Инновации бизнесу. Энергосберегающая технология производства молока с применением рекуператоров теплоты.

ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.

Наименование инновационного проекта

Энергосберегающая технология производства молока с применением рекуператоров теплоты.

Рекомендуемая область пременения

- промышленные холодильные машины
- молочные заводы
- прифермские молочные блоки

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта - разработка современных высокоэффективных, экологичных и энергосберегающих технологий. Производство молока на фермах и комплексах сопровождается потреблением значительного количества тепловой энергии, вырабатываемой на электрических установках.

Хронометраж затрат энергии на отдельные технологические операции показал, что наиболее энергоемкими являются процессы охлаждения молока, нагрева воды для санитарно-гигиенических и технологических нужд и приготовления кормов.

Поскольку охлаждение свежевыдоенного молока на ферме или комплексе является процессом обязательным, рассмотрим его тепловой баланс. Для примера возьмем суточный удой на ферме равный 6000кг. При охлаждении этого количества молока с 35⁰С до 5⁰С выделяется около 700^.10⁶ Дж теплоты, которое не используется. Вместе с тем, применяемая для охлаждения молока холодильная машина при производстве холода вырабатывает и некоторое количество теплоты, которое также не используется.

Современные водоохлаждающие холодильные машины с воздушным или водяным охлаждением, применяемые на фермах крупного рогатого скота, отбирают теплоту от молока, передают ее хладагенту, температура которого повышается в компрессоре, и подают на конденсатор. В конденсаторе водяного охлаждения суммарная теплота передается воде, которая с низким потенциалом температуры сливается в канализацию. В конденсаторе воздушного охлаждения суммарная теплота передается воздуху, который уходит в атмосферу.

Таким образом, в данной технологической линии охлаждения молока имеется реальная возможность использования вторичной, отбросной теплоты.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Сельскохозяйственное производство, в том числе и животноводство, в настоящее время являются крупными потребителями энергии.

Животноводческие фермы и комплексы оснащались и оснащаются различными машинами и оборудованием с большой потребляемой мощностью. Это вызвано тем, что такие основные технологические процессы, как приготовление кормов, охлаждение молока, подогрев воды для технологических нужд, вентиляция, являются энергоемкими.

По данным немецкого проф. Веннера в ФРГ /1/ распределение потребления электрической энергии на различные технологические операции выглядят следующим образом /рис.1./.

Рис.1. Затраты электрической энергии оборудованием на основные технологические операции: 1-вакуум-насос; 2- молочный насос; 3- автомат промывки; 4-холодильная машина; 5- нагрев воды; 6-вентиляция; 7-освещение; 8- отопление; 9-забор силоса; 10-кормоприготовительный агрегат; 11-молотковая дробилка; 12-раздача кормов; 13-обработка навоза; 14-насос жидкого навоза; 15- закладка кормов.

Как видно из рисунка, наиболее энергоемкими процессами на ферме являются охлаждение молока, нагревание молока и вентиляция помещения.

Энергопотребление оборудования для приготовления и раздачи кормов сравнительно мало, вследствие непродолжительности их работы.

По данным С.П. Рудобашта /2/ при расчете воздухообмена и тепловой мощности системы отопления коровника на 400 голов,

расположенного в Саратовской области, теплоизбытки в зимний период равны 157,6кВт, в летний-333,4кВт.

Количество выдаимового в таком коровнике равно 4800кг при среднем удое 15кг/сутки и 80% дойных коров. Количество теплоты, которое надо отнять у молока при охлаждении до 4-8⁰С равно525598-600683кДж (24-27,8кВт).

Как видно расходы теплоты значительны.

Вместе с тем, на некоторых тепловых технологических процессах имеется возможность рекуперирования отбросной теплоты, что значительно снизит общие энергозатраты на производство единицы продукции.

Так, например, холодильная машина и водонагреватель, потребляют почти одинаковое количество энергии в расчете на одну голову в год.

Холодильная водоохлаждающая машина при производстве холода одновременно вырабатывает теплоту.

