ЭКОНОМИЧНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНО-ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ МОЛОКООХЛАДИТЕЛЬ

Область применения.
Полезная модель, экономичный вертикально-цилиндрический молокоохладитель (ЭВЦМ) предназначен для сбора и охлаждения молока на малых фермах преимущественно с суточным надоем от 300 л до 2500 л, оборудованных артезианским водопроводом, но также может быть использован на крупных фермах с надоем до 8000 л.
Уровень техники.
В настоящее время при сборе молока на мелочно-товарных фермах предусматривают охладители [1, 2, 3], позволяющие обеспечить его качество и заблокировать размножение молочнокислых бактерий на сутки до отгрузки и переработки на молокозаводах. В процессе переработки в ваннах длительной пастеризации [4] происходит высокотемпературный нагрев молока с уничтожением первичной БАК-обсемененности и последующее охлаждение водой.
При этом известно, что охлаждение парного молока до температуры +4°С, осуществляемое на фермах фреоновыми компрессорно-конденсаторными агрегатами (ККА) [1, 2] в течение 2…3 часов после дойки сопровождается ростом БАК-обсемененности на 20%, что обусловлено ограниченной мощность ККА и сопровождается также расходом электроэнергии на вращение компрессора, вентиляторов конденсатора и мотор-редуктора мешалки. Основные расходы электроэнергии поступают в ККА, мощность которых в 30 раз превышает мощность мотор-редуктора мешалки. Для уменьшения расхода электроэнергии используют водяные предохладители накопительного резервуарного типа [1] или проточные пластинчатого типа [3]. Если для охлаждения используется артезианская вода +6°С, то предохлаждение парного молока возможно до 9…10°С при соотношении объемов 3:1[3]. Форма резервауров-охладителей может быть квадратная [1, 4], либо круглая (вертикально-цилиндрическая) [2].
Недостатком пластинчатых теплообменников Fabdec DARI KOOL ХР М45[3] на веб-сайте www.agrotech.spb.ru, используемых для предохлаждения молока, является необходимость в применении дополнительного резервуара для сбора и накопления молока с фреоновым агрегатом. Недостатком вертикально-цилиндрического аналога [2] с боковым щелевым фреоновым испарителем в нижней части цилиндра резервуара является необходимость использования ККА, а также «пустое» днище, которое не позволяет включить его в работу с началом дойки, а требует паузы до получаса для покрытия части щелей испарителя тепловой нагрузкой (молоком). Недостатком ванны длительной пастеризации по патенту RU 2007139028[4] в режиме охлаждения молока является излишняя контактная площадь водяной рубашки между вертикально-цилиндрическим резервуаром и квадратным корпусом по круглому днищу и боковинам цилиндра. Эта излишняя контактная площадь усложняет конструкцию, увеличивает металлоемкость и трудоемкость изготовления, а также снижает надежность при засорении канализации, т.к. водяная «рубашка» выдерживает не более 0,5ат. и может быть «смята».
Из известных наиболее близким по технической сущности (прототипом) является высокоэффективный быстродействующий молокоохладитель по патенту RU №2436292[1], содержащий теплоизолированный основной резервуар с фреоновым испарителем днища и ККА, а также верхний дополнительный теплоизолированный квадратный резервуар-предохладитель с мотор-редуктором, мешалкой, верхним переливным патрубком, сливным краном, щелевой водяной рубашкой, встроенной в днище и боковые грани, причем нагнетание и слив щелевой водяной рубашки соединены соответственно с артезианским водопроводом и канализацией. Выход молокопровода соединен с дополнительным резервуаром. При дойке в процессе постепенного заполнения дополнительного резервуара, молоко предохлаждается за счет циркуляции артезианской воды по щелевой водяной рубашке и охлажденным до 9…10°С переливается в основной резервуар. Достоинством предохладителя является высокое давление до 6ат., выдерживаемое щелевой водяной рубашкой, а также большая контактная площадь всех пяти граней, однако его недостатком является большая трудоемкость изготовления и металлоемкость, т.к. водяные щели располагаются на четырех боковых гранях и днище, при этом каждая щелевая грань имеет свой коллектор и свой инжектор, они соединяются последовательно герметичными калачами, что требует большого объема ручных сварочных работ, даже при «надувных» щелевых гранях (10 калачей, 20 сварок).
