6.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХОЛОДА

Климатические условия Республики Беларусь позволяют на значительной территории заготовлять естественный лед и тем самым аккумулировать при - юдный зимний холод [4].

Применяют три основных способа заготовки естественного льда: выборка іьда из водоемов, послойное намораживание льда, намораживание льда со - ;ульками на градирнях [102].

Лед заготавливают путем выколки или выреза из слоев, которые образо - зались зимой на поверхности рек, озер. Водоем должен иметь достаточно чис­тую воду, глубину не менее 0,75 м и удобные берега для вывозки льда.

Лед заготавливают во второй половине зимы, когда толщина его достига­ет 20-30 см. Для получения более ровных блоков вначале ледяное поле разме­чают на прямоугольники 0,8x0,6 или 1,0x0,7 м, а затем лед выкалывают лома­ми или выпиливают, извлекают из воды и перевозят к месту хранения.

Недостатки этого способа заготовки — низкое качество льда из-за воз­можной загрязненности водоемов и попадания в лед грязи во время перевозки, большие потери при хранении в результате неплотной укладки блоков, а так­же трудоемкость и большие первоначальные затраты.

Заготовка осуществляется на площадках, расположенных вблизи мест по - гребления. Лед выкладывают на площадке монолитным массивом, называе­мым буртом.

Площадка имеет форму прямоугольника. При подготовке ее засыпают песком или гравием слоем толщиной не менее 15 см и застилают досками создавая уклон для стока талой воды. Для сбора и отвода стаявшей воды во­круг всей площадки на расстоянии 1 м выкапывают канаву глубиной 0,5 м. у площадки ставят временный деревянный борт высотой примерно 0,5 м и из шланга наливают тонкими слоями водопроводную воду. Толщина слоя льда, намороженного в течение суток, зависит от температуры и скорости движения воздуха. Так, при скорости ветра 1 м/с и температуре воздуха -5°С за сутки можно наморозить слой льда 15 мм, при -10°С — 30 мм, -15°С — 50 мм лри - 20°С — 70 мм. В ветреную погоду интенсивность намораживания возрастает в 2-3 раза.

Когда толщина слоя достигнет верхнего края борта, деревянную опалубку открывают и устанавливают на поверхность намороженного слоя на расстоя­нии от краев, примерно равном высоте борта. После этого приступают к намо­раживанию следующего слоя льда. В результате получается ступенчатый ле­дяной массив.

По окончании намораживания бурту придают форму, удобную для укры­тия. Уступы засыпают дробленым льдом или скалывают выступы для получе­ния ровной поверхности боковых откосов, необходимой для укрытия.

При намораживании больших буртов (более 1000 т) целесообразно приме­нять гидромеханизированный способ. В этом случае вода разбрызгивается на площадке форсунками. Пульт управления подачи воды устанавливают в утеп­ленной будке, расположенной вблизи площадки. Лед, намороженный гидроме­ханизированным способом, дешевле чем тот, который заготовлен на площадках вручную, более чем в 2 раза и в 4-5 раз дешевле льда, заготовленного из водо­емов. Лед получается чистый, но мутный. Недостатки заготовки льда послой­ным намораживанием — трудоемкость его выколки из монолитного бурта и по­тери при раздроблении льда- Этот способ применяют в северной и средней климатических зонах, где можно наморозить бурт высотой 3-5 м.

Намораживание в виде сосулек применяют в местностях со сравнительно мягкими зимами, где температура не опускается ниже -2-3°С. Градирня пред­ставляет собой трехъярусное деревянное сооружение этажерочного типа вы­сотой 6-7 м с расстоянием между ярусами 2 м. На ярусах укладывают жерди с расстоянием 25-30 см. Над верхним ярусом располагают форсунки для раз - брызгнвания водопроводной воды, которая стекает вниз и замерзает на жердях в виде сосулек.

За 3—4 дня на жердях намерзают сосульки длиной до 2 м. Их скалывают и укладывают в льдохранилище. Для облегчения скалывания применяют элек­тронагреватели, которые обеспечивают автоматическое оттаивание сосулек. Заготовленный зимой водный лед хранят в льдохранилищах, где создают за­пасы, необходимые для охлаждения заданных объектов в весенне-летне - осенний период.

