ВведениеАнализ мировых тенденций, исследований и технических решений по снижению энергетических затрат в тепловых процессах переработки молока позволяет сделать вывод о целесообразности использования солнечной энергии в качестве дополнительного источника получения тепла и сокращение затрат электроэнергии при нагревании от бойлера. Значительные затраты энергии в тепловых процессах молокоперерабатывающего предприятия приходятся на пастеризацию молока. Температурный интервал нагрева продукта до требуемого значения может составлять до 70 °С.Выполненные аналитические исследования показали, что доминирующим фактором энергозатрат в тепловых процессах переработки молока является температура и объем теплоносителя– воды. Предварительный подогрев воды с помощью энергозамещающего устройства и подача к тепловым аппаратам позволит снизить расход электроэнергии или других теплоносителей и сделает производство менее    энергозатратным    [1].    Проведенные ранее   эксперименты    на    кафедре    технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования показали, что применение комплексного энергозамещающего устройства для начального подогрева воды при благоприятных погодных условиях в южных областях страны в теплое время года может снизить указанный выше интервал до 20–30 °С, а при неблагоприятных – до 40–50 °С [2].С целью выбора гелиоколлекторов и разработки схемы энергозамещающего устройства были проведены исследования конструктивных особенностей и схем соединения гелиоколлекторов. Обзорсуществующихконструкцийгелиоколлекторов показал, что основными их типами являются: плоский солнечный коллектор – самый распространенный вид солнечных коллекторов; коллектор в виде батареи стеклянных трубок; вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде, а также с встроенным теплообменником. Кроме того, определенный интерес представляет вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками [3].Важным преимуществом солнечных коллекторов с тепловыми трубками является их способность работать при температурах до 35 °С (полностью стеклянные солнечные коллекторы с тепловыми трубками) или даже до 50 °С (солнечные коллекторы с металлическими тепловыми трубками).Как показали предыдущие исследования, за счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в летнее время. В  осенне-весенний  период  от  солнца можно получить до 30 % необходимой энергии на отопление и до 60 % от потребностей – на горячее водоснабжение.Довольнораспространенными, пожалуй, наиболее перспективным вариантом использования солнечной энергии для теплоснабжения производственных процессов малой и средней производительности является система, представляющая собой комбинацию солнечных коллекторов, бака- аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов.Основными конструктивными элементами предложенного комплексного энергозамещающего устройства (КЭУ) является трубчатый гелиоприемник (гелиоколлектор) и бак-аккумулятор, установленные на несущей раме. Также устройство имеет систему водоснабжения с теплоизоляцией и термоизмерительный комплекс.Экспериментальный КЭУ работает следующим образом. Циркуляция теплоносителя в этой установке осуществляется за счет изменения  его  плотности по мере нагревания солнечными лучами. При нагревании плотность теплоносителя снижается, в результате чего происходит перемещение нагретого теплоносителя вверх по гелиоколлектору и далее в бак-аккумулятор.  Чем  выше  температура  нагрева Рисунок 1 – Экспериментально-производственное комплексное энергозамещающее устройствоFigure 1 – The experimental complex energy substitution device Gerber Y.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 124–132 теплоносителя (т.е. чем больше разница температур на входе и выходе из гелиоколлектора), тем больше разница плотности, больше  температурный  напор и, следовательно, скорость циркуляции. Нагретый теплоноситель, поступая в верхнюю часть бака- аккумулятора, вытесняет из нижней части прохладный теплоноситель. Вытесненый  теплоноситель  при этом перетекает по нижней части циркуляционного трубопровода в нижнюю часть гелиоколлектора, заполняя пространство. Забор нагретого теплоносителя (воды) из бака-аккумулятора осуществляется из верхней части [1–3].