При сжатии холодильного агента в компрессоре повышается его давление и температура. Температура горячего газообразного холодильного агента на выходе из компрессора в холодильной машине МКТ-20-2-0 достигает 100-120⁰С. Поступающий из компрессора горячий холодильный агент конденсируется в конденсаторе при теплообмене с водой. Теплота, переданная от горячего холодильного агента воде при теплообмене, выбрасывается с водой. В это количество теплоты входит теплота свежевыдоенного молока и теплота конденсации. Температура воды на выходе из конденсатора имеет температуру около 20⁰С, а ее расход составляет от 3,5 у МКТ-14-2-2 и до 7,0 у МКТ-28-2-2. Такое низкопотенциальное тепло трудно использовать для технологических и санитарно-гигиенических целей.

Ведущие производители технологического оборудования для первичной обработки молока MuellerEvropa, Alfa-Laval, VestfaliaSeparator и другие в настоящее время производят холодильные машины с рекуперацией теплоты. В нашей стране производство таких холодильных машин было освоено в Мелитополе. Из серии теплохолодильных машин типа ТХУ, ТХУ-14 с холодопроизводительностью 16кВт вырабатывает 21 кВт теплоты, которая позволяет получать теплую воду на трех температурных уровнях с разным расходом воды.

Схема тепловых потоков (рис.2а) в серийной холодильной машине показывает, что теплота свежевыдоенного молока, теплота перегретых паров хладагента в конечном итоге выбрасывается с водой или воздухом в атмосферу.

Исследования работы серийной водоохлаждающей холодильной машины МКТ-20-2-0 показали, что установка дополнительного теплообменного оборудования между компрессором и конденсатором (рис.2б) вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление движению хладоносителя. За счет этого повышается потребляемая мощность. Однако измерения показали, что это увеличение достигает только 2,5%, что не сказывается на работе компрессора. Рекуператор теплоты, установленный между компрессором и конденсатором холодильной машины, со змеевиковым теплообменником подогревал воду до 65^оС. При этом количество подогретой воды за один цикл охлаждения молока равнялся 420кг, что составляет 9,8кВт тепловой энергии. При более низкой температуре воды ее количество увеличивается. Регулирование температуры осуществляется регулированием подачи воды на рекуператор.

Таким образом, теплота свежевыдоенного молока и теплота, переданное компрессором холодильной машины хладагенту при сжатии, используются для подогрева воды. Тепловая нагрузка на конденсатор в этом случае резко снижается и, следовательно, снижается расход воды для конденсации хладагента.

В результате проведенных исследований установлено, что из перечня технологического оборудования, применяемого на молочной ферме можно значительно снизить время работы электрического водоподогревателя

Рис.2. Схема теплопотоков холодильной машины: 1-испартель; 2-компрессор; 3-конденсатор; 4- рекуператор; -теплота молока; -потери теплоты при транспортировке молока; - теплота, переданное хладоносителю в испарителе; -теплота, перегретых паров хладоносителя; - общее количество теплоты, поступающее на рекуператор; - рекуперированное количество теплоты; -теплота конденсации.

Реконструкция существующего на фермах парка водоохлаждающих холодильных машин позволит существенно снизить энергозатраты на производство единицы теплой воды для технологических и санитарно-гигиенических нужд путем снижения энергозатрат на водоподогревателе и использования теплоты парного молока и перегретых паров хладагента.

В процессе охлаждения молока теряется значительное количество тепловой энергии. Оснащение существующего парка холодильных машин на фермах КРС позволит значительно снизить затраты энергии на производство молока.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Рекуператор теплоты свежевыдоенного молока и перегретых паров хладагента, устанавливаемый на холодильной машине между компрессором и конденсатором, должен соответствовать следующим требованиям:

-в нем не должен конденсироваться перегретый пар хладагента;

-гидравлическое сопротивление аппарата не должно вызывать превышение мощности, затрачиваемой на ее преодоление, на 2-3%;

- аппарат должен быть герметичен и выдерживать давление газа, развиваемое компрессором холодильной машины;

- рекуператор должен иметь высокий коэффициент теплопередачи.

