автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности промывки доильных установок на основе пневмомеханического интенсификатора с активными рабочими органами

На правах рукописи

Матвеев Владимир Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫВКИ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНТЕНСИФИКАТРА С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

2 4 НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005002043

Работа выполнена в Государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального

образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кирсанов Владимир Вячеславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Юрий Григорьевич

кандидат технических наук Зеленцов Анатолий Иванович

Ведущая органнзац

Защита дисс часов на заседании Федеральном гос/, учреждении высшег государственный Горячкина» по адре д. 16а, корпус 3, конф

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ

ертации состоится «19» декабря 2011 г. в 13.00 диссертационного совета Д 220.044.01 при 'дарственном бюджетном образовательном э профессионального образования «Московский 1гроинженерный университет имени В.П. :у: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, еренц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «/Г"» ноября 2011 г. и размещен на сайте ВАК http: // vak.ed.gov.ru (referatvak@ministri.ru) / « ноября 2011г. -

Ученый секр диссертацио доктор техш

етарь

яного совета гческих наук, профессор,

<JVО А.Г.

Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Проблема продовольственной безопасности для современного общества, несомненно, является одной из важнейших. Молоко и молочные продукты являются необходимой и очень важной составляющей здорового и полноценного питания человека. В молоке содержатся все необходимые растущему молодому организму питательные вещества, а некоторые из них просто незаменимы.

Большую часть поголовья в России содержат на привязи, осуществляя доение на линейных доильных установках в стойловый молокопровод или переносные ведра. Около 40% молочных ферм оснащены устаревшими доильными установками АДМ-8А с доением в молокопровод. На таком оборудовании получить молоко с высокими санитарно-гигиеническими показателями достаточно затруднительно. В последнее время зарубежные производители и некоторые отечественные фирмы предлагают использовать современные доильные установки с увеличенным диаметром молокопровода из нержавеющей стали, оборудованные программируемыми автоматами промывки, которые обеспечивают получение высококачественного молока. Однако, для осуществления эффективной мойки такого оборудования необходимы дополнительные затраты энергии и моющих средств, что удорожает процесс производства молока. К тому же, современные автоматы промывки являются весьма дорогостоящими, поэтому поиск альтернативных способов качественной очистки молокопроводов доильных установок является, несомненно, актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества промывки молокопроводов доильных установок на основе создания усовершенствованной гидромеханической системы очистки, снабженной подвижным устройством с активными рабочими органами.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

- провести анализ существующих способов и систем промывки доильных установок;

- провести теоретические исследования процесса промывки доильных установок;

исследовать режимы и технические средства интенсификации гидромеханической очистки молокопроводов;

- провести экспериментальные исследования нового способа промывки доильных установок;

- обосновать экономическую эффективность предложенных технико-экономических решений.

Объект исследования. Объектами исследований являются: технологический процесс и системы промывки молокопроводов доильных установок.

Методы исследования. Методы исследования включают: факторный анализ качества промывки доильного оборудования, методы исследования движения газожидкостных смесей в трубопроводах доильных установок, методы определения аэродинамических характеристик приводного устройства с активными рабочими органами

Научная новизна исследований:

- теоретические основы процесса интенсификации гидромеханической циркуляционной промывки молокопроводов доильных установок;

- аналитические зависимости определения основных параметров функционирования усовершенствованной системы

промывки молокопр - метод

зводов увеличенного диаметра; и технология очистки молокопровода с использованием механического интенсификатора с активными рабочими органами. ■

Практическая ценность работы. Разработаны новые

способы и новые эффективность про

технолого-технические решения повышающие змывки доильных установок, качество очистки оборудования и получаемого молока, а так же снижающие удельные затраты энергии, труда и моющих средств.

Основные положения выносимые на защиту:

метод определения основных гидромеханических характеристик пробкового режима движения газожидкостной смеси в молокопроводе доильной установки при ее промывке;

- новый способ промывки доильной установки на основе использования пневмомеханического интенсификатора с активными рабочими органами;

- метод определения аэродинамических характеристик приводного элемента пневмомеханического интенсификатора очистки молокопроводов доильных установок;