Льдохранилища временного типа. Они представляют собой укрытые бурты намороженного или заготовленного из водоемов льда. Площадку под льдохранилище подготавливают так же, как и перед послойным наморажива­нием, Форма бурта должна быть удобна для укрытия. Бурты закрывают соло­менными матами, а затем засыпают тепловой изоляцией (опилки, торфяная крошка, костра, болотный мох). Для предотвращения оползания теплоизоля­ционного покрытия у основания бурта по всему периметру делают откосы из изоляционного материала и ставят деревянные борта.

Толщина теплоизоляционного укрытия составляет 0,5-0,75 м в северной зоне, 0,75-1,0 м в средней.

Недостатком таких льдохранилищ являются относительно большие поте­ри от таяния льда и загрязнения укрывочными материалами. Размер потерь составляет 15-20% от количества заготовленного льда для северной зоны и 20-30% для средней. В южной зоне применять такие хранилища не цел есообразно.

Льдохрамнлиша постоянного типа. Они представляют собой здания с ограждениями, имеющими тепловую изоляцию. Сооружение таких льдохра­нилищ требует больших капитальных затрат, но они окупаются.

Однако в нашей республике льдохранилища постоянного типа для есте­ственного льда не нашли распространения и главным образом потому, что большую часть льда заготовляют способом послойного намораживания.

Количество заготовленного льда должно быть значительно больше коли­чества льда, необходимого для охлаждения, на величину потерь при хранении, вы колке, дроблении и транспортировке. Все эти потери составляют 25-40%.

6.2. Технологические процессы использования холода

К устройствам с ледяным и льдосоляным охлаждением относят ледники, ледяные склады, холодильники с решетчатыми карманами и металлическими баками, а также холодильники с циркуляцией рассола.

Ледники. Это простейшее стационарное сооружение, охлаждаемое вод­ным льдом. В конце зимы ледники заполняют естественным льдом. В течение всего весен не-летне-осенне го сезона в ледниках поддерживается температура 4-8°С и относительная влажность воздуха около 90%.

Распространены ледники с внутренним или боковым расположением льда (рис. 6.1). Наружные ограждения ледника имеют тепловую изоляцию. Стены, разделяющие камеры с отделениями для льда, также изолируют для предот­вращения выпадения влаги. Во внутренней стене внизу и вверху устраивают окна для циркуляции воздуха. Воздух охлаждается при непосредственном со­прикосновении со льдом. Перед камерами устраивают тамбур с выходом на север. Для набивки ледников льдом используют специальные люки. В отделе­нии для льда пол делают водонепроницаемым с уклоном к середине для стока и отвода талой воды. На пол кладут решетки или жерди с хворостом.

Лед укладывают плотными штабелями с отступами от стен для циркуля­ми воздуха.

Ледяные склады. Основным видом ледяных складов является склад Крылова. Он строится из льда путем его намораживания.

Основанием склада является ледяная площадка толщиной 0,8 м, наморо­женная в котловане. Для возведения стен и сводчатого потолка на площадке строят деревянную опалубку, на которую намораживают лед до получения массива нужного размера. После намораживания опалубку снимают.

Площадь камер 24-30 м2, ширина коридора 3 м, высота камер и коридора у стен 2,8 м, а в центре 3,2 м, толщина стен 2-3 м, потолка 2 м.

Снаружи ледяной массив покрывают слоем изоляционного материала типа соломенных матов, древесных опилок, торфа толщиной не менее 1 м. При ук­ладке изоляции ее орошают водой и промораживают. Это защищает ледяной массив от подтаивания с наружной стороны, потому что теплота, поступающая снаружи в теплое время года, аккумулируется в этом случае в самом слое изо­ляции и расходуется на таяние льда в ней. В нижней части укрытия делают зем­ляные откосы, чтобы изоляция не оползала. Входы в тамбуры закрывают изоли­рованными дверями, вход в склад завешивают брезентом.

Чтобы предохранить массив от подтаивания изнутри, в складе поддержи­вается температура -0,5 +1,5°С. Для этого в стенках камер и коридоров уст­раивают ниши с решетчатыми карманами, в которые загружают льдосоляную смесь. Такие же карманы находятся в тамбуре. Под карманами ставят бочки для сбора рассола, образующегося при таянии льдосоляной смеси. С помощью льдосоляных смесей температуру в складе можно понизить до -6°С, а в север­ных районах до -11 -12°С. Необходимый для охлаждения лед вырубают из пола камеры и коридоров. Поэтому ежегодно в зимнее время в складах намо­раживают полы, В это же время промораживается оттаявший слой изоляции. Ледяные склады рекомендуется строить в северной климатической зоне.

