Сельское хозяйство/ Механизация сельского хозяйства

к.т.н.: Грицай Д.И., Капустин И.В., Краснова А.Ю., Будков В.И.

Ставропольский государственный аграрный университет

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИЧНЫХ ПОДСОБНЫХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ

 

В настоящее время практически во всех регионах страны интенсивно развиваются личные подсобные и крестьянские фермерские хозяйства по производству продукции животноводства. По данным Министерства сельского хозяйства Ставропольского края около 76% молока производится в индивидуальном секторе [1] при высоких энергетических затратах. Наиболее энергозатратными являются процессы, связанные с приготовлением и раздачей кормов, получением, обработкой и хранением молока. На долю которых  в совокупности приходится до 65-70% суммарных энергозатрат на производство тонны молока. В связи с этим совершенствование имеющегося и разработка нового энергосберегающего  оборудования для механизации процессов приготовления кормов, доения коров и обработки молока в вышеназванных хозяйствах является актуальным.

Известны различные конструкции малогабаритных устройств предназначенных для измельчения кормов в технологии приготовления зерно-стержневых кормосмесей. Однако, недостатками их является низкая производительность и  высокая удельная энергоемкость на выполнении этой операции.

Для дисковых режущих аппаратов с вращательным рабочим движением, оптимальным является криволинейный профиль лезвия, описываемый эксцентрической окружностью радиуса R0, вписанной в другую, радиусом (R0+е), где е - эксцентриситет с отношением е/ R0=0,7…0,8. Изготовление криволинейного лезвия и выполнение на ножевом диске окон криволинейного профиля связано с трудностями технологического порядка, поэтому предпочтение было отдано ножам с прямолинейным лезвием, где угол скольжения τ, заключенный между направлением движения точки лезвия и нормалью к ней для разноудаленных точек лезвия неодинаков и не всегда оптимален.

Для уменьшения удельной работы резания и снижения энергозатрат следует обеспечить эффект скользящего резания, когда угол τ превышает угол трения φ измельчаемого материала о лезвие ножа (τ>φ). Этим достигается требуемая величина тангенциальной силы Т, направленной вдоль прямолинейного лезвия и обеспечивающей эффективное резание материала.

Обеспечить величину угла τ в оптимальных пределах возможно путем размещения ножа на диске с поперечным Рх и продольным Ру  вылетом, величина которых ограничивается заданной длиной ножа L и радиусом R ножевого диска (рис. 1). Значения вылета ножа определяются как

         Рх = L∙tgτ             или    Рх = R∙sinτ;                                       (1)

         Ру = R∙ cosτ-L     или    Ру = Рх ∙ctgτ-L.                                 (2)

 

 

 

 

Рисунок 1 – Зависимость угла скольжения t и радиуса ножевого диска R от величины продольного Рy и поперечного Рх вылета ножа

 

На основе расчета ряда конструктивно-режимных параметров нами обоснована рациональная конструкция малогабаритного дискового измельчителя початков для личных подсобных и крестьянских фермерских хозяйств (рис. 2) [2;3].

 

Рисунок 2 – Схема измельчителя початков дискового ножевого одноступенчатого (патент №45226): 1 – бункер загрузочный; 2 – диск ножевой; 3 – нож наклонный; 4 – паз сквозной (окно); 5 – лопасть-швырялка; 6 – электродвигатель

 

По результатам сопоставительной энергооценки установлено, что  удельные энергозатраты на приусадебное приготовление 1 т ЗСКС составляют от 161,92 до 343, 55 МДж и зависят, в основном, от варианта применяемой технологии хранения корма. Наименьшие энергозатраты приходятся на закладку корма в хранилище заглубленное в грунт, наибольшие – на закладку его в наземную пластмассовую емкость. Энергозатраты на приготовление ЗСКС резанием с закладкой в пакеты составляет  343,55 МДж. Для сравнения энергозатраты на приготовление кормосмеси в ГСХ с дроблением початков составляют 225,2 МДж на 1 тонну.