результаты теоретических и экспериментальных исследований новой технологии очистки молокопроводов с применением механического интенсификатора.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14-ти научных работах (из них 3 в журналах ВАК) и доложены на XIII Международной научно-практической конференции» (3-6 октября 2008 года, ГОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно-экономический институт), на XIV Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (15-19 февраля 2009 года, Министерство образования Нижегородской области), на Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика РАСХН В.А. Добрынина (15-17 мая 2009 года) «Проблемы становления и развития аграрной экономики», на XV Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (15-19 февраля 2010 года, Министерство образования Нижегородской области), на XVI* Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (14-17 февраля 2011 года, Министерство образования Нижегородской области), на XIV Международной научно-практической конференции (20-21 апреля 2011 года, г. Подольск — ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства) «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли», на третьем молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (12-15 мая 2011 года, г. Ульяновск - ФГОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: 3 в сборниках международных научно-практических конференций, 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного текста и содержит 50 рисунков, 15 таблиц и библиографический список из 130 наименований, из них 16 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение изложены актуальность проблемы, научная новизна, практическая ценность, представлены сведения об апробации, публикациях, объеме и структуре работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены современные требования к качеству заготовляемого молока, подчеркивается значение высокого санитарного состояния доильных установок, проанализированы существующие технологии и технические средства промывки доильных установок, рассмотрены основные факторы, влияющие на качество очистки и санитарного состояния молокопроводов. Проанализированы работы ведущих отечественных и зарубежных ученых, разработки фирм, в области доильного оборудования. Среди них следует отметить работы Р.Г. Алагезяна, И.И. Архангельского, Ю.И. Беляевского, В.И. Березуцкого, А.Е. Брагиной, Г.П. Деггерева, Б.А. Доронина, A.M. Жмырко, Ю.П. Золотина, А.И. Зеленцова, Ю.Г.' Иванова, Л.П. Карташова, В.В. Кирсанова, П.А. Курунина,' Р.А. Мамедовой, В. Моора, В.В. Молочникова, Ф.В. Неволина' С В Харькова, Ю.А. Цоя, R.S. Gates, D.J. Reinemann и др.

Ведущие отечественные и зарубежные производители доильной техники: НПП «Фемакс» (Россия), ОАО «Кургансельмаш» (Россия), «De-Laval» (Швеция), «Westfalia Surge» (Германия), «SAC» (Дания), «Fullwood» (Англия) и др.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Теоретическое исследование работы системы мойки молокопроводов доильных установок» исследованы основные факторы, влияющие на качество очистки молокопроводов доильных установок. Отмечена особая значимость влияния гидромеханических факторов на интенсивность процесса промывки доильных установок.

Исследования ряда отечественных и зарубежных ученых показали, что после контакта с молоком на поверхности оборудования остаются загрязнения в виде пленки, содержащей молочный жир, белки и минеральные соли. В пленке можно выделить два слоя загрязнений: пристенный и основной.

Согласно Дегтереву Г.П., Доронину Б.А. и другим ученым прочность пристенного слоя характеризуется силами сцепления жировых шариков между собой и силами прилипания их к поверхности оборудования, а условие, при котором произойдет отделение жирового

шарика от поверхности молокоггровода под действием энергии потока моющей жидкости, имеет вид:

РДа>а,_3(1 +созв^ (1)

где Е - касательная сила трения, действующая на шарик со стороны потока жидкости, Н; Да - путь сдвига жирового шарика, м; 01_з - межфазная энергия на границе молочный жир - моющий раствор, Дж/м2; в - краевой угол смачивания (между вектором 0,.3 по касательной к жировому шарику и поверхностью молочного оборудования), град.; - приращение площади контакта жирового шарика с поверхностью молочного оборудования на пути сдвига Аа, м2.

Карташов Л.П., Кирсанов В.В., Цой Ю.А. и другие отмечают, что большое внимание при проектировании молокопроводов доильных установок (особенно протяженных) уделяется режиму их промывки. Молокопровод, как правило, изготавливают из термостойкого стекла или нержавеющей стали с высокой степенью чистоты обработки внутренней поверхности, поскольку имеющиеся в молоке загрязнения, а также молочный жир и сгустки белка должны эффективно смываться с поверхности трубы.

При обслуживании молокопровода необходимо создать «пробковый» режим движения жидкости для промывки труб большого диаметра 1,5 - 2" для чего некоторые фирмы используют воздушные инжекторы для впуска воздуха в трубу с целью интенсификации работы системы промывки.

При этом основной научной и практической задачей является определение соотношения расходов воздуха и жидкости на границе раздела фаз при определенном коэффициенте наполнения трубы.

В результате проведенных теоретических исследований получены основные уравнения для схем с инжекторным впуском воздуха (рис. 1, 2) и предварительным накоплением моющей жидкости.

Рис. 1. Схема циркуляционной промывки молокопровода с инжектированием воздуха

1 - молокопровод; 2 - молокоприемник; 3 - промывочный трубопровод; 4-воздушный инжектор; 5-разделительный кран

Рис. 2. Схема циркуляционной промывки молокопровода с предварительной аккумуляцией промывочной жидкости

1 - молокопровод; 2 - молокоприемник; 3 - промывочный трубопровод, 4-бак; 5, б - управляемые вентили; 7 -разделительный кран; 8 - блок управления; 9-шланг

Основной задачей является определение соотношения расхода воздуха и расхода жидкости при определенном коэффициенте наполнения трубы. При этом, расход жидкости 0„, должен быть меньше расхода насэса молокоприемника 0р.

<?, - расход промывочной жидкости от доильных аппаратов.

