Устройство и способ для охлаждения молока
DEVICE AND METHOD FOR COOLING MILK

Изобретение относится к области охлаждения сельскохозяйственной продукции при ее обработке и хранении, в частности, молока на животноводческих фермах и пастбищах, и может быть использовано в системах кондиционирования производственных, животноводческих помещений и хранилищ.
Известно охлаждение молока, которое осуществляется в теплообменнике при помощи грунтовой воды из скважины. Для осуществления улучшенной естественной зимней хладозорядки грунта устраиваются вентиляционные скважины наклонного бурения. Грунт вокруг нижней части скважин пропитывают рассолом. (Бобков В.А. "Производство и применение льда". М.: Пищевая промышленность, 1977, с. 71-74).
Недостатками известного охлаждения молока являются большие капитальные и энергозатраты, связанные с устройством наклонных вентиляционных скважин и установкой вентиляторов. Кроме того, возможны случаи замерзания грунтовой воды в скважине.
Известны способ охлаждения молока и устройство для его осуществления с использованием грунтовой воды, включающий подачу ее непосредственно из магистрали вакуумного молокопровода доильной установки через расширитель во внутренний контур теплообменника, во внешний контур теплообменника подают в противотоке хладоноситель - грунтовую воду из скважины, охлажденную до +9°С (патент РФ №2160986, опубл. 27.12.2000, Бюл. №36,). Устройство для осуществления данного способа подключено к вакуумной магистрали молокопровода, теплообменник выполнен в виде двух независимых блоков, соединенных между собой.
Недостатками известного способа и устройства охлаждения молока с использованием грунтовой воды являются невозможность обеспечить охлаждение молока до температуры +4…6°С, необходимой для сохранения высокого качества производимого молока, так как температура охлаждающей воды находится в пределах +7…9°С.
Известно устройство для охлаждения сельскохозяйственной продукции естественным холодом грунта, содержащее заглубленные в грунт вертикальные трубы большого и меньшего диаметра, установленные соосно одна в другой, погружного насоса, установленного в нижней части трубы большого диаметра, резервуара с размещенными в его верней части вентилятором и распылительными форсунками, причем нижняя часть резервуара соединена с теплообменником (патент РФ №2185578, опубл. 20.07.2002, Бюл. №20).
Недостатками известного устройства для охлаждения молока являются то, что оно не обеспечивает охлаждения молока до требуемой температуры (+4…6°С) в течение всего года, требует установки дополнительных фильтров для грунтовой воды, относительно низкая надежность из-за вероятности засорения пространства между соосно установленными трубами и др.
Известно охлаждение молока на пастбищах, включающее резервуар с грунтовой водой, заглубленный в землю, с установленным в нем змеевиком с циркулирующим молоком от доильной установки и камеру с форсунками для воды. Охлаждение молока осуществляется за счет грунтовой воды, подаваемой из колодца или резервуара, заглубленного в землю, в котором установлен змеевик с циркулирующим по виткам молоком, подаваемым из доильной установки. (О.А. Герасимова, В.В. Шилин" Охлаждение молока на пастбищах" ж-л "Сельский механизатор", №5, 2011, с. 27).
Основным недостатком является невозможность охлаждения молока до необходимой температуры (+4…6°С), так как температура охлаждающей воды находится в пределах +7…9°С.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ охлаждения молока с использованием грунтовой воды, включающий подачу его непосредственно из магистрали вакуумного молокопровода доильной установки через расширитель во внутренний контур теплообменника, во внешний контур теплообменника подают в противотоке хладоноситель - воду из скважины, охлажденное до +9°С молоко подают в накопительную емкость доильной установки (патент РФ №2160986, опубл. 27.12.2000, Бюл. №36). Устройство для охлаждения молока содержит проточный теплообменник, подключенный к молочному контуру и циркуляционному контуру охлаждающей воды, при этом вход молочного контура теплообменника подключен через расширитель непосредственно к вакуумной магистрали доильной установки, а выход молочного контура подключен к теплоизолированной накопительной емкости через стабилизатор потока молока, причем расширитель и стабилизатор потока молока соединены между собой обводным вакуумпроводом и установлены так, что разность между уровнями свободной поверхности молока в расширителе и стабилизаторе потока соответствует расчетному.
