Механизация производства молочной фермы с разработкой аккумулятора естественного холода

МИНИСТЕРСТВО АГРАРНОЙ ПОЛИТИКИ УКРАИНЫ ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Факультет механизации сельского хозяйства Специальность «Механизация сельского хозяйства».

Кафедра механизации производственных процессов в животноводстве Пояснительная записка к дипломному проекту Механизация производства молочной фермы с разработкой аккумулятора естественного холода Дипломник Папченко С.В.

Руководитель доцент Вольвак С.Ф.

Луганск 2004.

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ.

1.1 Общие сведения о хозяйстве.

1.2 Анализ отрасли растениеводства.

1.3 Анализ отрасли животноводства.

1.4 Анализ цеха механизации.

1.5 Экономический анализ.

1.6 Обоснование темы проекта.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕКАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Технология первичной обработки молока.

2.2 Зоотехнические требования к технологическому процессу первичной обработки молока.

2.3 Расчет оборудования ПТЛ первичной обработки молока.

2.4 Расчет процесса охлаждения молока.

2.5 Расчет процесса рекуперации тепла.

2.6 Составление технологической карты.

2.7 Расчет площади помещения молочной.

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА.

3.1 Анализ конструкций устройств для охлаждения молока и обоснование выбранной установки.

3.2 Технологический расчет установки.

3.3 Расчет ванны.

3.4 Расчет распылителя.

3.5 Прочностной расчет.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА.

4.1 Мероприятия по охране труда.

4.2 Расчет вентиляции.

4.3 Расчет освещения.

4.4 Безопасность и экологичность проектируемой установки для охлаждения воды.

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА.

АННОТАЦИЯ.

Расчетно-пояснительная записка к данному проекту выполнена в соответствии с заданием.

Раздел «Анализ производственной деятельности» раскрывает состояние отраслей растениеводства и животноводства хозяйства за последние 3 года.

В технологическом решении дан расчет технологической линии и технологии первичной обработки молока на фермской молочной, с использованием энергосберегающих технологий.

В следующем разделе выполнен конструктивный расчет установки для охлаждения воды естественным льдом.

В разделе «Безопасность и экологичность проекта» дан обзор мероприятий по охране труда на ферме и в молочной, а также при использовании холодильной установки; приведены расчеты вентиляции, искусственного освещения, молниеотвода и зануления.

Раздел «Экономическое обоснование проекта» показывает целесообразность использования предложенной разработки.

Расчетно-пояснительная записка состоит из 83 страниц машинописного текста, 10 таблиц, 5 рисунков и 2 приложений на 2 страницах.

В задачах сельскохозяйственного производства подчеркивается развитие материально-технической и энергетической базы агропромышленного комплекса.

Среди первоочередных и важнейших задач агропромышленного комплекса следует выделить производство высококачественных продуктов животноводства на индустриальной основе. Насколько важна эта основа можно судить по цифрам производства мяса и молока.

Дальнейшее развитие производства сельскохозяйственной продукции невозможно без его технического перевооружения.

Современные животноводческие фермы и комплексы должны насыщаться новой сложной высокопроизводительной техникой. Ведутся работы по созданию технологических линий машинного доения коров с обработкой молока, раздачи кормов, также по созданию машин и оборудования для консервирования кормов и обработки соломы.

Во многих передовых и опытных хозяйствах страны осуществлена комплексная механизация и автоматизация животноводства.

Огромные резервы увеличения объемов и снижения себестоимости продукции животноводства заложены в развитии специализации и концентрации производства, создании крупных специализированных предприятий: птицефабрик, комплексов по производству говядины, свинины, молока.

Машинная технология качественно изменила труд животноводства, подняла его производительность, позволила внедрить ранее неизвестные технологические процессы, резко увеличить продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы. Громадное значение при этом имеет применение электрической и других нетрадиционных видов энергии, в том числе природной энергии, чему и посвящен данный дипломный проект.

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ предприятия.

1.1 Общие сведения о хозяйстве.

Учебно-опытное хозяйство Луганского национального аграрного университета является учебной базой для производственного обучения студентов, проведения научно-исследовательской и опытной работы специальных кафедр университета. Оно было организовано в 1934 году на базе овощного совхоза имени Первого Мая и имело земельную площадь 1127 га. При возросшем контингенте студентов стационара и заочного обучения такой размер учебно-опытного хозяйства и его материальная база не отвечали тем требованиям, которые ставились перед производственной аудиторией. В 1961 году земельная площадь была увеличена до 3980 га за счет земель Луганской областной сельскохозяйственной опытной станции, которая в свою очередь была организована на базе совхоза имени Дзержинского.

Хозяйство расположено в семи километрах на запад от областного центра г. Луганска, в пяти километрах от железнодорожной станции Луганск, в трех километрах от железнодорожной товарной станции. По административному делению центральная усадьба хозяйства относится к Артемовскому району г. Луганска. Земли хозяйства разделяются на две части автострадой и железной дорогой, связывающей г. Луганск с промышленными городами — Алчевск, Донецк, Харьков и др.

По данным учета земель на 1.01.2004 г. за учхозом закреплено 2810 га земель, в том числе: пашня — 2167 га; сенокосы — 6,5 га; пастбища — 324,1 га; всего сельхозугодий — 2497,6 га.

Под производственными зданиями и сооружениями находится — 76 га земли; под хозяйственными дорогами и прогонами — 37 га; под лесными насаждениями — 70 га, в т. ч. лесом — 37 га, лесополосами — 19 га, кустарниками — 16 га. Болота занимают 7 га земли, овраги — 4 га. Каменистая местность охватывает 64 га, водой покрыто 1 га (пруды), мелиоративные земли составляют 22 га.

