Разработка технологии и установки для охлаждения молока от отдельных коров на роботизированных фермах

Во введении обоснована актуальность темы, изложено состояние
вопроса, описана общая характеристика работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава «Анализ состояния проблемы. Цели и задачи исследования». Проанализированы работы ведущих ученых, разработавших концептуальные положения и научные основы механизации и автоматизации доения, среди которых следует отметить Н.М. Морозова, В.И. Сыроватка, Л.П. Кормановского, Ю.А. Иванова, Л.П. Карташова, Р.М. Славина, Ю.А. Цоя, В.Р. Крауспа, В.В. Кирсанова, В.А. Дриго, Е.Е. Хазанова, В.Ф. Ужика и др. Исследования по разработкам систем автоматизации доения и переработки молока проведены в ВИЭСХ, ВНИИМЖ, ВНИИКОМЖ, ВИМ, С-ЗНИИМЭСХ, Оренбургском ГАУ, ПО «Кургансельмаш», ГСКБ (Рига, Латвия), ОАО «Гомельагрокомплект» (Беларусь).
Известно, что молоко коровы содержит важнейшие элементы: жиры, белок, углеводы, аминокислоты, витамины, минералы, энзимы, полезные бактерии, иммуностимулирующие и антимикробные компоненты, которые при нагреве необратимо изменяются или уничтожаются.
Анализ показал, что для предоставления потребителям натурального молока с сохраненными свойствами, необходима разработка технологии и установки для охлаждения молока в процессе доения и его упаковки с полной прослеживаемостью от конкретной коровы до прилавка, которые возможно реализовать на фермах, соблюдающих ряд базовых условий: небольшое поголовье скота; доение на роботах, поскольку только они позволяют получать несмешанное молоко, идентифицируемое с конкретной коровой; высокие санитарно-гигиенические требования к оборудованию, помещениям и персоналу; высокое качество кормов; контроль максимально возможных показателей качества молока; наличие программы управления стадом с персональными данными по продуктивности и здоровью животных,
контролируемыми с помощью средств и систем автоматизации; опциональное производство охлаждаемого молока, с сохранением возможности его высокотемпературной обработки.
Конструктивно-технологический анализ доильных роботов ведущих компаний DeLaval, GEA Farm Technologies и Lely показал, что они различаются исполнением рабочего органа-манипулятора и устройства для преддоильной очистки сосков вымени коров, влияющих на продолжительность времени подготовительно-заключительных операции и дойки. Их выбирают с учетом размеров и угла наклона сосков вымени коров по стаду, а также степени и источников загрязнения сосков на конкретной ферме.
Анализ показал, что для охлаждения молока в процессе доения представляют интерес термоэлектрические модули Пельтье, обладающие высоким быстродействием и возможностью точного регулирования заданной температуры. При этом они не имеют подвижных деталей, бесшумны, имеют малые габариты и обладают двойным действием – охлаждением на холодном спае и нагревом на горячем. Термомодули можно собирать в батареи и достигать, тем самым, больших диапазонов температур. Их применение открывает возможности не только для экспресс охлаждения молока, но и нагрева воды, необходимой для таких технологических нужд, как поение животных, мойка оборудования, а также гигиены персонала фермы.
Для разработки технологии и установки для охлаждения молока на теромомодулях необходимо получить теоретические зависимости между параметрами установки и режимами ее работы.
Вторая глава «Теоретическое обоснование параметров установки для охлаждения молока от отдельных коров».
Основным требованием к работе технологической линии является охлаждение выдаиваемого молока непосредственно в процессе доения коровы. Процесс охлаждения выдаиваемого молока возможен в двух вариантах.
В первом варианте, выдаиваемое молоко транспортируется насосом- дозатором через охладительно-нагревательную установку и подается в приемную емкость установки для розлива, упаковки и маркировки молока, непосредственно в процессе доения. Критерием управления является скорость молокоотдачи, регистрируемая соответствующим датчиком.
Во втором варианте, выдаиваемое молоко порциями, равными объему тары, насосом-дозатором направляется для охлаждения в двухступенчатую установку и далее в установку для розлива упаковки и маркировки молока. При этом, критерием управления являются параметры циклического процесса подачи разовых равных порций молока.
Произведем расчет термоэлектрической системы «охлаждение- нагревание».
Количество теплоты , (Вт) поглощаемое холодным спаем (холодопроизводительность) определяется из выражения:
,
(1)
где – суммарный коэффициент термоэдс; – сила тока; – абсолютная
температура холодного спая, °С; – длина ветви термоэлемента, мм; – 6

