БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПАСТЕРИЗАТОР В ПОТОКЕ

Область применения.
Полезная модель, пастеризатор, предназначен для подогрева (пастеризации) и последующего охлаждения, преимущественно молока и сливок в потоке, а также для пастеризации пива, соков, и может быть использован на предприятиях пищевой промышленности, молокозаводах и молочно-товарных фермах, при выпуске сметаны, сливок, кефира, творога с объемами производства от 2000 до 20000 л в сутки.
Уровень техники.
В настоящее время для пастеризации в потоке (нагрева до 76°…92°) и последующего охлаждения с производительностью от 1000 л до 5000 л/ч применяются устройства, основанные на пластинчатом теплообменнике - регенераторе (рекуператоре), через который пропускаются встречные потоки сырого (холодного) молока и пастеризованного (горячего) молока [1, 2, 3, 4, 5]. Донагрев молока может осуществляться ТЭНами с электрокотлом [1, 2, 3, 4] через змеевик, либо роторными (вихревыми) центробежными насосами [5] за счет преобразования механической энергии электронасосов в тепловую. Недостаток последних - высокий акустический шум при производительности 1500 л/ч от двух мощных электронасосов (2*7,5=15 кВт). Достоинством пластинчатых рекуперативных пастеризаторов в потоке с электрокотлом является высокий КПД и экономия электроэнергии, а недостатками - сложность промывки, трудоемкость технического обслуживания, необходимость в дополнительных резервуарах сырого и пастеризованного молока От этих недостатков свободны емкостные ванны длительной пастеризации [6] с ТЭНами и артезианской водой, а также пастеризационно-холодильные установки [7] с ТЭНами, водопроводным предохлаждением и фреоновым доохлаждением. Пастеризация молока до 2500 л за смену и его охлаждение осуществляется в едином резервуаре [6, 7] объемом до 2500 л. Нет проблем с его промывкой и обслуживанием, однако недостатком прямого нагрева молока (без рекуперации) является большое энергопотребление (0,1…0,15 кВт*ч на литр), хотя рекуперативные пластинчатые пастеризаторы в потоке [1-5] позволяют экономить до 85% электроэнергии и перерабатывают до 10000…20000 л молока за смену.
Аналогом к предлагаемому решению является устройство [2, 3] для пастеризации ИПКС-013Р-2500Р по патенту RU 2007146478, выпускаемое в Рязани фирмой «Эльф-4М», подробно описанное на веб-сайте www.elf4m.ru/passport_ipks-013-01.pdf [3].
Устройство содержит уравнительный (пополнительный) бак сырого молока с центробежным циркуляционным насосом и возвратным клапаном, рекуперативный пластинчатый теплообменник встречных потоков пастеризованного и сырого молока, водонагревательный пастеризационный бак с винтовым молочным змеевиком, ТЭНами и связанным с ними водяным термостатом, а также сборный змеевик - выдерживатель Ф60 длиной 4 м с калачами 1,5 м и термодатчиком. При этом пополнительный бак через центробежный насос и входные патрубки теплообменника (прямотока сырого молока) соединен трубопроводами со входом винтового змеевика, а выход винтового змеевика -через сборный змеевик - выдерживатель - и возвратные патрубки теплообменника (противотока отпастеризованного молока) соединен, трубопроводами со входом возвратного клапана, связанного с пополнительным баком, и - второй пластинчатый теплообменник - доохладитель, питаемый потоком ледяной воды - с выходом устройства. Термодатчик змеевика - выдерживателя связан с электрическим входом возвратного клапана. Устройство [2, 3] обеспечивает производительность от 1000 до 2500 л/ч, уровень рекуперации тепловой энергии до 80%, температуру охлажденного продукта 4°, время выдержки 16…20 с при мощности потребления до 46 кВт, и 65 кВт температуру пастеризации 76…92°. Ежедневная промывка устройства щелочью и кислотой в режиме циркуляции согласно Паспорта [2] занимает 30% времени его работы. 1 раз в три дня рекомендуется разобрать змеевик - выдерживатель и трубопроводы (7 шт.) с прочисткой их тампонами и гибким тросом. Пластинчатый рекуперативный и второй холодильный теплообменники необходимо разобрать и прочистить механически 1 раз в полгода или по мере их засорения и снижения производительности.
