автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оптимизация параметров и режимов работы установки термизации молока на фермах крупного рогатого скота

На правах рукописи

и

Шутов Андрей Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ТЕРМИЗАЦИИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

О I IV! Н Г ¿1111

4841563

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Туваев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович

кандидат технических наук, доцент Гордеев Владислав Владимирович

Ведущая организация:

ГНУ СЗНИИМЛПХ Россельхозакадемии

Защита состоится « » p-e^LJ*- 2011 года в & часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, факс (812) 466-56-66, e-mail: nii@sp.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Автореферат разослан « Ю » iМ^р />№. 2011 г.

Учёный секретарь /» j

диссертационного совета ЧерейН.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Вступивший в действие 12 июня 2008 года Федеральный закон № 88 - ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» ужесточил требования к безопасности сырого молока. В основном это коснулось микробиологических показателей: количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) и числа соматических клеток в 1 см . В связи с этим сельхозпроизводители оказались в сложной ситуации: бактериальная обсемененность молока остается прежней, а требования к сортности молока повышены. С момента вступления закона в действие, например, в Вологодской области, сдача молока высшего сорта уменьшилась с 77 до 12-27%.

Применяемые способы первичной обработки молока-сырья сводятся к охлаждению молока сразу после доения с целью продления бактерицидной фазы. Эти способы лишь предотвращают развитие бактерий, но не снижают их количество и не позволяют улучшить качество выдоенного молока. Из известных способов снижения бактериальной обсемененности, применяемых на перерабатывающих предприятиях, наиболее эффективным при сохранении свойств сырого молока является нагревание молока до 60-68°С с выдержкой до 30 секунд и последующим охлаждением до температуры хранения 4°С. Применение такой термизации, как операции в составе технологического процесса первичной обработки, позволяет сельхозпроизводителям решить проблему качества молока-сырья, связанную с высокой бактериальной загрязнённостью, и повысить сортность молока-сырья.

Применение термизации, помимо повышения качества молока, позволяет малым фермам и фермерским хозяйствам, удаленным от молочных заводов, сократить транспортные расходы за счет накопления молока для более полной загрузки молоковоза, доставки молока на переработку один раз в два дня без потери сортности молока.

Известные промышленные установки для тепловой обработки молока рассчитаны в основном для применения их на перерабатывающих предприятиях, не отвечают требованиям современного производства в условиях малых ферм из-за большой металлоемкости, сложности технического обслуживания, низкой надежности и высокого энергопотребления. Поэтому исследования по совершенствованию конструктивно-технологической схемы и определению рациональных параметров и режимов работы установки термизации молока-сырья в условиях малых ферм являются актуальными и имеют важное значение для экономики сельскохозяйственного производства.

Исследования выполнялись в соответствии с планом НИР ВГМХА им. Н.В. Верещагина по теме: «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в молочном животноводстве» с номером государственной регистрации 01.2.00311789, код 68.85.39.

Цель исследований. Повышение качества молока-сырья, производимого на фермах крупного рогатого скота, за счёт снижения бактериальной загрязнённости путём совершенствования конструктивно-

технологической схемы установки термизации молока и оптимизации ее параметров и режимов работы.

Объект исследования. Установка термизации молока-сырья, предназначенная для работы в молочных линиях животноводческих ферм. Научную новизну исследований составляют:

— усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки для термизации молока;

— теоретические предпосылки по обоснованию рабочего процесса установки термизации молока;

— математические модели рабочего процесса термизации молока, рациональные параметры и режимы работы установки термизации;

— теоретические и экспериментальные коэффициенты теплопередачи секций нагрева и охлаждения установки термизации;

— результаты производственной проверки влияния термизации молока-сырья на динамику показателей молока в процессе хранения.

Практическая значимость. Использование разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается срок хранения молока на ферме до отправки на переработку до двух суток. Это дает возможность сельхозпредприятиям сократить транспортные расходы при малых объемах производства за счет накопления молока до более полной загрузки молоковоза.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г. Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке производственных установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота, что подтверяодено соответствующими справками. Материалы исследований используются в учебном процессе на инженерном и зооинженерном факультетах ВГМХА им. Н.В. Верещагина.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ВГМХА им. Н.В. Верещагина (2007-2009 г.); на ежегодных смотрах-сессиях аспирантов и молодых ученых по отраслям наук в ВГМХА им. Н.В. Верещагина (2008 г.) и ВоГТУ (2010 г.) в г. Вологда; на ежегодной научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ в г. Санкт-Петербург (2011 г.).

Публикации. Опубликовано 10 работ общим объемом 2 печатных листа, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные положения, выносимые на защиту:

— усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки термизации молока;

— математические модели рабочего процесса термизации молока;

— математические зависимости для обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока;

- результаты испытаний влияния термизации молока сразу после доения на динамику показателей молока-сырья в процессе хранения;

- технико-экономическая эффективность использования установки термизации молока.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, пять разделов, выводы и предложения. Содержит 150 страниц основного текста, включая 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 113 наименований и приложения на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Обоснование цели и задач исследования» проведен обзор и анализ существующих технологий первичной обработки, способов снижения бактериальной обсемененности, оборудования для тепловой обработки молока.

Наиболее эффективным способом борьбы с бактериальной обсемененностью молока-сырья на молокоперерабатывающих предприятиях является управляемая тепловая обработка, однако далеко не все режимы обеспечивают сохранение физико-химических свойств молока. Одним из известных способов бактериальной санации молока-сырья является мягкая тепловая обработка нагреванием (термизация) при 60-68°С с выдержкой до 30 секунд, которая не отражается на составе и биологических свойствах молока.

Исследованиями процесса тепловой обработки при температуре 60-68°С на бактериологический и химический состав молока занимались зарубежные и отечественные исследователи Д. Когилл, И. Мультцберг, С. Берчь, JI.B. Голубева, С.А. Емельянов, И.А. Радаева, А.Г. Храмцов и многие другие. В изучение вопросов механизации первичной обработки молока на фермах существенный вклад внесли известные ученые: Г. А. Кук, И.Н. Липатов, A.M. Маслов, Л.К. Николаев, В.В. Сурков, Ф.М. Тарасов и другие.

Установлено, что перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной обработки молока-сырья на ферме является разработка установки термизации, которая позволит снизить начальную бактериальную обсемененность и увеличить срок хранения молока на ферме до отправки на переработку. Производитель сможет сдавать молоко высшим сортом и получать дополнительную прибыль. Исходя из проведенного анализа, сформулирована цель диссертационной работы и поставлены следующие задачи исследования:

- дать анализ технологических и технических средств для тепловой обработки молока;

- обосновать и усовершенствовать конструктивно-технологическую схему установки термизации;

- разработать математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока в трубчатых секциях установки термизации;

- провести теоретические и экспериментальные исследования по определению коэффициента теплопередачи;

- обосновать с помощью теоретических и экспериментальных исследований рациональные параметры и режимы работы установки термизации;

- провести проверку в производственных условиях технологии первичной обработки молока с использованием установки термизации;

оценить технико-экономическую эффективность использования усовершенствованной установки термизации.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки к обоснованию технологического процесса термизации молока-сырья» дано обоснование конструктивно-технологической схемы установки термизации молока-сырья, получены аналитические зависимости для расчета параметров и режимов работы секций нагрева и охлаждения исходя из комплексных затрат на процесс нагрева и охлаждения молока.

На основании проведенного анализа предложена технология первичной обработки молока на основе термической обработки низкосортового коровьего молока — нагрев после доения от температуры 36°С до температуры 63°С, выдержка в течение 15 с и охлаждение до температуры 36°С. Дальнейшее охлаждение молока может осуществляться способом мгновенного или комбинированного охлаждения на уже имеющемся на ферме оборудовании. Для решения этой проблемы предложено техническое решение.

