Brangstantys energijos ištekliai, mažėjanti pieno supirkimo kaina skatina ieškoti sąnaudų mažinimo būdų. Vienas iš tokių būdų – įdiegti rekuperacijos sistemą, t. y. pieno šilumą panaudoti vandeniui šildyti ir panašiai.

Pienas ir jo produktai išlieka vieni svarbiausių mūsų kasdienės mitybos raciono dalis. Remiantis Vokietijos Pieno pramonės asociacijos (MIV) duomenimis, vidutiniškai per metus ES gyventojai suvartoja apie 28 proc. pieno produktų daugiau negu naujųjų ES valstybių gyventojai.

LR statistikos departamento 2008 m. duomenimis, vienas Lietuvos gyventojas vidutiniškai suvartojo 268 kg pieno ir jo produktų per metus. Piene yra daugiau kaip 200 įvairių medžiagų, reikalingų žmogaus organizmo ląstelėms atsinaujinti ir energijai gauti, tačiau jis yra greitai gendantis produktas. Norint kuo ilgiau pieną išlaikyti šviežią, jį reikia atšaldyti. Neaušinant pieno melžimo metu arba tuoj pat pamelžus, neįmanoma išsaugoti jo kokybės. Naudojami įvairios talpos, nuo 300 kg iki 30 t, pieno šaldytuvai, kuriuose dažniausiai montuojami hermetiniai, stūmokliniai ar scroll tipo Tecumseh Europe šaldymo kompresoriai, Frascold pusiau hermetiniai šaldymo kompresoriai ir agregatai, Castel ir Danfoss šaldymo komponentai.

Pieno aušinimas

Nedaug pieno gaminantys ūkininkai pieną gali aušinti keliais būdais. Vienas iš jų – naudoti šaltą vandenį (šaltinio ar artezinį). Ūkininkai, laikantys daugiau karvių, naudoja tiesioginio arba netiesioginio aušinimo vonias, rezervuarus ar cisternas. Tiesioginio aušinimo aušintuvuose pienas atvėsinamas iki 4 °C ir gali būti realizuojamas kas antrą dieną. Netiesioginio aušinimo (pieno vonios sieneles šaldo šaltas vanduo) aušintuve pienas atvėsinamas iki 6–8 °C ir parduodamas kasdien.

Energijos sąnaudos

Pieno gamintojai technologiniuose įrenginiuose vienai karvei sunaudoja nuo 200 iki 1 200 kWh energijos per metus. Atvėsinti 100 litrų pieno sunaudojama nuo 2,5 iki 12 kWh. Pagal įvairių firmų duomenis, ataušinus 100 litrų pieno nuo 35 iki 4 ^oC temperatūros ir panaudojus šią šilumą vandeniui šildyti, iki 55 ^oC temperatūros galima sušildyti apie 75 l vandens. Pieno šilumą vandeniui šildyti galima panaudoti, įrengus šilumos siurblius arba modifikuotą pieno šaldymo įrangą su papildomais įrengimais.

Šilto vandens gamyba, panaudojant šilumos siurblius, leis sutaupyti daug elektros energijos. Pieno ūkio technologiniuose procesuose reikia daug šilto vandens, paprastai jis šildomas elektros energija.

Taupymo būdai

Naudojant šilumos siurblius, galima sutaupyti nemažai energijos. Jos kiekis priklauso nuo siurblio tipo. Remiantis Vokietijoje atliktų techninių ir ekonominių skaičiavimų duomenimis, palyginti su katiline, kompresorinis šilumos siurblys leidžia sutaupyti apie 30 proc., absorbcinis – 50, o šilumos siurblys su dyzeliniu varikliu – iki 77 proc. energijos.

Šilumos siurblinių panaudojimą lemia ekonominiai rodikliai, iš kurių svarbiausias – papildomų kapitalinių įdėjimų (įdiegiant tokią siurblinę) atsipirkimo trukmė. Skaičiuojama, kad energetinė įranga atsiperka per 8 metus. Serijinės šilumos siurb­linės, naudojamos žemės ūkyje, atsiperka per 5–6, o šilumos siurbliai, naudojami pieno fermose, – maždaug per vienus metus.