Климат на территории учебно-опытного хозяйства ЛНАУ характеризуется довольно высокими летними температурами и большими суточными колебаниями, особенно зимой, недостаточными и неустойчивыми условиями увлажнения. В среднем за год выпадает около 460 мм осадков с колебаниями от 250 до 760 мм. Зима неустойчива и малоснежна. Наиболее холодным месяцем является январь со среднесуточной температурой минус15 єС.

В течение зимы наблюдаются частые оттепели с полным сходом снежного покрова. Количество осадков за зиму изменяется от 80 до 120 мм. Они выпадают как в виде снега, так и в виде дождя. Снежный покров устанавливается в среднем в третьей декаде декабря и разрушается в первой половине марта, высота его колеблется от 2…3 до 10…13 см. Почва промерзает в среднем на 50…55 см, а в холодные годы до 120…140 см.

Продолжительность вегетативной весны небольшая. Начинается она в большинстве лет в первой декаде апреля и заканчивается к первой декаде мая. Весной часто наблюдается снижение оптимальной влажности воздуха до 30% и ниже, а в отдельные годы возможны суховеи и пыльные бури.

Средняя продолжительность безморозного периода 165…220 дней. Условия увлажнения в летний период крайне неустойчивы. Ряд лет создается диспропорция между теплом и влагой, что приводит к недобору сельскохозяйственной продукции.

Землепользование учебно-опытного хозяйства расположено в долине рек Лугань и Белой, а также на водоразделе реки Лугань — Мошинский Яр. На правобережье указанных рек сформированы пойменные участки с выровненной или слегка волнистой поверхностью. Переход поймы в надпойменную террасу выражен пологим склоном крутизной 3…6 градусов, шириной 1000…1300 метров. Надпойменная терасса имеет спокойный рельеф с преобладанием слабопойменных склонов различной крутизны от 0 до 20.

В связи с преобладанием в хозяйстве склонов различной крутизны более половины земель подвержены водной и ветровой эрозии. Почвенный покров довольно разнообразен и включает 38 почвенных видов.

Землепользование хозяйства относится к числу сравнительно небольших хозяйств Украины. Земельные угодия хозяйства отличаются между собой способом хозяйственного использования и их природными особенностями. Структура землепользования, размеры площадей и их удельные веса в общей земельной площади хозяйства за 2001;2003 годы приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Структура землепользования сельскохозяйственных угодий.

1.2 Анализ отрасли растениеводства.

В растениеводческой отрасли хозяйство занимается возделыванием озимой пшеницы, озимой ржи, ячменя, проса, кукурузы, гороха, гречки, овса, кормовой свеклы, подсолнечника. Овощеводство представлено такими культурами: капуста, лук, помидоры, огурцы, свекла столовая, морковь, кабачки. Структура культур, их урожайность и валовой сбор за 2001 — 2003 годы представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Урожайность и валовой сбор сельскохозяйственных культур

Из приведенных данных таблицы 1.2 видно, что 2003 год для растениеводства являлся непоказательным из-за плохих погодных условий. Валовый сбор зерновых культур резко снизился в 2003 году по сравнению с 2002 годом, а валовый сбор кормовых и технических культур увеличился.

1.3 Анализ отрасли животноводства.

Животноводство хозяйства представлено молочными коровами, КРС на откорме и свиньями. Производство продукции животноводства и его продуктивность в хозяйстве приведены за 2001 — 2003 в таблице 1.3.

Из приведенных в таблице 1.3 данных видно, что в сравнении с 2002 годом производство молока в 2003 году уменьшилось на 3557 ц, удой на фуражную корову уменьшился на 1186 кг, производство мяса уменьшилось на 951 ц.

Таблица 1.3 — Основные показатели развития животноводства.

1.4 Анализ цеха механизации.

В учебном хозяйстве ЛНАУ в достаточном количестве имеется тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники для комплексной механизации производственных процессов. Данные о наличии сельскохозяйственной техники на 1.01. 2004 г. приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 — Наличие сельскохозяйственной техники.

Система инженерно-технической службы хозяйства представляет собой следующие отделы и должности.

Во главе инженерно-технической службы учебного хозяйства ЛНАУ стоит главный инженер. В его подчинении находятся: инженер по эксплуатации машинно-тракторного парка, заведующий центральной ремонтной мастерской, заведующий машинным двором, заведующий автогаражом, автомеханик, инженер по механизации трудоемких процессов в животноводстве, бригадиры тракторных бригад и мастера-наладчики.

В хозяйстве имеется главный инженер-энергетик. В его подчинении находятся старший техник-электрик и техники-электрики бригад. В хозяйстве также имеется инженер по охране труда и противопожарной безопасности.

1.5 Экономический анализ.

В составе хозяйства работает 21 самостоятельное подразделение, из которых 7 занимаются производством сельскохозяйственной продукции, 6 — их переработкой, 5 — обслуживающих цехов и службы жилищно-коммунального хозяйства и общественного питания.

Для оперативного управления этими подразделениями в хозяйстве создано 5 цехов:

1. Цех растениеводства — по производству зерновых, технических, кормовых культур и овощей, включая семеноводство.

2. Цех животноводства — по производству молока, мяса, крупного рогатого скота и свинины, включая производство племенного скота.

3. Цех механизации — обеспечивает механизацию основных технологических процессов, а также ремонт и обслуживание вспомогательных работ в цехах хозяйства.

4. Консервный цех — производит переработку сельскохозяйственной продукции (более 100 видов наименований) из собственного и привозного сырья, с хранением и последующей их реализацией потребителю.

5. Строительный цех — производит капитальное строительство объектов сельскохозяйственного назначения и соцкультбыта, а также текущие и капитальные ремонты зданий и сооружений в хозяйстве.

Такая организация производства увеличивает управляемость коллективом со стороны главных специалистов, а бригадирам и заведующим фермами дает возможность заниматься технологией, производством, экономикой.

Из приведенных выше данных видно, что площади сельскохозяйственных угодий и пашни на протяжении ряда лет имеют тенденцию к постепенному уменьшению.

Анализ выручки от реализации основных видов продукции представлен в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — Анализ выручки от реализации основных видов продукции.

Анализируя таблицу 1.5, видим, что структура товарной продукции в разрезе ее отдельных видов по годам колеблется. Так удельный вес зерновых культур изменяется от 37,2 до 28,9%; максимальная доля подсолнечника — 12,8%; овощей — от 1,0 до 6,0%; молока — от 4,6 до 13,2%, при чем, начиная с 2001 года, просматривается тенденция на снижение удельного веса молока, что вызвано очевидно сокращением поголовья КРС; мяса — от 2,6% до 8,4%. За последние годы остается высокий удельный вес прочей продукции растениеводства — от 4,6 до 5,4%. Сюда входят элитные и сортовые семена многолетних трав, лук-чернушка и другие. В целом в структуре товарной продукции на долю растениеводства приходится от 48,1 до 49,1%, а животноводства от 19,9 до 25,1%.

Кормовая база является одним из наиболее важных факторов повышения продуктивности животных. О состоянии обеспеченности скота кормами по Учхозу ЛНАУ можно судить из таблицы 1.6. При анализе данной таблицы видно, что расход кормов в 2003 г. уменьшился по сравнению с 2001 г. на 6,3 центнеров кормовых единиц за счет уменьшения расхода кормов на 1 условную голову и фактической численности поголовья животных.

Таблица 1.6 — Баланс обеспеченности скота кормами.

Основные производственные и экономические показатели по учебно-опытному хозяйству ЛНАУ за последние годы приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 — Основные экономические показатели работы Учхоза ЛНАУ.

Анализируя данные таблицы 1.7, видим, что производство валовой продукции с/х имеет тенденцию к уменьшению. Прибыль — это один из важнейших показателей эффективности с/х производства. Прибыль определяется как разница между выручкой от реализации и себестоимостью реализованной продукции. Прибыль — отрицательная величина за счет убыточности животноводства.

Учебно-опытное хозяйство Луганского национального агарного университета за анализируемый период времени (2001 — 2003 гг.) в целом может вести рентабельное производство продукции отраслей растениеводства и животноводства. Необходимо уделить внимание отрасли животноводства, которое убыточно.

1.6 Обоснование темы проекта.

Одно из основных производственных направлений хозяйства — молочное. Анализ производственной деятельности хозяйства показал, что валовой выход продукции животноводства, в том числе молока, значительно уменьшился, но на перспективу планируется восстановить свой производственный потенциал. Одной из главных проблем хозяйства является первичная обработка молока высшего качества и с наименьшими затратами.

Дипломный проект направлен на разработку установки для охлаждения воды естественным холодом (льдом), с помощью которой будет охлаждаться молоко.

Для данного технологического процесса на современном этапе имеются такие установки с применением естественного льда, но все-таки в этом направлении есть слабые места и в частности очень сложный процесс изготовления в условиях хозяйства.

Цель разработки состоит в том, что, применив эту установку, мы экономим электроэнергию за счет того, что вода охлаждается в зимний период естественным льдом без применения электроэнергии. Сокращаются затраты труда и отчисления на ЕТО и ТО холодильных установок. Холодильные установки МХУ-8С во время работы установки будут остановлены.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Технология первичной обработки молока.

Технология первичной обработки молока на фермах и комплексах включает в себя следующие основные процессы: учет надоя, очистку, охлаждение молока до отправки на предприятия молочной промышленности.

Кроме того, при возникновении болезней на ферме молоко должно подвергаться термической обработке — пастеризации, которая способствует уничтожению в нем болезнетворных микроорганизмов.

Совершенствование процессов первичной обработки молока непосредственно связано с модернизацией фермского молочного технологического оборудования и правильной его эксплуатацией.

Одно из решающих условий интенсификации производства продукции на современных животноводческих фермах — максимальное применение поточного производства на базе высокопроизводительных поточных технологических линий (ПТЛ). При создании молочных ПТЛ объединяют отдельные машины и аппараты в компактные агрегаты и по возможности стремятся автоматизировать контроль и регулирование процессов.

Машины и аппараты фермских молочных поточных технологических линий разрабатываются и выпускаются в соответствии с агрозоотребованиями, позволяющими создавать оптимальные условия для работы оборудования и учитывающими правила охраны труда. Выпускаемое молочное оборудование должно отвечать требованиям прогрессивной технологии и иметь высокие технико-экономические показатели.

Молочные фермы, как и сельскохозяйственное производство страны в целом, загнано в угол. В связи с этим оно вынуждено планомерно реконструироваться и технически перевооружаться на более экономичное оборудование. Малая и средняя реконструкция животноводческих ферм или предприятий обычно осуществляется на базе технических решений, подготовленных инженерно-техническими работниками самих предприятий. Кроме того, очень часто многие машины и аппараты на фермах приходится использовать на форсированных режимах или переналаживать для выполнения других технологических операций.

Конкретные производственные ситуации ставят перед специалистами животноводческих ферм различные задачи по рациональному совершенствованию работы фермского молочного оборудования, а также отдельных поточно-технологических линий.

При увеличении надоев молока от коров, а следовательно, и его производства на ферме в целом возникает необходимость повысить суммарную вместимость резервуаров для хранения молока путем подбора и монтажа дополнительных резервуаров.

Кроме того, следует проверить, обеспечат ли с увеличением нагрузки имеющиеся на ферме машины и аппараты работу при эксплуатационных режимах, близких к оптимальным.

В производственном случае нужно рассчитывать режимы интенсивности работы аппаратов молочной поточной линии или подобрать дополнительное оборудование, с тем, чтобы оно имело оптимальную нагрузку.

Специалисты ряда хозяйств накопили немалый опыт в вопросах интенсификации работы молочных машин и аппаратов.

2.2 Зоотехнические требования к технологическому процессу первичной обработки молока.

При машинном доении коров в качестве источников бактериального загрязнения молока наиболее часто выступают загрязненный кожный покров вымени, плохо промытые доильные стаканы, молочные шланги, молочные краны и детали молокопровода. Кроме того, бактерии могут попадать из воздуха в коровнике, всасываемого через камеры постоянного атмосферного давления пульсатора или коллектора доильного аппарата.

Свежевыдоенное молоко при использовании в качестве индикатора фенолфтолеина показывает кислую реакцию.

Кислотность молока выражают в градусах Тернера (°Т), которые показывают количество миллиметров децинормального раствора щелочи (КОН или NaOH) идущей на нейтрализацию 100 мл. молока в присутствии фенолфтолеина.

Метод определения кислотности молока и молочных продуктов изложен в ГОСТе 3624−84.

Кислотность свежевыдоенного молока обычно находится в пределах 16 — 18 °Т. Химический состав молока не является строго постоянным для всех коров, а зависит от породы, возраста, периода лактации, условий кормления коров и ряда других факторов. В силу того он изменяется в определенных пределах.

В состав молока входят более ста различных веществ. В нем различают две основные части: воду (в среднем 87,5%) и сухое вещество (12,5%). Последнее в свою очередь распадается на молочный сахар — 4,5…4,8%; жир — 2,9…5,1%; белок — 2,7…3,7%; золу — 0,6…0,8%. При образовании молока из организма коровы в него приходят иммунные тела с небольшой кислотностью, величина которой влияет на закупочную цену молока.

Так, молоко с кислотностью 10°Т и ниже предприятия принимают с доплатой 2 грн. за 1 т., а непосредственно торгующая сеть — 5 грн.

При кислотности молока выше 19°Т закупочную цену, соответственно, снижают на 2 — 2,5 грн. за 1 т.

Молоко с кислотностью свыше 21°Т принимают как некондиционное с 20%-ой скидкой закупочной цены.

Первичная обработка молока и его переработка должна производиться при условии строгого соблюдения «Санитарных и ветеринарных правил для молочных ферм, хозяйств» (1970 г.), утвержденных Министерством сельского хозяйства Украины.

Период, на который бактерицидные вещества задерживают развитие бактерий в свежевыдоенном молоке (весьма ценное свойство молока), называют бактерицидной фазой.

Длительность ее зависит от санитарных условий получения молока, а также от температуры его охлаждения.

Так при температурах молока 310 и 303°К бактерицидная фаза в нем продолжается только 2…5 ч., а при температурах 289 и 286°К, ее длительность составляет при хороших условиях хранения от 7,6 до 36 ч. При температуре 277…278°К жизнедеятельность бактерий практически прекращается, что создает благоприятные условия для длительного хранения молока.

В целях стимулирования продажи молока повышенного качества очистку, мойку и дезинфекцию оборудования и молочной посуды производят сразу же после окончания работы. Моечные отделения для хранения сменной посуды располагают в южной части помещения, а хранилища и холодные отделения в северной.

Все работники моечной должны строго соблюдать правила личной гигиены и один раз в месяц проходить медицинское обследование.

2.3 Расчет оборудования ПТЛ первичной обработки молока.

Исходные данные:

а) поголовье — 800 дойных коров;

б) продуктивность — 3500 кг в год;

в) кратность доения — 3 раза;

г) продолжительность рабочей смены — 7 час.

Структурная схема ПТЛ первичной обработки молока на ферме представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 — Структурная схема ПТЛ первичной обработки молока на ферме: 1 — коровник; 2 — групповой счетчик; 3 — молокосборник; 4 — вакуумная установка; 5 — молочный насос; 6 — очиститель молока; 7 — пастеризатор; 8 — охладитель; 9 — резервуар охладителя; 10 — молоковоз.

Молочная продукция, получаемая с фермы, идет на реализацию. По зоотребованиям она должна проходить пастеризацию. Допускается при сдаче на молокозавод пастеризацию не производить. В этом случае пастеризатор не работает. На технологической схеме (рис. 2.1) это обозначено пунктирной линией.

Расчет, связанный с подбором оборудования, ведется на максимум суточного удоя.

Максимум суточного удоя определяем по зависимости:

(2.1).

где — среднегодовой удой на корову, = 3500 кг;

— число дойных коров, = 800 голов;

— коэффициент неравномерности удоя, = 1,2.

Подставив в 2.1, получим:

кг.

Производительность поточной лини обработки молока определяем по зависимости:

(кг/ч)(2.2).

где — неравномерность поступления молока, = 0,6 [1];

— принятая длительность обработки, = 2 часа.

Подставив в 2.2, получим:

кг/ч.

Для очистки молока применен магистральный цилиндрический фильтр, который имеет фильтрующий элемент из лавсана. Необходимо определить продолжительность фильтрования при разовом удое = 3734 кг.

Находим площадь фильтрующей поверхности аппарата по зависимости:

(м³) (2.3).

где — диаметр фильтрующей поверхности, = 54 мм.

— длина фильтрующей поверхности, = 600 мм.

Подставив в 2.3, получим:

м³.

Определяем продолжительность фильтрования по зависимости:

(мин.)(2.4).

где — константа фильтрования, = 31 м³/м² [6];

— константа фильтрования, = 12 м².

Подставив в 2.4, получим:

мин.

Этого времени достаточно для очистки молока при разовом удое 3734 кг не прерывая потока.

Выбрав молокочиститель ОМ-1, проверяем его производительность по следующей зависимости:

(м³/ч)(2.5).

где — частота вращения барабана, =133 с^-1 [6];

— число тарелок, =34 шт. [6];

— угол наклона образующей тарелки, = 50° [6]; - большой радиус тарелки, = 0,128 м [6]; - температура свежевыдоенного молока, = 35 °C;

— малый радиус тарелки, = 0,07 м [6];

— диаметр частиц загрязнения, = 1,41· 10^-6 м.

Подставив в 2.5, получим:

м³/ч.

Производительность молокоочистителя выбрана правильно.

Определяем длительность непрерывной работы молокоочистителя без разборки по следующей зависимости:

(час) (2.6).

где — объем грязевого пространства барабана, л;

— процент соотношения сепараторной слизи от общего объема пропущенного молока, = 0,06% [4];

— производительность очистителя, = 1000 л/ч.

Объем грязевого пространства барабана определяем по зависимости:

(л)(2.7).

где — максимальный радиус грязевого пространства, = 0,128 м [6];

— минимальный радиус грязевого пространства, = 0,07 м [6];

— высота поката тарелок, = 0,064 м.

Подставив в 2.7, получим:

л.

Подставив в 2.6, получим:

ч.

Этого времени работы сепаратора достаточно для очистки объема разового удоя молока с одной остановкой.

2.4 Расчет процесса охлаждения молока.

Исходные данные:

а) разовый удой — 3734 кг;

б) начальная температура молока при охлаждении = 35 °C;

в) конечная температура молока при пастеризации = 63 °C;

г) начальная температура воды при охлаждении = 1 °C;

д) конечная температура молока при охлаждении молока = 4 °C;

е) начальная температура нагревающей воды = 95 °C;

ж) кратность расхода охлаждающей и нагревающей воды = 3.

Находим среднее значение теплоемкости для молока и охлаждающей воды:

при = 35 °C = 3,9 кДж/(кг· °С) [6];

при = 1 °C = 4,2 кДж/(кг· °С).

Определяем температуру охлаждающей воды на выходе, по зависимости:

.(2.8).

Подставив в 2.8, получим:

°С.

Определяем среднюю логарифмическую разность температур между молоком и охлаждающей жидкостью по зависимости:

;

;

;(2.9).

где — разность температур жидкостей в начале процесса охлаждения;

— разность температур в конце процесса.

Подставив в 2.9, получим:

°С;

°С;

°С.

Определяем тепловую нагрузку за период разового охлаждения молока по зависимости:

;(2.10).

где — массовый расход жидкого продукта, =3734 кг.

Подставив в 2.10, получим:

кДж.

Определяем сколько часов работает МХУ-8С для вырабатывания холода:

;(2.11).

где — часовая производительность установки МХУ-8С, = 32 000 кДж.

час.

Принимаем 3 шт. по 4,7 часа в сутки.

Подсчитаем средний общий коэффициент теплоотдачи теплообменной поверхности по зависимости:

(2.12).

где — площадь теплообменной поверхности резервуара, = 1,7 м³ [4];

— средняя логарифмическая разность температур между молоком и охлаждающей жидкостью, = 10,28 °С;

— время, принятое для обработки партии молока, = 2 ч.

Подставив в 2.12, получим:

кВт/(м²· с).

Определяем необходимый расход воды для охлаждения молока по зависимости:

.(2.13).

Подставив в 2.13, получим:

кг, что составляет 12 м³.

На неблагоприятных фермах в целях уничтожения находящихся в молоке бактерий, молоко подвергают пастеризации.

Определяем продолжительность достижения молоком заданной температуры пастеризации.

Находим среднее значение удельной теплоемкости нагревающей воды и молока:

при = 95 °C = 4,2 кДж/(кг· °С) [6];

при = 35 °C = 3,9 кДж/(кг· °С).

где — начальная температура горячей воды при пастеризации.

Находим температуру нагревающей воды на выходе по зависимости:

.(2.14).

Подставив в 2.14, получим:

°С.

Вычисляем среднюю логарифмическую разность температур между молоком и нагревающей жидкостью по зависимости:

(2.15).

где — разность температур жидкости в начале процесса, определяемая по зависимости:

°С;(2.16).

— разность температур в конце процесса, определяемая по зависимости:

°С.(2.17).

Подставив в 2.15, получим:

°С.

Определяем тепловую нагрузку пастеризатора за период нагрева молока до нужной температуры по зависимости:

кДж. (2.18).

Принимаем во внимание, что при нагревании молока его вязкость снижается, и условия теплоотдачи улучшаются, поэтому рассчитанный коэффициент теплоотдачи увеличиваем в 1,5 раза.

(кВт/(м²· °С)) (2.19).

где — коэффициент теплоотдачи для цикла охлаждения, = 4,4 кВт/(м²· °С).

Подставив в 2.19, получим:

кВт/(м²· °С).

Определяем продолжительность достижения молока температуры пастеризации по зависимости:

(мин)(2.20).

где — площадь теплообменной поверхности, = 5,72 м².

Подставив в 2.20, получим:

с = 4,4 мин.

Определяем расход горячей воды необходимой для пастеризации по зависимости:

.(2.21).

Подставив в 2.21, получим:

л.

Количество пара: 150 — 160 кг на тонну продукта.

Определяем продолжительность охлаждения молока после пастеризации и расход воды, необходимый для охлаждения.

Определяем температуру охлаждающей воды на выходе из теплообменной рубашки по зависимости:

.(2.22).

Подставив в 2.22, получим:

°С.

Находим среднюю логарифмическую разность температур между молоком и охлаждающей жидкостью по зависимости:

(2.23).

где — разность температур жидкостей в начале процесса, определяемая по зависимости:

°С;(2.24).

— разность температур в конце процесса, определяемая по зависимости:

°С.(2.25).

Подставив в 2.23, получим:

°С.

Определяем тепловую нагрузку за период охлаждения молока после пастеризации:

. (кДж)(2.26).

Подставив в 2.26, получим:

кДж.

Учитываем, что охлаждение молока идет в интервале температур от 63 до 4 °C, включающем диапазон охлаждения свежевыдоенного молока и диапазон нагрева молока до температуры пастеризации.

Находим среднее значение коэффициента теплоотдачи:

. (кВт/(м²· °С))(2.27).

Подставим в 2.27 и получим:

кВт/(м²· °С).

Определяем продолжительность достижения молоком температуры охлаждения после пастеризации по зависимости:

с = 2 ч. 30 мин.(2.28).

Определяем расход воды для охлаждения молока после пастеризации по зависимости:

л.(2.29).

2.5 Расчет процесса рекуперации тепла.

Схема процесса рекуперации тепла представлена на листах графической части.

Свежевыдоенное молоко входит в пластинчатый теплообменный аппарат с температурой = 35 °C. В секциях рекуперации оно подогревается до температуры равной = 52 °C теплотой встречного горячего молока, поступающего в рекуператор из выдерживателя при температуре = 63 °C. Горячее молоко (63°С), в свою очередь, охлаждается до температуры = 32 °C. Данному режиму соответствует коэффициент регенерации тепла, вычисляемый по зависимости:

(2.30).

где — температура молока подогреваемого в секции рекуперации, = 52 °C.

Подставив в 2.30, получим:

(61%).

Внутренняя теплота, циркулирующая в аппарате в следствие рекуперации, определяется по зависимости:

(кДж). (2.31).

Подставив в 2.31, получим:

кДж.

Определяем расход воды, необходимый для охлаждения молока до температуры = 4 °C, по зависимости:

(л),(2.32).

л.

Таким образом, применив рекуперацию, расход горячей воды и пара снижается до 15…16 кг на 1 т продукта. Кроме того, значительно сокращается и расход хладоносителей ледяной воды.

Применим рекуперацию тепла и для охлаждения молока без пастеризации, что позволит сократить расход хладоносителя ледяной воды.

Так как температура воды на выходе из пластинчатого охладителя 10,3°С [3, 9], а для процесса охлаждения воды в холодильной установке, начальная температура воды 17,8°С, из этого видно, что = 7,5°С можно использовать для предварительного охлаждения молока в секции рекуперации и тем самым получим двойной эффект: нагревание охлаждающей воды и охлаждение молока, что позволит изменить замкнутый цикл движения ледяной воды. Так как свежевыдоенное молоко входит в пластинчатый теплообменник с температурой = 35 °C, а температура воды на выходе из секции охлаждения = 10,3°С, то можно определить их температуру после рекуперации.

Определяем температуру молока на выходе по зависимости:

.(2.33).

Подставив в 2.33, получим:

°С.

Определяем температуру воды на выходе:

(2.34).

°С.

Видно, что расчет проведен правильно. После этого вода идет на охлаждение в холодильную установку, а молоко на очистку и основное охлаждение. Определяем эффективность работы комбинированного теплообменника, т. е. коэффициент регенерации соответствующий данному режиму, по зависимости:

.(2.35).

Далее определяем тепловую нагрузку за период охлаждения в секции рекуперации:

.(2.36).

кДж.

Исходя из, можем определить сколько часов работает МХУ-8С для вырабатывания холода:

(2.37).

где — производительность установки, = 32 000 кДж/ч.

ч.

Итак, время работы МХУ для охлаждения молока разового удоя, после рекуперации 3,7 ч. Учитывая кратность доения = 3, то принимаем 3 установки. Определяем расход воды, необходимый для охлаждения молока до = 4°С:

.(2.38).

л.

2.6 Составление технологической карты.

Производственный процесс: прием и учет молока.

Объем работ в сутки: среднесуточный удой = 11 200 кг/сут.

Число дней работы в году: 365 дней.

Годовой объем работ:

т.(2.39).

Наименование и марки машин:

— весы РП-1Г13;

— молокоочиститель ОМ-1;

— пастеризатор ОПФ-1;

— холодильная установка МХУ-8С;

— резервуар для хранения РПО — 2,5.

Производительность машин :

— РП-1Г13 — 1000 л/ч;

— ОМ-1 — 1000 л/ч;

— ОПФ-1 — 1000 л/ч;

— МХУ-8С — 32 000 кДж/ч;

— РПО-2,5 — 2,5 м³.

Привод и его мощность:

— ОМ-1 — 1,1 кВт [1];

— МХУ-8С — 8,6 кВт [9];

— ОПФ-1 — 4,8 кВт [1]; - РПО-2,5 — 1,1 кВт.

Число машин определяется:

(2.40).

где — число часов работы машины в сутки, = 7 ч.

Для машин РП-1Г13; ОМ-1; ОПФ-1:

шт.

Принимаем по 2 шт.

В результате расчета приведенного в пункте 2.4 имеем количество холодильных установок: МХУ-8С — 3 штуки.

Число часов работы в сутки:

. (2.41).

Для машин РП-1Г13, ОПФ-1, ОМ-1:

ч.

Для машин МХУ-8С время работы машины посчитано в пункте 2.4:

ч.

Число часов работы в год:

— для РП-1Г13; ОМ-1; ОПФ-1:

ч. (2.42).

— для холодильной установки МХУ-8С:

ч.

Капитальные вложения:

(2.43).

где — вложения на 1 корову, = 77,5 [3];

— количество коров, = 800 гол.

грн.

Число обслуживающего персонала:

— для линии ПОМ — 1 оператор;

— для холодильной установки — 1 холодильщик.

Годовые затраты труда, чел· ч.:

(2.44).

где — число часов в год;

— число обслуживающего персонала, = 2.

Для машин РП-1Г13, ОПФ-1, ОМ-1 определяем:

чел· ч.

Для холодильных установок МХУ-8С:

чел· ч.

Годовые затраты труда определяем по формуле:

(чел· ч) (2.45).

чел· ч.

Разряд работ: IV.

Часовая тарифная ставка: = 0,8 грн.

Расход электроэнергии определяется по зависимости:

(кВт)(2.46).

где — мощность электродвигателя;

— число машин;

— число часов работы машины в год.

кВт;

кВт;

кВт;

кВт.

Годовые эксплуатационные затраты:

(2.47).

где — затраты на зарплату обслуживающему персоналу:

; (2.48).

грн; грн;

грн;(2.49).

— отчисления на амортизацию:

грн;(2.50).

— отчисления на ТО и ремонт:

грн; (2.51).

— стоимость электроэнергии:

;(2.52).

грн;

грн;

грн;

грн.

грн.

ЕТО выполняется ежедневно, а ТО-1 выполняется 1 раз в месяц [4]:

— для ОМ-1 — 2 шт.: ЕТО = 0,52· 2·365=379,6 чел· ч;

ТО-1 = 3,1· 2·12 = 74,4 чел· ч;

— для ОПФ-1 — 2 шт.: ЕТО = 0,52· 2·365=379,6 чел· ч;

ТО-1 = 3,1· 2·12 = 74,4 чел· ч;

— для МХУ-8С — 3 шт.: ЕТО = 0,47· 3·365 = 514,65 чел· ч;

ТО-1 = 3,45· 3·12 = 124,2 чел· ч;

— для РПО-2,5 — 5 шт.: ЕТО = 1,17· 5·365 = 2135,3 чел· ч;

ТО-1 = 2,3· 5·12 = 138 чел· ч.

чел· ч.

Итого:

— годовой объем работ — 4088 т;

— суммарные годовые затраты труда:

чел· ч;

— годовые эксплуатационные затраты — 32 038,7 грн.

Расчет технологической карты с внедрением проектируемой холодильной установки ведется аналогично с учетом промежутка в течении 120 дней работы холодильной установки, т. е. от общего количества дней работы МХУ-8С (365 дней) вычитаем время работы холодильной установки, что позволит нам увидеть экономические показатели внедряемой установки.

2.7 Расчет площади помещения молочной.

По значению определяем необходимые параметры технологической линии, подбор ведем по каталогу. Для грубой и тонкой очистки молока применяем магистральный фильтр, имеющий матерчатую поверхность, и сепаратор молокоочиститель ОМ-1 для тонкой очистки молока, производительностью 1000 л/ч, площадью = 0,6 м².

Для пастеризации применяем автоматизированную, пластинчатую пастеризационно-охладительную установку ОПФ-1 производительностью = 1000 л/ч, площадь = 7,2 м².

Для охлаждения молока применяем охладитель МХУ-8С производительностью = 32 000 кДж/ч, площадь = 17 м².

Для длительного хранения молока применяем резервуар молочной РПО-2,5, рабочий объем = 2,5 м³ и площадь = 3 м².

По известным размерам подобранного оборудования находим площадь производственного помещения.

Площадь производственного помещения находим по зависимости:

(м²) (2.53).

где — коэффициент, учитывающий потребность в свободной площади, = 4 [1];

— суммарная площадь, занятая машинами (м²).

(м²) (2.54).

где — площадь занятая очистителем, = 1,2 м²;

— площадь занятая пастеризатором, = 14,4 м²;

— площадь занятая охладителем, = 51 м²;

— площадь занимаемая молочным резервуаром, = 15 м².

Подставив в 2.53, получим:

м².

По найденной площади производственного помещения, с учетом бытовых помещений строим план молочной с расстановкой соответствующего оборудования. Принимаем общую площадь помещения молочной = 453 м².

3. конструкторская разработка.

3.1 Анализ конструкций устройств для охлаждения молока и обоснование выбранной.

Грузинский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства им. К. М. Амираджиба предложил и разработал устройство для охлаждения молока и нагрева технологической жидкости, содержащее снабженные термоизоляцией и крышкой с выпускными отверстиями, емкости для охлаждения молока и нагрева технологической жидкости с выпускными отверстиями, компрессор, аккумулятор холода к нему змеевики испарителя и конденсатора, вентилятор. В этой установке с целью уменьшения расхода электроэнергии при эксплуатации, емкость для нагрева технологической жидкости выполнена кольцевидной внутри и концентрично расположена емкость для охлаждения молока, а змеевик конденсатора расположен на внутренних стенках и днище емкости для нагрева технологической жидкости.

Цель изобретения — упрощение конструкции устройства и уменьшение расхода электроэнергии.

Мордовский ордена Дружбы народов государственный университет им. Н. П. Огарева предложил устройство для охлаждения молока, состоящее из теплообменника с насосом и трубопроводами для циркуляции охлаждающей жидкости, внутри которого установлен вентилятор-разбрызгиватель с реактивными форсунками, состоящий из полой ступицы с радикально расположенными трубками, на которых установлены лопасти. В этом устройстве с целью упрощения обслуживания, лопасти вентилятора-разбрызгивателя установлены на трубках с возможностью изменения угла атаки, для регулирования которого они соединены штангами с подпружининым сифоном с легкокипящей жидкостью, установленным соосно с вентилятором на ступице.