Исследования рекуператора теплоты, установленного на холодильной машине МКТ-20-2-0 проводились для определения гидравлического сопротивления аппаратов и коэффициентов теплопередач. Предварительный анализ конструкций теплообменных аппаратов показал, что для рекуперирования теплоты наиболее часто используются кожухотрубные и змеевиковые теплообменники. Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены 4 рекуператора, для которых были проведены расчеты по определению площади теплообменной поверхности и гидравлических сопротивлений.Для измерения температур молока, воды и хладагента были использованы хромель-капелевые термопары, а для измерения расходов воды на конденсаторе и рекуператоре расходомеры ВСКМ-5/20. Определение объемного и массового расхода хладагента осуществлялось из теплового баланса рекуператора и конденсатора.

Таблица 1. Основные параметры рекуператоров теплоты

Показатели	Модели
Показатели	1	2	3	4
Тип рекуператора	змеевиковый	змеевиковый	змеевиковый	кожухотрубный
Площадь теплообменной поверхности, м²	0,45	0,50	0,40	0,30
Отношение объема рекуператора к площади теплопередачи,м³/м²	0,43	0,20	0,12	0,08
Длина корпуса, м	1,0	0,5	0,7	0,5
Диаметр корпуса, м	0,25	0,25	0,15	0,13
Шаг навивки змеевика, м	0,06	0,04	0,04	--
Количество трубок, шт	--	--	--	14

В результате обработки экспериментальных данных было выявлено, что рекуператоры модели 1 и 2 змеевикового типа имеют значительные гидравлические сопротивления, и мощность, затрачиваемая на ее преодоление превышает допустимые норма. В дальнейших исследованиях они не принимали участие.

Для моделей 3 и 4 получены экспериментальные зависимости изменения температур хладагента на входе и выходе рекуператора, входе к конденсатор, вода на входе и выходе конденсатора, входе и выходе рекуператора и количества переданной теплоты в зависимости от расхода нагреваемой в рекуператоре воды.

Графики изменения коэффициента теплопередачи К_о от числа Рейнольдса ( рис.1,2) позволили получить критериальные уравнения по определению теплоотдачи со стороны хладагента и со стороны воды для змеевикового рекуператора теплоты.

Для змеевикового рекуператора критерий Нуссельта:

со стороны хладагента при 10⁶<Re< 1,6^.10⁶ равен:

(1)

где - температура стенки, ^оС;

- температура хладагента, ^оС;

- коэффициент, учитывающий степень изгиба трубок змеевика

со стороны воды при 2000<Re<4500 равен

(2)

Рис.1. Зависимость со стороны хладагента для змеевикового рекуператора

Рис.2. Зависимость со стороны воды для змеевикового рекуператора

Рис.3. Зависимость со стороны хладагента для змеевикового рекуператора

Исследование гидравлических сопротивлений змеевикового рекуператора теплоты со стороны хладагента и со стороны воды показал, что в диапазоне чисел Рейнольдса 60000-110000 оно не явля-ется функцией скорости и не зависит от числа Рейнольдса, в интервале 1,1^.10⁶<Re<0,6^.10⁶ зависимость критерия Эйлера выглядит следующим образом:

(3)

Со стороны движения воды в межтрубном пространстве змеевикового рекуператора получены критериальные уравнения для расчета гидравлических сопротивленний аппарата:

при Re<10000 Еи=2860126^.Re^-1,02 (4)

при Re>10000 Еи=1445,7^.Re^-0,223 (5)

Следовательно:

1. Экспериментальные исследования рекуператоров теплоты змеевикового типа позволил установить коэффициенты и показатели степени при числе Рейнольдса в критериальных уравнениях по определению теплопередачи и гидравлических сопротивлений в диапазоне чисел, характерных для теплообменивающихся сред.

2. Установлено, что увеличение скорости хладагента свыше 3,6м/с приводит к увеличению гидравлического сопротивления аппарата, превышающему допустимое значение.

Экспериментальные исследования кожухотрубного рекуператора теплоты проводились с целью определения коэффициента теплопередачи и гидравлических сопротивлений.