Основным узлом доильной машины является вакуумная установка. Отечественные производители комплектуют вакуумные установки, как правило, ротационными лопастными насосами с фитильной смазкой рабочих органов. Практика эксплуатации таких насосов показывает, что они обладают низкой эксплуатационной надежностью при высокой энергоемкости и расходе масла. Одним из направлений исключения отмеченных недостатков является комплектация вакуумной установки устройством, обеспечивающим циркуляционную смазку рабочих органов насоса без выброса масла в атмосферу.

На кафедре «Технологическое оборудование  животноводческих и перерабатывающих предприятий» Ставропольского ГАУ разработана вакуумная установка с двухконтурной системой смазки рабочих органов насоса (рис. 3).

Рисунок 3 – Вакуумная установка с двухконтурной системой циркуляционной смазки: 1-электродвигатель; 2-вакуумный насос; 3-бак-маслоотделитель; 4- бак-маслонакопитель; 5-маслопроводы.

 

 Выбрасываемый вакуумным насосом 2 воздух вместе с отработанным маслом попадает в бак-маслоуловитель 3, где за счет прохождения его через комплект разделительных сеток и тарелок происходит отделение капель масла от воздуха. Масло остается в баке-маслоуловителе, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу. При поступлении воздуха в бак-маслоуловитель в нем создается избыточное давление, что заставляет поступать масло в бак-маслонакопитель 4, а из него по маслопроводам 5 – в вакуумный насос 1. Наличие бака-накопителя обеспечиваем полное удаление воздуха из масла, что повышает его смазывающий эффект.

Практика и многочисленные исследования показывают, что процесс охлаждения молока является высокоэнергозатратным, требующим в среднем 29-30 кВт·ч электроэнергии на охлаждение 1 тонны. Этим определяется актуальность разработки технологий и устройств, обеспечивающих снижение затрат энергии на процесс охлаждения молока.

Основными направлениями здесь являются использование тепловой энергии, отбираемой от молока, в технологических целях, а также использование природного источника холода в зимний период года.  Первое направление предусматривает использование теплохолодильных установок или рекуператоров теплоты, второе – аккумуляторов естественного холода.

Схема линии охлаждения молока с использованием теплохолодильной установки представлена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Принципиальная схема  обработки молока  с применением теплохолодильной установки, резервуара-термоса и предварительного охлаждения воды: 1 – автопоилки; 2 – электроводонагреватель; 3 – резервуар-накопитель для горячей воды; 4 – водяной насос К-6; 5 – емкость для горячей воды; 6 – теплообменник конвекторного типа; 7 – теплообменник проточный;  8 – конденсатор; 9 – компрессор; 10 – теплообменник регенеративный;             11 – осушитель-фильтр; 12 – вентилятор мембранный с электромагнитным приводом; 13 – вентиль терморегулирующий; 14 – испаритель фреона; 15 – молокосборник; 16 – фильтр; 17 – молочный насос НМУ-6; 18 – краны; 19 – пластинчатый охладитель молока АДМ-13000; 20 – водяной насос; 21 – резервуар-термос; 22 – аккумулятор холода; 23 – градирня.

 

Ведущие производители технологического оборудования для первичной обработки молока Mueller Europa, DеLaval, Westfalia Surge и другие в настоящее время производят холодильные машины с рекуперацией теплоты. Производство таких холодильных машин, которое было освоено в                       г.Мелитополе (Украина) в настоящее время закрыто. Из серии теплохолодильных машин типа ТХУ, ТХУ-14 с холодопроизводительностью 16 кВт вырабатывает 21 кВт теплоты, которая позволяет получать теплую воду на трех температурных уровнях с разным расходом воды.

Принципиальная схема такой машины представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 -  Схема работы холодильной машины с рекуперацией теплоты свежевыдоенного молока и перегретых паров хладагента: 1- компрессор; 2 - рекуператор; 3 - конденсатор; 4 - ТРВ; 5 - испаритель.