удельные электропроводности ветвей, соответственно, p и n – типа, Ом/м; – площадь сечения ветвей термоэлемента p и n – типа, мм2; – соответственно, коэффициенты теплопроводности ветвей; – разность температур между спаями, °С.
Теплота, снимаемая с горячих спаев:
, (2) где – электрическая мощность, потребляемая термоэлементом, кВт; –
абсолютная температура горячего спая, °С.
Экономичность работы термоэлектрического холодильника оценивается
холодильным коэффициентом ε:
(3)
где – электрическое сопротивление термоэлемента, Ом.
Искомая площадь охлаждающей поверхности охладителя определяется из
выражения:
(4) –
, – соответственно максимальная и минимальная разность температур между охлаждаемой жидкостью и стенкой термомодулей, °С.
Расход охлаждаемого молока определяется по формуле:
, (5)
где – удельная теплоемкость молока, 3900 Дж/кг*°С; – начальная температура охлаждаемого молока, °С; – конечная температура охлаждаемого молока, °С.
Аналогично проводятся расчеты по горячей стороне термомодуля. Расчет нагреваемой воды :
, (6)
где –температура горячей стенки термомодуля, °С; – удельная теплоемкость нагреваемой воды, Дж/кг*°С; – начальная температура нагреваемой воды, °С; – конечная температура нагреваемой воды, °С.
Искомая площадь нагревающей поверхности определяется из выражения: , (7)
где , – соответственно, максимальная и минимальная разности температур между горячей стенкой термомодуля и нагреваемой средой.
Приведенные выше уравнения были получены для режима работы «напроход», когда охлаждаемое молоко и нагревая вода движутся непрерывно.
,
где – коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой жидкости стенке; , соответственно, толщина теплообменной пластины и термомодуля, м;
– теплопроводность материала пластины и пластины термомодуля, Вт/кг*°С;
,
7

При циклической подаче молока на обработку равными порциями, например, по одному литру, продолжительность одного цикла охлаждения молока будет равна:
, (8) где – время доения одной коровы, мин; – объем регулируемой
откачиваемой порции молока; – разовый удой одной коровы, кг.
Количество теплоты, отбираемое от одного кг молока за цикл охлаждения
можно определить по известной зависимости:
, (9), где – плотность молока (1,033 кг/м3); , – соответственно, начальная и
конечная температура молока, °С.
С другой стороны, необходимое время tц пребывание молока в охладители
можно определить из геометрических параметров канала по уравнению:
, (10)
где – высота одного канала, м; – коэффициента теплопередачи; –
величина среднего температурного напора в канале между молоком и термомодулем, °С
Суммарная установленная мощность термомодулей (Вт) определяется: , (11) где – количество теплоты, отбираемое от одного кг молока за цикл
охлаждения, Вт.
Зная холодопроизводительность одного модуля, можно подсчитать
необходимое общее число термомодулей – n. Следует иметь в виду, что с учетом теплопроводности, формы и размеров теплообменных пластин из нержавеющей стали, возможно увеличение количества термомодулей в 3-4 раза.
На основе разработанных аналитических зависимостей обоснованы параметры новой установки для охлаждения молока и нагревания воды на основе термоэлектрических модулей в процессе доения отдельных коров на доильных роботах.
Третья глава «Программа, методика и установки для проведения исследований». Программа экспериментальных исследований включает: исследование влияния на эффективность термомодульной установки расходов охлаждаемой воды (молока) и нагреваемой воды для технологически нужд при различных значениях напряжения питания термомодулей; исследование быстродействия охлаждающего элемента, т.е. времени выхода на заданный режим охлаждения по продолжительности времени стабилизации значений потребляемого тока и температуры охлаждаемой воды (молока) с видеорегистрацией показаний; определение количества ступеней охлаждения по секциям термомодулей; определение холодопроизводительности и холодильного коэффициента при охлаждении воды (молока), теплопроизводительности и теплового коэффициента при нагреве воды.
8