Методика их проведения аналогична методике исследований змеевикового рекуператора теплоты. Рекуператоры теплоты устанавливались согласно схемы рис.4

Рис.4. Схема работы холодильной машины с рекуперацией теплоты

свежевыдоенного молока и перегретых паров хладагента

Хладагент холодильной машины подавался в межтрубное пространство, а нагреваемая вода протекала по трубкам теплообменного аппарата, установленного вертикально.

В процессе проведения исследований рекуператоров теплоты поддерживался следующий режим работы: вода, подогретая в проточном электроводонагревателе (имитация свежевыдоенного молока) до 35^оС, подавалась в резервуар-охладитель молока РПО-2,5, где охлаждалась до 4-5^оС циркулирующей системе охлаждения ледяной водой, охлаждаемой холодильной машиной МКТ-20-2-0. На конденсатор подавалась водопроводной вода с температурой 10^оС. На трубопроводе выхода воды из конденсатора установлен трехходовой вентиль, позволяющий регулировать массовый расход воды, подаваемый на рекуператор. Определение объемного и массового расхода хладагента осуществлялось методом теплового баланса рекуператора и конденсатора.

В результате проведения экспериментов получены графики зависимости коэффициента теплопередачи от числа Рейнольдса (рис.5,6) со стороны хладагента и со стороны воды.

Для кожухотрубного рекуператора критерий Нуссельта:

со стороны хладагента при 6^.10⁶<Re<10⁷ равен:

(1)

где - температура стенки, ^оС;

- температура хладагента, ^оС;

- коэффициент, учитывающий количество поперечных потока трубок.

со стороны воды при 1100 <Re<2000 равен:

(2)

при 2000<Re<3500

(3)

Рис.5 Зависимость со стороны хладагента для кожухотрубного рекруператора

Рис.5 Зависимость со стороны воды для кожухотрубного рекруператора

Исследования теплопередачи кожухотрубного теплообменного аппарата показали ее высокую эффективность. Однако в зависимости со стороны воды имеется зона неопределенности, в которой невозможно рассчитать коэффициенты теплопередачи.

Исследование гидравлических сопротивлений кожухотрубного рекуператора теплоты показал, что превышение мощности на преодоление гидравлического сопротивления аппарата составляет около 1,5%, что вполне допустимо.

Следовательно:

1. Для рекуперации теплоты свежевыдоенного молока и перегретых паров хладагента холодильной машины можно использовать кожухотрубные теплообменные аппараты.

2. Рекуператор теплоты позволяет подогреть воду для технологических целей до 60⁰С и снизить тепловую нагрузку на конденсатор холодильной машины.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Вопрос снижения энергозатрат в любом виде производстве достаточна актуальная задача по снижению себестоимости единицы выпускаемой продукции.

Животноводческая ферма является крупным потребителем электрической и тепловой энергии. Потребление энергии идет на выполнение технологических операций и поддержание микроклимата помещения. Вместе с тем, ферма является и источником тепловой энергии, которая выделяется при выполнении некоторых технологических операций.

Определение основных энергопотоков на животноводческой ферме позволяет сравнить количество потребляемой электрической и тепловой энергии, теплопоступления и тепловые потери и выявить основные направления по возможному перераспределению тепловой энергии для сбережения энергоресурсов.

Рассмотрим, для примера, коровник на 400 голов и молочный блок, расположенный рядом с коровником.

Примем, что в коровнике и молочном блоке имеются два навозоуборочных транспортера ТСН-3, доильная установка АДМ-8, холодильная машина МКТ-20-2-0, водонагреватель ВЭТ-400.

Расход электроэнергии на выполнение технологических операций, в зависимости от используемого оборудования, в среднем равен:

а- на удаление навоза- 25-30 кВт;

б- на доение коров-16-20 кВт;

в- на охлаждение молока- 50-60 кВт;

г- на подогрев воды- 20-50 кВт

Рис.1. Диаграмма соотношения потребления электроэнергии на выполнение основных технологических операций в коровнике и молочном блоке.Вместе с тем ферма является источником и потребителем тепловой энергии.Источниками тепловой энергии на ферме являются:

- теплота, выделяемая животными- 300 кВт;

-теплота от электродвигателей, приводящих в действие оборудование, 20 кВт;

- теплота, поступающее в животноводческое помещение от солнечной радиации, 60 кВт;

-теплота, выделяющаяся при охлаждении молока и работе холодильной установки, 75-90 кВт.Рис.2.