Šilumos siurblinių atsipirkimo truk­mė trumpėja, didinant jų darbo valandų skaičių per metus. Todėl tikslinga naudoti mobilius šilumos siurblius, o stacionarias šilumos siurblines reikia įrengti taip, kad jas būtų galima perjungti sezoniniam darbui, iš šildymo režimo į aušinimo režimą ir atvirkščiai, arba naudoti jas šilumos ir šalčio gamybai vienu metu. Vandeniui ir orui šildyti ekonomiškiausia būtų naudoti šilumos siurblius. Literatūros duomenimis, įrengus šilumos siurblius, sunaudojama apie 60 proc. mažiau energijos negu šildant orą elektra ar deginant skystąjį kurą.

Šilumos įrangos darbo principai

Šiluminis variklis yra mašina, kuria šiluminė energija paverčiama mechanine energija (darbu). Tačiau norint šilumą paversti darbu, reikia sudaryti sąlygas šilumnešiui išplisti. Kad variklis galėtų ilgesnį laiką šilumą versti darbu, šilumnešio plėtimosi procesą reikia papildyti dar vienu paruošiamuoju procesu – šilumnešio suslėgimu. Visi šiluminiai varikliai dirba tiesioginiu ciklu. Šio variklio darbui būtina turėti du šilumos šaltinius: aukštų temperatūrų šaltinį – šildytuvą, iš kurio šilumnešio tiekiamas šilumos kiekis (q₁) išsiplėtimo proceso metu, ir žemos temperatūros šaltinį – aušintuvą, kuriam šilumnešis atiduoda šilumos kiekį (q₂) suslėgimo proceso metu. Šiluminio variklio darbo metu gautas naudingas darbas bus: l=q₁-q₂

Į šaldymo mašiną galima žiūrėti kaip į uždarą sistemą, pripildytą šaldymo agento. Visos šaldymo mašinos dirba atvirkštiniu ciklu. Šaldomoji aplinka turi gerokai žemesnę temperatūrą negu supanti aplinka, t. y. T_šal.<T_apl.. Dirbant šaldymo mašinai, joje cirkuliuojantis šaldymo kūnas iš šaldomos aplinkos pašalina tam tikrą šilumos kiekį (q_o). Šis šilumos kiekis turi būti perduodamas supančiai aplinkai. Kadangi supančios aplinkos temperatūra yra aukštesnė už šaldomos aplinkos temperatūrą, natūralus šilumos perdavimo procesas yra negalimas. Kad būtų galima pernešti šaldomos aplinkos šilumą supančiai aplinkai, būtina šaldomos aplinkos temperatūrą pakelti tiek, kad ji būtų aukštesnė už aplinkos temperatūrą. Tam reikia atlikti darbą (l). Atvirkštinis ciklas, kurio metu gaunamas dirbtinis atšaldymas, pernešant šilumą nuo šaldomos aplinkos supančiai aplinkai, vadinamas šaldymo ciklu.

Mašinos, dirbančios atvirkštiniu ciklu, gali būti panaudojamos ne tik šaldymui, bet ir šildymui. Tokios mašinos yra vadinamos šilumos siurbliais. Jų darbo principas yra toks. Darbo agentas iš supančios aplinkos (aušinamo pieno, oro, ežero vandens, panaudotų degimo dujų, grunto, oro, šalinamo iš fermų jas vėdinant ir t. t.) paima šilumos kiekį (q_o) ir, atlikdamas atvirkštinį ciklą, atiduoda šilumą (q) aplinkai. Tokiam šilumos pernešimui, kaip ir veikiant šaldymo mašinai, sunaudojamas darbas (l). Šiluminiam varikliui, šaldymo mašinai ir šilumos siurbliui veikti būtini du skirtingi potencialių temperatūrų šilumos šaltiniai ir darbo kūnas (šilumnešis arba šaldymo kūnas). Šiluminio variklio darbo principas skiriasi tuo, kad darbo kūnas atlieka tiesioginį ciklą, todėl gaunamas mechaninis darbas (mechaninė energija). Šaldymo mašinose ir šilumos siurbliuose darbo kūnas atlieka atvirkštinį ciklą, todėl sunaudojamas darbas (mechaninė energija). Šaldymo mašinos ir šilumos siurblio darbo principas iš esmės yra vienodas, skirtumas tarp šių mašinų yra tas, kad šaldymo mašinos dirba temperatūrų intervale nuo supančios aplinkos temperatūros (T_apl.) iki šaldomos aplinkos temperatūros (T_šald.), o šilumos siurbliai – nuo supančios aplinkos temperatūros (T_apl.) iki šildomos aplinkos temperatūros (T_šild.).

Šilumos siurblio konstrukcija yra tokia pat kaip ir šaldymo mašinos.

Šilumos siurblys veikia taip: garintuve (3) žemos virimo temperatūros skystis (freonas) virsdamas garu paima iš supančios aplinkos šilumos kiekį (q_o), paskui jis slegiamas kompresoriuje (2), kur slėgis pakyla nuo p_o iki p_k (k – kondensacinis indeksas), o temperatūra – nuo T_o iki T_k. Iš kompresoriaus šaldymo agento garai, būdami aukštos temperatūros, patenka į kondensatorių (1). Kondensuodamiesi kondensatoriuje šaldymo agento garai atiduoda šilumą (q) šildomajai aplinkai. Atvėsęs skystas šaldymo agentas patenka į droselį (4). Šaldymo skysčio slėgis mažinamas iki p_o reikšmės. Iš čia jis patenka į garintuvą (3). Taigi šilumos siurblio ciklo metu iš supančios aplinkos yra paimamas šilumos kiekis q_o, ciklui vykdyti (darbo agento garams suslėgti kompresoriuje) sunaudojamas darbas (mechaninė energija) l, šildomajai aplinkai atiduodamas šilumos kiekis bus q. Taigi, q_o+l=q.

Tada darbas, sunaudotas ciklui vykdyti, apskaičiuojamas pagal formulę l=q-q_o.

Šildomoji aplinka gauna ne tik šilumą (q_o), paimtą iš žemesnės temperatūros šilumos šaltinio (supančios aplinkos), bet ir tą šilumą, kuri yra ekvivalentiška sunaudotam darbui (l).

Šilumos siurblio svarbiausia charakteristika laikomas šilumos panaudojimo (transformacijos) koeficientas (ψ). Jis parodo, kiek kartų įrenginyje pagamintas šilumos kiekis didesnis už darbą, sunaudotą ciklui vykdyti. (formules žr. paveiksle).

Tai rodo, kad šilumos siurblio šilumos panaudojimo koeficientas (ψ) visada yra didesnis už vienetą. Todėl šilumos siurblio tiekiamas kiekis yra gerokai didesnis už šilumos kiekį, kuris išskiriamas paprasto elektrinio šildymo metu.

Kai kurių šilumos siurblių šilumos panaudojimo koeficiento (ψ) vertės pateiktos lentelėje.

Jeigu ψ ≥ 2,5, šis šilumos kiekis yra didesnis ir už šilumos kiekį gaunamą deginant kietą, skystą ar dujinį kurą.

Šilumos atgavimo sistema nekeičia pagrindinio šaldymo ciklo. Pertvarkant pieno šaldymo įrangą reikia atlikti tik kai kuriuos pakeitimus ir su papildoma įranga priversti dirbti šilumos siurblio režimu.

Ataušinus pieną normaliame šaldytuve (nuo 35 iki 4 ^oC), priklausomai nuo kiekio, visa šiluma yra pašalinama oriniame kondensatoriuje į aplinką. Aušinant 1 000 litrų pieno, susidarytų apie 130 000 kJ, arba 36 kWh šiluminės energijos. Įrengus plokštelinį šilumokaitį kondensacinėje linijoje tarp kompresoriaus ir orinio kondensatoriaus, aukštos temperatūros (82–86 ^oC) šaldymo agento garai, kondensuodamiesi šilumokaityje, atiduoda šilumą šildomam vandeniui. Šildomo vandens cirkuliaciją užtikrina cirkuliacinis siurblys, šildomas vanduo kaupiamas karšto vandens bake. Šio 36 kWh šiluminės energijos kiekio pakanka sušildyti apie 700 l šalto vandens. Vanduo šildomas iki 55 ^oC. Kadangi pieno fermose gali būti reikalingas ir dar karštesnis vanduo, tai jis pašildomas karšto vandens tūriniu elektriniu šildytuvu.