ПОЛНОКОМПЛЕКТНАЯ МОЛОЧНАЯ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА
COMPLETE MILK PASTEURISATION-REFRIGERATION PLANT

Изобретение применяется в сельском хозяйстве и предназначено для ежедневного сбора 1000…3000 литров молока от индивидуальных фермерских хозяйств (ИФХ), его последующей пастеризации, охлаждения и отгрузки бидонами в пункты общественного питания, либо упаковки для розничной сети. Устанавливается в деревенских молокоприемных пунктах, преимущественно используется в сочетании с упаковочными автоматами для продажи пакетов пастеризованного молока через розничную торговую сеть, что позволяет удвоить и утроить выручку ИФХ от молочно-товарного животноводства.
Известны молочные пастеризационно-холодидьные установки по заявкам на изобретение №2010119626 и №2009117594 [1, 2], а также по патенту №2388217 от 23.01.2009 года [3], предназначенные для пастеризации (прогрева до 76°С) и последующего охлаждения молока перед отгрузкой потребителями или перед упаковкой.
Они содержат термоизолированный прямоугольный резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище [2] или боковины [1], мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке (траверсе), компрессорно-конденсаторный агрегат, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом (инжектором) и выходом (коллектором) щелевого испарителя. В инжектор после пастеризации при охлаждении впрыскивается жидкий хладон, из коллектора отсасывается испаренный, что охлаждает молоко с 34 до 4°С.
Нагрев молока осуществляется от водонагревательного бака с ТЭНами через щелевую водяную рубашку, встроенную соответственно в днище [1] или боковины [2], либо непосредственно через дисковые ТЭНы, прижатые к боковинам [3]. Поскольку охлаждение отпастеризованного молока с температурой +76°С щелевым испарителем за счет кипения фреона невозможно, из-за критичного роста давления кипения до 35 атм, то отпастеризованное молоко предохлаждают вначале до 34°С за счет циркуляции водопроводной (артезианской) воды через щелевую водяную рубашку [1, 2] либо через погружной змеевик нагреватель-охладитель [3].
Их общим недостатком [1, 2, 3] является циркуляционное водопроводное или артезианское предохлаждение, требующее больших объемов холодной воды, сбрасываемой в канализацию, с соотношением объемов к молоку не менее 1:1.
С другой стороны, известны термоизолированные ванны пастеризации 1000 л молока Г2-ОПБ-1000, описанные на сайте www.deltamol.ru [4]. Они содержат мотор-редуктор с мешалкой, герметичную кольцевую полость вокруг вертикальной цилиндрической ванны с молоком, в которую сначала полтора часа подается горячий пар 95°С с расходом 150 кг, а затем ледяная вода +2°С с расходом 5 м.куб. в час. Регулируются потоки сложной электропневомгидроавтоматикой, такое энерго- и холодоснабжение доступно только на крупных и средних молокозаводах и не может применяться в условиях российской деревни. Известны также отечественные универсальные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОГУ-2.5 производительностью 2500 л/час, описанные на сайте www.protex.ru [5], и германские установки полной пастеризации молока производительностью 5000 л/час, описанные на сайте www.trubatec.org. [6] Они нагревают молоко горячим паром через пластинчатые теплообменники, после чего охлаждают отпастеризованное молоко ледяной водой через такие же многосекционные пластинчатые теплообменники. Время выдержки потока молока при прогреве до 78°С составляет 25 с, затем происходит охлаждение до 4°С. Установки содержат сложнейшую интегральную систему управления, гидропневматику, множество молочных насосов, расходомеров, дополнительных теплообменников, электромагнитных пневмо- и гидроклапанов, программируемых промышленных контроллеров.
Они обладают повышенной производительностью, мощностью по расходам пара и ледяной воды, большими массо-габаритными характеристикам и большой ценой, что доступно крупным молочно-товарным фермам, но делает неприемлемым их использование непосредственно в деревнях.
3
Известны также пастеризационные молочные цеха КОЛАКС-1001, на 1000 л в сутки, описанные на сайте www.colaxm.ru [7], содержащие цилиндрическую вертикальную ванну длительной пастеризации на 500 л молока ⌀800 мм, Н 1000 мм с кольцевой герметичной полостью вокруг внутреннего резервуара для подачи пара или горячей воды, а также бак - электроводонагреватель 120 л мощностью 25 кВт для производства обогрева. Кроме того, цех содержит пластинчатый охладитель с расходом воды 3 м за смену при температуре не более 6°С для охлаждения артезианской или ледяной водой. Время прогрева (пастеризации) 500 л молока составляет около 4-х часов.
Недостатком оборудования КОЛАКС-1001 является малая площадь теплообмена при частичном заполнении резервуара, что замедляет процессы длительной пастеризации молока при заполнении до 50%. Фактически в техпроцессе используется три теплообменных емкости: резервуар длительной пастеризации, бак - водонагреватель и пластинчатый охладитель, а также одна накопительная емкость готового продукта на 1000 л молока, что усложняет электропневмоавтоматику, снижает КПД, увеличивает габаритные размеры и стоимость, при этом все емкости нуждаются в теплоизоляции для уменьшения потерь холода и тепла.
Кроме того, снижение температуры охлаждающей воды (не более 6°С), обусловленное необходимостью охлаждения выходной температуры отпастеризованного молока, предполагает внешний холодильник либо артезианскую воду, что накладывает дополнительные проблемы при установке в необорудованных местах. Расход холодной (ледяной) воды будет также повышенным (троекратным) при постепенном доведении молока до требуемой температуры +4°С из учета 3 м.куб на 1000 л продукта вследствие снижения теплового напора (разницы температур) между молоком и охлаждающей водой в конце процесса. Периодическое обслуживание (промывка) пластинчатого охладителя также осложняется необходимостью ежемесячного удаления молочного камня и жира, связанного с проходом больших объемов молока через полости пластинчатого теплообменника, который требует частой механической разборки пластин и очистки. В засушливых районах бурение артезианской скважины не всегда возможно, да и стоит не менее 1 млн. рублей
Наиболее близкой из известных по технической сущности к предполагаемому изобретению (прототипом) является молочная пастеризационно-холодильная установка по заявке на изобретение №2010119626 от 17.05.2010.
Она содержит термоизолированный резервуар с мотор-редуктором, мешалкой, термодатчиком молока, щелевым испарителем в четырех боковинах и водяной рубашкой в днище, а также водонагревательный бак (ВНБ) с ТЭНами, электронасосом, напорным и сливным электромагнитными клапанами нагрева и компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с соленоидным вентилем, трубопроводами связанный со щелевым испарителем боковин. Пастеризационный нагрев молока осуществляется с помощью электронасоса путем циркуляции воды из ВНБ через щелевую водяную рубашку, а предохлаждение опастеризованного молока с 76 до 34°С (к моменту подключения фреонового охлаждения от ККА) осуществляется за счет водопроводной (артезианской) воды, проливаемой через щелевую водяную рубашку в канализацию.
Основным недостатком прототипа является зависимость его функционирования от наличия артезианского водопровода и канализации с соотношением объемов прокачиваемой воды к перерабатываемому молоку, как 1,5÷1 либо 2÷1.
В месте расположения молокозаводов не всегда имеется артезианская скважина и канализация, а водонапорная башня находится на значительном удалении, и водопровод имеет ограниченные условные проходы (не более % дюйма), тогда как для быстрого предохлаждения отпастеризованного молока необходимо иметь не менее дюйма.
Бурение артезианской скважины (100 м) стоит не менее 1 млн. руб., что соразмерно со стоимостью всего молокоперерабатывающего оборудования.
Целью предлагаемого изобретения является реализация автономной полнокомплектной молочной пастеризационно-холодильной установки, независимой от наличия или отсутствия мощного водопровода или артезианской скважины, а также канализации.
С этой целью в полнокомплектную молочную пастеризационно-холодильную установку, содержащую термоизолированный молочный резервуар (МР) с мотор-редуктором, мешалкой, термодатчиком молока, щелевым испарителем в четырех боковинах и щелевой водяной рубашкой в днище, а также водонагревательный бак с ТЭНами, первым электронасосом, напорным и сливным электромагнитными клапанами нагрева и компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с первым соленоидным вентилем, причем водонагревательный бак - через первый элетронасос и напорный и сливной электромагнитные клапаны нагрева - трубопроводами последовательно соединен со щелевой водяной рубашкой днища, а ККА - через первый соленоидный вентиль - трубопроводами соединен со щелевым испарителем четырех боковин, кроме того, выход термодатчика молока электрически связан с первым электронасосом, а также напорным и сливным электромагнитными клапанами нагрева, согласно изобретения введены термоизолированный водохолодильный резервуар (ВХР) со щелевым испарителем в днище и боковинах, мотор-редуктором, мешалкой, термодатчиком воды, а также вторым соленоидным вентилем и вторым электронасосом с напорным и сливным электромагнитными клапанами охлаждения, причем ВХР - через второй электронасос и напорный и сливной электромагнитные клапаны охлаждения - трубопроводами соединен со щелевой водяной рубашкой днища МР, ККА - через второй соленоидный вентиль - трубопроводами соединен со щелевым испарителем в днище и боковинах ВХР, а термодатчик молока электрически связан также со вторым электронасосом и с напорным и сливным электромагнитными клапанами охлаждения, кроме того, выход термодатчика воды электрически связан со вторым соленоидным вентилем.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена электрогидравлическая комбинированная схема полнокомплектной молочной пастеризационно-холодильной установки (ПМПХУ).
ПМПХУ содержит прямоугольный термоизолированный молочный резервуар 1 габаритами 130×200×85 см со щелевым испарителем 2, встроенным в четыре боковины, мотор-редуктор 3 с мешалкой 4 на верхней крышке 5. Компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) 6 включает в себя компрессор 7, конденсатор воздушного охлаждения 8, ресивер, фильтр, терморегулирующий вентиль (на чертеже не показаны), а также первый соленоидный вентиль 9. На днище молочного резервуара (МР) 1 размещена щелевая водяная рубашка 10 с размерами равнобедренных треугольных щелей h=10 мм - высота и a=64 мм - ширина основания. В нижней части молочного резервуара расположен термодатчик молока 11. ККА 6 через первый соленоидный вентиль 9 соединен трубопроводами нагнетания 12 и всасывания 13 со щелевым испарителем 2 боковин, расположенным в нижней части резервуара. Щели испарителя 2 имеют треугольную форму высотой h=3 мм и основанием d=32 мм.
ПМПХУ содержит также водонагревательный бак ВНБ 14 с ТЭНами 9 шт. х5кВт на 45 кВт, первым электронасосом 15, напорным 16 и сливным 17 электромагнитными клапанами нагрева молока. ВНБ 14 через первый электронасос 15 и напорный 16, а также сливной 17 электромагнитные клапаны нагрева - трубопроводами 18 последовательно соединен со щелевой водяной рубашкой 10. Выход термодатчика молока 11 через компаратор 19 «нагрева-охлаждения» электрически связан с первым электронасосом 15, а также напорным 16 и сливным 17 электромагнитными клапанами нагрева, и кроме того - через компаратор 20 «фреоновое охлаждение» с первым соленоидным вентилем 9.
2
В составе ПМПХУ содержится также термоизолированный водохолодильный резервуар ВХР 21 габаритами 1900×2000×1200 со щелевым испарителем в днище 22 и боковинах 23 общей площадью 5,1 м. ВХР 21 заполнен до краев водой через поплавковый клапан 24. ВХР 21 содержит мотор-редуктор 25 с мешалкой 26 и термодатчик воды 27, а также второй соленоидный вентиль 28 и второй электронасос 29 с напорным 30 и сливным 31 электромагнитными клапанами охлаждения. Причем ВХР 21 - через второй электронасос 29 и напорный 30 и сливной 31 электромагнитные клапаны охлаждения - трубопроводами 32 соединен со щелевой водяной рубашкой днища 10 молочного резервуара 1. Выход термодатчика молока 11 через тот же компаратор 19 «нагрева-олхлаждения» электрически связан с инвертирующим входом второго электронасоса 29 и напорного 30 и сливного 31 электромагнитных клапанов. Компрессорно-конденсаторный агрегат ККА6 - через второй соленоидный вентиль 28 - трубопроводами нагнетания 33 и всасывания 34 соединен со щелевым испарителем днища 22 и боковин 23 ВХР 21. Выход термодатчика воды 27 через компаратор 35 электрически связан со вторым соленоидным вентилем 28.
Работает ПМПХУ следующим образом. В исходном состоянии ВНБ 14 и ВХУ 21 заполнены водой через поплавковые клапаны, так что ТЭНы ВНБ 14 и щелевые испарители ВХУ имеют полный тепловой контакт с водой. Температура воды в ВХР составляет 2°С. После заливки молока в МР 1 включают ПМПХУ в режим пастеризации, в результате чего ТЭНы нагревают воду в ВНБ 14, включается первый циркуляционный электронасос 15 с напорным 16 и сливным 17 электромагнитными клапанами нагрева. Горячая вода из ВНБ 14, циркулируя по трубопроводам 18 через щелевую водяную рубашку 10 МР1, нагревает молоко. Мотор-редуктор 3 с мешалкой 4 обеспечивают хороший теплосъем и равномерный прогрев всего объема. Через полтора-два часа 1200…1700 л нагревается до 76°С, при этом температура воды в ВНБ 14 не превышает 90°С. Для надежной теплоизоляции верхняя крышка 5 молочного резервуара 1 уплотняется силиконовой эластичной манжетой. Молочно-кислые бактерии уже при +63°С уничтожаются и молоко при +76°С согласно санитарным нормам отпастеризовано. Термодатчик молока 11 через компаратор 19 с порогом переключения +76°С обесточивает первый электронасос 15 и напорный 16 и сливной 17 электромагнитные клапаны нагрева, одновременно включает второй электронасос 29 с электромагнитными клапанами 30, 31 охлаждения. Тем самым перекрывается поток горячей воды через водяную рубашку днища 10 МР1 по трубопроводам 18 и открывается циркуляционный поток холодной воды через второй электронасос 29 щелевую водяную рубашку днища 10 электромагнитные клапана охлаждения 30, 31 по трубопроводам 32. Происходит охлаждение молока в МР1. Поскольку воды в ВХР21 порядка 4500 л втрое больше, чем молока, то через 45 мин молоко достигает температуры 34°С, а вода подогревается в результате теплообмена до 10…12°С.
Поток тепла от молока в воде ВХР21 при включении второго соленоидного вентиля 28 от термодатчика воды 27 через компаратор 35, настроенный на +2°С, частично парируется испарением хладона от ККА6, поступающего в жидкой фазе через трубопровод 33 в щелевой испаритель днища 22 и боковин 23 ВХР21 и отсасываемого в паровой фазе по трубопроводу 34. Тем самым нарастание температуры воды в ВХР21 замедляется. Большая суммарная площадь щелевого испарителя ВХР21, по днищу 22 и боковинам 23, а также интенсивный теплосъем от мотор-редуктора 25 и мешалки 26 обеспечивают полное прокипание мощных потоков хладона.
