeni dok. tekhn. nauk: 05.20.01 [Justification and Development of Energy-saving Technology for Cooling Milk in a Closed Cycle of the System “Atmosphere-engineering Structure-Water Environment”: Thesis of PhD in Engineering: 05.20.0] / Kozlovtsev Andrey Petrovich – Orenburg, 2017 – 385 p. [In Russian]
  2. Kartashov L. P. Mekhanizatsiya, elektrifikatsiya i avtomatizatsiya zhivotnovodstva [Mechanization, Electrification and Automation of Livestock] / L.P. Kartashov, A.I. Chugunov, A.A. Averkiev. - 2nd Ed., revised and add. – M.: Kolos, 1997. – 368 p. [In Russian]
  3. Petko V.G. Sovershenstvovanie konstruktivnykh parametrov vodonapornykh bashen Rozhnovskogo dlya povysheniya ustoichivosti k obledeneniyu [Improving the Design Parameters of Rozhnovsky Water Towers to Increase Resistance to Icing] / V.G. Petko, A.B. Ryazanov // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Orenburg State Agrarian University]. – Orenburg, publ. by Centre OSAU, 2009. – No. 4. – p. 85-86. [In Russian]
  4. Asmankin E.M. Ispolzovanie nizkopotentsialnoy geotermalnoy energii dlya predotvrashcheniya ldoobrazovaniya v metallicheskikh vodonapornykh bashnyakh [Use of Low Potential Geothermal Energy to Prevent Ice Formation in Metal Water Towers] / E.M. Asmankin, A.B. Ryazanov, M.B. Fomin // Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva. [Mechanization and Electrification of Agriculture]. – No.6. – 2015. – P. 27-28. [In Russian]
  5. Fomin M.B. Eksperimentalnoe issledovanie protsessa ldoobrazovaniya vodonapornykh emkostey s kombinirovannym podvodom energii [Experimental Study of the Process of Ice Formation of Water-Pressure Vessels with a Combined Supply of Energy]/ M.B.Fomin, E.M. Asmankin, I.A. Rakhimzhanova, L.R. Fomina, E.A. Nigmatov // Sovershenstvovaniye inzhenerno-tekhnicheskogo obespecheniya tekhnologicheskikh protsessov v APK [Improving Engineering Support of Technological Processes in Agro-industrial Complex]. – Orenburg: OSAU Publishing Centre, 2017. – P. 46–50. [In Russian]
  6. Petko V.G. Protsess obledeneniya metallicheskoy vodonapornoy bashni v sistemakh vodosnabzheniya obyektov selskogo khozyaistva, vypolnennoi po tipu «bak-stoika» [Process of Icing the Metal Water Tower in the Water Systems of Agricultural Objects, made by the “Tank-rack” Type] / M.B. Fomin, V.G. Petko, L.R. Fomina, S.A. Solovyev // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Orenburg State Agrarian University]. – 2017. – No.5 (67). – P. 129-132. [In Russian]
  7. Petko V.G. Perspektivy usovershenstvovaniya vodosnabzheniya v APK [Prospects for Improving Water Supply in Agriculture] / V.G. Petko, A.B. Ryazanov // Sostoyaniye, perspektivy ekonomiko-tekhnologicheskogo razvitiya i ekologicheski bezopasnogo proizvodstva v APK [State, Prospects of Economic and Technological Development and Environmentally Safe Production in Agriculture]. – Orenburg, OSAU Publishing Centre, 2010. – P. 524-527. [In Russian]
  8. Petko V.G. Sovershenstvovanie konstruktivnykh parametrov vodonapornykh bashen Rozhnovskogo dlya povysheniya ustoichivosti k obledeneniyu [Improving the Design Parameters of Rozhnovsky Water Towers to Increase Resistance to Icing] / V.G. Petko, A.B. Ryazanov // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Orenburg State Agrarian University]. – Orenburg, OSAU Publishing Centre, 2009, No. 4. – p. 85-86. [In Russian]
  9. Petko V.G. Nezamerzayushchaya vodonapornaya bashnya [Non-freezing Water Tower] / V.G. Petko, A.B. Ryazanov // Sel'skiy mekhanizator [Rural Mechanicizer]. – Sergiev Posad, Patriarshy Publishing and Printing Centre, 2008, No. 2. – P. 32. [In Russian]
  10. Ryazanov A.B. Issledovanie statsionarnogo rezhima raboty vodonapornoy bashni Rozhnovskogo [Study of Stationary Operation of Rozhnovsky Water Tower] / A.B. Ryazanov // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Orenburg State University]. – Orenburg, OSU, 2006, No. 13. – P. 97-98. [In Russian]
  11. Patent RF № 2379452, MPK E 04 N 12/30. Vodonapornaya bashnya [Patent of the Russian Federation No. 2379452, IPC E 04 H 12/30. Water Tower] / V.G. Petko, A.B. Ryazanov. - Publ. 01.20.10. Bul No. 2 [In Russian]
  12. Kuhling H. Spravochnik po fizike: per. s nem. E.M. Leykina [Physics Handbook: Tranls. from German by E.M.Leykina] / Hausen Kuhling. 2nd ed. – M.: Mir, 1985. – 520 pp., Ill. [In Russian]
  13. Ryazanov A.B. Povyshenie effektivnosti funktsionirovaniya vodonapornoy bashni Rozhnovskogo pri otritsatelnykh temperaturakh okruzhayushchego vozdukha: diss. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tekhn. Nauk [Improving the Efficiency of the Rozhnovsky Water Tower at Negative Ambient Temperatures: Thesis of PhD in Engineering] Orenburg, 2012. – 136 p. [In Russian]
  14. Asmankin Y.M., Ushakov Y.A., Fomin M.B., Fomina L.R. More efficient use of the water tower agricultural land at low ambient temperatures, V international scientific congress. Agricultural machinery 2017, 21.06 – 24.06.2017, Varna, Bulgaria. P. 149-151.