Технологическая схема установки термизации молока показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Технологическая схема установки термизации молока

Молоко сразу после доения подается в секцию нагрева, где нагревается горячей водой до заданной температуры, проходит через выдерживатель с этой температурой в течение 15 секунд и попадает в секцию охлаждения, где охлаждается до первоначальной температуры холодной водой, после чего направляется на доохлаждение до температуры хранения в уже установленную на ферме систему охлаждения. Холодная вода подается из водопровода или артезианской скважины, забирает от молока тепло и, подогретая, направляется на автопоение или технологические нужды фермы.

В ходе проведённого в первом разделе анализа установлено, что наиболее надежными и простыми в эксплуатации являются трубчатые теплообменники. Для секций нагрева и охлаждения установки выбран тип теплообменных аппаратов - «труба в трубе». Обе секции имеют одинаковую конструктивную схему, которая представлена на рисунке 2.

ум™«,.™ ,д г

Рисунок 2 - Конструктивная схема каждой из секций установки Уравнение теплового баланса теплообменника:

(]Г = (2Х + А(2, (1)

где 2Х - количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем, Вт, количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, Вт, AQ - потери тепла, Вт.

Приведенные величины определятся по формулам:

Ох Сх- Срх ■ (Гхк — Гхн)< (2)

(/г • СрГ • (£гн ^гк)'

где Сх, Сг - расходы горячего и холодного теплоносителей кг/с, Срх, срг - удельные теплоёмкости теплоносителей, Дж/кг,

'гк - начальная, конечная температуры горячего теплоносителя, °С, 1у.к — начальная, конечная температуры холодного теплоносителя, °С. Общее количество теплоты, переданное через всю поверхность теплообмена, определится по формуле:

(} = к-М-Р, (4)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-1у, площадь поверхности теплообмена, м', Д? — среднее значение температурного напора по всей поверхности нагрева, "С.

Площадь поверхности теплообмена трубчатого теплообменника:

F = 7r•<iп•£, (5)

где <1п - диаметр, определяющий площадь поверхности теплопередачи, м, Ъ - длина трубы, определяющая площадь теплообмена, м. Коэффициент теплопередачи для цилиндрической внутренней трубы теплообменника:

, __I_

1 1 I 1 |п"1нар , 1 ' (6)

«х'<*1вн 2Яст аг-й1на0

где ах, аг - коэффициенты теплоотдачи для холодного и горячего теплоносителей, Вт/(м2-К),

^1вн> ^1иар - внутренний и наружный диаметр внутренней трубы, м, Хс, - коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м-К). Введем в расчеты величину водяной эквивалент - XV:

= С • ср, (7)

подставив ее в уравнение теплового баланса (1) и преобразуя его, получим:

^ХК ^ХН _ уг

Ггк-Гг, ~ ю,' ( '

где IV,-, — водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.

Преобразуя уравнение (8) с учетом уравнения среднего логарифмического температурного напора при противотоке получим формулу для расчета конечной температуры горячего теплоносителя, °С:

^гк — ¿тн С^гн ¿хн) ' ЛУг / ' (9)

Обозначим выражение:

= к' (10)

Л*г /

тогда конечная температура горячего теплоносителя определится:

^гк = ^гн ~ С^гн — ^хн) ' (1 1)

Потребная суммарная мощность на термизацию и охлаждение молока в установке, Вт, будет равна сумме потребных мощностей для привода насосов молока, холодной и горячей воды, а также потребной мощности для нагрева горячей воды:

% = Км + Кгв + Кш + (12)

Потребная мощность для привода насоса, Вт:

= (13)

где АР — полное гидравлическое сопротивление трубы теплообменника, м, р — плотность теплоносителя, кг/м3.

= +К«)'*?. (М)

где £,- коэффициент гидравлического сопротивления трубы, Ё&ге - сумма коэффициентов местных сопротивлений, Ь — длина трубы, определяющая площадь теплообмена, м, (¡зф - эффективный диаметр канала, м, V - скорость движения жидкости, м/с. Потребная мощность для нагрева воды, Вт:

(15)

где Еж - потребная энергия для предварительного нагрева горячей воды в емкости за 1 с, Дж,

Е3„ - потребная энергия для подогрева горячей воды в проточном подогревателе, Дж,

Т - время одного цикла работы установки термизации, с.

^эе = Ув " Рв ' св ' (^гвн — ^хвн)' , (16)

где Ув — объем предварительно нагреваемой воды в емкости, м , рв - плотность воды при температуре (1,вн+1шн)/2, кг/м3, св - теплоемкость воды при температуре (г,пш+/хви)/2, Дж/кг, /гви - начальная температура горячей воды для секции нагрева, °С, ¿хви —температура холодной воды, °С.

ЕЭП = (Т ' Сгв — Ув ' ргв) * Сгв • (¿гвн — ^ГВк) ■ (17)

Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб установки, кг: •

М£=МТ + М0, (18)

где Мт - количество металла для изготовления секции нагрева, кг,

М0 - количество металла для изготовления секции охлаждения, кг. Количество металла, необходимое для изготовления одной секции, кг.

М=;-л--^тР-2-((й12нар-£га2вн) + (^нар-^|вн))-^мат, (19) где рмет - плотность материала, из которого изготовлены трубы, м /кг, г - количество теплообменных труб в секции, Ьтр - длина одной теплообменной трубы, м, с/]нар, с/1вн, с?2нар, <^2вн -диаметры труб теплообменника, м. Годовые затраты на электроэнергию для работы установки термизации молока, руб/год, можно определить по формуле:

(20)

эт 3,6-106-С„ ' 4 '

где Ц, - стоимость электроэнергии для сельхозпроизводителей, руб^кВгч), X— количество коров на ферме, шт, Н— средний надой 1 коровы за 1 год, кг/год.

Затраты на материал для теплообменных труб, отнесенные к нормативному сроку окупаемости, руб/год:

3„ат=^, <21>

где Ц„ат - стоимость 1 кг стали для изготовления трубы, руб/кг,

Гн - нормативный срок окупаемости установки термизации молока, лет. Для секции нагрева установки термизации комплексные затраты П,„ руб/год: п _ Уэ-№„т+лгНг=+^зн)--У-н , м1т-ктт зт 3,6-1 о6-см г„ '

Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения молока через теплообменные трубы секции нагрева, Вт:

в с3 I ¡Г1—1

= ^ ' + ?90-' ■ (»)

Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения горячей воды через теплообменные трубы, Вт:

■ г _ 8'См'пгв I_¿т'(^2внт+^1нарт)_ ,

(24)

М,„ =

+

(^2внт-^1нарт)

Потребная мощность, необходимая на нагрев горячей воды, Вт:

К„т -^нарт) + +

^гв ^гвр /

Н-Сгв • (£гвн ¿гвк) * (<?« * пгв т * * 7Г • Ьт - (¿¿2внт ^1нарт) ^^

V»)).

4-£тк-См'Пгв ^ у

Р гв'^гвр

: Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб секции нагрева молока, кг:

МЕт = 1 • 71 • Lr ■ Рмат • (Й1„арт ~ <*1внт + dLapx ~ ¿2внт)" (26)

Уравнение теплопередачи для секции нагрева: См • срм • (tMT - tMH) + AQT =

(rT-(trB„-tM„)-tMT+tM„)-i?-7r^ci1B„T+i^:j ^ (27)

— j- l |_1 .rçdmapTj 1 - in_trBH-'MT_'

«MT'^lBHT 2'^ст' <*1bht "rB-dlHaDT trBH-tMH-»Y(trBH-tMH)

Полученная система уравнений (22-27) описывает зависимость конструктивных параметров и режимов работы секции нагрева от тепловых, гидравлических параметров процесса и технико-экономических показателей.