Скорость распространения волны с небольшим допущением можно принять равной относительной скорости воздуха на поверхности раздела фаз воздух - молоко.

V в

где от - средняя скорость потока воздуха относительно потока жидкости, м/с;

(1)

/=|

у В __уП _у

у отн ~ у в у .

- п ж

(2)

раздела фаз, м/с;

- скорость промывочной жидкости на поверхности

скорость воздуха на поверхности раздела фаз, м/с.

Скорость распространения волны с учетом выражения (2) окончательно будет иметь вид:

с = -V«) (3)

„вш

где Чтр - коэффициент трения воздуха о молоко или промывочную жидкость на границе раздела фаз.

Скорость движения жидкости на поверхности раздела фаз окончательно запишется:

^ (4)

п 4

N3 - модуль скорости при коэффициенте наполнения трубы а

Н/с1м;

п - коэффициент шероховатости трубы (п - 0,013); с!м - диаметр молокопровода; 1 - величина гидравлического уклона.

Подставляя значение высоты волны, уравнение для V" окончательно будет выглядеть:

V" = —+ 1А )1/б ПГ777

Тогда расход воздуха <3В через инжектор можно определить следующим образом:

С>в = 1,5 Ув сов (6)

где сов - площадь живого сечения воздушного потока газожидкостной смеси.

В настоящее время, все современные доильные установки снабжены автоматами промывки, повышающими эффективность их очистки. При этом, следует отметить значительный расход воды и моющих средств, используемых для промывки оборудования. Так

п

рекомендуемые вместимости большинства автоматов промывки составляют 150...200 литров, что предполагает при 3-х фазном цикле последоильной промывки (ополаскивание - мойка - ополаскивание) как минимум расход 500-600 л воды, не считая преддоильного ополаскивания холодной водой. Весьма значителен и годовой расход моющих средств, исчисляемый сотнями килограммов.

При интенсификации гидромеханического фактора очистки одним из перспективных методов является разработка устройства с вращающимися рабочими органами.

Немецкой фирмой Kieselmann Anlagenbau GmbH было разработано устройство «двукомплексная система механической очистки трубопроводов» (рис. 3). Оно вытесняет продукт из трубопроводов перед проведением безразборной мойки на молокозаводах, а так же может использоваться в молокопроводах доильных установок.

;

^ . ... ■ . ,, Рис. 3. Скребок фирмы Кизельманн Для повышения функциональных характеристик пробковых очистителей, нами была поставлена задача разработать устройство с вращающимся «пыжом», которое совершало бы как поступательное, так и вращательное движения, создавая эффект «щетки», самого эффективного очистителя различных поверхностей. При этом возможны различные варианты привода очистителя: электрический, гидравлический и пневматический. Наиболее естественным является пневматический привод от движущегося потока воздуха, под действием разряжения создаваемого в молокопроводе. Нами было разработано устройство с активными рабочими органами для очистки молокопровода, состоящее из приводного элемента, соединительного звена и устройства очистки (рис. 5).

Теоретически данное устройство может быть рассчитано на основе теории осевых вентиляторов и винтовых двигателей, создающих воздушный поток вращающимся винтом (рис. 4).

Рис. 4. Кольцевая струйка в проточной части вентилятора

В рассматриваемом нами случае решается обратная задача, когда приводной элемент, воспринимая воздушный поток, заставляет вращаться чистящее устройство (пыж), имеющее внутренние каналы для отвода воздуха. При этом «пыж» под действием перепада давлений совершает так же поступательное движение по трубопроводу. В этом случае моющий раствор нужен только для «смазывающего» эффекта, который будет вращаться вместе с пыжом, совершая винтовое движение и эффективно очищая внутреннюю поверхность молокопровода.

1п

и и .и

Рис. 5. Схема расчета устройства очистки молокопровода 1 - приводной элемент; 2 - соединительное звено; 3 -устройство очистки

Воздушный поток «<3», воздействует на приводной элемент (1), выполненный в виде лопастного вентилятора создает вращательный момент «Мвр», который через соединительное звено (2), приводит во вращательное движение устройство очистки - пыж (3), в котором выполнены внутренние каналы для прохода воздушного

потока. Очевидно, что справа от устройства в трубопроводе действует вакуумметрическое давление Рвак, а слева устройства на входе трубопровода будет атмосферное давление Рата. Скорость воздушного потока, поступающего на приводной элемент, будет пропорциональна разности давлений (Ратм - рвак).