Стоимость сооружения ледяных складов в 5-6 раз меньше стоимости обыч­ных холодильников с машинным охлаждением. Все затраты на строительство ле­дяного склада окупаются за 2-3 года, а эксплуатироваться они могут 6-8 лет.

Льдохранилище, например, обеспечивает охлаждение молока практически в течение круглого года. Расход льда на 1 т молока составит с учетом потерь 0,7-0,8 м3. Удельные затраты электроэнергии 1,5-2,0 кВт. ч на тонну молока.

В хозяйствах Курганской области (Россия) испытывался модернизиро­ванный вариант установки, содержащей проточный пластинчатый охладитель ООТ-М, систему грунтового охлаждения, артезианскую скважину с насосом подачи воды, В качестве источника холода применялся ледяной бурт. Уста­новка обеспечивает устойчивое и быстрое охлаждение молока до требуемой температуры при любых погодных условиях при пастбищном содержании ко­ров, снижает затраты электроэнергии, имеет высокую эксплуатационную на­дежность. В хозяйствах Башкирии и Архангельской области (северо - восточная зона) в качестве источника холода для охлаждения молока также используется льдохранилище, выполненное в виде льдобурта.

Расход льда на 1 т молока в пастбищный период в среднем составляет 0,65- 0,7 м3. Потери льда зависят от погодных условий и качества теплоизоляции. Энергозатраты составили в среднем 1,5-2,0 кВт. ч на 1 тонну. На молочном ком­плексе базового хозяйства НПО «Нива» в пригороде Саранска установлен мо­дифицированный аккумулятор естественного холода для охлаждения молока. Он содержит осевой вентилятор для активизации процессов охлаждения. Охла­ждаемая вода распыляется форсункой. При температуре наружного воздуха - 10°С производительность установки достигает 5 т/ч молока, охлажденного от 30°С до 6°С. Удельный расход электроэнергии 1,5 кВт. ч/т [103].

Испытания показали, что использование в технологической линии с предварительным охлаждением молока аккумуляторов естественного и искус­ственного холода водо-ледяного типа позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение в холодное время года до 10 раз, установлен­ную мощность электрооборудования и хладопроизводительность холодиль­ных установок до 3 раз. Материалоемкость аккумуляторов снижается в б раз, а аккумулирующая способность системы возрастает в 2 раза.

Охлаждение молока без применения холодильных установок осуществля­ется до 4°С, при среднесуточной температуре окружающего воздуха не выше 1°С, и до 6°С, при среднесуточной температуре окружающего воздуха 3-4°С.

Как показывает опыт эксплуатации оборудования для охлаждения молока естественным холодом, в различных регионах уровень его надежности, вклю­чая долговечность, ремонтопригодность, безотказность и сохраняемость зна­чительно выше, чем у традиционного паро ком пресс ион но го холодильного оборудования.

До 10-12 раз снижаются затраты на воду для охлаждения конденсаторов паро компрессионных холодильных установок, расходные материалы (масло, фреон).

Наблюдается снижение капитальных затрат в 2-2,5 раза при внедрении энергосберегающих холодильных систем, использующих приемники и акку­муляторы естественного и искусственного холода. Применение этого обору­дования позволяет в холодное время вообще отказаться от использования па­рокомпрессионных холодильных установок, а в теплое время года уменьшить установленную мощность холодильных установок в 2-2,5 раза. Снижается стоимость холодильных установок комбинированного типа. Использование герметичных или бессальниковых компрессоров становится возможным бла­годаря применению аккумуляторов холода. Это позволяет значительно повы­сить надежность холодильных систем.

Увеличение экономической эффективности наблюдается и за счет улуч­шения качества получаемого молока. Оно зависит от повышения сортности и сохранения жирности надаиваемого молока.

Повышение сортности происходит за счет увеличения доли охлажденного молока в общем количестве молока, сдаваемого фермами.