Для секции охлаждения установки термизации комплексные затраты П30, руб/год:

п _ K,-(N„„0+NH„)-X-H М£0-Т„ат

Пз°~-ÏÏ^Z-+ (28)

Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения молока через теплообменные трубы секции охлаждения, Вт:

8сз J^-l

WHMO = -¿Г ■ ( 4-бн-р ° , 3 + 6>0° • -^f—) ■ (29)

JT'ttu'di nun ' 1вно а»«0

Потребная мощность, необходимая на привод насоса для продвижения холодной воды через теплообменные трубы, Вт:

дт __У-_^о'(^2вно+^1наро)__^

НХВ " Я2 ' (1,82-1д-1My.(d! d2 у +

v "ге-Мхв Сйгвно+Ч^аро) ' v 2ВН0 1нар0-' (3g)

ÎWKt-2—

I ¿отр ^

вно ^1наро)2

Количество металла, необходимое для изготовления теплообменных труб секции охлаждения молока, кг:

— 4 • п ■ ¿о ' Рмат • (^1наро ~ ^1вно + ^2наро — ^2вно)- О О

Уравнение теплопередачи секции охлаждения: С„ * СрМ • (tMT ^мк)

(tMT-tMK-^-(tMT-tx,H))-4-?r-^l,H0+f^^ 1 (32)

. 1 ^ 1 ^¿lHapo J 1 .. д;1смк~£хвн~^о(Емт~Ехви) '

«ModlBHO 2-Лст Й1ВНО «XB-dinapo ^мн-^хвн

Полученная система уравнений (28-32) описывает зависимость конструктивных параметров и режимов работы секции охлаждения от тепловых, гидравлических параметров процесса и технико-экономических показателей.

Формулы (22-27) и (28-32), реализованные с помощью вычислительной программы в Microsoft Office Excel 2007, позволили определить оптимальные значения параметров установки термизации при известной производительности GM, начальной и конечной температурах

выбранной

длине теплообменной трубы LJ1V =Lmp для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы d,BHT=0,032 м, отношение, эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы ¿2эылМвнт=0,7, кратность подачи горячей воды ига=2,9, начальная температура горячей воды /ГВН=82°С; для секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы с?1вно=0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы ^2экво^1вно=0,7, кратность подачи холодной воды пп=3,2.

В третьем разделе «Экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров и режимов работы установки термизации молока» представлена программа и методика проведения исследований, приведено описание экспериментальной установки, измерительных приборов и оборудования и результаты проведенных экспериментов.

Программа исследований включала однофакторные и многофакторные эксперименты по оптимизации параметров и режимов установки. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и общепринятыми методиками исследований машин, обеспечивающими получение достоверных результатов. Для реализации планов экспериментов З4 и З3 для секций нагрева и охлаждения были изготовлены 9 различных теплообменников, имеющих одинаковую длину, одинаковые расположения патрубков входа и выхода молока и воды, отличающихся диаметрами внутренней и наружной труб.

Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с применением программ STATISTICA 6.1 и Microsoft Office Excel 2007.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке (рисунок 3) в лаборатории производства и исследований молочных продуктов кафедры технологии молока ФГОУ ВПО ВГМХА им. Н.В.Верещагина в экспериментальном цехе ФГУП «Учебно-опытный молочный завод».

Рисунок 3 - Технологическая схема лабораторной установки 1 - теплообменник; 2, 3,4, 5 - емкость; 6, 7 - насос центробежный; 8, 9 -расходомер; 10, И -кран; 12, 13,14,15 -термометр сопротивления РиОО

Для секции нагрева по результатам реализации многофакторного эксперимента Бокса-Бенкина для четырех факторов, варьируемых на трех

уровнях, после обработки экспериментальных данных были определены опытные коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта согласно матрицы планирования. На рисунке 4 представлены экспериментальные и теоретические коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта. Изменение полученного экспериментально коэффициента теплопередачи в зависимости от величины диаметров трубопроводов, кратности и начальной температуры горячей воды подчиняется той же зависимости, что и рассчитанного теоретически. Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,98, что подтверждает соответствие экспериментальных и теоретических исследований.

4 Коэффициент теплопередачи,

Вт/(мхК!

1000 900 ВСЮ 700 600 500 4оо 300 200 100

И

И м И

И ® ®

К

н Н И 13 И И 1 ф § ® ®

и И В В ® © ® ©

® В ® ®

дшщ т 43 43 43 43 43 34 43 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 25 25 25 гг 25 25

ал и № 0,7 ал В «г о; ал 8< »5 В г;т ал Сй 0А а 0А 0А 555 ал Ж «г 0А

Пги 25 25 и 3.5 25 1.5 25 25 15 25 25 25 35 15 15 25 1.5 2.5 25 2.5 ¡5 25

/Л Г 79 75 68 82 75 75 75 68 82 68 82 75 75 75 75 75 6в 68 82 82 75 75 75 ее 82 75 75

И - экспериментальный коэффициент тел/юпередочи ® - теоретический коэффициент теплопередачи

Рисунок 4 - Коэффициенты теплопередачи для секции нагрева

На основании статистической обработки данных после отсеивания незначимых коэффициентов регрессии и перевода кодированных значений факторов в натуральные было получено уравнение регрессии, описывающее зависимость комплексных затрат Пзх для секции нагрева от внутреннего диаметра внутренней трубы, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы, кратности и начальной температуры горячей воды: Пэт = 418311 - 3932364-й?1внт + 4380975Ыв„т* - 160708 ■(¿гэкшМвнт) + +80169 (£/2экшМвит)2 + 18906 «гв + 1697-я,.. - 7520 /ган + 44,6-/гвн + (33) + 3112465-с/ьнт-йэктМви) - 430299ч/,внт-игв - 20514-(</2экиМвнт)-игв.

Уравнение признано адекватным по результатам проверки по критерию Фишера с вероятностью 95%. По полученному уравнению регрессии (33) для секции нагрева были построены графики зависимости критерия оптимизации Пзт от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения.

Рисунок 6 - График зависимости Пзт секции нагрева от игв и с1Лтп при /гвн = 82°С и ¡4жиМвнт= 0,7

33900 29300 24700 20100

Рисунок 5 - График зависимости Пзт секции нагрева от с12.1КШ1с1\тп и с/1аит при ига=3 и = 82°С

Для секции охлаждения по результатам реализации многофакторного эксперимента Бокса-Бенкина для трех факторов, варьируемых на трех уровнях, после обработки экспериментальных данных были определены опытные коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта согласно матрицы планирования. На рисунке 9 представлены экспериментальные и теоретические коэффициенты теплопередачи для каждого проведенного опыта. Изменение полученного экспериментально коэффициента теплопередачи в зависимости от величины диаметров трубопроводов и кратности холодной воды подчиняется той же зависимости, что и рассчитанного теоретически. Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,996, что подтверждает соответствие экспериментальных и теоретических исследований.

Рисунок 7 - График зависимости Пзт секции нагрева от «гв и с{Ък1„/с1\ш1 при гген= 82°С и ¿/!ш,т = 0,034 м

Рисунок 8 - График зависимости П и секции нагрева от /гвн и с11влг при Игв = 3 И 0?2эквтМвнт =0,7

I Коэффициент \ теплопередачи. I' Вт/М!

700 600 500 '.ОО 300 к

Л)

т к

а ®

В $ 8 ®

® ©

100 ы

43 43 34 43 43 34 34 34 34 34 34 ¿51 25 25 25

йгжЬо/йОа В 0.7 0.7 55 ОЛ ол «5 05 855 0.7 ОЛ 855 0.7 855 ол

1.5 25 15 3.5 2.5 1.5 2.5 25 25 3.5 3.5 15 2.5 35 25

Р2 - экспериментальный коэффициент теплопередачи ® - теоретический коэффициент теплопередачи

Рисунок 9 - Коэффициенты теплопередачи для секции охлаждения

На основании статистической обработки данных после отсеивания незначимых коэффициентов регресии и перевода кодированных значений факторов в натуральные было получено уравнение регрессии, описывающее зависимость комплексных затрат П30 для секции охлаждения от внутреннего диаметра внутренней трубы, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы и кратности холодной воды:

П30 = 65843 - 3525048-Й?1шю + 3729932(Ы1вн0" -- 70352-№экв<Мв„о) + 24949-Яхв + 2842808^1вноЧ4экв<М,„о) - (34) -381929-^1ВН0-ИХВ- 17900-(а2экво/^1вно)-«Хв •

Уравнение признано адекватным по результатам проверки по критерию Фишера с вероятностью 95%. По полученному уравнению регрессии (34) для секции охлаждения были построены графики зависимости критерия оптимизации П30 от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения.