Недостатками известного способа и устройства охлаждения молока с использованием грунтовой воды являются необходимость обеспечения высокой интенсивности подачи воды из скважины для создания требуемого теплового потока в проточном охладителе в процессе охлаждения молока, при этом возникает проблема возврата большого количества отепленной воды, что приводит к заболачиванию, и необходимость обязательного наличия дорогостоящих холодильных машин. Кроме того, при использовании грунтовой воды необходима установка дополнительных фильтров, при отсутствии которых проточный пластинчатый теплообменник требует частой разборки и чистки пластин, а главное то, что технологический процесс с использованием грунтовой воды не может обеспечить охлаждение молока до необходимой температуры +4…6°С. Молоко охлаждается только до +9…10°С. При таком подходе практически не решается одна из наиболее важных задач первичной обработки - сохранение высокого качества производимого молока. Известно, что свежевыдоенное молоко обладает бактерицидными свойствами, т.е. способностью задерживать размножение бактерий. Одним из способов увеличения сроков бактерицидности молока является его быстрое охлаждение. Решение проблемы быстрого охлаждения позволяет сохранить вкусовые качества в течение длительного промежутка времени с полной биологической активностью всех витаминов и ферментов. Однако для реализации такого способа охлаждения необходимо значительно увеличить холодопроизводительность действующих стационарных холодильных машин на фермах. Это положение, а также отсутствие какой бы то ни было мобильности делают технологию поточного (мгновенного) охлаждения молока практически неосуществимой на летних молочных фермах, на пастбищах, несмотря на то, что здесь имеется возможность наиболее эффективно применять источники природного холода.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на охлаждение молока до необходимой температуры, повышение надежности, хладопроизводительности и эффективности работы устройства для охлаждения молока в течение круглого года.
В результате использования изобретения появляется возможность сократить энергозатраты на быстрое охлаждение молока в потоке в процессе дойки до температуры +4…6°С, повысить надежность, хладопроизводительность и эффективность работы охлаждающей системы в течение всего года без применения холодильных машин за счет использования в качестве хладоносителя экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания, циркулирующего по замкнутому контуру (пластиковые трубки, установленные внизу грунтового льдоаккумулятора, проточный пластинчатый теплообменник, насос и регулируемый вентиль) и охлажденного в грунтовом льдоаккумуляторе до температуры 0°С и ниже, причем с целью максимального использования природного холода в течение всего года в котловане грунтового льдоаккумулятора установлены двухфазные термостабилизаторы грунтовой термоохлаждающей установки (ГТУ).
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для охлаждения молока, содержащем проточный пластинчатый теплообменник, подключенный к молочному контуру от молокопровода доильной установки, молочный насос, резервуар-термос и блок управления, согласно изобретению, охлаждающий замкнутый контур теплообменника подключен через насос и трубопровод к пластиковым трубкам с экологически чистым хладоносителем с низкой температурой замерзания, установленными в грунтовом льдоаккумуляторе на расстоянии от поверхности земли равном глубине промерзания грунта в регионе, при этом в льдоаккумулятор вставлены двухфазные термостабилизаторы, причем заполненные пропаном нижние части термостабилизаторов, установленных на дне котлована грунтового льдоаккумулятора, размещены ниже уровня расположения пластиковых трубок с экологически чистым хладоносителем с низкой температурой замерзания, при этом нижние части термостабилизаторов, установленные в стенках котлована, размещены выше уровня расположения пластиковых трубок, а конденсаторная часть всех термостабилизаторов расположена на одинаковом расстоянии от поверхности земли, которое зависит от высоты снежного покрова в регионе, при этом резервуар-термос при помощи регулируемого вентиля и дополнительного молокопровода соединен с молочным насосом и проточным пластинчатым теплообменником, образуя дополнительный замкнутый контур охлаждения молока.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом способе для охлаждения молока, предусматривающем теплообмен между хладоносителем и молоком, согласно изобретению, быстрое охлаждение молока в потоке во время дойки до необходимой температуры +4…6°С в течение всего года с сохранением высокого качества молока осуществляют по замкнутому контуру циркулирующим экологически чистым хладоносителем с низкой температурой замерзания, охлажденным в грунтовом льдоаккумуляторе до 0°С и ниже, при этом для выполнения необходимых требований к процессу охлаждения молока и предупреждения его подмораживания с блока управления в зависимости от температуры хладоносителя, подаваемого в проточный теплообменник, синхронно с молочным насосом или по заданной программе автоматически включают насос и холодный хладоноситель из пластиковых трубок, расположенных в грунтовом льдоаккумуляторе, через вентиль попадает в пластинчатый теплообменник, где охлаждает молоко, после чего хладоноситель возвращается обратно в грунтовый льдоаккумулятор, а для сохранения высокого качества молока, находящегося в резервуаре-термосе, при температуре выше +6°С включают дополнительный контур охлаждения молока при помощи регулируемого вентиля и дополнительного молокопровода, соединяющего резервуар-термос с молочным насосом и проточным пластинчатым теплообменником и обеспечивают поддержание необходимой температуры молока в резервуаре - термосе в процессе хранения за счет использования хладоносителя с низкой температурой замерзания.
В устройстве для охлаждения молока, содержащем проточный пластинчатый теплообменник, насосы для молока и экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания, резервуар - термос для охлажденного молока, блок управления, ГТУ с двухфазными термостабилизаторами, грунтовое льдохранилище с установленными на дне пластиковыми трубками, соединенными трубами и вентилем с пластинчатым теплообменником, пластиковые трубки заполняют экологически чистым хладоносителем с низкой температурой замерзания (например, экосол) и укладывают на дно котлована, траншеи или старой очищенной силосной ямы и полностью засыпают землей, а с целью максимального использования природного холода в течение всего года в котлован устанавливаются термостабилизаторы ГТУ, причем внутри котлована заполненная пропаном нижняя часть термостабилизаторов находится ниже расположения пластиковых трубок, заполненных хладоносителем с низкой температурой замерзания, а в стенках котлована нижняя часть термостабилизаторов устанавливается выше уровня дна, что обеспечивает замораживание поверхности грунтовых стенок и дна котлована и они выполняют роль не только источника холода, но и гидро- и теплоизоляции. Конденсаторная часть всех термостабилизаторов ГТУ находится на открытом воздухе и расположена на одинаковом расстоянии от поверхности земли, которое зависит от высоты снежного покрова в регионе.
В способе охлаждения молока в качестве хладоносителя используют не грунтовую воду, т.к. она замерзает в пластиковых трубах льдоаккумулятора, а экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания, циркулирующий по замкнутому контуру (пластиковые трубки, установленные в грунтовом льдоаккумуляторе, проточный пластинчатый теплообменник, насос и регулируемый вентиль) и охлажденный до 0°С и ниже, что обеспечивает необходимую чистоту поверхности пластин проточного теплообменника и эффективность теплообмена. С целью выполнения необходимых требований процесса охлаждения молока и предупреждения его-подмораживания, включение насоса хладоносителя осуществляется автоматически по программе в зависимости от температуры хладоносителя, подаваемого в теплообменник. Для повышения энергоэффективности и холодопроизводительности процесса охлаждения молока в течение всего года в грунтовом льдоаккумуляторе устанавливаются термостабилизаторы ГТУ, испарительная часть которых находится на разной высоте, а экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания поступает в проточный теплообменник из зоны, где расположены испарительная часть термостабилизаторов, установленных на дне котлована, что полностью исключает применение холодильных машин.
В устройстве также предусмотрено дополнительное охлаждение молока в резервуаре-термосе, когда возникает задержка с отправкой молока на молокозаводы, особенно это актуально для летних пастбищ, когда температура молока в резервуаре-термосе может превышать +6°С.
Для этой цели в устройстве устанавливается дополнительный молокопровод с регулируемым вентилем, который обеспечивает, когда нет дойки, циркуляцию молока по замкнутому контуру: резервуар-термос, молокопровод, вентиль, молочный насос, проточный теплообменник и резервуар-термос. В этом случае экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания циркулирует по тому же замкнутому контуру, что и при первичном охлаждении молока.
Предлагаемые способ и устройство можно позволяют охлаждать молоко в течение всего года экологически чистым хладоносителем с низкой температурой замерзания, охлажденным до 0°С и ниже и циркулирующем по замкнутому контуру в проточном теплообменнике и пластиковых трубках, установленных в грунтовом льдлоаккумуляторе, в котором аккумуляция холода осуществляется замораживанием воды и грунта в холодное время года при помощи грунтовой термоохлаждающей установки с двухфазными термостабилизаторами, использующей естественные конвекционные свойства хладоагента при наличии градиента температур между слоем замораживаемого грунта и наружным воздухом.
Сущность предлагаемого устройства и способа для охлаждения молока поясняется чертежом, на котором представлена общая схема.
Устройство для охлаждения молока содержит молокопровод доильной установки 1, релизер 2, вакуумный насос 3, датчики уровней 4, молочный насос 5, проточный пластинчатый теплообменник 6, блок управления 7, насос хладоносителя 8, резервуар - термос для охлажденного молока 9, вентили 10, регулируемый вентиль 11, датчики температуры молока 12 и хладоносителя 13, молокопровод 14, грунтовый льдоакумулятор15 с пластиковыми трубками 16, заполненными хладоносителем, тепловые трубы-термостабилизаторов 17, состоящие из нижней части с пропаном 18, испа-рительнойчасти19 и воздушного конденсатора 20.
Устройство для охлаждения молока работает следующим образом.
После дойки молоко из молокопровода доильной установки 1 поступает в релизер 2, который вакуумируется насосом 3. Датчики уровней 4 последовательно включают и отключают универсальный молочный насос 5 в зависимости от уровня молока в релизере. Молоко насосом 5 подается в канал проточного теплообменника 6. Таким образом, молоко в проточном пластинчатом теплообменнике движется дискретно (импульсами). С блока управления 7 синхронно с молочным насосом 5 или по заданной программе включается насос 8 и холодный хладоноситель из пластиковых трубок 16, расположенных в грунтовом льдоаккумуляторе 15, через вентиль 10 попадает в пластинчатый теплообменник 6, где охлаждает молоко, после чего возвращается обратно в грунтовый льдоаккумулятор 15, образуя замкнутый контур. Охлажденное молоко направляется в резервуар-термос 9.
При повышении температуры молока в резервуаре-термосе 9 выше +6°С и когда нет дойки, открывается вентиль 11 и молоко по дополнительному молокопроводу 14 направляется в проточный теплообменник 6 для охлаждения. В этом случае экологически чистый хладоноситель с низкой температурой замерзания циркулирует по тому же замкнутому контуру, что и при первичном охлаждении молока.
Температура молока и хладоносителя контролируется при помощи датчиков температуры 12 и 13.
Для замораживания грунта в льдоаккумуляторе 15 используются двухфазные термостабилизаторы 17.
Каждый двухфазный термостабилизатор за активный (холодный) период своей работы намораживает ледяной цилиндр в воде или грунте, а в совокупности все установленные термостабилизаторы могут замораживать грунтовый массив практически любой конфигурации и объема.
Грунтовые охлаждающие термоустановки включаются в работу автоматически при температурах атмосферного воздуха ниже температуры грунта. Установки этого типа не требуют энергетических и эксплуатационных затрат и постоянного обслуживающего персонала. Теплоперенос из охлаждаемой среды осуществляется легкокипящим хладагентом - сжиженным пропаном 18 в процессе его естественной конвекции и фазовых превращений.
В холодный период пропан в испарительной части 19 термостабилизатора 17 кипит и испаряется, отбирая тепло от грунта или воды. Образующийся пар поднимается в конденсаторную часть термостабилизатора, конденсируется в процессе охлаждения наружным воздухом и под действием гравитационных сил возвращается в испарительную часть. В результате среда, окружающая испарительную часть, охлаждается. Когда температура воздуха становится выше, чем температура охлаждаемого грунта, термостабилизатор запирается. Процесс накопления холода происходит естественно и непрерывно.
Обработанное по предложенной технологии молоко охлаждается практически сразу же после дойки, что позволяет сохранить его высокие качества.
Предлагаемое устройство может быть установлено и в условиях самых удаленных животноводческих ферм, комплексов и на пастбищах, так как здесь имеется возможность наиболее эффективно применять источники природного холода. Термостабилизаторы ГТУ не требуют затрат электроэнергии, обслуживания, срок службы составляет десятки лет, а использование экологически чистого хладоносителя с низкой температурой замерзания позволяет повысить надежность процесса охлаждения молока до необходимой температуры в течение всего года без применения холодильных машин.