В соответствии с этим разработана программа исследований влияния температурных параметров оборудования   в   тепловых   процессах   обработки молока на энергетические затраты и его качественные показатели с использованием КЭУ (рис. 1). Программа исследований включала в себя измерение температурных параметров КЭУ в течение длительного времени:входа и выхода потоков воды в нижнем коллекторе;выхода потока воды из верхнего коллектора;слоя воды в верхней части бака-аккумулятора;температуры наружного воздуха;температуры на абсорбере коллектора под стеклом. Для проведения исследований была разработана методика,  которая  отвечает  задачам  программы[4–26]. Объекты и методы исследованийЭкспериментальные   исследования   работы КЭУ проводились с целью проверки результатов, полученных при теоретическом обосновании конструктивных параметров и режимов работы. Задачами эксперимента было:проверка влияния угла наклона солнечного коллектора к горизонту и определение оптимального значения;проверка влияния угла установки КЭУ по отношению к оси юг-север.В   соответствии   с    поставленными    целями и задачами программы экспериментальных исследований предусмотрено:разработка установки для нагрева воды;определение теплофизических параметров КЭУ.Система измерения включает в себя: 8 термопар типа     К     (хромель-алюмель),     изготовленных из проволоки диаметром 0,3 мм и покрытых кремнийорганической электроизоляцией с неизолированным спаем; контроллер Д-ИТ-8ПТ- RST; адаптер RS-485/USB; персональный компьютер и программное обеспечение для регистрации экспериментальных данных. Система обеспечивает измерение и регистрацию температуры в диапазоне40–65 °С при максимальной частоте регистрации 0,1 Гц. Контроллер оснащен встроенным термометром сопротивления для учета температуры холодного соединения термопар и программного преобразования электрических сигналов  термопар и термометра сопротивления в температуру горячего спая термопары согласно номинальной характеристике преобразования. Система позволила Рисунок 2 – Общий вид системы замератемпературных данных на КЭУFigure 2 – The general view of the temperature reading system записать сигналы термопар на жесткий диск персонального компьютера (рис. 2).Датчики для исключения влияния температуры окружающей среды теплоизолированны и прикреп- лены к соответствующим трубопроводам КЭУ и бака- аккумулятора. Для измерения принята следующая нумерация датчиков прибора: 1 – наружный воздух;2 – вход воды в нижний коллектор; 3 –  выход воды из нижнего коллектора и вход в верхний; 4 – выход воды из верхнего коллектора; 5 – абсорбер под стеклом коллектора; 6 – вход воды в нижнюю часть бака-аккумулятора; 7 – вода в верхней части бака-аккумулятора; 8 – выход воды из верхней части бака-аккумулятора. Результаты и их обсуждениеНа основе экспериментальных исследований работы КЭУ проведена проверка результатов, полученных путем теоретического обосновании конструктивных параметров  и  режимов  работы. Для проведения экспериментальных исследований разработана и изготовлена установка для нагрева воды на основе гелиоколлекторов. Системой записаны сигналы термопар на жесткий диск персонального компьютера. Датчики для исключения влияния температуры окружающей среды теплоизолированны и прикреплены к соответствующим трубопроводам КЭУ и  бака-аккумулятора.  Измерения  проводились в течение недели круглосуточно. Данные измерений повторяемостью в 30 сек записывались на персональный компьютер. После окончания замеров данные протоколов обрабатывались в программе Eхсel с построением диаграмм. Диаграммы измерений температурных данных на КЭУ для предварительного подогрева воды от бойлера представлены на рис. 3–5. На оси абсцисс диаграмм проставлено количество точек замера. На оси ординат приведена температура нагрева в °С.На диаграмме (рис. 3) представлены данные замера температурных параметров теплоносителя, подготовленного с помощью КЭУ в течение недели с 13 по 19 июня 2018 года. Диаграмма представляет собой непрерывную круглосуточную запись всех температурных параметров КЭУ – от входа до выхода Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 3 С. 124–132  100 90 80 70  Температура, °С 60  50 40 30 20 100               1000             2000             3000             4000             5000             6000             7000             8000             9000            10000Количество точек замера температуры Ряд1                  Ряд2                  Ряд3                  Ряд4                  Ряд5                  Ряд6                  Ряд7                  Ряд8 Рисунок 3 – Диаграмма температурных параметров работы КЭУ за период 13–19.06. 