16000 12000 8000 4000 0

-4000

10000 8000 6000 4000 2000

Рисунок 11 - График зависимости П30 секции охлаждения от <Л\то, п при ¿гэквсМвно = 0,7

Рисунок 10 — График зависимости П3( секции охлаждения от д?1вно, с12жт/<1иж при пхв = 3,5

На основании анализа математических моделей (33) и (34) определены оптимальные значения параметров и режимов работы секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы £/1ВНТ=0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы с/2ж„/с/1вт=0,7, кратность подачи горячей воды и1В=3, начальная температура горячей воды /ГВ„=82°С; секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы ¿/]В„о=0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы с1Ъгж]с1иш=(),1, кратность подачи холодной воды игв=3,5. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность теоретических расчетов.

На основании полученных оптимальных значений с1]вит, 4квДвпт1 с11»но, й?2-жв<М>шо, игв, ихв, ?П!|| рассчитаны рациональные параметры и режимы работы установки термизации молока.

В четвертом разделе «Производственная проверка эффективности применения установки термизации молока в технологическом процессе первичной обработки молока-сырья» приведены программа и методика исследований, основные полученные результаты.

Исследовалось влияние термизации и охлаждения молока-сырья сразу после доения на микробиологические, физико-химические и органолептические показатели, определяющие его сортность, и проводилось сравнение этих показателей со значениями, полученными при лучшем существующем способе первичной обработки молока.

На рисунках 12 и 13 представлены графики изменения количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) в сыром молоке в процессе хранения при температуре 4°С в зависимости от способа первичной обработки при различной начальной бактериальной обсемененности.

в-в-е мгшзйеште охлахдение

<э-о-онщтэация и ох/шдение

Рисунок 12 - График изменения КМАФАнМ молока-сырья в процессе хранения в зависимости от способа первичной обработки при начальной бактериальной обсемененности 1,8-105 КОЕ/см

Дам* ФАиЦ хЮ1 КОЕ/см3

■ « 1 * § £ -Ю в

97

«3 41

го 2.2___ч

О 2Ь ¿6

--в-в мгнобенное охлаждение

-©-ътернизация и охлаждение

Рисунок 13 - График изменения КМАФАнМ молока-сырья в процессе хранения в зависимости от способа первичной обработки при начальной бактериальной обсемененности 6,2-104 КОЕ/см Исследования показали, что предлагаемый способ первичной обработки молока-сырья, включающий нагрев молока сразу после доения до температуры 63°С, выдержку в течение 15 с, и немедленное охлаждение до температуры хранения 4°С:

1) позволяет уменьшить начальное количество микроорганизмов в свежевыдоенном молоке в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший;

2) позволяет сохранить КМАФАнМ сырого молока на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, что делает возможным накопление молока на малых фермах в течение двух суток для более полной загрузки молоковоза с целью сокращения транспортных затрат;

3) позволяет снизить количество соматических клеток в молоке в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю;

4) предотвращает повышение кислотности молока при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов);

5) не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, являющейся показателем отсутствия тепловой обработки сырого молока;

6) не изменяет группу термоустойчивости молока.

В пятом разделе «Внедрение результатов исследований и оценка технико-экономической эффективности» приведены результаты оценки технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для крестьянско-фермерского хозяйства деревни Нестерово Сокольского района Вологодской области. Годовой экономический эффект от использования разработанного технического решения при объеме производства 220 т составил 412665 руб. Результаты исследований используются машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г. Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа выявлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной

обработки молока-сырья с целью повышения качества молока является тепловая обработка. Выполненные исследования позволили обосновать, разработать и испытать экспериментальный образец установки термизации молока-сырья, которая значительно повышает эффективность процесса.

2. Теоретическими исследованиями получена аналитическая зависимость, позволяющая определять расчетные коэффициенты теплопередачи для установки термизации молока. Результаты экспериментальных исследований подтвердили и уточнили расчетные значения, что позволило скорректировать рациональные параметры и режимы работы установки термизации.

3. Теоретическими исследованиями получены: аналитические зависимости (22-27) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции нагрева установки термизации; аналитические зависимости (28-32) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции охлаждения установки термизации. Определены с помощью компьютерной программы оптимальные значения для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы - 0,032 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы - 0,7, кратность подачи горячей воды - 2,9, начальная температура горячей воды - 82°С; для секции охлаждения внутренний диаметр внутренней трубы — 0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы - 0,7, кратность подачи холодной воды - 3,2.

4. Результаты экспериментальных исследований подтвердили основные выводы теоретических предпосылок и позволили получить математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока установки термизации (33) и (34). На основании анализа полученных моделей определены оптимальные параметры и режимы работы установки термизации молока для трубчатой секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы 0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи горячей воды 3, начальная температура горячей воды 82°С; для трубчатой секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы 0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи холодной воды 3,5.

5. Производственная проверка показала, что применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока позволяет: уменьшить начальное количество микроорганизмов в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший, сохранить КМАФАнМ на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, снизить количество соматических клеток в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю; предотвращает повышение кислотности при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов), не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, не изменяет группу термоустойчивости.

6. Применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для фермы с годовым объемом производства 220 тонн позволяет снизить транспортные затраты по доставке молока на

переработку на 96524 руб., увеличить прибыль за счет повышения сортности молока на 325324 руб. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 412665 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Повышение качества молока-сырья путем использования на ферме оптимизированной установки для термизации / A.A. Шутов // Аграрная наука. - 2011. - № 1. - С. 29-30.

2. Влияние термизации молока на его показатели / A.A. Шутов,

B.Н. Туваев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №2. - С. 25-26.

3. Охлаждение молока с использованием естественного холода / A.A. Шутов, В.Н. Туваев, A.A. Прозоров и др. // Молочная промышленность. - 2009. -№5. - С. 77.

4. Охлаждение молока с использованием аккумулятора естественного холода / A.A. Шутов, В.Н. Туваев // Научное управление качеством образования. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии. - Вологда — Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007. - С. 123-124.

5. Технология тепловой обработки молочного сырья нагреванием по мягкому режиму / A.A. Шутов, В.Н. Туваев // Аграрная наука -сельскохозяйственному производству. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии. - Вологда - Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008. - С. 108-111.

6. Экспериментальная установка для термизации молока-сырья / A.A. Шутов, В.Н. Туваев // Наука - агропромышленному комплексу. Том 2. Инженерные науки. Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии. -Вологда - Молочное, ИЦ ВГМХА, 2008. - С. 153-155.

7. Технологические аспекты первичной обработки молока-сырья методом термизации / A.A. Шутов // Материалы ежегодных смотр-сессий аспирантов и молодых учёных по отраслям наук: Сельскохозяйственные науки. Сборник статей. - Вологда - Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008. -

C. 84-85.

8. Оптимизация установки для термизации молока на фермах крупного рогатого скота / A.A. Шутов // Научная перспектива. - 2010. - №12. -С. 92-93.

9. Определение рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока на фермах крупного рогатого скота / A.A. Шутов // Казанская наука. - 2010. - №9 - С. 208-211.

10. Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации / A.A. Шутов // Молодой ученый. - 2010. - №12. -С. 46-48.