Энергия с!Е, подведенная в абсолютном движении элементами лопат°к рабочего колеса к элементарному секундному объему возДуха <1(5, равна сумме секундной работы сил давления сШдав, приращения кинетической энергии (1Ет, секундной массы с!ш и потерь механической энергии с1Е1р, связанных с вязкостью воздуха, т.е.:

<1Е = ¿ЕЬав + йЕкин + <1Елр (7)

Условие вррщения запишется следующим образом:

Мвр > Мс (8)

где Мвр,:

. Мс - соответственно вращательный момент, создаваемый приводным элементом и момент сопротивления потока.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» разработана программа и методика экспериментальных исследований, включающая:

- разработку усовершенствованной технологии механической очистки внутренней поверхности молокопроводов доильных установок;

- экспериментальную проверку сходимости теоретических и опытных данных;

! - определение основных параметров работы механического интенсификатора очистки трубопроводов с активными рабочими органами.

Исследования проводились в ГОУ ВПО Нижегородском государственном инженерно-экономическом институте на кафедре механизации сельского хозяйства, химии и экологии на фрагменте доильной установки УДМ-200 с увеличенным диаметром молокопровода. В фрашенте предусмотрены вставки в молокопроводе для нанесения загрязнений, имитирующих белково-жировую пленку после доения, и контроля качества мойки молокопровода с использованием устройства очистки с активными рабочими органами

В четвертой главе «результаты экспериментальных исследований мойки молокопровода» приведены результаты экспериментальных исследований системы промывки молокопровода.

Результаты кинематических характеристик чистящего устройства показывают:

1. Скорость линейного и частота вращательного движения напрямую зависит от вакуумметрического давления (рис. 6), а оптимальное разряжение составляет 20 кПа.

¡у ум метр и ческое давление, кПа

Рис. 6. Зависимость скорости линейного и частоты вращения чистящего устройства от вакуумметрического давления 1 - частота вращения, мин"1; 2 - линейная скорость, м/с

2. С увеличением диаметра отверстий увеличивается частота вращения устройства очистки (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость частоты вращения приводного элемента от диаметра отверстий воздухопроводных каналов

3. Частота вращения чистящего устройства от вида материала практически не зависит, и изменяются в незначительных пределах (рис. 8).

250

= 200 Е

| 150 г

5-100

15 20 25

Разряжение, кПа

Рис. 8. Влияние) вида материала на частоту вращения устройства

очистки

1 - щетина!; 2 - поролон; 3 - резина

Исследуя приводного устрой

влияния различного количества лопастей тва (рис. 9) установили, что оптимальным является

- три лопасти, с угсом атаки в диапазоне 0 ... + 4°.

Рис. 9. Зависимость частоты вращения от количества лопастей приводного элемента 1 - 2 лопасти; 2-3 лопасти; 3-4 лопасти; 4-6 лопастей; 5-8 лопастей; 6-10 лопастей

Из графика видно, что 3-х лопастной вентилятор является наиболее эффективным.

В пятой главе «Производственные испытания и экономическая эффективность результатов исследования» приведены результаты производственной проверки работы экспериментального устройства очистки и уточнена технология очистки молокопровода диаметром 52 мм. Результаты экспериментальной технологии мойки молокопровода в сравнении с мойкой приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики промывки молокопровода по

уточненной технологии

Технология промывки молокопровода

Технологическая операция Технология завода изготовителя, продолжительности мин Уточненная технология, продолжительность, мин

1. Предварительное ополаскивание теплой (30-40°С) водой 5-10 мин 5-10 мин

2. Циркуляционная мойка щелочным раствором при температуре 60-70°С или кислотным раствором при температуре 50-70°С (всей линии) 25-30 минут 7-10 мин (только контур доильных аппаратов)

3. Очистка экспериментальным устройством с активными рабочими органами 10-15 мин (контур молокопровода с небольшим количеством моющего раствора)

4. Ополаскивание водой 5-10 мин, до полного удаления моющего раствора 3-5 мин, до полного удаления моющего раствора

Пункты 2 и 3 выполняются одновременно.

Полученные результаты расчета экономической эффективности показывают, что применение устройства очистки с активными рабочими органами позволяет получить годовой экономический эффект в размере 439,9 рублей на 1 корову, за счет сокращения расхода моющих средств и энергии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существующие системы циркуляционной промывки молокопроводов доильных установок не позволяют в полной мере обеспечить эффективную его очистку от механических и белково-жировых загрязнений из-за большой поверхности и значительного количества стыковых соединений. Для интенсификации гидромеханического фактора очистки целесообразно использовать воздушные инжекторы или специальные подвижные устройства с активными рабочими органами.

2. Основными факторами интенсификации режимов промывки являются скорость движения и температура моющего раствора. Для получения требуемой пробковой структуры движения газожидкостной смеси в молокопроводе, необходимо через определенные промежутки времени инжектировать соответствующий объем воздуха определяемый по зависимости (6). '

3. Новые технологические схемы промывки молокопроводов доильных установок с инжекторным впуском воздуха и предварительной аккумуляцией промывочной жидкости, повышают интенсивность промывки системы, обеспечивая пробковую структуру движения моющего потока жидкости, при этом основными параметрами являются: расход промывочной жидкости, средняя относительная скорость потока воздуха, скорость распространения трохоидальной волны, скорость движения жидкости на поверхности раздела фаз, расход воздуха.

