Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях
Покупка
Основная коллекция
Год издания: 2007
Кол-во страниц: 152
Дополнительно
Вид издания:
Диссертации и авторефераты
Уровень образования:
ВО - Магистратура
Артикул: 617098.01.99
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина На правах рукописи Кравченко Владимир Николаевич ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кирсанов В.В. Москва 2007
РЕФЕРАТ Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, 9 приложений. Список использованной литературы включает 136 наименований, из них 10 на иностранных языках. Ключевые слова: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕКЦИИ, БЛОКИ, ПАСТЕРИЗАЦИОННО - ОХЛАДИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ, ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ. В диссертации дан анализ существующих пастеризационно-охладительных установок, применения термоэлектрических модулей и на их основе предложен эффективный способ нагрева и охлаждения жидкости, в частности молока до конечных температур. Дан анализ проведенных исследований процессов нагрева и охлаждения термоэлектрических блоков. В результате теоретического анализа получены выражения для определения нагреваемого и охлаждаемого расхода жидкости, пропускной способности устройства и мощности, потребной на выполнение процессов. Получены математические модели и экспериментальные зависимости качественных показателей процессов от конструктивно-режимных параметров установки. Обоснованы её оптимальные параметры. Разработана методика расчета производительности пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях. Результаты исследований внедрены в организациях ЗАО «Импульс», РГАУ- МСХА им. К.А. Тимирязева г. Москвы. Годовой экономический эффект от внедряемой установки составляет 29100 рублей.
ОГЛАВЛЕНИЕ стр. ВВЕДНИЕ............................................................................................ 5 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВНИЯ.............. 8 1.1 Анализ способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах................................................................ 8 1.2 Анализ теплообменных систем с термоэлектрическим охлаждением 21 1.2.1 Конструкции термоэлектрических преобразователей и их применение в устройствах различного назначения...................................................... 22 1.2.2 Методы интенсификации теплопередачи в теплообменных аппаратах с термоэлектрическими модулями............................................................. 30 1.3 Перспектива применения термоэлектрических модулей в технологических аппаратах и процессах для охлаждения и нагрева молока... 36 2 Теоретические исследования режимов работы пастеризационноохладительной установки на термомодулях ....................................................... 39 2.1 Существующие методы расчета термоэлектрических устройств 39 2.2 Обоснование энергетической целесообразности применения термоэлектрических устройств в современных пастеризационноохладительных установках 46 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................................. 69 3.1 Программа, методика и объекты исследования............................................... 69 3.2 Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований............................................................................................................ 69 3.3 Методика проведения эксперимента.................................................................. 71 3.4 Методика планирования экспериментальных исследований. Определение оптимальных, конструктивных и режимных параметров ПОУ на термоэлектрических модулях........................................................ 77
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ............................................................ 81 4.1 Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки для определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева и охлаждения...................................................................................................................... 81 4.2 Результаты многофакторного планирования эксперимента термоэлектрической батареи пастеризационно - охладительной установки 86 4.3 Производственные испытания пастеризационно-охладительной установки на термомодулях..................................../...................... 97 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ 100 5.1 Технико-экономическое обоснование эффективности ПОУ ТЭМ 100 5.2 Оценка экономической эффективности от повышения надежности ПОУ ТЭМ......................................... 104 ЗАКЛЮЧЕНИЕ................. 111 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................... 113 ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................... 125
ВВЕДЕНИЕ Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения прогрессивных форм хозяйствования, наукоемких технологий и высокоэффективной элементной базы, позволяющих существенно снизить издержки производства и повысить его рентабельность. Министерством сельского хозяйства разработан приоритетный национальный проект «Развития АПК». В нем в качестве основных направлений развития агропромышленного комплекса определены ускоренное развитие животноводства и стимулирование развития малых форм хозяйствования. Актуальность выбранных направлений определяется вкладом животноводства в общий объем сельхозпроизводства. При этом анализ структуры животноводческой продукции показывает, что на долю личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйств (ЛПХ и КФХ) в последние годы приходятся значительные объемы производства 51% мяса и 55% молока. А это ведет к необходимости создания компактных миницехов по первичной обработке продукции, в частности переработки молока, что существенно повышает рентабельность производства. Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими на качество молока, а так же на энергоемкость его производства являются процессы тепловой обработки (охлаждение и пастеризация) на долю которых приходиться более 40 % всех энергозатрат. Наличие современных технологий и технических средств по первичной обработке и переработке молока у фермеров, резко повышает их конкурентоспособность. Поэтому создание компактных малогабаритных недорогих и высокоэффективных технологических установок является важной народно-хозяйственной проблемой, решаемой в рамках национального проекта по развитию малых форм хозяйствования в животноводстве.
Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и технологических решений. Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепловой обработки молока является использование полупроводниковых термоэлектрических модулей (ТЭМ), обеспечивающих построение малогабаритных, высокоэффективных комплектов пастеризационноохладительного оборудования, исключающим применение бойлерного пароводогрейного и фреонового холодильного оборудования. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [48, 49], открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических охлаждающих и нагреваемых устройств. За последние десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные устройства для понижения и повышения температуры, обеспечивать процессы теплопередачи в конструкциях теплообменных аппаратов. Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффективности применения термоэлектрических устройств в пастеризационно - охладительных установках. Научная новизна - разработаны математические модели расчета термоэлектрических блоков пастеризации и охлаждения молока на блочно-модульной основе. - разработана обобщенная структурно-технологическая схема новой пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях. - обоснованы энергетические циклы работы установки с расширенной зоной рекуперативных теплообменных процессов, повышающих общий к.п.д. установки. Практическая ценность. Обоснована целесообразность и эффективность применения высокотехнологических тепловых насосов (термоэлектрических
модулей) для одновременного охлаждения и нагревания молока в пастеризационно-охладительных установках. Предложена новая конструкция теплообменных пластин со встроенными термоэлектрическими модулями. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2002117059/13(018071). На защиту выносятся: функционально - технологическая схема пастеризациионно охладительной установки на термоэлектрических модулях. математические модели и методы расчёта основных параметров термоэлектрических блоков нагрева и охлаждения молока; - результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний предлагаемой установки; оценка экономической эффективности данной установки. Реализация результатов работы. По результатам исследований выполнено два Госконтракта с МСХ РФ в 2001 и 2005 г.г. По теме «Проведение исследований и разработка макета пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях». Разработана конструкторская документация и опытные образцы термоэлектрических блоков охлаждения и нагрева молока. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на заседаниях секций 5 - й международной научно - практической конференции «Концепция механизации и автоматизации животнаводства в 21 веке» (апрель 2002г.-2003, г. Подольск), международному симпозиумому по машинному доению г. Казань в 2002 г., на научно-практической конференции МГАУ 2002-2005 гг.. По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе имеется положительное решение на выдачу патента России.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВА] 1.1 Анализ существующих способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером - французским ученым, основоположником современной микробиологии и иммунологии. Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванную жизнедеятельностью микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен на тепловую обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [88]. Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теоретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов. Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при определенных комбинациях численных значений температуры и времени и, таким образом, достигается положительный результат в отношении пищевой безопасности молока. Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные факты изменения компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потребительских свойств. С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в области пастеризации молока являются: разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко тепловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззараживания и сохранения его качеств; создание конструкций пастеризаторов, обеспечивающих четкое и эффективное исполнение процесса пастеризации, удобных и надежных в эксплуатации.
Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдер- живатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение 2-х и более технологических операций обработки молока таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепарирование, нормализация и др. По источнику использования энергии на нагрев и обеззараживание молока современные пастеризаторы можно подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы (ультразвуковые), а так же фрикционные с механическим нагревом и ультрафиолетовым воздействием. Схема изменения температуры молока в таком аппарате представлена на рисунке 1.1. Заштрихованная область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для которых t > 60 являются пастеризующими. Остальные части аппарата для определения критерия Ра не имеют значения. ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ РЕКУПЕРАТОР Рисунок 1.1- Изменение температуры молока в пастеризаторе тр - температура подогрева в рекуператоре; Тбо - температура начала проявления пастеризационного эффекта; тп - температура пастеризации
Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эффекта, выше теоретического ввиду ряда обстоятельств, в частотности из-за неравномерности полей скоростей и температур по сечению потока, из-за пастеризации молока низкого качества или не подготовленного соответствующим образом. Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей. В молоке не должно быть воздушных пузырьков. Желательна минимальная бактериальная обсемененность пастеризуемого молока. При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит изменение физико-химических свойств молока. Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурновременных режимов и типа аппарата [44, 88, 89, 127]. При длительной пастеризации (температура 63 °С, выдержка 30 мин.) выделяется до 5% от общего количества альбумина, наблюдается небольшое ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение кислотности молока на (0,5-1 )°Т. При температуре 75°С начинается денатурация альбумина, который не осаждается, а переходит в форму свертывающегося от воздействия кислот, сернокислого магния. Продолжительное нагревание при 75°С или увеличение температуры усиливает денатурацию альбумина, но его свертывание наступает только при под- кислении молока. При нагревании молока до 85°С в течение 1 мин большая часть альбумина денатурируется, а при 95°С денатурируется весь альбумин. При нагревании до температуры выше 85°С, кроме альбумина, частично изменяется казеин. При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокис