ВЕРТИКАЛЬНО-ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к устройствам по переработке молока, предназначена для подогрева или пастеризации с последующим охлаждением преимущественно молока, приготовления сливок, кисломолочных продуктов и сырного зерна. ВЦПХУ может быть использована на предприятиях пищевой промышленности и малых мелочно-товарных фермах с суточным надоем от 300 л до 1500 л.
Из уровня техники известен пастеризатор текучих продуктов [патент RU 2202894, А23С/02, A01J 9/04, от 2001.11.15], содержащий вертикально-цилиндрическую рабочую камеру, инфракрасный электроизлучатель, установленный в ней коаксиально, выходную емкость, сообщенную с нижней частью рабочей камеры, вращатель рабочей камеры с электроприводом. Недостатком данного устройства является его приборная, технологическая и техническая сложность, а также дороговизна по причине множества электронных, электромеханических узлов.
Известно также устройство для пастеризации и охлаждения молока [патент RU 2273141, А23С 3/02 от 2004.07.15], содержащее резервуар сырого молока, рекуперативный (регенеративный) теплообменник, теплообменный резервуар, резервуар переработанного пастеризованного молока, аккумуляторы тепла и холода, термоэлектрические модули, прикрепленные к одной стороне теплообменной пластины, насосные агрегаты, электронные автоматические регуляторы. Устройство, хотя и экономит энергию за счет рекуперации, однако чрезвычайно затратно в исполнении и эксплуатации, требует множества резервуаров, больших площадей и высокой квалификации обслуживающего персонала, что нереально в условиях малых мелочно-товарных ферм.
Для крупных молокозаводов с объемом переработки от 1500 л до 20000 л в сутки применяются пастеризационно-холодильные установки молока в потоке производительностью от 1000 л/ч до 5000 л/ч ПМР-02-ВТ [www.pasterizator.ru/paster5.htm], с электрокотлом или роторным нагревателем, а также устройства для пастеризации по патенту RU2007146478, содержащие в своей основе пластинчатый рекуперативный теплообменник, через который пропускают встречные потоки сырого (холодного) молока и отпастеризованного (горячего) молока, а также артезианскую, либо водопроводную воду с кратностью продукт/хладагент 1:3. Температура охлажденного продукта при этом на 4…5°С выше температуры воды, т.е. 10°…22°C.
Такие установки должны быть дооснащены автономным холодильным резервуаром исходного сырого молока, а также приемным холодильным резервуаром отпастеризованного молока для его упаковки при рекомендуемой температуре +4°С. Установки являются энергоэффективными и позволяют экономить порядка 50% электроэнергии за счет рекуперации, однако такое большое количество резервуаров и техническая сложность и стоимость реализации делают нецелесообразным применение дорогих ПМР-02-ВТ с двумя резервуарами в условиях малых мелочно-товарных ферм с объемом переработки до 1500 л в смену. Другим недостатком является сложность промывки молочных рекуперативных теплообменников, требующая периодической сборки-разборки и механической очистки. Еще одним недостатком является требуемая высокая квалификация операторов, способных поднастроить и отрегулировать процесс прогрева, синхронизировать три потока: холодной воды, сырого молока и обратный поток пастеризованного молока.
Из известных наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является ванна длительной пастеризации по патенту RU 2007139028 [1]. Она представляет собой вертикально-цилиндрический резервуар с датчиком температуры, мотор-редуктором, мешалкой и верхней крышкой, размещенной внутри теплоизолированного герметичного квадратного корпуса - наружного резервуара. Нагрев, пастеризация, термостатирование продукта обеспечивается встроенными ТЭНами, которые расположены в водяной рубашке на днище между наружным и внутренним резервуарами. Охлаждение осуществляется циркулирующей в рубашке водопроводной или артезианской («Ледяной») водой, поступающей через шаровый кран с ограничительным отверстием (дросселем) для защиты рубашки от смятия. В теплообмене участвует вся заполненная поверхность внутреннего резервуара: и круглое днище и цилиндрическая часть. Водяная рубашка заполняется до верхнего уровня переливной трубы, расположенной внутри герметичного квадратного корпуса, и соединенной с канализацией.
2
2
4
Недостатком прототипа является излишний объем воды в рубашке, располагающийся между квадратным наружным и цилиндрическим внутренним резервуарами, соразмерный и даже превосходящий объем продукта при номинальном, а тем более, частичным заполнении. Это снижает КПД до 50% и даже 30% и повышает расход электроэнергии в разы. Другим недостатком является возможность смятия внутреннего цилиндра и «выдавливания» днища при засорении канализации. Рубашка выдерживает давление не более Р=0,5 ат, т.к. большие контактные площади S+S=3,5 мкв приводят к огромному суммарному усилию смятия F=0,5·3,5·10 кг=17,5 т, а при засорении канализации давление возрастет в 10 раз. Еще одним недостатком прототипа, как и аналогов [3, 4], является ограничение минимальной температуры охлажденного после пастеризации молока на уровне 10…22°С с учетом теплового напора (4°С) соответственно для артезианской воды (+6°С) или водопроводной воды (+18°С). Поэтому, для охлаждения до +4°С согласно САНПИН потребуется еще один резервуар-молокоохладитель. Расход нержавеющей стали в прототипе, содержащем фактически 3 слоя: внутренний, наружный и облицовку имеет также избыток.
Целью данной полезной модели является устранение недостатков, присущих прототипу и аналогам: реализация надежной, энергоэффективной, малогабаритной, автономной пастеризационно-холодильной установки (ПХУ), не требующей для всего цикла переработки никакого дополнительного оборудования, удобной в эксплуатации и при промывке, а также просто подающейся автоматизации.
Техническим результатом является возможность накопить и охладить до +4°С молоко вечерней дойки, а также дополнить его утренней дойкой до номинального объема и отпастеризовать с охлаждением до +4°С суточный удой в утреннюю смену, в одном резервуаре для продажи в розлив или в упаковку, т.е. собрать и переработать молоко в одном резервуаре без перегрузки.
Заявленный технический результат (сущность полезной модели) достигается тем, что в вертикально-цилиндрическую пастеризационно-холодильную установку, содержащую теплоизолированный резервуар с датчиком температуры, мотор-редуктором, мешалкой и верхними крышками, а также со встроенным в днище герметичным вторым дном (картером), с водяными ТЭНами, нижним напорным и верхним сливным патрубком картера, причем нижний напорный патрубок - через кран и дроссельную шайбу - соединен с водопроводом, а верхний сливной патрубок - через подъемное колено и расширительный бачок - с канализацией, СОГЛАСНО сути полезной модели, ВВЕДЕНЫ компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) и глубоковальцованный цилиндрический испаритель, выполненный шовной сваркой в виде дуг, встроенных в нижнюю часть резервуара с нижним вертикальным инжектором, разворотной полостью и верхним вертикальным коллектором, причем всасывающий трубопровод ККА соединен с верхней частью коллектора, а жидкостный нагнетательный трубопровод ККА - с нижней частью инжектора, кроме того, датчик температуры связан со входом ККА. Внутрь герметичного картера при этом могут быть встроены армирующие вварные стяжки, а кран может иметь электромагнитное исполнение, причем выход датчика температуры может быть связан с электромагнитным краном и водяными ТЭНами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена конструктивная схема ВЦПХУ,
на фиг.2 - развертка цилиндра щелевого испарителя и соединение с ККА,
на фиг.3 - сборочный чертеж армирующей вварной стяжки.
ВЦПХУ содержит вертикально-цилиндрический теплоизолированный резервуар 1 с датчиком температуры 1, мотор-редуктором 3, мешалкой 4 и верхними крышками 5. К днищу резервуара 1 встроен (приварен) картерб (второе дно) с водяными ТЭНами 7, с нижним напорным патрубком 8 и верхним сливным патрубком 9. Нижний напорный патрубок 8 через кран 10 и дроссельную шайбу 11 соединен с водопроводом 12, а верхний сливной патрубок 9 - через подъемное колено 13 и расширительный бачок 14 с канализацией 15. Кран 10 может быть шаровым, для ручного управления или электромагнитным для автоматического управления. В расширительном бачке 14 установлен поплавковый клапан 16, поддерживающий в нем минимальный уровень воды, а также датчик уровня 17, защищающий ТЭНы 7 от работы «всухую» в аварийных режимах (при разгерметизации картера 6). Регулируемые винтовые опоры 18 обеспечивают уклон и полный слив продукта из резервуара 1 через сливной кран 19, а запоры 20 на крышках 5 исключают конвекционные тепловые потери при работе.
В нижнюю часть резервуара 1 встроен глубоковальцованный цилиндрический щелевой испаритель 21 (фиг.1, фиг.2), выполненный шовной сваркой при шаге швов 48 мм с нижним вертикальным инжектором 22, разворотной полостью 23 и верхним вертикальным коллектором 24. Требуемая глубина щелей 2…3 мм может быть обеспечена методом проката, штамповки или «вздутия» листа испарителя толщиной 1 мм при повышенной толщине листов резервуара - 2 мм. Для удобства изготовления щелевой испаритель 21 состоит из двух половин (фиг.2). При этом глубина щелей инжектора 22, разворотной полости 23 и коллектора 24 должна быть 6…8 мм для равномерного кипения хладона, что обеспечивается при «вздутии» с расстоянием от крайних точек до швов периметра не менее 56 мм. Цилиндрический щелевой испаритель 21 связан с компрессорно-конденсаторным агрегатом (ККА) 25: всасывающий (паровой) трубопровод 26 ККА соединен с верхней частью коллектора 24, а нагнетательный (жидкостной) трубопровод 27 - с нижней частью инжектора 22, что способствует равномерному кипению хладона по всей внутренней поверхности щелевого испарителя 21. Внутрь окружности герметичного картера 2 встроены равномерно армирующие вварные стяжки 28 (7 шт. - шесть по кругу и одна в центре), что повышает предельно допустимое давление «вздутия» картера до 2 ат со средней нагрузкой на стяжку 28 не более 3 т и ужесточает днище резервуара 1, исключая изгибы при статических нагрузках (заполнение-опорожнение молока). Выход датчика температуры 2 через компаратор «+76°С» связан с электромагнитом крана 10 и магнитным пускателем ТЭНов 7, а также через компаратор «+22°С» с электромагнитом крана 10 и через компараторы «+36°С» и «+4°С» со входом ККА25 (на фиг.1, фиг.2 - эти связи не показаны).
Работает ВЦПХУ следующим образом:
При половинном заполнении вечерней дойкой включают ККА 25 в режим охлаждения и через 2 часа имеют в резервуаре 1 молоко +4°С, блокируя на минимальном уровне БАК-обсемененность согласно САНПИН, и сохраняют его в охлажденном состоянии в автоматическом режиме. При частичном контакте молока со щелевым испарителем 21 терморегулирующий вентиль (ТРВ), входящий в состав ККА (на фиг.2 не показан), автоматически ограничивает подачу жидкого хладона по трубопроводу 27, так что заполнение испарителя 21 и соответственно кипение хладона по уровню совпадает с уровнем молока, а во всасывающий трубопровод 26 из коллектора 24, благодаря вертикальному расположению, поступает насыщенный пар. После утренней дойки молоко достигает температуры 20°С, его включают в режим нагрева, ТЭНы 7 подогревают воду в картере 6 и через днище резервуара 1 за 2, 4 часа нагревают молоко до 76°С (нормы САНПИН) при работающей мешалке 4, обеспечивающей равномерный прогрев всего объема. Тем самым убивают молочнокислые бактерии (уже при температуре 63°С) и пастеризуют молоко без разрушения белков, жиров и аминокислот. Далее оператор в ручном режиме или датчик температуры 2 - в автоматическом режиме обесточивает ТЭНы 7 и открывает через электромагнит кран 10. Дроссельная шайба 11 с отверстием ⌀7 мм ограничивает подачу охлаждающей водопроводной воды. Горячая вода +79°С из картера 6 начинает вытесняться через подъемное колено 13 и открытый (с крышкой) расширительный бачок 14 (V=5 л) в канализацию 15 или в дополнительную емкость (100…200 л) для бытовых нужд (промывка, поилка и т.д.). Тем самым молоко охлаждается при работающей мешалке 4 с 76°С до 36°С примерно за 35 мин. с начальной скоростью 3 град/мин, и конечной скоростью (от воды) менее 0,3 град/мин. При достижении +36°С датчик температуры 2 включает ККА 25 и происходит ускоренное параллельное охлаждение водой и хладоном. После охлаждения до +22°С дальнейший пролив водопроводной воды становится нецелесообразным (неэффективным), поэтому кран 10 перекрывается вручную или обесточивается его электромагнит от датчика температуры 2. Доохлаждение отпастеризованного молока с 22°С до +4°С осуществляется хладоном при работающем ККА 25 и заполненном щелевом испарителе 21 еще примерно за 99 мин. с начальной скоростью 0,3 град/мин., конечной скоростью 0,2 град/мин. При завершении процесса охлаждения датчик температуры 2 обесточивает соленоидный вентиль (на фиг.1, 2 не показан), входящий в состав ККА 25. Тем самым перекрывается поток жидкого хладона по нагнетательному трубопроводу 27 при работающем компрессоре. Пар откачивается по трубопроводу 26, испаритель 21 опустошается, давление хладона падает, и датчик давления в составе ККА 25 отключает компрессор, защищает испаритель 21 от перегрузок по давлению при промывке резервуара горячей водой и нагреве молока от ТЭНов. Датчик температуры 2 также блокирует ошибочное включение ККА 25 при температуре молока более 36°С, которая перегружает ККА по высокому давлению. Таким образом, через 5…6 часов мы имеем полный резервуар 1 охлажденного пастеризованного цельного молока +4°С. Промывка резервуара 1 после отгрузки молока при открытых запорах 20 и поднятых крышках 5 не представляет никаких проблем.
1
1
Подтвердим расчетом технические характеристики ВЦПХУ в составе: резервуар 1 с номинальным объемом 1000 л, имеющий диаметр D=1250 мм, высоту Н=1100 мм; высоту щелевого испарителя 21 В=600 мм, высоту картера 2 h=150 мм, давление водопровода 12 Р=3 ат, дроссельную шайбу d=7 мм, сливной патрубок 9 ⌀30 мм, температуру водопровода 12 T=16°C; KKA 25 на базе компрессора MTZ 64 («Danfoss») с потребляемой мощностью 5 кВт, средней холодильной мощностью 13 кВт в диапазоне температур кипения R404 16°С…2°С; толщину листовой нержавеющей стали 10×1818Н9Т f=1,5 мм, ее коэффициент теплопроводности К=15 Вт/м·град; суммарную мощность ТЭНов 7 N=6×5=30 кВт.
1
2
1
1
1
1
1
2
2
2
Эффективная площадь днища (картера) S≈πD/4=1,23 м. Эффективная площадь щелевого испарителя S≈πDB=2,35 м. Масса воды в картере m=Sh=180 кг. Оценим максимальную мощность N теплопередачи через днище площадью S, толщиной f, при перегреве ΔT=4 град.
1
1
1
1
Заданный перегрев ΔT=4 град в процессе пастеризации показывает, что температура воды превысит температуру молока не более, чем на 4°, т.е. можно нагреть молоко практически до предельного значения 90°С без дополнительных потерь на кипение воды и при этом через S можно пастеризовать 1500 л молока, потребляющих пропорциональную мощность 45 кВт (девять ТЭНов 7, по 5 кВт). Соответственно, для 500 л ВЦПХУ диаметр D будет D=800 мм, а число ТЭНов уменьшится до 3 шт. и N=15 кВт. Фактический перегрев ΔT для 1000 л ВЦПХУ с учетом ограниченной мощности ТЭНов N=30 кВт, не превысит 2,3…3°С. Эти расчеты подтверждают преимущества заявляемой полезной модели перед прототипом [1], т.к. увеличение суммарной эффективной площади за счет цилиндрической поверхности в 3…4 раза по сравнению с S еще уменьшит перегрев до 0,5°…1°С, но это практически не улучшит технических характеристик, однако, увеличит металлоемкость, и значительно повысит паразитный объем воды почти до 1000 кг.
1
2
Оценим энергозатраты W на пастеризацию, необходимые для нагрева М=1000 кг молока на ΔТ=56°С с 20°С до 76°С и 180 кг воды в картере на ΔТ=58°С с 20°С до 78°С с учетом удельной теплоемкости воды C=4,2 кДж/кг·град и молока С=3,9 кДж/кг·град, по известной формуле:
1
2
1
1
2
2
W=W+W=CmΔT+СMΔT≈263000 кДж
1
1
С учетом потребляемой мощности ТЭНов N=30 кВт=30 кДж/с. Это займет время t=W/N=8767 c=146 мин.≈2,5 часа.
Нетрудно посчитать, что конструкция прототипа [1], потребует вдвое большего времени и энергозатрат при прочих равных условиях из-за увеличенного «паразитного» объема водяной рубашки.
3
Рассчитаем также скорость и время охлаждения 1000 л молока при открытии крана 10 с ограниченной подачей воды через дроссельную шайбу 11 ⌀7 мм и массовым расходом Q=1 кг/c (3,6 м/ч). Этот расход через шайбу 7 мм обеспечивается в соответствии с уравнением Бернулли  где Р=0,3 Мпа - давление водопровода, а V=25 м/с - скорость истечения воды, ρ=1 кг/л ее плотность. Термодинамика охлаждения при постоянном расходе Q описывается сложной нелинейной зависимостью (экспонентой), поэтому здесь приведены простейшие линейные расчеты. Учитывая средний нагрев воды на днище от нижнего напорного патрубка 8 до верхнего сливного патрубка 9 с температуры порядка 22°С до температуры порядка 70°С, имеем мощность прогрева воды от молока через днище резервуара 1, определяющуюся секундным расходом согласно уравнения (2).
1
Эта мощность соразмерна ограниченной теплопроводности днища, полученной по формуле (1) при перепаде температур в среднем сечении картераб ΔT=76-59=17°C.
1
2
При таком потоке холодильной мощности 1000 л молока будет охлаждаться со скоростью R=N/CM=200/3.9·1000=0.051 град/с=3,1 град/мин. Значительное увеличение массового расхода Q ускорит охлаждение молока за счет роста среднего теплового напора на днище по формуле (1), однако вода не будет «успевать» прогреваться до 70°С, что удобно для бытовых нужд.
Следует также отметить, что верхние вытесняемые слои воды в картере 6 при охлаждении будут теплее нижних слоев с учетом тепловой конвекции, поэтому перепад высот h=150 мм между нижним напорным патрубком8 и верхним сливным патрубком 9, дополненный уклоном 50 мм в сторону сливного крана продукта 19, обеспечивает нормальное функционирование охлаждающей полости.
1
В конце процесса водяного предохлаждения, когда температура молока снизится до 20°С, температура картера 6 возле напорного патрубка 8 до 17°, а возле сливного патрубка 9 до 18°, мощность N согласно формул (1) и (2) уменьшится до 10 кВт и дальнейший пролив (расход) воды становится нецелесообразным из-за падения скорости охлаждения в 20 раз по сравнению с первоначальным до R=0.12 град/мин. Шаровой кран 10 (в ручном режиме) или электромагнит (в автоматическом режиме) перекрывается при включенном ККА 25.
1
2
2
2
Холодильная мощность компрессора MTZ64 (холодопроизводительность) в начале процесса охлаждения, при температуре кипения R404 Тк=+14°С, молока +18°С, (перегрев τ4°С) равна 13,5 кВт. Соответственно, скорость охлаждения от ККА 25 равна R=0,16 град/мин. В конце процесса (молоко =+4°, кипение Тк=+1°, перегрев Т=3°С) мощность снижается в 1,5 раза и, соответственно, скорость до R=0,1 град/мин.
Соотношение диаметров дроссельной шайбы 11 и сливного патрубка 9 составляет 1:4, поэтому скорости истечения V отличаются в 16 раз 25 м/с и 1,5 м/с соответственно, а динамическое давление в картере 6 согласно уравнению Бернулли не превысит 0.015 ат. Статическое давление в картере определяется высотой подъема расширительного бачка 14 и не превышает 0,3 ат.
Расчетное максимальное давление картера 6, обеспечиваемое семью стяжками 28 и составляющее 2 ат, с многократным запасом гарантирует надежность работы ВЦПХУ. Крышка расширительного бачка 14 (открытая конструкция) исключает «вздутие» картера 6 при засорении канализации, что является еще одним преимуществом по сравнению с прототипом..
2
Таким образом, ВЦПХУ позволяет отпастеризовать и охладить за одну смену 1000 л молока в ручном, либо в автоматическом режиме. При работе в 2 смены это позволяет переработать 2000 л молока, причем целесообразно собрать в резервуар 1000 л парного молока +36°С утренней или вечерней дойки и включить установку в режим пастеризации (без охлаждения). Рабочий цикл при этом сократится примерно на полчаса, а расход электроэнергии будет значительно минимизирован за счет сокращения диапазона нагрева на 16°С. Нагрев 1000 л с 36°С до 76°С произойдет за 1,74 часа и будет израсходовано W=52,3 кВтч электроэнергии. Затем будет израсходовано 2800 л водопроводной воды для предохлаждения до 22°С. Для охлаждения хладоном до +4°С потребуется еще приблизительно 2 часа работы компрессора MTZ64 и дополнительно W=10 кВтч. Общая потребленная электроэнергия составит W=62 кВтч. Таким образом, ВЦПХУ расходует 0,062 кВтч на литр молока. При стоимости электроэнергии 4 руб./кВтч - это соответствует стоимости 25 коп. на литр. Учитывая, что аналоги [2, 3] позволяют экономить примерно 30% электроэнергии за счет рекуперации (т.е. 8 коп. на литр) при значительном усложнении и удорожании конструкции (в 2…3 раза), плюс необходимость комплектации двумя резервуарами по 1000 л дополнительно для сырого и переработанного молока, содержащих холодильные агрегаты и мало отличающихся от предлагаемой ВЦПХУ (фактически отсутствием картера и ТЭНов) можно видеть значительные многократные преимущества полезной модели перед аналогами. Поскольку прототип [1] неизбежно потребует дополнительного холодильного оборудования для доохлаждения до +4°С (холодильного резервуара, генератора ледяной воды +1°С, либо холодильной камеры), то и в этом случае имеется значительное преимущество заявляемого решения. Еще одним преимуществом ВЦПХУ перед аналогами пастеризации в потоке [3, 4] является длительное пребывание (не менее 2…3 мин.) всей массы пастеризуемого молока в едином резервуаре при высокой температуре +76°С, сопровождаемое работой мешалки, что обеспечивает полное уничтожение бактерий во всем объеме. У аналогов это происходит порционно в выдерживателе в течение 25…45 с. Промывка всех полостей молокопроводов у аналогов [3, 4] также представляет достаточно сложный и трудоемкий процесс.
Наличие режима ручного управления в предлагаемой ВЦПХУ позволяет операторам удобно стабилизировать оптимальную температуру сепарации при нагреве с подключением сепаратора (+45°С), заквашивания и сквашивания сметаны (+32°С), кефира (+25°С) при охлаждении непосредственно после пастеризации в общем резервуаре 1.
Источники информации;
1. Ванна длительной пастеризации. Патент RU 2007139028
2. Пастеризатор текучих продуктов. Патент RU 2202894, А23С 3/02, A01J 9/04 от 2001.11.15
3. Устройство для пастеризации и охлаждения молока. Патент RU 2273141, А23С 3/02 от 2004.07.15.
4. Пастеризатор ПМР-02-ВТ.  www.pasterizator.ru/paster5.htm
5. Устройство для пастеризации RU 2007146478.