4. Получены аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь конструктивно-режимных параметров механического интенсификатора промывки (числа лопаток, угла наклона, окружной скорости и др.) от расхода воздуха и величины разрежения в вакууммируемом очищаемом молокопроводе, а также уравнения для вращательного движения рабочего органа устройства очитки.

5. Исследование кинематических режимов работы чистящего устройства покали, что частота вращения приводного элемента линеино возрастает от 0 до 210 мин1, линейная скорость движения - от 1,09 до 0,21 м/с, при изменении величины разряжения от 5 до 75 кПа.

6. Оптимальными параметрами приводного элемента являются:

- угол атаки лопасти 0...+40;

- трехлопастное исполнение.

7. В сравнении с традиционными технологиями промывки новая технология обеспечивает сокращение продолжительности

промывки, расхода моюще-дезинфицирующих средств и энергии в 1,52 раза.

8. Использование предлагаемой системы мойки позволит повысить качество сдаваемого молока и обеспечить годовой экономический эффект в размере около 40000 рублей на установке типа УДМ-100 или около 400 руб/гол.

Рекомендации по использованию результатов исследований

Полученные результаты рекомендуется использовать в научно-исследовательских, проектно-конструкторских и

производственных организациях, занимающихся разработкой и изготовлением доильного оборудования, а так же в учебном процессе при подготовке инженерных кадров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

uj' МатТ\ ВЮ- Энергоэффективная система промывки молокозаводов доильных установок/В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвеев //

t./0jZn.) " °б0РУд0вате для села- ~ 20'Мб ~ С. 20-21(0,34

2. Матвеев В.Ю. Устройство для очистки мопокопроводов /В В «г'^Т^пУатвеев//Ж: ^«Механизатор. 201,

j и-31, JJ. (О,32 П.Л./0,16 пл.)

3. Матвеев В.Ю. Параметры устройства для очистки молокопроводовдотьшхустановок / В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвей//

п'л/О^Гпл) U Руд0вШП'е для сеш ~ 2011- - С. 24-26 (0,36

4. Патент № 100361 U1 РФ МПК A01J 7/02 Устройство для

Филонов Тю°МР°в0д0в дГЫ<ЫХ УС'ПаН0(ЮК / В В- Р Ф-

Филонов, В.Ю. Матвеев; - Заяв. 27.06.2010; Опуб. 20.12.2010. Бюл. №

ГТекст1 М/аТВПе£ДВ'?л С0Време""Ые Технологи" производства молока Иекст] / В.Ю. Матвеев, P.A. Смирнов // Материалы ХШ

международной научно-практической конференции молодТучен^

Социально-экономические проблемы развития регионов в

—- ^ловйях. - г. Княгинино: НГИЭИ - 2008. С 137-139 (0,2

УстановокаАЛМ8ВЮ' СовеРше"с—»е производства доильных установок АДМ-8 с использованием новой технологической схемы

молокопровода [Текст] / в.Ю. Матвеев // МатериГы 5iv Нижегородской сефии молодых ученых (техническиГна"и) ™ Н.Новгород: 2009 г. ¡С. 16 (0,2 п.л.) У

7. Матвеев В.ЦО. Зависимость качества молока от доильного оборудования [Текст] / В.Ю. Матвеев, С.А. Сидоров // МатепиГы

лГГсГнТпо НауЧ"°-"Р—« конференцш, посвящешюй

стаТял^Г Р ДСНИЯ аКаДШИКа РАСХН ВА" Добрынина: Проблемы

ЖГ-Го^ ~гКнягинино: нгиэи -

ко„1ляМГГ В Ю' АНаЛИЗ УС1Р°ЙСТВ' «Радназначенных для контроля за процессом доения Текст] / В.Ю. Матвеев // Матепиалы

леГюУГоТяН17'ШО'ПРаКТИЧеСКОЙ иосв^щеГГ 85

ста овЛе„Ги1п ИЯ аКЗДеМИКа РАСХН В-А" Д°брынина: Проблемы

2?09 80 (0?пГ)а1РаРН ЭК0Н0МИКИ" - П Кня"™ НГИЭИ -

9. Матвеев В.Ю. Улучшение очистки доильных линий с использованием специальных устройств [Текст] / В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвеев П XVI нижегородская сессия молодых ученых: технические науки. - г. Н.Новгород: 2011 г. С. 49-52 (0,4/0,2 п.л.)

10. Матвеев В.Ю. Интенсификация и энергосбережение в системах промывки молокопроводов доильных установок [Текст] / В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвеев // Сб. научн. трудов. Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли: Т. 21, Ч. 4. - М.: ВНИИМЖ, - 2011. С. 9-14 (0,2 п.л./0,1 п.л.)