Когда температура молока достигает 34°С, термодатчик молока 11 через компаратор 20 включает соленоидный вентиль 9 и жидкий хладон от ККА 6 по трубопроводу 12 поступает в щелевой испаритель боковин 2 молочного резервуара, возвращаясь в виде пара в ККА по трубопроводу 13. Начинается ускоренное двойное охлаждение молока в МР1: от циркуляции холодной воды через щелевую водяную рубашку 10 и от циркуляции хладона через щелевой испаритель боковин 2. Мешалка 14 обеспечивает полный теплообмен. При выравнивании температуры воды и молока, контролируемой по термодатчикам 11 и 27, оператор отключает второй циркуляционный электронасос 29 холодной воды, прекращая теплообмен между частично нагретой водой в ВХР21 и молоком. Дальнейшее охлаждение молока с +12…+15°С до +4°С (температура отгрузки) осуществляется только хладоном, циркулирующим по щелевому испарителю боковин 2 из ККА 6 по трубопроводам 12, 13 через первый соленоидный вентиль 9. При достижении +4°С (вторая установка компаратора 20) соленоидный вентиль 9 обесточивается, перекрывая поток жидкого хладона и останавливая дальнейшее охлаждение молока. Таким образом, нагреваясь за 2 часа, затем ускоренно охлаждаясь за 2 часа, отпастеризованное молоко через 4 часа подготовлено к отгрузке. После завершения цикла «пастеризации-охлаждения» подогретая вода в ВХР 21 при включенном от термодатчика воды 27 через компаратор 35 (его порог срабатывания +2°С) втором соленоидном вентиле 28 продолжает охлаждаться за счет испарения хладона в щелевом испарителе днища 22 и боковин 23. Еще через 2 часа температура воды в ВХР 21 уменьшается с 14 до 2°С и компрессор 7 ККА 6 останавливается. ПМПХУ подготовлена к следующему циклу.
При уменьшении объемов пастеризуемого молока в резервуаре 1 общее время переработки будет сокращаться, т.к. тепловые и холодильные потоки мощности остаются неизменными. Если уровень пастеризуемого молока в МР 1 ниже верхних щелей испарителя 2, то терморегулирующий вентиль (на чертеже не показан), управляющий потоком хладона через соленоидный вентиль 9, автоматически уменьшит заполнение щелевого испарителя 2 жидким хладоном до уровня молока, так чтобы исключить попадание жидкого хладона на всасывание компрессора 7.
Таким образом, ПМПХУ обеспечивает полный автономный замкнутый цикл «пастеризации-охлаждения» молока без внешнего водопровода и канализации.
Расходы воды по сравнению прототипом и аналогами уменьшаются в десятки раз. Расходуемая вода используется только для промывки молочного резервуара 1 в объемах до 150 л за смену после отгрузки отпастеризованного молока. Промывка молочного резервуара 1 при открытых замках и поднятых крышках 5 с учетом полного доступа к внутренней полости резервуара 1 не представляет никаких проблем по сравнению с пластинчатыми пастеризаторами, требующими ежедневной сборки-разборки. Еще одним достоинством заявляемого изобретения является повышение коэффициента использования ККА 6. В прототипе ККА после охлаждения молока отключается, а в предлагаемом изобретении он между пересменками аккумулирует холод в ледяную воду ВХР21, подготавливая ее к следующему циклу переработки.
Источники информации
1. Молочная пастеризационно-холодильная установка по заявке №2010119626 от 17.05.2010 г.
2. Молочная пастеризационно-холодильная установка по заявке на изобретение №2009117594 от 08.05.2009 г. с решением ФИПС о выдаче патента №2009117594/12 от 5 апреля 2010 г.
3. Молочная пастеризационно-холодильная установка по патенту RU 2388217 от 23.01.2009 г.
4. Ванна пастеризации молока Г2-ОПБ-1000, веб-сайт: www.deltamol.ru.
5. Универсальная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка ОГУ-2.5, веб-сайт: www.protex.ru.
6. Установка полной пастеризации молока 5000 л/ч, веб-сайт: www.trubatec.org.
7. Пастеризационный молочный цех КОЛАКС-1001, веб-сайт: www.colaxm.ru.