Захаров А.А. разработал устройство для охлаждения молока содержащее циркуляционный контур, включающий молокоохладитель, источник искусственного холода и источник естественного холода с подвижным корпусом. Молокоохладитель связан с корпусом полым вертикальным цилиндром (ПВЦ) с воздушной заслонкой в нижней части. Втулка с фиксатором в верхней части ПВЦ позволяет поворачивать корпус вертикальным хвостовиком для ориентации направления ветра. Жалюзи стенок корпуса и заслонка исключают замерзание трубок змеевика трубопровода для хладагента внутри ПВЦ.

Цель изобретения — снижение энергозатрат при использовании естественного холода. Процесс охлаждения воды регулируется подачей воздуха и давлением воды.

Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства и Центральный научно-исследовательский и проектный институт типового и экспериментального проектирования животноводческих комплексов по производству молока, говядины и свинины совместно разработали, аккумулятор естественного холода для охлаждения молока на животноводческих фермах. В установке для снижения температуры холодоносителя (воды) используют теплообменник холодоносителя в виде вертикального ряда резервуаров. В верхних резервуарах вода может последовательно перетекать под перегородки в торцовый переливной канал.

При образовании льда в резервуарах вода протекает между выступающими над его поверхностью наклонными в разные стороны краями перегородок в боковой переливной канал. При этом в резервуаре вода с поверхности льда поступает в подледное пространство через утепленную магистраль.

При низких температурах в резервуарах накапливают лед. Вода в это время поступает через теплоизолированный ввод в резервуар. По отводящей трубе вода поступает из резервуара в теплообменник для молока.

Цель изобретения — повышение надежности охлаждения молока за счет снижения температуры хладоносителя для чего используют естественный холод атмосферного воздуха в холодное время года.

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева изобрел устройство для охлаждения молока, содержащее ороситель и расположенный над ним поддон с трубкой для отвода охлажденной жидкости. Внутри поддона на его стенке имеется выступ, расположенный перед входом в трубку. Источник искусственного холода параллельно соединен с оросителем кранами. Теплообменник для молока соединен с насосом для охлаждающей воды. Резервуар соединен с поддоном.

Ороситель с поддоном расположен за стеной здания, на открытом воздухе. Место соединения трубы с поддоном расположено в его верхней части. В процессе работы устройства выступ способствует взламыванию льда в поддоне и предотвращает его попадание в трубу.

Цель изобретения — повышение эффективности работы устройства. В зимнее время при отрицательных температурах наружного воздуха трехходовые краны устанавливаются в положение «Естественный холод» и охлаждающая вода циркулирует по замкнутому контуру: теплообменник, ороситель, поддон, резервуар, насос, теплообменник.

Куйбышевский авиационный институт им. академика С. Б. Королева, изобрел устройство для охлаждения молока. Это устройство работает следующим образом. Подлежащее охлаждению теплое молоко через трубопровод теплообменника в приемный бак. При прохождении по трубопроводу молоко вначале охлаждается в нем до температуры 30 °C. Через трубопровод насосом из емкости подкачивается вода, предварительно охлажденная в нем за счет эффекта «мокрого термометра». Из емкости охлаждения вода забирается в ее нижней части, а после прокачки через теплообменный участок и насос сливается в бак в его верхней части (это исключает переливание холодных и теплых частей объема в одной емкости и устраняет необходимость установки второго бака для этого контура охладителя). Затем молоко дополнительно охлаждается теплообменным участком трубопровода до температуры 10 °C, через который насосом прокачивается вода забираемая из нижней части емкости и затем сливается в верхнюю часть, это также исключает перемешивание холодных и теплых частей объема за сравнительно короткий период работы установки.

Снижение температуры воды в испарительной емкости зависит от относительной влажности окружающего воздуха.

Сибирский научно-производственный институт и Омский политехнический институт, совместно изобрели установку для охлаждения молока. Целью их изобретения является повышение эффективности работы и уменьшения зависимости от погодных условий. Установка состоит из теплоизолированного бака для ледяной воды и установленного над ним оросителя служащих для аккумуляции естественного холода, а также системы циркуляций охлаждающей воды, связывающей их с баком охладителем для молока. Бак для ледяной воды снабжен воздухопроводом, соединенным через вентилятор с атмосферой и имеющим вертикальный участок воздуховода установлен по оси бака для ледяной воды через него в холодной время года атмосферный воздух подается в ороситель. В оросителе помимо форсунок для разбрызгивания отепленной водой, установленных в два яруса размещены разъемы, заполненные холодной водой и служащие для замораживания льда в полости оросителя и его теплообмена с разбрызгиваемой водой.

М.Г. Романов, П. П. Пермяков и П. Н. Филиппов в 1982 г. изобрели совместно устройство для охлаждения и хранения молока содержащее котлован с ледяным массивом, сверху которого установленное решетчатое перекрытие и разборное установлено сооружение с люками и окном. Емкости для молока опущены в котлован через отверстие в решетчатом перекрытии и перфорированные барабаны. В зимнее время года снимают с котлована покрытие, открывают люки и через решетчатое перекрытие открывают в котлован воду для намораживания ледяного массива, в летнее время молоко по штангам через разбрызгиватель поступает в емкости на охлаждение и хранение.

Для извлечения емкости из котлована оттаивают слои льда вокруг емкости и барабана и отсоединяют емкость от перекрытия. Емкость поднимают по стенкам барабана вверх.

Нами предлагается установка для охлаждения воды естественным льдом, который является дешевым и доступным источником холода в большинстве районов Украины. Использование естественного льда в качестве холодоносителя объясняется его ценными физическими свойствами низкой температурой таяния (0°С) и высокой температурой плавления, равной в обычных условиях 335 кДж/кг. Следовательно, такое количество теплоты поглощается из окружающей среды каждым килограммом тающего льда. В интервале температур от 0 до 20 °C, теплоемкость льда составляет всего 2,33 (Вт/(м²°С)) [6], а теплоемкость льда 2,1 (кДж/(кг°С)).