Технический результат
Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение резервуара молокоохладителя и снижение потребляемой электрической мощности с утилизацией тепловой энергии от молока в нагрев артезианской воды на выпойку коров.
Техническая сущность устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в экономичный вертикально-цилиндрический молокоохладитель (ЭВЦМ), содержащий теплоизолированный резервуар, с термодатчиком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой, горловиной, а также сливным краном и регулируемыми опорами, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, введен герметичный цилиндрический картер, встроенный в днище, с переливным коленом, нижним напорным и верхним сливным патрубками, а также вварными стяжками между круглым днищем резервуара и картера, причем нижний напорный патрубок расположен в днище картера под сливным краном резервуара и соединен с артезианским водопроводом через шаровый кран и дроссельную шайбу, а верхний сливной патрубок расположен с диаметрально противоположной стороны и соединен с переливным коленом. Переливное колено может содержать верхний и нижний переливные патрубки, причем верхний переливной патрубок соединяется с автопоилкой, а нижний переливной патрубок - через шаровый кран - с канализацией. Сливной кран - через электронасос - также может быть соединен с фреоновым резервуарным молокоохладителем.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан чертеж общего вида экономичного вертикально-цилиндрического молокоохладителя (ЭВЦМ).
ЭВЦМ содержит теплоизолированный резервуар 1, выполненный из пищевой нержавеющей стали 10Х18Н9Т толщиной 1,5 мм, с облицовкой 2 толщиной 1 мм, термодатчиком 3, мотор-редуктором 4, мешалкой 5, верхней крышкой 6, горловиной 7, а также сливным краном 8 и регулируемыми опорами 9. К днищу 10 приварен герметичный цилиндрический картер 11 высотой 150 мм с переливным коленом 12, нижним напорным патрубком 13, и верхним сливным патрубком 14. Вварные стяжки 15, расположенные равномерно, 7 шт. между днищем резервуара и картера обеспечивают жесткость днища при заполнении молоком и отгрузке, а также при подаче артезианской воды. Нижний напорный патрубок 13 расположен в днище картера под сливным краном 8, в сторону которого обеспечивается уклон 50 мм регулируемыми опорами 9 для полного слива молока. Верхний сливной патрубок 14 расположен с диаметрально противоположной стороны относительно напорного патрубка 13 для оптимизации теплообмена так, что перепад высот с учетом уклона составляет 200 мм и исключает воздушные «пузыри», препятствующие теплообмену. Напорный патрубок 13 соединен через шаровый кран 16и дроссельную шайбу 17 с артезианским водопроводом 18. В переливном колене 12 могут содержаться верхний 19 и нижний 20 переливные патрубки, причем верхний переливной патрубок 19 соединяется жесткими трубопроводами с автопоилкой (на фиг.1 не показана), а нижний переливной патрубок 20 - через шаровый кран 21 - с канализацией 22. Возможно соединение переливного колена 12 с гибким шлангом, направленным оператором в автопоилку, либо канализацию 22. Сливной кран 8 резервуара 1 может быть соединен через электронасос 23 с фреоновым резервуарным молокоохладителем (на фиг.1 не показан). Выход молокопровода 24 связан с горловиной 7 резервуара 1.
Работает ЭВЦМ следующим образом. Парное молоко с началом дойки поступает по молокопроводу 24 через горловину 7 в резервуар 1. Оператор включает мотор-редуктор 4 и открывает шаровый кран 16 при перекрытом шаровом кране 20. Дроссельная шайба 17 при стабильном напоре водопровода 3ат. ограничивает подачу артезианской воды в картер 11 за счет выбора диаметра отверстия от 3 мм до 12 мм пропорционально объему резервуара 1 и темпу дойки. Если резервуар предназначен для двухдоечного сбора и сохранения до 2000 л молока (вечерняя дойка - утренняя дойка), а темп утренней дойки, например, m=900 кг за 1,5 часа или m=10 кг/мин, то подача будет М=30 кг/мин, чтобы обеспечивалось соотношение объемов воды и молока 3:1. Это реализуется дросселем 6 мм.