11. Матвеев В.Ю. Теоретическое обоснование механического устройства с активным рабочим органом для очистки молокопроводов доильных установок [Текст] / В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвеев // Сб. научн. трудов. Научно-технический прогресс в животноводстве -инновационные технологии и модернизация в отрасли: Т. 21, Ч. 4. — М.: ВНИИМЖ, - 2011. С. 9-14 (0,36 п.л./0,18 п.л.)

12. Матвеев В.Ю. Теоретическое обоснование интенсификации режимов промывки молокопроводов доильных установок [Текст] / В.В. Кирсанов, В.Ю. Матвеев // Сб. научн. трудов. Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли: Т. 21, Ч. 4. - М.: ВНИИМЖ, - 2011. С. 9-14 (0,3 пл./0,15 п.л.)

Сдано в набор 11.11.2011. Подписано в печать 14.11.2011. Формат 60x90, 1/|16. Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman Усл. печ. л. 1,(16. Уч.-изд. л 1,00. Тираж 100 экз. заказ 111.

Отпечатано в типографии НГИЭИ в полном соответствии с предъявленным оригинал-макетом 606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»

04.2.0 1 2 5 0 4 23 Правах рукописи

Матвеев Владимир Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫВКИ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНТЕНСИФИКАТОРА С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.В. Кирсанов

Москва-2011

СОДЕРЖЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЕДОВАНИЯ....................9

1.1. Влияние процесса промывки доильного оборудования на получение высококачественного молока......................................................... .9

1.2. Характеристика технологических линий промывки доильных установок и агрегатов...................................................................14

1.3. Основные требования к режимам промывки молокопроводов доильных установок....................................................................27

1.4. Направления совершенствования процесса промывки доильных установок.................................................................................32

1.5. Выводы и задачи исследований.................................................35

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЫВКИ МОЛОКОПРОВОДОВ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК............................37

2.1. Закономерности процесса очистки молокопровода от загрязнений....37

2.2. Исследование и обоснование принципиальных схем и режимов интенсификации промывки молокопроводов.....................................49

2.3. Исследование и обоснование параметров механического устройства

промывки с активными рабочими органами......................................62

2;4. Выводы...............................................................................76

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСЛЕДОВАНИЙ.......................................................................78

3.1. Общая программа и методика исследований................................78

3.2. Описание устройства и экспериментальной установки...................79

3.3. Частные методики экспериментальных исследований....................83

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СИСТЕМЫ МОЙКИ МОЛОКОПРОВОДА.......................................94

4.1. Результаты исследования кинематических характеристик чистящего устройства...............................................................................94

4.2. Результаты исследования зависимости частоты вращения устройства очистки от количества лопастей приводного устройства

и угла атаки..............................................................................101

4.3. Результаты исследования температурного режима, количества моющего раствора и времени промывки.........................................103

4.4. Выводы.............................................................................109

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВИССЛЕДОВАНИЯ................................................110

5.1. Производственные испытания усовершенствованной технологии очистки молокопровода с применением устройства с активными рабочими органами.................................................................................110

5.2. Оценка экономической эффективности результатов исследований... 115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.......................................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................123

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Проблема продовольственной безопасности для современного общества, несомненно, является одной из важнейших. Молоко и молочные продукты являются необходимой и очень важной составляющей здорового и полноценного питания человека. В молоке содержатся все необходимые растущему молодому организму питательные вещества, а некоторые из них просто незаменимы. Согласно медицинским нормам, потребление молока на 1 человека в год должно составлять 360-380 литров, при этом в России этот показатель находится в пределах 245 литров, Беларуси — 600, Украине - 375.

Таким образом, проблема увеличения производства высококачественного молока является важнейшей государственной задачей, предусмотренной в- Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков на 2008.. .2012 годы.

Качество заготовленного на фермах молока определяет его технологические свойства, как сырья для дальнейшей переработки, при этом, важнейшими показателями являются: количество соматических клеток, кислотность и бактериальная обсемененность, Последние напрямую зависят от санитарного состояния доильных установок и оборудования для охлаждения молока.

В условиях рыночной экономики от качества сдаваемого молока зависит его стоимость при реализации, что обусловлено более высокими ценами на молоко высшего сорта, которое используемое при производстве продуктов для детского питания, высококачественных бифидопродуктов, твердых сыров.

Качество молока постоянно контролируется как поставщиком, так и переработчиком. Средства и методы контроля различных показателей регламентируются следующими основными документами: «Санитарные правила и нормы производства молока», ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко

натуральное коровье — сырье. Технические условия»; «Ветеринарное законодательство» и федеральным законом Российской Федерации № 88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» от 12 июня 2008 г. с изменениями от 28 июля 2011 г.