Сохранение жирности молока обеспечивается внедрением ресурсосбере­гающих технологий и малоемкостных систем учета и охлаждения молока в потоке с коэффициентом поточности этих систем, приближающимся к едини­це. При этом площадь внутренних поверхностей молочного оборудования, контактирующих с молоком, резко сокращается. Уменьшается и количество оседающего на них жира, смываемого при промывке [104].

Испытания и промышленная эксплуатация комбинированных систем ох­лаждения с использованием естественного (природного) холода в различных регионах России показали, что эти системы могут применяться в течение круглого года практически по всей территории. Они становятся основным средством охлаждения и обеспечения сохранности сельскохозяйственной продукции непосредственно в местах ее производства.

Охладитель молока сезонного действия. Принцип использования охла­ждающего эффекта атмосферного воздуха при обработке молока лежит в ос­нове установки ОМС-12, которая разработана НПО «Белсельхозмеханнзация» [105]. Главное преимущество такой установки сезонного действия состоит в

том, что она экологически чиста, проста по устройству и в обслуживании, долговечна в эксплуатации. Затраты электрической энергии на охлаждение 1 т молока в 8 — 10 раз ниже по сравнению с работой серийных холодильных машин (рис. 6.2) [106].

Охладитель молока сезонного действия с помощью атмосферного воздуха [состоит из системы ванн (2—4 шт.) для охлаждения отепленной воды, душа с [поддоном и отражателем, бака-аккумулятора холодной воды, установленных |на общей раме за пределами молочного блока; бака-уровня, распределитель­ной гребенки и насосной установки, размещенных внутри молочного блока. При помощи соединительной арматуры (трубопроводов) водоохлаждающая установка соединена с резервуаром-охладителем молока РПО-1,6 (РПО-2,5). Распределительная гребенка служит для подключения в работу одной или сра­зу всех водоохлаждающих ванн в зависимости от температуры окружающей среды. При более высокой температуре в работу может быть включено душе­вое разбрызгивающее устройство.

Бак-уровня служит для накопления холодной воды, поступающей из бака - аккумулятора, находящегося снаружи, и подачи ее в резервуар-охладитель молока. При этом необходимо, чтобы уровень воды в баке-уровне был на 150- 500 мм выше уровня воды в рубашке охлаждения РПО-1,6 (2,5). Постоянный уровень воды в баке-уровне поддерживается поплавковым клапаном.

Компоновка составных частей охладителя предусматривается с мини­мальными изменениями существующей схемы охлаждения молока [теплохо­лодильная установка ТХУ-14 + резервуар-охладитель молока РПО-1,6 (2,5)] и незначительными строительными работами.

В зависимости от температуры наружного воздуха возможны два режима работы охладителя молока: при наличии льда в ваннах и без него.

При наличии льда в ваннах и баке-аккумуляторе отепленная вода из ру­башки охлаждения РПО-1,6 (2,5) насосной установкой подается в одну из нижних ванн (или непосредственно в бак-аккумулятор) и растекается по по­верхности льда. Соприкасаясь с ним, отепленная вода охлаждается, постепен­но растапливая лед, переливается через сливную горловину и поступает в бак - аккумулятор, где также имеет контакт со льдом. Перетекая по нему, вода по­ступает в водосборник и далее в бак-уровня. Из бака-уровня под действием разрежения вода засасывается в рубашку охлаждения РПО. В течение дли­тельной работы при отрицательной температуре в ваннах и баке-аккумуляторе образуется водо-ледяная смесь, что способствует быстрому охлаждению отеп­ленной воды. При температуре окружающей среды выше 0°С отепленная вода подается в верхние ванны. Чем выше температура, тем большее количество ванн будет задействовано в работе. При температуре атмосферного воздуха +5°С для обеспечения своевременного охлаждения молока отепленная вода подается в душевое устройство, где она распыляется и более интенсивно ох­лаждается. Перетекающая вода нз ванн поступает в бак-аккумулятор, в кото­ром доохлаждается и далее подается в бак-уровня — рубашку охлаждения РПО.

Применение охладителя молока ОМС-12 на МТФ позволит в течение 6-ти месяцев в году (октябрь-март) вывести из работы холодильную установку ТХУ-14 установленной мощностью Р = 6 кВт, вдвое увеличить ее срок служ­бы и экономить ежегодно до 10 тыс. кВт ч электроэнергии. Уровень интенси­фикации при использовании охладителя молока составит 35%.