2018 г.Figure 3 – Diagram of the temperature parameters in June 13–19, 2018 воды. Основными из них являются: температура воды на входе в нижний коллектор КЭУ (ряд 8); воды на выходе из первого (ряд 4) и второго коллектора (ряд  3);  в   верхней   части   бака-аккумулятора (ряд 2); под стеклом на поверхности абсорбера (ряд 5) и температура  внешней  среды  (ряд  6). 13 июня (точки замера от 0 до 1500) характеризуется достаточно благоприятными погодными условиями. Температура поверхности абсорбера под стеклом достигала 90 °С, а  воздух  в  полдень  –  около 30 °С. Благодаря этому температура воды с начальной 15 °С на выходе из первого коллектора составляла до 45 °С, а с другой – 80 °С; температура в баке- аккумуляторе достигла 60 °С. Таким образом, после направления этой воды к  бойлеру,  необходимость ее догрева до температуры пастеризации (85 °С) составляла около 25 °С. 14 июня (точки замера с 1500 до 3000) характеризуется менее благоприятными погодными условиями. Хотя температура внешней среды составляла в полдень около 24 °С, этот день был облачным, поэтому температура на поверхности абсорбера коллектора достигала не более 68 °С. При этих условиях температура воды с начальной 15 °С на выходе из первого коллектора составляла 32 °С, а с другой – 53 °С, температура в баке- аккумуляторе достигла 42 °С. Таким образом, после направления этой воды к бойлеру, температурный диапазон ее догрева составил около 43 °С. Неблагоприятные погодные условия 15 июня (точки замера с 3000 до 4500) сказались на температурных параметрах работы КЭУ. Температура нагрева абсорбера  коллектора  достигала  менее  60  °С,  т.к. температура воздуха составляла около 23 °С. При этом температура воды с начальной 15 °С на выходе из первого  коллектора  составляла  около  30  °С,  а с другой – около 50 °С. Температура воды в баке- аккумуляторе составляла около 38 °С. Таким образом, температурный диапазон ее догрева составлял 47 °С.16 июня наблюдалось постепенное повышение температуры внешней среды, что благоприятно отразилось на температурных параметрах работы КЭУ. При температуре воздуха около 26 °С температура поверхности абсорбера достигала 75 °С. При этом температура воды с начальной 16 °С на выходе из первого коллектора  составляла  около 40 °С, а с другой – около 70 °С. Всего температура воды в баке-аккумуляторе достигла 50 °С, что требовало ее догрева перед пастеризацией на 35 °С. 17 июня при температуре окружающей среды около30 °С, температура абсорбера достигала 80 °С. Температура воды на выходе из первого коллектора достигла 45 °С, а с другой – 70 °С. В целом, температура воды в баке-аккумуляторе  составила 52 °С, что требовало ее догрева перед пастеризацией на 33 °С. 18 июня температура внешней среды составляла около 32 °С, температура абсорбера при этом достигала 97 °С. Температура воды на выходе из нижнего коллектора составила 60 °С, а с верхней83 °С. Температура воды в баке-аккумуляторе достигла 60 °С, а диапазон догрева воды составил 25 °С. 19 июня наблюдалась почти такая же картина. Температура воды в баке-аккумуляторе  составила 58 °С, с диапазоном догрева 27 °С.   110 Gerber Y.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 124–132   100 90 80  Температура, °С 70  60 50 40 30 20 100               1000             2000             3000             4000             5000             6000             7000             8000             9000            10000Количество точек замера температуры  Ряд1                  Ряд2                  Ряд3                  Ряд4                  Ряд5                  Ряд6                  Ряд7                  Ряд8 Рисунок 4 – Диаграмма температурных параметров работы КЭУ за 11–17.07.2018 г.Figure 4 – Diagram of the temperature parameters in July 11–17, 2018  110 100 90 80  Температура, °С 70  60 50 40 30 20 100                  1000               2000               3000               4000               5000               6000               7000               8000               9000Количество точек замера температуры  Ряд1                  Ряд2                  