 

Другим направлением снижения электрозатрат на обработку молока является использование для этих целей энергии естественного холода в зимние месяцы года. В Ставропольском ГАУ разработан опытный образец и испытан на молочной ферме СПК «Московский» Изобильненского района аккумулятор естественного холода емкостного типа с теплообменником (рис.6). Отличительной особенностью данной конструкции аккумулятора является подогрев технологической воды  солнечной энергией в летние месяцы года.

Рисунок 6 – Аккумулятор естественного холода с теплообменником

 

Выполненные  технико-экономические расчеты на основании производственных испытаний показали, что  использование в доильно-молочной линии аккумулятора естественного холода в зимний период года позволяет на 15…20% снизить энергозатраты на охлаждение молока.

В фермерских и личных подсобных хозяйствах молоко получают в основном на стационарных доильных установках со сбором  в доильные вёдра при отмечаемой его высокой бактериальной загрязнённости молока.

В связи с этим возникает необходимость не только немедленной фильтрации и охлаждения молока после доения, но и его тепловой обработки до вывоза непосредственно потребителю. Однако тепловые методы обработки молока отличаются высокой энергоемкостью. Одним из перспективных направлений снижения энергозатрат на процесс пастеризации молока является  использование гидродинамических нагревателей. Поэтому в настоящее время во всем мире ведутся активные исследования по изуче­нию процесса работы и параметров гидродинамических нагревателей, возможностей применения их в различных технологических схемах сельскохозяйственного производства [4, 5].

Принципиальная схема пастеризационной установки с гидродинамическим (ГД) нагревателем молока представлена на рисунке  7. Установка содержит гидродинамический нагреватель 1, выдерживатель молока 4, пластинчатый теплообменник 9 и насосы 7 и 12 для подачи молока и холодной воды.

 

Подпись: ) (
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 7– Схема гидродинамической пастеризационной установки:

 1 – ГД нагреватель; 2, 3, 5 – краны; 4 – выдерживатель, 6 – приёмный бак;            7, 12 – насосы; 8 – автоматический клапан; 9 – регенератор; 10 – охладитель; 11 – бак для воды; 13 – бак сбора пастеризованного молока

 

 

Главным элементом этой установки является гидродинамический нагреватель схема которого показана на рисунке 8.

Рисунок 8 – Схема ГД нагревателя молока:

 1 – расточка ротора; 2 – утепление; 3 – ячейка; 4 – корпус; 5 – ротор; 6 – вал;    7 радиальный канал;  8, 9 – отверстия ввода и вывода молока

 

        Предварительные данные технико-экономических расчетов показывают, что внедрение описанных разработок в личных подсобных и фермерских хозяйствах, занимающихся производством молока,  позволит в совокупности снизить энергозатраты на тонну продукции в среднем на 22….27% при одновременном сохранении качественных показателей, регламентируемых в настоящее время ГОСТом Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье-сырье» [6].

Литература:

1. Сборник материалов Ставропольского краевого комитета госстатистики «Об итогах учета скота, производстве продукции животноводства и расходе кормов 2011г».

2.     А1 45226 U1 RU А01F 29/00. Малогабаритный измельчитель кормов / Грицай Д.И., Ангилеев О.Г., (Ставропольский государственный аграрный университет). - № 200413104/22; Заявл. 13.10.2004 // Изобретения. Полезные модели. – 2005. – №13, с. 127.

3. Грицай Д.И. Разработка технологии и средств механизации приготовления зерностержневой кормосмеси (ЗСКС) в крестьянских (фермерских) хозяйствах: Дис… канд. техн. наук. –  Владикавказ, 2007. – 152с.

4. Ашуралиев Э.С. Обоснование параметров и повышение эффективности функционирования гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения: Дис… канд. техн. наук. – Ростов н/Д, 2002. – 164с.

5. Краснов И.Н. Механизация производства, первичной обработки и переработки молока/ И.Н. Краснов, А.Ю. Краснова, В.М. Филин, Д.В. Филин. ­- Ростов н/Д: ТЕРРА ПРИНТ, 2009. – 388с.

       6. ГОСТ Р 52054-2003. Молоко натуральное коровье – сырье. Технические условия. – Введен  2004-01-01. – Изд. офиц. – М. : Изд-во стандартов, 2003. – 6с.