Через днище резервуара 1 толщиной h=1,5 мм происходит интенсивный теплообмен между артезианской водой и молоком. Мешалка 5 с частотой вращения 25…36 об/мин способствует полному теплообмену и гомогенизации молока по всей массе и в верхних и в нижних слоях. Артезианская вода в картере, проходя от патрубка 13 до патрубка 14, прогревается в начале дойки с 6°С до 33°С, причем самые теплые слои поднимаются вверх к патрубку 14, и первые 600 кг воды, поступающей в автопоилку за 20 мин по переливному патрубку 18, будут иметь среднюю температуру 20°С. Постепенно температура молока в резервуаре 1 понижается и температура переливного патрубка 18 также понижается.
Средняя температура воды объемом 900 л в автопоилках при их заполнении снизится до 15°С, после чего шаровый кран 21 открывают. Для получения оптимальной температуры +18°С потребуется ее подогреть, однако расход электроэнергии на нагрев по сравнению использованием собственно артезианской воды +6°С в автопоилках уменьшиться примерно вдвое.
Дальнейшее охлаждение молока сопровождается переливом воды по шаровому крану 21 в канализацию 22. Условный проход переливного колена 12 и верхнего сливного патрубка 14 не менее 30 мм, что в разы превышает дроссель и исключает «вздутие» картера, выдерживающего давление до 1,5 ат с учетом стяжек 15. К моменту завершения утренней дойки через 1,5 часа после перелива еще 1800 кг воды в канализацию температура молока понизится до 9…10°С. Воду шаровым краном 16 перекрывают.
При вечерней дойке с тем же темпом вновь открывают шаровый кран 16 и поддерживают температуру молока на уровне 9…10°С. Артезианская вода на переливе 12 прогревается до 7…7,5°С. Т.е. для суточного подогрева воды в автопоилках экономится примерно 25% кВтчасов. В перерывах между дойками автоматически включается мешалка 5 для гомогенизации молока. Теплоизоляция надежно сохраняет температуру молока +10°С за 12 часов.
При повышении темпа дойки и суточных удоев в 4 раза до 8000 л используется электронасос 23, которым выгружают молоко при открытом шаровом кране 8 во фреоновый резервуарный молокоохладитель. Для повышения мощности охлаждения и сохранения соотношения М и m как 3:1 дроссельную шайбу 17 выполняют диаметром 12 мм.
Таким образом, к моменту завершения утренней дойки 4000 л, через 1,5 часа после ее начала в автопоилках будет 4000 л подогретой парным молоком артезианской воды с температурой порядка 16…18°С, а во фреоновом резервуарном молокоохладителе 4000 л молока с температурой 9…10°С. В этом режиме достигается 100% экономия электроэнергии на подогрев воды в автопоилках за счет своевременного открытия и перекрытия шарового крана 21. Для цифрового контроля температуры молока оператором в ЭВЦМ служит термодатчик 3.
Следует отметить, что мощность, потребляемая мотор-редуктором 4 не превышает 3% от мощности ККА аналога [2]. Также необходимо подчеркнуть, что температура молока +9…10°С блокирует размножение молочнокислых бактерий, и БАК-обсемененность молока за 12…20 часов хранения практически не изменяется при соблюдении санитарно-гигиенических требований к чистоте резервуара и молокопроводов.
Основная экономия электроэнергии по сравнению с фреоновым компрессорным аналогом [2] заключается в многократном снижении потребляемой мощности, т.к. для доохлаждения щелевым испарителем молока с 9°С до 4°С требуется в 5 раз меньше электроэнергии и времени работы ККА, чем с 32°С до 4°С. Но и без доохлаждения, как показывает опыт и микробиологические исследования, молоко успешно хранится при температуре 9…10°С. Никаких проблем с промывкой и механической очисткой после отгрузки молока при поднятой крышке 6 в предлагаемой конструкции нет, а в пластинчатом аналоге [3] требуется сложная промывка и периодическая сборка-разборка.