Для проведения исследований разработан и изготовлен экспериментальный образец установки с термомодулями. Они установлены на охлаждающем элементе (секции) с теплообменными пластинами из нержавеющей стали с параметрами: ширина Вэ.тм – 60 мм, длина Lэ.тм – 500 мм, площадь поверхности одной стороны охлаждающего элемента Sохл – 300 см2, с двух сторон – 600 см2, площадь проходного сечения охлаждающего элемента Sс.охл – 0,18 см2 , площадь поверхности охлаждения одного термомодуля Sтм.охл – (40 х 40) мм = 16 см2 , количество термомодулей с двух сторон – 2 х 6 = 12 шт., толщина листа – 1 мм, форма его поверхности – плоская. Коэффициент заполнения площади элемента охлаждения (600 см2) при суммарной площади охлаждающих сторон термомодулей (192 см2) составляет – 32 %. (рисунок 1).
Исходные значения: температура охлаждаемой воды (молока) tохл.вх – 36 оС; расход охлаждаемой воды (молока) Gм.охл от 0,3 л г/мин до 1,5 л/мин; расход воды, отводящей теплоту от горячей стороны термомодулей (нагреваемой воды) Gв.нагр от 0,3 л/мин до 4,0 л/мин; температура нагреваемой воды (отводящей теплоту от горячей стороны) tнаг вх – 17 оС; напряжение питания блока термомодулей U от 2,0 до 10,0 В.
Для проведения исследований разработана и изготовлена экспериментальная установка (рисунок 1,2) в составе: охладительно- нагревательное устройство (1), с блоком термоэлектрических модулей (TM-S 127 14 11 L2) (2), быстродействующие цифровые термометры (3) для регистрации температуры охлаждаемой воды (молока) и нагреваемой воды, электронные весы (8) Физтех ВТ-Н 32 с блоком индикации (9) для регистрации расходов жидкостей, блок питания (4) Wanptek KPS15100D 220/16 В с регистрацией значений потребляемого тока с точностью 0,1 А. Термомодули подключаются параллельно. Для регулирования расхода жидкостей установка содержит источник сжатого воздуха с блоком воздухоподготовки и датчиками давления (7), образцовые манометры (6) класса точности 0,25, оттарированные в функции расхода жидкостей, бидоны (5) и фляги (11), краны (10). Исследования проведены в лаборатории кафедры Инжиниринга животноводства.
Рисунок 1 – Вид экспериментальной установки и блока питания, подключенного к термомодулям
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки
Четвертая глава «Результаты экспериментальных исследований».
Результаты исследований зависимости температуры охлаждения воды (молока) и нагревания воды при различных расходах и значениях напряжения питания термомодулей показаны на рисунках 3-5.
Исходные данные: tохл.вх = 36 °C; tнаг.вх = 17 °C;
Gвода (мол)/Gвода = 0,3/0,6 л/мин; 0,5/1,0 л/мин; 1,0/2,0 л/мин; 1,5/3,0 л/мин (рисунок 3).
12 10 8 6 4 2 0
Gвода=0,3 л/мин Gвода=0,5 л/мин Gвода=1,0 л/мин Gвода=1,5 л/мин
2 4 6 8 10 U, B
Рисунок 3 – Зависимость температуры охлаждения воды (молока) при различных расходах воды от напряжения питания термомодулей
Исходные данные: tохл.вх = 36 °C; tнаг.вх = 17 °C; Gвода (мол) = 0,5 л/ мин;
Gвода = 0,5 л/мин; 1,0 л/мин; 1,5 л/мин; 2,0 л/мин (рисунок 4). 10
∆ t охл, °С