Рис.2 Диаграмма теплопоступлений в помещение.

Потери теплоты на ферме складываются из:

а- потерь на подогрев инфильтрирующего воздуха, 20- 30 кВт;

в- потерь теплового воздуха при вентиляции, 20-30кВт;

с- потерь теплоты при охлаждении молока, 25-30 кВт;

д- потерь теплоты при работе холодильной машины,50-60 кВт.

е- потерь через ограждения, 100-140 кВт

Рис.3. Диаграмма теплопотерь в помещениях.

Анализ диаграмм теплопоступлений и теплопотерь показывает, что значительное количество теплоты теряется через ограждения. В период работы холодильной машины теряется теплота свежевыдоенного молока и теплота перегретых паров хладагента холодильной машины. Теряется также низкопотенциальная теплота воздуха, подогретого за счет тепловыделений животных и технологического оборудования.

Значительное снижение потерь теплоты можно достичь теплоизоляцией помещения, использованием подогретого, за счет тепловыделений животных, воздуха для подогрева свежего, использования теплоты свежевыдоенного молока и перегретых паров хладагента холодильной машины для нагрева воды.

Применение рекуператоров теплоты позволяет:

Снизить температуру хладагента на входе в конденсатор и, следовательно расход воды на конденсаторе;

Подогреть определенное количество воды или воздуха для различных технологических или санитарно-гигиенических нужд.

При работе машины МКТ – 20- 2 – можно нагревать воду до 70-80?C в количестве 140 кг/ч и снизить расход воды на конденсаторе до 5 раз.

Экспериментальные исследования холодильной машины показали высокую эффективность рекуператора теплоты. За период работы холодильной машины при охлаждении свежевыдоенного молока в резервуаре-охладителе РПО-2,5, производительность рекуператора теплоты составила 0,14м³/ч при температуре воды на выходе из рекуператора змеевикового типа равной 60^оС и 0,13м³/ч для кожухотрубного. При этом площадь теплообменной поверхности змеевикового рекуператора равнялась 0,5м² , а кожухотрубного 0,4м².

Таким образом, установка дополнительного теплообменного аппарата на холодильную машину значительно снижает тепловую нагрузку на конденсатор и позволяет получать теплую воду для санитарно-технических нужд.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

В серийной холодильной машине показывает, что теплота свежевыдоенного молока, теплота перегретых паров хладагента в конечном итоге выбрасывается с водой или воздухом в атмосферу.

Исследования работы серийной водоохлаждающей холодильной машины МКТ-20-2-0 показали, что установка дополнительного теплообменного оборудования между компрессором и конденсатором вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление движению хладоносителя. За счет этого повышается потребляемая мощность. Однако измерения показали, что это увеличение достигает только 2,5%, что не сказывается на работе компрессора. Рекуператор теплоты, установленный между компрессором и конденсатором холодильной машины, со змеевиковым теплообменником подогревал воду до 65^оС. При этом количество подогретой воды за один цикл охлаждения молока равнялся 420кг, что составляет 9,8кВт тепловой энергии. При более низкой температуре воды ее количество увеличивается. Регулирование температуры осуществляется регулированием подачи воды на рекуператор.

Новые потребительские свойства продукции

Рекуператоры теплоты имеют высокую эффективность, в отличие от других рекуператоров для машин МКТ-20-2-0, они снижают температуру хладагента на входе в конденсатор и следовательно расход воды на конденсаторе, позволяет подогреть определенное количество воды или воздуха для различных технологических или санитарно-гигиенических нужд. Что в свою очередь позволяет значительно снизить затраты энергии на производство молока, что понижает себестоимость продукции и привлекает больше покупателей.Широко применяемые системы первичной обработки молока на животноводческих фермах и комплексах крупного рогатого скота не являются достаточно экономическими с точки зрения затрат энергии на производство единицы продукции.
Перечень оборудования для тепловой обработки молока непосредственно на ферме или комплексе включает целый ряд различных по принципу действия, конструкции, исполнению и производительности машин. В основном это пластинчатые охладители, резервуары-охладители, холодильные машины, водонагреватели, пастеризаторы.
Потребителями электрической энергии в этом ряду машин являются производителями холода или теплоты.
Водоохлаждающая холодильная машина типа МКТ, предназначенная для охлаждения циркуляционной воды в системе охлаждения молока во время работы выделяет значительное количество теплоты. Это связано непосредственно с принципом ее работы.
Холодильный агент сжатый в компрессоре холодильной машины в газообразном состоянии поступает в конденсатор, где он конденсируется. Жидкий холодильный агент дросселируется и в виде парожидкостной смеси поступает в испаритель. Холодильный агент при теплопередаче с циркуляционной водой испаряется и поглощает значительное количество теплоты. Пары холодильного агента отсасываются компрессором, сжимаются и цикл работы повторяется.
Сжатые пары холодильного агента на выходе из компрессора достигают температуры 120-130оС. Охлаждение перегретых паров и их конденсация при температуре около 28оС происходит в проточном водяном конденсаторе. Расход воды на конденсаторе для холодильных машин серии МКТ (МКТ-14-2-0, МКТ20-2-0, МКТ28-2-0) составляет от 3,5 до 7 м3/ч. Теплота перегретых паров и теплота конденсации, переданное в результате теплопередачи проточной воде, не используются. В холодильных машинах с водяным охлаждением конденсатора эта теплота сливается в канализацию с проточной водой, а в холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора передается окружающей среде. Таким образом мощность двигателя компрессора, расходуемая во время работы, используется не полностью.
Расчеты, проведенные для холодильной машины МКТ-20-2-0, показали, что проведение охлаждения и конденсации перегретых паров хладагента в два этапа позволяет значительно снизить тепловую нагрузку на конденсатор, расход проточной воды, повысить температурный уровень части проточной воды из конденсатора для использования подогретой воды для санитарно- гигиенических нужд. Это достигается установкой дополнительного теплообменного аппарата между компрессором и конденсатором холодильной машины.
Расчет теплотехнических параметров теплообменника для рекуперации отбросной теплоты перегретых паров подтвердил возможность использования этой теплоты и определить конструктивные размеры.
По предлагаемой схеме холодильная машина работает следующим образом. Перегретые пары холодильного агента из компрессора поступают на рекуператор теплоты, куда подается часть подогретой в конденсаторе проточной воды. Охлажденный со 120оС до 45оС холодильный агент поступает в конденсатор, где доохлаждается до температуры конденсации и конденсируется. Расход воды на рекуператоре регулируется вентилем. Это дает возможность регулирования температуры подогретой в рекуператоре теплоты воды.
Экспериментальные исследования холодильной машины, работающей по этой схеме показали высокую эффективность рекуператора теплоты. За период работы холодильной машины при охлаждении свежевыдоенного молока в резервуаре-охладителе РПО-2,5, производительность рекуператора теплоты составила 0,14м3/ч при температуре воды на выходе из рекуператора змеевикового типа равной 60оС и 0,13м3/ч для кожухотрубного. При этом площадь теплообменной поверхности змеевикового рекуператора равнялась 0,5м2 , а кожухотрубного 0,4м2.
Таким образом, установка дополнительного теплообменного аппарата на холодильную машину значительно снижает тепловую нагрузку на конденсатор и позволяет получать теплую воду для санитарно-технических нужд или рекуператоры теплоты имеют высокую эффективность, в отличие от других рекуператоров для машин МКТ-20-2-0, они снижают температуру хладагента на входе в конденсатор и, следовательно, расход воды на конденсаторе, позволяют подогреть определенное количество воды или воздуха для различных технологических или санитарно-гигиенических нужд. Что в свою очередь позволяет значительно снизить затраты энергии на производство молока, что понижает себестоимость продукции и привлекает больше покупателей.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

1,5 млн. руб.

Рынки сбыта

1) Сельское хозяйство (молочные заводы, фермерские хозяйства)
2) Промышленные предприятия, как изготовители

Возможность и эффективность импортозамещения

Аналогов нет к указанному типу холодильных установок.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

Дата поступления материала