Недостатком аналога является длинный винтовой молочный змеевик, выполненный из сдвоенной нержавеющей трубы Ф20*1, длиной 15 м, 10 витков Ф500. Змеевик является избыточно длинным и непонятно как его очищать в процессе эксплуатации. Кроме того, витки змеевика уложены плотно (без зазоров) по отношению друг к другу. Это ухудшает теплообмен между молоком и горячей водой за счет естественной конвекции, т.к. вокруг змеевика затруднена циркуляция воды и сомкнутые витки исключают из теплообмена до 30%…40% эффективной площади, что требует пропорционального удлинения винтового змеевика и и усложняет его промывку.
Наиболее близкой по техническому решению (прототипом) является пастеризатор Бродского по патенту №125024.
Пастеризатор содержит пополнительный бак сырого молока с центробежным циркуляционным насосом и возвратным клапаном, рекуперативный пластинчатый теплообменник встречных потоков пастеризованного и сырого молока, водонагревательный пастеризационный бак (ВНБ) с крышкой, винтовым змеевиком, выполненным из тонкостенной трубы Ф40, ТЭНами и связанным с ними водяным термостатом, а также объемный цилиндрический выдерживатель с термодатчиком, связанным с электрическим входом возвратного клапана.
Винтовой змеевик прототипа из трубы Ф40, AISI316, имеющий диаметр D=930 мм, шаг витка h=60 мм, общую длину трубы L=48 м, свободен от недостатка, присущего аналогу [2,3], т.к. между поверхностями витков имеется зазор h-D=60-40=20 мм, что позволяет участвовать в теплообмене всей исходной цилиндрической поверхности трубы. В отличие от аналога, винтовой змеевик легко прочищается от остаточных молочных отложений с помощью стандартных поролоновых пыжей Ф60×100, устанавливаемых в начало змеевика, и штатного циркуляционного насоса. Внутри змеевика ВНБ на крышке с мотор-редуктором размещена двухуровневая мешалка.
Расчет термодинамики винтового змеевика показывает возможность подогреть сырое молоко практически с 64°С до температуры воды 80°С при движении потока от входа к выходу с расходами до 5000 л/ч. В циркуляционном контуре: пополнительный бак (4 град), циркуляционный насос (4 град), прямоток сырого молока, рекуперативный пластинчатый теплообменник ПТ (нагрев с 4 до 64 град), змеевик (нагрев с 64 до 80 град), выдерживатель (80 град), встречный противоток горячего отпастеризованного молока через рекуперативный ПТ (охлаждение с 80 до 20 град) нет патрубка с оптимальной температурой 45 град, рекомендуемой для подачи на закрытые сепараторы цельного молока, например Ж5-ОСЦП-1 (1000 л/ч), Г9-ОСП-3 (3000 л/ч), Ж5-ОС2Т-3 (5000 л/ч) для получения идеального обрата с МДЖ близкой к нулю и сепарации жирных сливок МДЖ 38%, используемых для производства масла.
Таким образом, основным недостатком прототипа является ограниченное применение: только для пастеризации цельного молока без производства нормализованных молочных и кисломолочных продуктов, а также сливок (сметаны, сливочного масла, йогуртов, творога и т.д.). Закрытые сепараторы в прототипе можно было бы подключать в поток на выход змеевика с температурой 80 град и далее обрат из сепаратора направлять в выдерживатель. Но в этом случае сливки бы получались высокотемпературные (80 град) и их было бы нужно охлаждать до 32-35 град для сквашивания и заквашивания. Если сепаратор в прототипе подключить на выход теплообменника (64 град) в прямоточный поток сырого молока, а обрат - далее в змеевик, то недопастеризованные сливки пришлось бы нагревать до 80 град в отдельной ВДП и далее охлаждать до 32-35 град для сквашивания, что потребовало бы дополнительного расхода электроэнергии и воды.
Другим недостатком прототипа является большая электрическая мощность ТЭНов и повышенное электропотребление, ограничивающая производительность ППП до 5000…1000 л/ч и не всегда имеющаяся в модернизируемых молокозаводах, оснащаемых современными газовыми и дровяными паровыми котлами.
Технический результат.
Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение производительности пастеризатора при его удобной стыковке с закрытым сепаратором и ускоренная выработка нормализованного пастеризованного молока, практически готового к упаковке с температурой 20 град, в том числе обезжиренного молока (МДЖ 0%), а также пастеризованных нормализованных сливок МДЖ 15% … МДЖ 30% (получаемых через закрытый сепаратор) практически готовых к сквашиванию и заквашиванию с температурой 35-45 град. Также целью служит уменьшение электропотребления при наличии на молокозаводах паровых котлов.
Техническая сущность устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в пастеризатор, содержащий пополнительный бак сырого молока с центробежным циркуляционным насосом и возвратным клапаном, рекуперативный пластинчатый теплообменник встречных потоков пастеризованного и сырого молока, водонагревательный пастеризационный бак с крышкой, винтовым змеевиком, мотор-редуктором и мешалкой, размещенной внутри винтового змеевика, с ТЭНами в днище и связанным с ними водяным термостатом, а также объемный выдерживатель с термодатчиком, при этом термодатчик связан электрическим входом возвратного клапана СОГЛАСНО ПРЕДЛАГАЕМОЙ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ рекуперативный пластинчатый теплообменник выполнен двухсекционным и в него введены трехходовой и одноходовой шаровые краны с двумя муфтами и тройником, при этом выход винтового змеевика через выдерживатель и вторую секцию теплообменника (противотока отпастеризованного молока) - а также трехходовой шаровый кран - соединен с первой муфтой и тройником входного патрубка противотока первой секции, вторая муфта через одноходовой шаровый кран также соединена с тройником, выходной патрубок первой секции противотока отпастеризованного молока соединен трубопроводами со входом возвратного клапана, первый выход которого соединен с пополнительным баком, а второй выход - с выходным краном пастеризатора, причем пополнительный бак через центробежный насос, первую и вторую секцию теплообменника (прямотока сырого молока) связан со входом змеевика. Пастеризатор также может быть оснащен паровым барботером и электромагнитным клапаном, связанным с водяным термостатом.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана принципиальная схема пастеризатора, а также подключение закрытого сепаратора в поток.
Пастеризатор содержит пополнительный бак 1 сырого молока с поплавковым клапаном 2, а также центробежный циркуляционный насос 3 и возвратный клапан 4. Потоки сырого холодного молока и пастеризованного горячего молока проходят встречно через двухсекционный рекуперативный пластинчатый теплообменник (РПТ), его первую секцию 5 и вторую секцию 6, так что выходной патрубок центробежного насоса 3 через трубу 7 соединен со входным патрубком 8 РПТ первой секции 5 сырого молока, а выходной патрубок 9 прямотока сырого молока из первой секции РПТ 5 через входной патрубок 10 и выходной патрубок 11 второй секции РПТ 6 - со входом 12 винтового змеевика 13 водонагревательного пастеризационного бака (ВПБ) 14. Внутри винтового змеевика 13, имеющего диаметр витка D=950 мм, шаг h=60 мм, n=10 витков, общую длину трубы с концевыми заделками L=48м, установлены ТЭНы 15, 12 шт*5 кВт = 60 кВт. Длина змеевика, количество витков, мощность ТЭНов пропорциональны номинальной производительности пастеризатора. Здесь они даны применительно к максимальной производительности 5000 л/ч. Винтовой змеевик 13 выполнен из тонкостенной нержавеющей трубы Ф40×1 сталь AISI316. Выходной патрубок 16 винтового змеевика 13 через выдерживатель 17 с быстросъемной торцевой крышкой 18 соединен трубопроводом со входным патрубком 19 второй секции РПТ 6 пастеризованного молока. Выходной патрубок 20 второй секции РПТ 6 соединен со входным патрубком трехходового шарового крана 21 к выходу которого соединен тройник 22 и первая муфта 23. К тройнику 22 через одноходовой шаровый кран 24 присоединена вторая муфта 25, а также входной патрубок 26 первой секции РПТ 5. Выход 27 противотока пастеризованного молока из первой секции РПТ 5 через трехходовой возвратный клапан 4, один выход 28 которого является выходом пастеризатора, а другой выход 29 - возвращает «недогретое» молоко в пополнительный бак 1. Термодатчик 30 «+80°С» выдерживателя 17 связан с электрическим входом возвратного клапана 4.