Ответственный за выпуск A.A. Шутов

Заказ № 61 -Р. Тираж 100 экз. Подписано в печать 04.03.2011 г. ИЦ ВГМХА 160555, г. Вологда, с. Молочное, ул. Емельянова, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Современные технологические и санитарно-гигиенические требования к качеству сырого молока.

1.2 Существующие технологии первичной обработки молока.

1.2.1 Анализ технологий первичной обработки молока на фермах.

1.2.2 Анализ существующих способов снижения бактериальной обсемененности молока.

1.2.3 Особенности способа снижения бактериальной обсемененности молока-сырья методом термизации.

1.3 Анализ средств механизации тепловой обработки молока-сырья.

Вступивший в действие 12 июня 2008 года Федеральный закон № 88 -ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» ужесточил требования к безопасности сырого молока. В основном это коснулось микробиологических показателей: количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов и числа соматических клеток в 1 см . В связи с этим сельхозпроизводители оказались в сложной ситуации. По данным департамента сельского хозяйства Вологодской области сельхозпредприятиями до вступления закона в действие в 2008 году в области произведено и сдано на молочные заводы 77% молока высшего сорта, 20% - первого сорта и 3% - второго. А уже в 2009 году показатели сортности упали до величин: 12% - высший сорт, 71% - первый сорт и 15% - второй. За 11 месяцев 2010 года в области произведено 26,9% молока высшего сорта, 67,7% - первого сорта и 5,4% - второго. Это связано с тем, что бактериальная обсемененность молока остается прежней, а требования к сортности молока повышены.

Решением проблемы высокой бактериальной обсеменённости молока-сырья, на первый взгляд, является предотвращение его загрязнения в процессе производства, первичной обработки, хранения и транспортировки на перерабатывающие предприятия. Однако часто причины бактериального загрязнения молока кроются в ухудшении экологической обстановки. Молоко, получаемое от коровы, в настоящее время часто уже является загрязнённым. В этом случае встает вопрос применения технологии, позволяющей не только сохранить качество заготавливаемого молока, но и улучшить его путём снижения начальной бактериальной обсеменённости. Повышение качества молока-сырья занимает особое место в рациональном использовании сырьевых ресурсов при их промышленной переработке.

Применяемые способы первичной обработки молока-сырья сводятся к охлаждению молока сразу после доения с целью продления бактерицидной фазы. Эти способы лишь предотвращают развитие бактерий, но не снижают их количество и не позволяют улучшить качество выдоенного молока. Из известных способов снижения бактериальной обсемененности, применяемых на перерабатывающих предприятиях, наиболее эффективным при сохранении свойств сырого молока является нагревание молока до 60-68°С с выдержкой до 30 секунд и последующим охлаждением до температуры хранения 4°С. Применение такой термизации молока, как операции в составе технологического процесса первичной обработки молока позволяет сельхозпроизводителям решить проблему качества молока-сырья, связанную с высокой бактериальной загрязнённостью и повысить сортность молока-сырья.

Применение термизации, помимо повышения качества молока, позволяет малым фермам и фермерским хозяйствам, удаленным от перерабатывающих предприятий сократить транспортные расходы за счет накопления молока для более полной загрузки молоковоза, доставки молока на переработку один раз в два дня без потери сортности молока.

Известные промышленные установки для тепловой обработки молока рассчитаны в основном для применения их на перерабатывающих предприятиях, не отвечают требованиям современного производства в условиях малых ферм из-за большой металлоемкости, сложности технического обслуживания, низкой надежности и высокого энергопотребления. Поэтому исследования по совершенствованию конструктивно-технологической схемы и определению рациональных параметров и режимов работы установки термизации молока-сырья в условиях малых ферм являются актуальными и имеют важное значение для экономики сельскохозяйственного производства.

Исследования выполнялись в соответствии с планами НИР ВГМХА им. Н.В. Верещагина по теме: «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в молочном животноводстве» с номером государственной регистрации 01.2.00311789, код 68.85.39.

Тема диссертационной работы утверждена приказом № 61-У от 18.02.2009 по ВГМХА им. Н.В. Верещагина.

Цель исследования. Повышение качества молока-сырья, производимого на фермах крупного рогатого скота, за счёт снижения бактериальной загрязнённости путём совершенствования конструктивно-технологической схемы установки термизации молока и оптимизации ее параметров и режимов работы.

Объект исследования. Установка термизации молока-сырья, предназначенная для работы в молочных линиях животноводческих ферм. Научную новизну исследований составляют:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки для термизации молока;

- теоретические предпосылки по обоснованию рабочего процесса установки термизации молока;

- математические модели рабочего процесса термизации молока, рациональные параметры и режимы работы установки термизации;

- теоретические и экспериментальные коэффициенты теплопередачи секций нагрева и охлаждения установки термизации;

- результаты производственной проверки влияния термизации молока-сырья на динамику показателей молока в процессе хранения.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Использование предложенной установки для термизации молока в технологическом процессе первичной обработки молока улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается срок хранения на ферме до отправки на переработку до двух суток. Это дает возможность сельхозпредприятиям сократить транспортные расходы при малых объемах производства за счет накопления молока до более полной загрузки. Результаты исследований использованы машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г. Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке производственных установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота (приложения А, Б). Материалы исследований используются в учебном процессе на инженерном и зооинженерном факультетах ВГМХА им. Н.В. Верещагина (приложение В).

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ФГОУ ВПО ВГМХА им. Н.В. Верещагина (2007-2009 г.); на ежегодных смотрах-сессиях аспирантов и молодых ученых по отраслям наук в ВГМХА им. Н.В. Верещагина (2008 г.) и ВоГТУ (2010 г.) в г. Вологда; на ежегодной научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ в г. Санкт-Петербург (2011 г.).

Публикации. Опубликовано 10 работ общим объемом 2 печатных листа, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки термизации молока;

- математические модели рабочего процесса термизации молока;

- математические зависимости для обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока;

- результаты испытаний влияния термизации молока сразу после доения на динамику показателей молока-сырья в процессе хранения;

- технико-экономическая эффективность использования установки термизации молока.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, пять разделов, выводы и предложения. Содержит 150 страниц основного

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В результате анализа выявлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной обработки молока-сырья с целью повышение качества молока является тепловая обработка. Выполненные исследования позволили обосновать, разработать и испытать экспериментальный образец установки термизации молока-сырья, которая значительно повышает эффективность процесса.

2. Теоретическими исследованиями получена аналитическая зависимость, позволяющая определять расчетные коэффициенты теплопередачи для установки термизации молока. Результаты экспериментальных исследований подтвердили и уточнили расчетные значения, что позволило скорректировать рациональные параметры и режимы работы установки термизации.

3. Теоретическими исследованиями нолучены: аналитические зависимости (2.68-2.73) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции нагрева установки термизации; аналитические зависимости (2.74-2.78) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции охлаждения установки термизации. Определены с помощью компьютерной программы оптимальные значения для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы - 0,032 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы — 0,7, кратность подачи горячей воды - 2,9, начальная температура горячей воды - 82°С; для секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы - 0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы - 0,7, кратность подачи холодной воды - 3,2.

4. Результаты экспериментальных исследований подтвердили основные выводы теоретических предпосылок и позволили получить математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока установки термизации (3.35) и (3.37). На основании анализа полученных моделей определены оптимальные параметры и режимы установки термизации молока для трубчатой секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы 0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи горячей воды 3, начальная температура горячей воды 82°С; для трубчатой секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы 0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи холодной воды 3,5.

5. Производственная проверка показала, что применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока позволяет: уменьшить начальное количество микроорганизмов в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший, сохранить КМАФАнМ на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, снизить количество соматических клеток в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю; предотвращает повышение кислотности при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов), не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, не изменяет группу термоустойчивости.

6. Применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для фермы с годовым объемом производства 220 тонн позволяет снизить транспортные затраты по доставке молока на переработку на 96524 руб., увеличить прибыль за счет повышения сортности молока на 325324 руб. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 412665 руб.

Исследования молока-сырья на наличие фосфотазы по ГОСТ 362373 [27] после первичной обработки предлагаемым способом при термизации и охлаждении сразу после доения показали, что целостность фермента не нарушается, тепловая обработка не выявлена. Исследования всех проб молока на термоустойчивость по алкогольной пробе согласно ГОСТ 25228-82 [25] показали, что группа термоустойчивости остается одинаковой во всех сериях опытов сразу после первичной обработки и в течение двух суток хранения при первичной обработке и базовым и предлагаемым способами. 4.3 Заключение и выводы по главе

Исследования показали, что предлагаемый способ первичной обработки молока-сырья, включающий нагрев молока сразу после доения до температуры 63°С, выдержку в течение 15 с, и немедленное охлаждение до температуры хранения 4°С:

1) позволяет уменьшить начальное количество микроорганизмов в свежевыдоенном молоке в 3-4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший;

2) позволяет сохранить КМАФАнМ сырого молока на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, что делает возможным накопление молока на малых фермах в течение двух суток до более полной загрузки молоковоза с целью сокращения транспортных затрат;

3) позволяет снизить количество соматических клеток в молоке в 5-6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю;

4) предотвращает повышение кислотности молока при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов);

5) не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, являющейся показателем отсутствия тепловой обработки сырого молока;

6) не изменяет группу термоустойчивости молока.

Таким образом, применение предложенного способа улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение его физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается возможный срок хранения его на ферме до отправки на переработку до двух суток.

5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Результаты исследований использованы техническим отделом ООО «Протемол» (г. Вологда) при разработке серийной производственной установки для термизации и охлаждения молока на фермах крупного рогатого скота, что подтверждено справкой о внедрении (приложение А).

Разработанная установка отличается низким энергопотреблением по сравнению со всеми существующими промышленными пластинчатыми и трубчатыми установками для тепловой обработки молока.

Конструкторско-техническим отделом ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) с использованием результатов исследований и полученной методики расчета разработана установка термизации молока-сырья для ферм производительностью 500 л/ч, позволяющая осуществлять нагрев молока с 36°С до 63°С ±1°С, производить выдержку в течение 15 с, охлаждать молоко до 36°С ±1°С (приложение Б). Разработанная установка позволяет с требуемой точностью выдерживать тепло-временные режимы при минимальном энергопотреблении.

Результаты научных исследований по методике расчета установки термизации и совершенствованию технологического процесса первичной обработки молока-сырья используются в учебном процессе (приложение В) инженерного и зооинженерного факультетов ФГОУ ВПО ВГМХА им. Н.В. Верещагина на кафедре механизации и электрификации животноводства при подготовке специалистов сельскохозяйственного производства.

Оценка технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока проводилась для фермы крестьянско-фермерского хозяйства в деревне Нестерово Сокольского района Вологодской области на основании производственной проверки, осуществленной в период с 1 ноября по 30 декабря 2011 года. На ферме за год производится около 220 тонн молока, которое доставляется на переработку каждый день молоковозом на расстояние 90 км. За 2010 год 75% молока было сдано первым сортом и только 25% высшим. Для данного предприятия особо актуальны проблемы повышения сортности и накопления молока до более полной загрузки молоковоза и сокращения за счет этого транспортных затрат. В настоящее время на ферме применяется схема первичной обработки молока, включающая доение в молокопровод, очистку от механических примесей рукавным и металлическим щелевым фильтрами, мгновенное охлаждение ледяной водой и хранение в теплоизолированном резервуаре до отправки на переработку (рисунок 4.1). Такая схема первичной обработки является лучшей существующей по способности максимально сохранять качество молока-сырья. Предлагаемое усовершенствование базовой схемы предполагает внедрение операции термизации молока при температуре 63 °С с выдержкой 15 секунд сразу после доения, когда молоко уже имеет начальную температуру 36°С, и дальнейшее охлаждение его холодной водой до 36°С. Данную операцию с минимальными затратами на рабочий процесс при минимальных капитальных затратах можно осуществить при использовании разработанной установки термизации с рациональными параметрами и режимами работы непосредственно перед проточным охладителем существующей на ферме схемы первичной обработки. Как показали исследования, представленные в разделе 4, предлагаемое усовершенствование базовой схемы позволяет:

1) сократить транспортные расходы за счет доставки молока-сырья с фермы на молочный завод один раз в два дня;

2) получить дополнительную прибыль за счет сдачи молока на молочный завод высшим сортом вместо первого.

Расчет технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока приведен в приложении Ж. Результаты расчета представлены в таблице 5.1 и подтверждены актом производственной проверки (приложение Е).

1. Адлер Ю. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.Б. Грановский. М.: Наука, 1976. -280 с.

2. Антроповский Н.М. Молочное оборудование животноводческих ферм / М.Н. Антроповский, Л.И. Киренков, А.Я. Салманис. — М.: Россельхозиздат, 1975.-144 с.

3. Атраментов А.Г. Совершенствование первичной обработки молока / А.Г. Атраментов. -М.: ВО «Агропромиздат», 1990. 63 с.

4. Бабин В.Н. Обоснование параметров установки первичного охлаждения молока : автореферат дис. . канд. техн. наук / В.Н. Бабин. -Новосибирск, 2007. 20 с.

5. Бабкин В.П. Механизация доения коров и первичной обработки молока / В.П. Бабкин М.: Агропромиздат, 1986. — 271 с.

6. Барановский Н.В. Пластинчатые теплообменники пищевой промышленности / Н.В. Барановский. М.: Матгиз, 1962. - 327 с.

7. Босин И.Н. Охлаждение молока на комплексах и фермах / И.Н. Босин. -М.: Колос, 1993.-46 с.

8. Бритвина Т.П. Сегодня и завтра вологодского села Электронный ресурс. / Красный север. 2010. - №9. URL: http://www.krassever.ru/pieceofnews.php?fID=12491 (дата обращения: 12.05.2010).

9. Бурыкина И.М. Научные аспекты формирования качества сырого молока (на примере Вологодской области): монография / И.М. Бурыкина. — Вологда: ИЦ ВГМХА, 2009. 112 с.

10. Ведищев С.М. Технологии и механизация первичной обработки и переработки молока: учебное пособие / С.М. Ведищев, A.B. Милованов. -Тамбов: Издательство ТГТУ, 2005. — 152 с.

11. Вессер Р. Технология получения и переработки молока / Р. Вессер: пер. с французского. М.: Колос, 1971. - 479 с.

12. Волчков И.И. Теплообменные аппараты для молока и молочных продуктов / И.И. Волчков. — М.: Пищевая промышленность, 1972. 216 с.

13. Гаврилова В. А. Емкостное оборудование молочной промышленности / В.А. Гаврилова. М.: Агропромиздат, 1978. - 184 с.

14. Гераймович О. Питание населения — бизнес или государственная политика? Электронный ресурс. / О. Гераймович // Промышленные ведомости. 2007. - №5-6. URL: http://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=l 174&nomer=43 (дата обращения: 22.09.2008).

15. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник / A.C. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская. — М.: ВО Агропромиздат, 1990. 288 с.

16. Глазнев И.Н. Разработка аппарата для гидротермической обработки молока : автореферат дис. . канд. техн. наук / И.Н. Глазнев. Москва, 2005. -20 с.

17. Гмарман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмарман. М.: Высшая школа, 1977. — 479 с.

18. Гнездилова А.И. Физико-химические и теплофизические свойства основных видов пищевых продуктов: учебное пособие / А.И. Гнездилова, H.H. Липатов, B.C. Кузнецова, В.Г. Куленко. Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007. - 104 с.