Ряд3                  Ряд4                  Ряд5                  Ряд6                  Ряд7                  Ряд8 Рисунок 5 – Диаграмма температурных параметров работы КЭУ за 18–24.07.2018 г.Figure 5 – Diagram of the temperature parameters in July 18–24, 2018 Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 3 С. 124–132   80    Температура,  ̊С 60    40   20   00                   100                 200                 300                 400                 500                 600                 700                 800  Количество точек замера температуры (периодичность 30 секунд) Вход молокаВыход молокаВход холодной водыВыход холодной водыВыход горячей водыВход горячей водыНа сепараторВыход пастеризованного молока  Рисунок 6 – Диаграмма замера температурных данных при тепловой обработке молокаFigure 6 – Diagram of the temperature readings during the thermal treatment of milk  Подводя итоги анализа диаграммы темпера- турных   параметров   работы   КЭУ   в   период   с13 по 19 июня 2018 года можно сказать, что в среднем, необходимый температурный диапазон догрева  составлял  34 °С.  Учитывая,   что   без КЭУ температурный диапазон нагрева воды от начальной  температуры   (15 °С)   до   конечной (85 °С) составляет 70 °С, экономия электроэнергии, за счет его сокращения до 36 °С составляет, в среднем, 4 кВт.ч на каждые 100 л воды.Для сравнения проведены замеры в период с 11.07. по 17.07.2018г., а также с 18.07. по 24.07.2018г.,которые показали следующее.Температурные параметры работы КЭУ за период с 11 по 17 июля отмечаются стабильностью солнечной радиации на поверхности абсорберов гелиоколлекторов. Температура их нагрева, в среднем, составляла около 90 °С. Благодаря этому температура воды в баке-аккумуляторе достигала 55–60 °С. Это дало изменение уменьшить необхо- димый температурный диапазон догрева воды на 40–45 °С. Экономия электроэнергии за эту неделю составляла 6,8 кВт.ч на каждые 100 л воды (рис. 4).Температурные параметры КЭУ за  период  с 18 по 24 июля 2018 года в целом характерные для предшествующего периода. Обращает на себя внимание, что температура нагрева поверхности абсорбера    гелиоколлекторов    18,    19,     20,     и 24 июля достигала 100 °С, температура воды в баке- аккумуляторе достигала 60–65 °С. Это позволило уменьшить температурный диапазон догрева воды до 45–50 °С, что привело к экономии электроэнергии около 7,5 кВт.ч на каждые 100 л воды (рис. 5). Для определения количества сэкономленной энергии при тепловой обработке молока в процессе пастеризации были проведены замеры температурных потоков на пластинчатом аппарате (рис. 6). ВыводыСравнивая данные температуры горячей воды, полученной в КЭУ, и технологической температуры нагрева воды (рис. 6) с начальной температурой водопроводной воды 13–15 °С, можно сделать следующие выводы:использование КЭУ позволяет вдвое уменьшить мощность электрических нагревательных эле- ментов для нагрева, диапазон температуры нагрева теплоносителя для пастеризации молока сокращается на 32–35 °С, что составляет 37–41 кВт электроэнергии на каждую тонну молока;рекомендуются следующие параметры оборудо- вания для пастеризации молока с использованием КЭУ с целью подогрева теплоносителя: площадь коллекторов КЭУ для предварительного нагрева в2 м2 обеспечивает 150 литров воды температурой 45–60 °С.Сравнивая нормативные параметры температуры сквашивания молока (32–35 °С) с температурой воды в КЭУ (45–60 °С) можно сделать вывод о полном покрытии тепловых затрат в летнее время в южных регионах страны. Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Gerber Y.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 124–132 БлагодарностиАвторы выражают благодарность руководству университета в предоставлении доступа к учебно- технологической лаборатории по переработке мо- лока Академии биоресурсов и природопользования (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крым- ский федеральный университет имени В. И. Вернад- ского» для получения экспе-риментальных данных. ФинансированиеСтатья выполнена согласно тематического плана инициативных научно-исследовательских работ на  2015–2019  годы  (с  корректировкой  в 2017 г.) Академиибиоресурсовиприродопользования (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крым- ский федеральный университет имени В. И. Вернад- ского».