Большую часть поголовья в России содержат на привязи, осуществляя доение на линейных доильных установках в стойловый молокопровод или. переносные ведра. Около 40% молочных ферм оснащены устаревшими доильными установками была АДМ-8А с доением в молокопровод. На таком оборудовании получить молоко с высокими санитарно-гигиеническими показателями чрезвычайно затруднительно. В последнее время зарубежные производители и некоторые отечественные фирмы (НЛП «Фемакс») предлагают использовать современные доильные установки с увеличенным диаметром молокопровода из нержавеющей стали, оборудованные программируемыми автоматами промывки, которые обеспечивают циркуляционную промывку оборудования. Однако, для осуществления качественной мойки такого оборудования необходимы дополнительные затраты энергии и моющих средств, что удорожает процесс производства молока. К тому же, современные автоматы промывки являются весьма дорогостоящими, что предполагает необходимость поиска альтернативных способов качественной очистки молокопроводов доильных установок является, несомненно, ставя эту задачу в разряд актуальных. >

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества промывки молокопроводов доильных установок на основе создания усовершенствованной гидромеханической системы очистки, снабженной подвижным устройством с активными рабочими органами.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

- провести анализ существующих способов и систем промывки доильных установок;

провести теоретические исследования процесса промывки доильных установок;

- исследовать режимы и технические средства интенсификации гидромеханической очистки молокопроводов;

- провести экспериментальные исследования нового способа промывки доильных установок;

- обосновать экономическую эффективность предложенных технико-экономических решений.

Объект исследования. Объектами исследований являются: технологический процесс и системы промывки молокопроводов доильных установок.

Методы исследования. Методы исследования включают: факторный анализ качества промывки доильного оборудования, методы исследования движения газожидкостных смесей в трубопроводах доильных установок, методы определения аэродинамических характеристик приводного устройства с активными рабочими органами

Научная новизна исследований:

- теоретические основы процесса интенсификации гидромеханической циркуляционной промывки молокопроводов доильных установок;

- аналитические зависимости определения основных параметров функционирования усовершенствованной системы промывки молокопроводов увеличенного диаметра;

- метод и технология очистки молокопровода с использованием механического интенсификатора с активными рабочими органами.

Практическая ценность работы. Разработаны новые способы и новые технолого-технические решения повышающие эффективность промывки доильных установок, качество очистки оборудования и

получаемого молока, а так же снижающие удельные затраты энергии, труда и моющих средств.

Основные положения выносимые на защиту:

- метод определения основных гидромеханических характеристик пробкового режима движения газожидкостной смеси в молокопроводе

I

доильной установки при ее промывке;

- новый способ промывки доильной установки на основе использования пневмомеханического интенсификатора с активными рабочими органами;

- метод определения аэродинамических характеристик приводного элемента пневмомеханического интенсификатора очистки молокопроводов доильных- установок;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований новой технологии очистки молокопроводов с применением механического интенсификатора.

Внедрение результатов исследований. Усовершенствованная система промывки молокопровода доильной установки апробирована в производственных условиях и внедрена на молочно-товарной ферме СПК «Новый путь» Пильнинского района Нижегородской области и в учебном процессе ГОУ ВПО НГИЭИ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14-ти научных работах (из них 3 в журналах ВАК) и доложены на XIII Международной научно-практической конференции» (36 октября 2008 года, ГОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно-экономический институт), на XIV Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (15-19 февраля 2009 года, Министерство образования Нижегородской области), на Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика РАСХН В.А. Добрынина (15-17 мая 2009 года) «Проблемы становления и развития аграрной экономики», на XV

Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (15-19 февраля 2010 года, Министерство образования Нижегородской области), на XVI Нижегородской сессии молодых ученых: технические науки (14-17 февраля 2011 года, Министерство образования Нижегородской области), на XIV Международной научно-практической конференции (20-21 апреля 2011 года, г. Подольск - ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства) «Научно-технический прогресс в животноводстве — инновационные технологии и модернизация в отрасли», на третьем молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (12-15 мая 2011 года, г. Ульяновск - ФГОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: 3 в сборниках международных научно-практических конференций,1- 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного текста и содержит 50 рисунков, 15 таблиц и библиографический список из 130 наименований, из них 16 на иностранном языке.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние процесса промывки доильного оборудования на получение высококачественного молока

Для повышения и контроля качества молока разработан и внедрен Федеральный закон Российской Федерации от 12 июня 2008 года № 88-ФЗ' «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» [103] с изменениями от 22 июля 2010 года и 28 июля 2011 года, который-предъявляет более жесткие требования к качеству молока по сравнению с Государственным стандартом на заготавливаемое молоко ГОСТ Р 520542003 «Молоко натуральное коровье-сырье. Технические условия» [34], действующим ранее. Согласно действующему стандарту сдаваемое молоко подразделяется на сорта по ряду показателей, представленных в табл. 1-. 1.