19. Голубева JI.B. Хранимоспособность молочных консервов / Л.В. Голубева, Л.В. Чекулаева, К.К. Полянский. — Воронеж: Изд-во ВГТА, 1999.- 136 с.

20. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов / К.К. Горбатова. -М.: Пищевая промышленность, 1980. 156 с.

21. ГОСТ 11.004-74. Правила определения оценки и доверительных границ для параметров нормального распределения. Прикладная статистика. — М.: Изд-во стандартов, 1974. 3 с.

22. ГОСТ 13928-84. Молоко и сливки заготовляемые. Правила приемки, методы отбора проб и подготовка их к анализу. Введ. 1986-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 4 с.

23. ГОСТ 23453-90. Молоко. Методы определения количества соматических клеток. Введ. 1991-01-01. - М.: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1990. - 6 с.

24. ГОСТ 25228-82. Молоко и сливки. Метод определения термоустойчивости по алкогольной пробе. Введ. 1983-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2004. — 4 с.

25. ГОСТ 26809-86. Молоко и молочные продукты. Правила приемки, метода отбора и подготовки проб к анализу. Введ. 1987-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2002. — 9 с.

26. ГОСТ 3623-73. Молоко и молочные продукты. Метод определения пастеризации. Введ. 1976-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 22 с.

27. ГОСТ 3624-92. Молоко и молочные продукты. Титриметрические методы определения кислотности. Введ. 1994-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 8 с.

28. ГОСТ 9225-84. Молоко и молочные продукты. Методы микробиологического анализа. Введ. 1986-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 2001.-15 с.

29. ГОСТ Р 53430-2009. Молоко и продукты переработки молока. Методы микробиологического анализа. — Введ. 2011-01-01. М.: Стандартинформ, 2009. 47 с.

30. ГОСТ Р 52054-2003. Молоко натуральное коровье-сырье. Технические условия. Введ. 2004-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 2003. — 7 с.

31. Гребер Э. Основы учения о теплообмене / Э. Гребер, С. Эрк, У. Григуль. М.: Изд-во Иностранная литература, 1958. - 568 с.

32. Гроголь В. Бактофугирование / В. Гроголь // Переработка молока. — 2004.-№2.-С. 11.

33. Дегтерев Г.П. Качество молока в зависимости от санитарного состояния доильного оборудования / Г.П. Дегтерев, A.M. Рекин // Молочная промышленность. — 2000. №5. - С. 23-26.

34. Дымар О.В. Сравнительный анализ систем охлаждения молока по их эффективности / О.В. Дымар // Вести Академии наук Беларуси. Серия аграрных наук. 2009. - №2. - С. 95-99.

35. Емельянов С.А. Обзор эффективности альтернативных методов бактериальной санации молока-сырья / С.А. Емельянов // Вестник СевКавГТУ. 2006. - №1.

36. Емельянов С.А. Разработка технологии бактериальной санации молока-сырья / С.А. Емельянов, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов и др. // Переработка молока. 2008. - №6. — С. 6-8.

37. Емельянов С.А. Технологическое обоснование и экспериментальные исследования технологических аспектов бактериальной санации молочного сырья в условиях реального биоценоза: автореферат дис. . докт. техн. наук / С.А. Емельянов. Ставрополь, 2007. — 37 с.

38. Жданов А. Качественное сырье должно быть нормой / А. Жданов // Агрорынок. 2006. - №10. - С. 8-9.

39. Жигжитов A.B. Механизация процессов доения и первичной обработки молока: учебно-методическое пособие / A.B. Жигжитов,

40. И.Б. Шагдыров. Улан-Удэ: Издательство ФГОУ ВПО "БГСХА им.

41. B.Р. Филиппова", 2008. 110 с.

42. Завадский Ю.В. Статистическая обработка эксперимента / Ю.В. Завадский. -М.: Высшая школа, 1976. — 210 с.

43. ЗАО НТКФ «АГРОЖИВМАШСЕРВИС-Технология» Электронный ресурс.: официальный сайт. — URL: http://www.pasterizator.ru/pasterl.htm (дата обращения: 21.09.2009).

44. Издание о бизнесе и технологиях. Equipnet.ru Электронный ресурс.: официальный сайт. URL: http:// http://www.equipnet.ru/equip/equip307.html (дата обращения: 15.04.2009).

45. Исаев С.И. Теория тепломассообмена: учебник для вузов /

46. C.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. под редакцией А.И. Леонтьева.- М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

47. Кафаров В.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, JI.B. Гурьев. М.: Энергоатомиздат, 1988. -192 с.

48. Кинан Д. Термодинамика / Д. Кинан. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 280 с.

49. Кириллин В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

50. Кирпичев М.В. Теория подобия / М.В. Кирпичев. М.: Изд-во АН СССР, 1953.-96 с.

51. Ковалев Ю.Н. Молочное оборудование животноводческих ферм и комплексов / Ю.Н. Ковалев. М.: Россельхозиздат, 1987. - 365 с.

52. Когилл Д. Бактериологическое качество и химические свойства молока, подвергнутого термизации / Д. Когилл, И. Мутцльберг, С. Берчь // XXI Международный молочный конгресс. Краткие сообщения. М., 1982. -Т. 1. Кн. 2.-С. 150-151.

53. Колесников М. Бактофуги в молочной промышленности / М. Колесников // Переработка молока. 2004. - №1. - С. 22-23.

54. Колесникова С.С. Отделение бактерий из молока бактофугированием / С.С. Колесникова // Молочное дело. 2008. - №1.

55. Компания «Агропром» Электронный ресурс.: официальный сайт. -URL: http://www.agroprom.ru/milk22l.html (дата обращения: 21.09.2009).

56. Конаков А, П. Техника для малых животноводческих ферм / А.П. Конаков. Тамбов: ЦНТИ, 1991.

57. Кондаков С.А. Теплоэнергетические параметры и оптимальные размеры теплообменного аппарата / С.А. Кондаков // Вестник Брянского Государственного технического университета. 2007. - №3. - С. 35-39.

58. Кузнецова Н.И. Определение экономической эффективности технологий и оборудования в животноводстве: методические указания / Н.И. Кузнецова, В.Н. Туваев, Д.Ф. Оробинский. Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2010.-34 с.

59. Кулас А. Способы увеличения срока годности молока / А. Кулас, H.H. Пасхин // Переработка молока. 2003. - №8. - С. 28-29.

60. Кутателадзе С. Основы теории теплообмена / С. Кутателадзе. \ М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

61. Маркова Е.В. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей / Е.В. Маркова, А.Н. Лисенков. М.: Наука, 1973. - 220 с.

62. Марьяхин Ф.Г. Материальные потоки в технологической линии первичной обработки молока / Ф.Г. Марьяхин, А.И. Учеваткин, В.П. Мальнев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2001. №7. -С. 15-17.

63. Махновский И.В. Первичная обработка молока и его переработка в условиях фермерских хозяйств / И.В. Махновский, A.B. Лупов // Техника и оборудование для села. — 2001. №2.

64. Мельников C.B. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / C.B. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. Л.: Колос. Ленинградское отделение, 1980. - 168 с.

65. Митропольский A.K. Техника статистических вычислений /

66. A.К. Митропольский. М.: Наука, 1971. - 576 с.

67. Михалкина Г.С. Пастеризация молока и сыворотки в суперкавитирующем аппарате роторно-пульсационного типа / Г.С. Михалкина, H.A. Соснина, В.Ф. Миронов и др. // Молочная промышленность. 1999. - №8. - С. 32—33.

68. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

69. Мохнаткин В.Г. Молочный насос многоцелевого назначения /

70. B.Г. Мохнаткин, В.М. Русских, В.Н. Шулятьев // Молочная промышленность. -2000.-№8.-С. 49-50.

71. Научно-техническая библиотека Электронный ресурс.: официальный сайт. — URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/2552.html (дата обращения: 08.09.2009).