По сравнению с квадратным резервуаром-предохладителем прототипа [1], конструкция предлагаемой полезной модели значительно упрощена, металлоемкость уменьшается на 30%, трудоемкость изготовления также снижена примерно в 2 раза. Для тысячелитрового резервуара ЭВЦМ, имеющего d=1200 мм, высоту Н=1000 мм, площадь днища S=1,2 м.кв., контактная площадь S уменьшена приблизительно в 3…4 раза, однако ее оказывается достаточно для предохлаждения молока до 9…10°С, что на 4°С больше температуры артезианской воды, как и в аналогах [1, 3, 4], обладающих существенным превышением контактной площади в 2,5…3,5 раза. Покажем это с помощью расчетов.
Мощность охлаждения молока, передаваемая от артезианской воды из картера, ограничена двумя базовыми формулами: 1) теплопроводностью днища площадью S=1,2 м.кв. с коэффициентом k=15 Вт/м∗град для нержавеющей стали 10Х18Н9Т
N=kST/h,
(1)
где N - мощность, кВт; Т - средний перепад температур воды и молока в среднем сечении картера, а также 2) массовым расходом артезианской воды М от М=30 кг/мин до 120 кг/мин в зависимости от режима работы, диаметра дросселя 17, и положения шарового крана 16:
N=MRc=30∗24∗4,2/60=50 KBT
(2)
где с=4,2 кДж/кг∗град - удельная теплоемкость воды, R=32-6=24 град - перепад температур от напорного патрубка 13 до переливного 14 в начале дойки.
Точное распределение температурного поля в картере описывается сложной системой дифференциальных уравнений во времени в частных производных, однако его решение показывает, что в процессе дойки температура молока будет по экспоненциальному закону приближаться к +6°С, при этом перепад температур Т (формула 1) и R (формула 2) будет уменьшаться до 3…4°С за время дойки при постоянных расходах артезианской воды М и подачи молока m с соотношением пропорции M:m=3:1
Из формулы (1) следует, что в начале дойки мгновенный поток мощности составит N=15∗1,2∗5/0,0015=60 кВт. Это в 5 раз превышает поток мощности от ККА для резервуаров такой же емкости. Соответственно мгновенная скорость охлаждения V, определяется из соотношения
V=N/C<sub>M</sub>∗G=50/3,9*200=0,06 град/с
(3)
M
где С=3,9 кДж/кг∗град - удельная теплоемкость молока,
G=200 кг - масса первой порции парного молока, поступившей в резервуар. Скорость охлаждения водой также на порядок больше, чем у фреонового охладителя.
К моменту завершения дойки и охлаждения через 1,5 часа Т уменьшается до 1,5…2 град. Соответственно, по экспоненте уменьшится и скорость, определяемая формулой (3).
Таким образом, значительное уменьшение контактной площади S в динамике практически не повлияло на конечный результат. Следует отметить, что повышение расходов воды М в 4 раза до 120 кг/мин при неизменном потоке m=10 кг/мин увеличит мгновенную скорость охлаждения V в 2 раза, уменьшит R в 2 раза и увеличит Т в 2 раза, т.е. артезианская вода, пройдя с высокой скоростью через картер не будет успевать прогреваться. Если продолжить процесс охлаждения после завершения дойки путем пролива артезианской воды через картер в канализацию, то возможно охладить молоко до +8°С.
Предлагаемая полезная модель имеет конструкцию в разы проще и дешевле по сравнению с прототипом и аналогами. Потребляет электроэнергии на порядок меньше. Обеспечивает охлаждение молока до 9…10°С к моменту завершения дойки и его высокое качество при отгрузке в течение суток. Еще одним преимуществом, является сохранение молока и возможность его охлаждения в условиях аварийного отключения электроэнергии. Для интенсификации теплообмена в этом случае необходимо ручное перемешивание верхних и нижних слоев молока для «подъема» охлажденных, более плотных слоев наверх. ЭВЦМ внедрен в производство на предприятии НПП «Автомаш-Владимир» г.Ковров.
Источники информации.
1. Высокоэффективный быстродействующий молокоохладитель. Патент №2436292 от 12.05.2010.
2. Молочная холодильная установка. Патент RU 2438300 от 10.08.2010 г.
3. Пластинчатый теплообменник Fabdec DARI KOOL XP M45. Веб-сайт www.agrotech.spb.ru
4. Ванна длительной пастеризации. Патент RU 2007139028 от 23.10.2007.