По данным Г.П. Дегтерева и A.M. Рекина [42] молоко из соска* вымени выходит практически стерильным (за исключением первых струек, образующих «микробную пробку», которые необходимо сдаивать в отдельную посуду). По мере продвижения по молокопроводящим путям доильного оборудования происходит бактериальное обсеменение молока и изменение его физико-химических состав.

Б.А. Доронин [46], Г.П. Дегтерев [39,46], C.B. Харьков [107] и др. [15, 16, 24, 48, 54, 79, 111] установили, что изменение исходных свойств молока возможно только при численности микроорганизмов свыше 200 тыс/см3 и отчетливо проявляются при численности микроогрганизмов свыше 1 млн/см3.

Несомненно, молоко является благоприятной средой для размножения бактерий. Для того, чтобы получить данные о качестве и питательной ценности молока, его исследуют на чистоту, плотность, кислотность, содержание жира и белка, а также бактериальную обсемененность [23].

Большое влияние бактериальной обсемененности на качество молока отмечается в опубликованных работах отечественных и зарубежных исследователей [11, 15, 16, 17,39,54,79, 109, 116, 117, 119, 120].

Таблица 1.1

Требования к качеству молока по Федеральному закону РФ № 88-ФЗ

Наименование показателя Нора для сорта молока

Высшего Первого Второго

Консистенция Однородная жидкость без осадка и хлопьев. Замораживание не допускается

Вкус и запах Чистый без посторонних запахов и привкусов, не свойственных свежему натуральному молоку

Допускается в зимнее-весенний • период слабовыраженный кормовой привкус и запах

Цвет От белого до светло-к] ремового

Кислотность, °Т От 16,00 до 18,00 От 16,00 до 18,00 От 16,00 до 20,99

Плотность с м.д. жира 3,5%, кг/м3, не менее 1027,0 1027,0 1027,0

Группа чистоты, не ниже I I II

КМАФАнМ, КОЕ/см3 (г), не более 1 • 105 5 • 105 4- 106

Масса продукта (г, см3) в которой не допускаются патогенные микроорганизмы 25 25 25

Содержание соматических о клеток в 1 см (г), не более 4- 105 1 • 106 1 • 106

Температура замерзания, °С Не выше минус 0,520

Согласно исследованиям Ю.А. Цоя [111], наибольшее влияние на бактериальную обсемененность оказывают санитарное состояние доильного оборудования и охлаждение молока. Причины бактериальной обсемененности можно оценйть по табл. 1.2.

Таблица 1.2

Основные причины бактериальной обсемененности молока

№ п/п Источник бактериального обсеменения Кол-во бактерий в 1 мл

1 Не производится сдаивание первых струек 100-1000

2 Воздушная среда в коровнике 100-1500

3 Загрязненное вымя 500-15000

4 Недостаточная мойка и дезинфекция доильного и молочного оборудования 500000

5 Недостаточное охлаждение молока 500000 -

Если же санитарное состояние доильного оборудования неудовлетворительное, то даже глубокое охлаждение молока не принесет ожидаемых результатов.

В эксплуатационной документации доильных установок [11, 20, 57, 69] предусмотрены следующие виды технического обслуживания:

- ежедневное техническое обслуживание (ЕТО) - перед и после каждой дойки;

- техническое обслуживание (ТО-1) - 1 раз в месяц;

- техническое обслуживание (ТО-2) — 1 раз в год.

Наиболее важной операцией ежедневного технического обслуживания доильного оборудования является его промывка. Если доильное оборудование промыть недостаточно тщательно, то число бактерий в нем будет стремительно расти, и молоко после следующего доения будет сильно загрязнено.

Санитарная обработка [79] включает комплекс мероприятий, направленных на уничтожение патогенных и снижение количества непатогенных микроорганизмов до такого уровня, когда они не оказывают существенного влияния на качество молока.

По мнению немецкого профессора В. Моора [79], промывка доильного оборудования должна обеспечивать удаление различного рода загрязнений с поверхности, контактирующей с молоком.

Одним из трудноудаляемых загрязнений является молочный камень, который представляет смесь минеральных веществ, белка и жира. Молочный камень образует пленку белого цвета в молочном оборудовании. Обычно это явление ' возникает вследствие низкой эффективности промывки.

Согласно данным Ю.И. Беляевского [15], В.И. Березуцкого [22] и др. [24, 27, 79, 128, 129] на эффективность промывки влияют несколько факторов, в частности интенсивность и структура движения моющего раствора, его температура, концентрация и качество моющих средств. Из этого следует, что обеспечение надлежащей чистоты оборудования с помощью оптимального сочетания этих факторов является важнейшей задачей совершенствования системы промывки для получения высококачественного молока.

Значение циркуляционной- промывки [85] подчеркивается для обеспечения качества получаемой продукции. Так циркуляционная промывка щелочным раствором предназначена для удаления белково-жировой пленки, а кислотным — для удаления «молочного камня», при этом ополаскивание доильного оборудования предназначено лишь для уд