72. ОАО «Продмаш» Электронный ресурс.: официальный сайт. URL: http://www.molmash.com.ru/production/b6op2fl.html (дата обращения: 4.05.2009).

73. ОКБ «Молочные машины русских» Электронный ресурс.: официальный сайт. — URL: http: www.mmrusskih.ru (дата обращения: 25.08.2009).

74. ООО «Протемол» Электронный ресурс.: официальный сайт. URL: http://www.protex.ru/equipment/phe/ogm.phtml (дата обращения: 23.04.2009).

75. Острецова Н.Г. Управление качеством молока-сырья в Вологодской области / Н.Г. Острецова, Л.А. Буйлова, Е.Ю. Мкртчан // Переработка молока. -2007. -№3. — С. 4-5.

76. Патент РФ 2160986, A01J9/04, F25D3/00. Способ охлаждения и устройство для его осуществления / А.И. Улитенко — заявлено 16.02.1999, опубликовано 28.12.2000.

77. Патент RU 2027372 Cl, A23C3/02. Пастеризационно-охладительная установка для тепловой обработки жидких пищевых продуктов, преимущественно молока / В.В. Ильющенко заявлено 1992.07.01, опубликовано 1995.01.27.

78. Патент RU 2186496 С2, A23C3/02. Установка для пастеризации молока / Ю.Н. Дмитриев, С.Н. Евсеев, А.Н. Колпин и др. заявлено 24.05.2000, опубликовано 10.08.2002.

79. Патент RU 2229795 С2, А01J9/02, A01J11/06, B01D27/06, B01D29/48. Фильтр для очистки жидкости / М.Р. Гусев, A.C. Пинаев, Н.С. Захаров и др. -заявлено 2002.11.04, опубликовано 2004.06.10.

80. Патент RU 2341091 Cl, A23C3/02, А23С9/00. Способ термической обработки молока / Емельянов С.А., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А. и др. -заявлено 03.05.2007, опубликовано 20.12.2008.

81. Петров Е.Б. Основные технологические параметры современной технологии производства молока на животноводческих комплексах (фермах): рекомендации / Е.Б. Петров, В.М. Тараторкин. М.: ФГУНУ «Росинформагротех», 2007. - 176 с.

82. Пушкин В.А. Энергосберегающая технология и устройство охлаждения парного молока : автореферат дис. . канд. техн. наук / В.А. Пушкин. Рязань, 2007. - 20 с.

83. Радаева И.А. Пороки органолептических свойств молочных консервов / И.А. Радаева // Переработка молока. 2008. - №5 - С. 28-30.

84. Ребрин Ю.И. Организация и планирование эксперимента Электронный ресурс. / Ю.И. Ребрин. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. URL: http://www.planovik.ru/invest/m83/l 1.htm (дата обращения: 11.04.2010).

85. Русских В.М. Система первичного охлаждения молока ОКБ «ОСКОН» / В.М. Русских // Молочная промышленность. 2003. - №11. -С. 47.

86. Рыжиков Ю.И. Работа над диссертацией по техническим наукам / Ю.И. Рыжикова. Спб.: БВХ-Петербург, 2005. - 496 с.

87. СанПиН 2.3.2.1078-01. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. М., 2002. - С. 31-38.

88. Севернев М.Н. Использование естественного холода на фермах / М.Н. Севернев, О.Н. Буляк // Техника в сельском хозяйстве. 1999. № 4. -С. 35.

89. Скржипек И. Решение качества молока с помощью микрофильтрации / И. Скржипек, М. Скржипек // Молочная промышленность. -2002.-№2.-С. 53-54.

90. Справочник по теплообменникам. Т. 1. / Пер. с англ. В 2 т. Под редакцией Б. Петухова и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с.

91. Тарасов Ф.М. Гидродинамика и теплообмен в аппаратах молочной промышленности / Ф.М. Тарасов. М.: Пищевая промышленность, 1970. — 215 с.

92. Тепел А. Химия и физика молока / А. Тепел. М.: Пищевая, промышленность, 1979. - 624 с.

93. ТУ 9811-038-02067965-2005. Молоко коровье-сырье термически обработанное. Технические условия. Введ. 2006-07-04. - Ставрополь: Ставропольский ЦСМ, 2006.

94. Улитенко А.И. Быстрое охлаждение молока на летних фермах / А.И. Улитенко, В.А. Пушкин // Молочная промышленность. 2002. - №9. -С. 29-30.

95. Улитенко А.И. Зависимость качества молока от технологии его первичной обработки / А.И. Улитенко, Э.И. Соколовский, В.А. Пушкин // Переработка молока. 2004. - №1. - С. 24-25.

96. Улитенко А.И. Оборудование для первичной переработки молока / А.И. Улитенко, В.А. Пушкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. - № 3. - С. 12-13.

97. ФГУП "МОЛМАШ" Россельхозакадемии Электронный ресурс.: официальный сайт. URL: http://www.molmash.ru/shop/UID144.htmlO (дата обращения: 11.10.2009).

98. Федеральный закон № 88 "Технический регламент на молоко и молочную продукцию". Принят Гос. Думой 23 мая 2008 года, одобрен Советом Федерации 30 мая 2008 года.

99. Фокин М. Современные технологии и оборудование для пастеризации / М. Фокин // Молочная промышленность. — 2004. №8. — С. 56-58.

100. Храмцов А.Г. Работа предприятий при ограниченный сырьевых ресурсах / А.Г. Храмцов, A.B. Оноприйко, В.А. Оноприйко // Молочная промышленность. — 2000. — №5.

101. Чубик И.А. Справочник по тепло физическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. Второе дополненное издание / И.А. Чубик, A.M. Маслов. -М.: Пищевая промышленность, 1970. 184 с.

102. Чураков М.М. Влияние микрофильтрации на содержание микрофлоры в молочном сырье / М.М. Чураков, H.A. Тихомирова // Научноеобеспечение молочной промышленности (ВНИМИ 75 лет): Сборник научных трудов. Москва: ГНУ ВНИМИ, 2004. - С. 385-390.

103. Цой В.А. Молочные линии животноводческих ферм и комплексов ВАСХНИЛ / В.А. Цой. М.: Колос, 1982. - 222 с.

104. Шутов A.A. Влияние термизации молока на его показатели / A.A. Шутов, В.Н. Туваев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. - №2. - С. 25-26.

105. Шутов A.A. Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации / A.A. Шутов // Молодой ученый. -2010.-№12.-С. 46-48.

106. Шутов A.A. Охлаждение молока с использованием естественного холода / A.A. Шутов, В.Н. Туваев, A.A. Прозоров, и др. // Молочная промышленность. — 2009. — №5. — 77 с.

107. Шутов A.A. Повышение качества молока-сырья путем использования на ферме оптимизированной установки для термизации / A.A. Шутов // Аграрная наука. 2011. - №1. - С. 29-30.

108. Jorgensen R. The microflore of the udder: interior and surface / R. Jorgensen // Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte. — 1981. V. 4. -№4.-P. 289-297.

109. Koning P. Biedt de selektie op eiwitsamenstellung perspeftieven voor de fokkerij / P. Koning, S. Korver, G. Berg. Veeteelt, 1987. - Т. 11. - P. 1136-1138.

110. Richard J. bacteriological diagnosis of hygienic shortcomings at the farm level / J. Richard // Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte. 1982. -V. 34. -№1. — P. 101-194.

111. Rowe M.T. Bacteriological quality of row milk effect on the quality of dairy products / M.T. Rowe // 7-th Agr. North. Irel. 1985. - V.60. - №8. -P. 178-210.

112. Swart G. J. The effect of thermisation on the yield and quality of Cheddar cheese / G. J. Swart // Suid-Afrikaanse Tydskrift vir Suiwelkunde. 1987. -V. 19. N.3. — P. 91-98.1.*. SOG