20 15 10
5 0
Gвода=0,5 л/мин Gвода=1,0 л/мин Gвода=1,5 л/мин Gвода=2,0 л/мин
2 4 6 8 10 U, B
Рисунок 4 – Зависимость температуры нагрева воды при различных расходах воды от напряжения питания термомодулей
На рисунке 5 показан совмещенный график зависимости температуры охлаждения воды (молока) и нагрева воды от напряжения питания термомодулей.
Рисунок 5 – Зависимость температуры охлаждения воды (молока) и нагрева воды от напряжения питания термомодулей
Установлено, что исследуемая секция с термомодулями обеспечивает охлаждение воды (молока) в диапазоне от 2 до 11 °С; эффективное охлаждение происходит при напряжении питания термомодулей 6,0 В (± 1 В), что
∆ t нагр, °С

составляет 50 % от номинального значения; при дальнейшем увеличении напряжения питания наблюдается незначительное увеличение температуры охлаждения воды (молока) на 1 °С и значительное увеличение нагревания теплоотводящей воды с 5 до 23 °С , а также потребляемой мощности с 184 до 474 Вт; наибольшая эффективность охлаждения воды (молока) происходит при соотношении расхода охлаждаемой воды (молока) к теплоотводящей нагреваемой воде как 1:2-1:3; увеличение производства тепловой энергии (горячей воды) для технологических нужд возможно при увеличении напряжения питания термомодулей.
Результаты измерения времени быстродействия термомодульной секции, т.е. выхода на заданный режим охлаждения показаны на рисунках 6 и 7.
60
40
20
0
U=2B U=4B U=6B U=8B U=10B
5 10 15 20 25 30 t, с
Рисунок 6 – Зависимость времени стабилизации электрического тока при охлаждении молока от напряжения питания
Установлено, что время стабилизации потребляемого термомодулями электрического тока находится в диапазоне от 10 до 15 с, при ступенчатой подаче напряжения питания 0-2,0 В; 0-4,0 В; 0-6,0 В; 0-8,0 В; 0-10,0 B.
10 8 6 4 2 0
U=2B U=4B U=6B U=8B U=10B
5 10 15 20 25 30 t, сек
Рисунок 7 – Зависимость времени стабилизации выходной температуры воды (молока) от напряжения питания
∆t охл, ∘C
I, A

Установленно, что при включении термомодулей охлаждение воды (молока) начинается через 10 с; а продолжительность времени стабилизации выходной температуры воды (молока) составляет от 20 до 30 с.
Результаты исследований по определению количества ступеней охлаждения показаны на рисунке 8.
12 10 8 6 4 2 0
12345 Номер ступени охлаждения
Рисунок 8 – Зависимость температуры молока по ступеням охлаждения секций термомодуля
5 ступеней.
Определение холодопроизводительности и холодильного коэффициента.
По результатам экспериментальных исследований рассчитаны значения холодопроизводительности и холодильного коэффициента для исследуемых параметров секций термомодулей и режимов охлаждения (рисунок 9).
Установлено, что охлаждение воды (молока) в пластинчатом охладителе с термоэлементами возможно организовать ступенчато; при переходе с одной ступени на другую ∆t охлаждения молока уменьшается; количество ступеней охлаждения зависит от расхода воды
(молока),
технических
элементов
охлаждения воды (молока) с 36° до 4 °С на экспериментальной секции охладительной установки при расходе воды (молока) 0,5 л/мин и расходе воды 1,0 л/мин необходимо
расхода воды и характеристик охладителя; для
250 7
200 150 100
6
4
3 Qx, Вт 2ɛ
00 2 4 6 8 10
U,B
Рисунок 9 – Зависимости холодопроизводительности для охлаждения воды (молока) и холодильного коэффициента на секции термомодулей при значениях: Gмол=0,5 л/мин и Gвода = 1,0 л/мин
Результаты зависимости теплопроизводительности для нагреваемой воды и теплового коэффициента показаны на рисунке 10.
Qх, Вт
ɛ
∆t охл, °С

700 14 600 12 500 10 400 8 300 6 200 4 100 2
00 2 4 6 8 10
U,B
Qнагр, Вт ɛ
Рисунок 10 – Зависимости теплопроизводительности для нагреваемой воды и теплового коэффициента на секции термомодулей при значениях:
Gмол=0,5 л/мин и Gвода = 1,0 л/мин
Установлено, что холодопроизводительность исследуемой секции охладителя из 12 термомодулей (TM-S 127 14 11 L2), при расходе воды (молока) 0,5 л/мин и рабочем напряжении питания – 6,0 В, составляет – 200 Вт, а потребляемая электрическая мощность – 186 Вт.
Для проектируемой установки, с средним расходом молока 2,0 л/мин и его охлаждения с +34 до +4 оС, при удельной теплоемкости молока равной 3,93 кДж/кг*оС и плотности 1018 кг/м3, холодопроизводительность охладителя составляет 4000 Вт. При варианте с предварительным охлаждением молока проточной водой с температурой 17 оС будет отводиться 2000 Вт, т.е. на оставшиеся 2000 Вт необходимо 10 секций термомодулей. При полном охлаждении молока термомодулями потребуется 20 секций с суммарной потребляемой электрической мощностью – 3,7 кВт. Принимая коэффициент запаса, равный 1,2, электрическая мощность установки составит 4,5 кВт.
При охлаждении выдоенного от одной коровы молока, за счет отвода теплоты с горячей стороны термомодулей, установка обеспечивает одновременный нагрев воды с теплопроизводительностью 9,6 кВт, необходимой для технологических нужд: подогрева воды для поения коров, промывки оборудования, а также гигиены персонала на ферме.
Следует отметить, что на отклонение результатов исследований от идеальных значений влияет ряд факторов, таких как выбор материала теплообменных пластин (в нашем случае нержавеющая сталь), его теплопроводность и толщина; форма теплопередающей поверхности, влияющая на турбулентность потока молока; схема размещения термомодулей на теплообменных пластинах, вдоль которых протекает молоко и вода и др. Совершенствование этих параметров является резервом для повышения эффективности охладительной установки.
В пятой главе «Функционально-технологическая схема получения молока от отдельных коров на роботизированных фермах» дано описание технологической линии охлаждения молока и макет упаковки (рисунок 11, 12).
В состав технологической линии охлаждения молока от отдельных коров входит робот (1) для доения с комплектом датчиков контроля качества
Qнагр. Вт
ɛ

выдаиваемого молока, молокосборная колба (2), насос-дозатор (3), фильтр (4), управляемый трехходовой кран (5) с электромагнитным приводом для переключения потока некондиционного молока в отдельные емкости (6), двухступенчатая охладительно-нагревательная установка (7), резервуар-термос (8) для хранения нагретой воды, управляемый трехходовой кран (9) для переключения потока охлажденного молока через трехходовой кран (10) на установку для розлива, упаковки и маркировки, а части молока в танк- охладитель (12) для сборного молока, холодильник (13) для возможного доохлаждения и хранения расфасованного молока, насос-дозатор (14) для сборного молока. Для управления технологическим процессом предусмотрены датчики потока и температуры молока, а также контроллер.
Рисунок 11 – Схема технологической линии охлаждения молока от отдельных коров
Рисунок 12 – Макет упаковки молока с маркировкой индивидуальных показателей молока от отдельных коров
15

Основная информация на упаковке: молоко от любимой коровы, молоко цельное сырое охлажденное, кличка животного, порода, идентификационный номер коровы, дата рождения, дата и время доения, содержание жира и белка; срок годности и условия хранения молока; QR-код для получения дополнительной информации о корове и ее здоровье; наименование предприятия, адрес и сайт, на котором предусмотрено видеонаблюдение за фермой в реальном времени;
В шестой главе «Технико-экономическая оценка» произведен экономический расчет разрабатываемой технологической линии. Предлагаемая технология и способ охлаждения молока, непосредственно в процессе доения, с использованием термоэлектрических модулей в составе доильных роботов позволяют создать новую технологию производства высококачественной молочной продукции по индивидуальным заказам потребителей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ показал, что одним из перспективных путей развития автоматизированного молочного скотоводства является производство молока от отдельных коров с присущим ему индивидуальными вкусом и составом, в связи с чем целесообразно разработать роботизированную технологию и установку для охлаждения молока непосредственно в процессе доения с упаковкой.
2. Разработана математическая модель охлаждения молока от отдельных коров в процессе доения на доильных роботах, устанавливающая зависимости продолжительности времени доения, скорости потока молока и параметров охладителя на термоэлектрических модулях.
3. На основе предложенных аналитических зависимостей разработан и изготовлен экспериментальный образец установки пластинчатого типа для охлаждения молока процессе доения коровы на основе термоэлектрических модулей с получением тепловой энергии для технологических нужд.
4. В результате экспериментальных исследований установлено, что разработанная установка для охлаждения молока на термомодулях обеспечивает эффективное охлаждением молока в процессе доения коров с 34° до 4 °С, с одновременным получением тепловой энергии – теплой воды – для технологических нужд. При среднем расходе молока в процессе доения – 2
л/мин, необходимо 20 секций по 12 термомодулей с суммарной потребляемой 16
знак дневного или ночного молока. При этом
обеспечивается полная прослеживаемость пути молока от конкретной коровы до прилавка. Наличие «Честного знака», свидетельствует о регистрации продукции в Национальной системе цифровой маркировки и прослеживаемости
товаров.
экономической эффективности показывает, что срок окупаемости разрабатываемой технологической линии составляет 1,05 лет, а коэффициент экономической эффективности равен 0,95, что свидетельствует о целесообразности разработки технологической линии получения молока от
Оценка
отдельных коров на роботизированных фермах.

мощностью 4,5 кВт. При этом, за счет отвода теплоты с горячей стороны термомодуля, установка обеспечивает нагрев воды с теплопроизводительностью 9,6 кВт, необходимой для технологических нужд: подогрева воды для поения коров, промывки оборудования, а также гигиены персонала на ферме.
5. Разработана функционально-технологическая схема получения молока от отдельных коров на доильных роботах с его охлаждением в процессе доения, содержащая доильный робот, охладительно-нагревательную установку на термомодулях, установку для розлива молока в упаковки с нанесением индивидуальной информации о корове, показателях молока и информации о предприятии.
6. Оценка экономической эффективности показывает, что, на молочной
ферме на 60 дойных коров, срок окупаемости разрабатываемой технологической линии составляет 1,05 лет, а коэффициент экономической эффективности равен 0,95, что свидетельствует о целесообразности разработки технологической линии получения молока от отдельных коров на
роботизированных фермах
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Разработанные технологию и установку предлагается поставлять на роботизированные фермы опционально с целью расширения номенклатуры производимой продукции, при этом часть надоенного молока может подвергаться традиционной высокотемпературной обработке, а другая часть – охлажденное в процессе доения молоко от отдельных коров – реализовываться по более высокой цене непосредственно в розничной сети, минуя молокозавод.
2. Нагреваемая по теплоотводящей (горячей) стороне термомодульного охладителя вода накапливается в термосе для технологических нужд: подогрева воды для поения коров и промывки оборудования, а также гигиены персонала фермы.