Выдерживатель 17 выполнен в виде герметичного цилиндрического бачка D=190мм, 1=500…800 мм, объемом 14…30 л, так, чтобы обеспечить время выдержки отпастеризованного молока не менее 13с при максимальных расходах 3000…5000 л/ч, а также легко промыть и прочистить внутреннюю полость ершами при снятой крышке. Секции РПТ 5 и 6 выполнены из штампованных пластин высоколегированной нержавеющей стали AISI316 размерами 750×350×0.5, 27 и 29 штук, эквивалентной площадью F=2,8 куб.м, обеспечивающей для встречных расходов молока до 5000 л/ч перепад температур не более Т=15° на выходе и на входе.
В ВПБ 14 установлен водяной термостат 31, связанный через магнитный пускатель (на фиг. 1 не показан) с ТЭНами 15 и может быть связан с электромагнитным клапаном 32 парового барботера 33, стабилизирующий желаемую температуру пастеризации. ВПБ 14 имеет усиленную теплоизоляцию 34 толщиной 40 мм с облицовкой из нержавейки. Крышка 35 ВПБ 14 двойная, теплоизолированная, для снижения тепловых потерь. На крышку 35 установлен червячный мотор-редуктор 36 с двухъярусной мешалкой 37, размах крыльев 350 мм, зона захвата лопастей 400 мм.
В верхней точке пастеризатора в объемном выдерживателе 17 установлен воздушный кран 38, предназначенный для стравливания воздуха в процессе циркуляции при разгоне. На выходе пастеризатора установлен дюймовый шаровый кран 39 для удобного регулирования производительности в пределах 1000…5000 л/ч. а входном патрубке 12 змеевика 13 вварен дренажный кран 40.
Внешний закрытый сепаратор 41 с нормализатором (или без) подсоединяется к первой муфте 23 (вход сепаратора) и ко второй муфте 25 (выход сепаратора - обрат или нормализованное пастеризованное молоко). Пастеризованные сливки с нужной МДЖ поступают в потоке на второй выход 42 сепаратора 41.
Работает пастеризатор следующим образом.
А) При пастеризации цельного молока шаровый кран 24 перекрыт, а шаровый кран 21 соединяет патрубок 20 и тройник 22. С помощью ТЭНов 15 и водяного термостата 31 с магнитным пускателем, в водонагревательном пастеризационном баке ВПБ 11 поддерживается температура (85°±1°)С, которая на 4°…5°С превышает желаемую минимальную температуру пастеризации 80°С, установленную на термодатчике 30 выдерживателя 17. В пополнительный бак 1 из холодильного танка через поплавковый клапан 2 поступает сырое молоко +4°С, поддерживая уровень 100 л по мере расходования и переработки.
При первоначальном заполнении пустых полостей молоком открывают полностью воздушный кран 38, так что воздух выходит из прямотока секций РПТ 5 и 6, змеевика 10 и выдерживателя 17. Температура молока в выдерживателе 17 в течении 2 мин достигает 80°С, за счет накопленного тепла ВПБ 14, и термодатчик 30 перекрывает поток отпастеризованного молока через возвратный клапан 4, направляя его в выходной патрубок 29. После выпуска воздуха воздушный кран 32 оставляют приоткрытым для стравливания воздуха в процессе пастеризации, т.к. его присутствие в РПТ 6 ухудшает теплообмен и КПД. Регулировка производительности пастеризатора осуществляется краном 39. При этом в установившемся режиме пастеризации краном 39 обеспечивают номинальный расход 1000…5000 л/ч.
Сырое холодное молоко +4°С из пополнительного бака 1 в установившемся режиме подается насосом 3 через РПТ 5 и 6 прямотоком сырого молока в патрубок 12 змеевика 13, подогревается при этом с 4 до 29°С на первой секции РПТ 5 в патрубках 9 и 10, а далее с 29 до 64°С на второй секции в патрубках 11 и 12 за счет возвратного встречного противотока отпастеризованного горячего молока, проходящего через патрубки 19 и 20, охлаждающегося с 80 до 45°С на второй секции РПТ 6. И далее, пройдя противотоком через трехходовой кран 21 и тройник 22, патрубки 26 и 27 первую секцию РПТ 5 охлаждается с 45 до 19°С. В винтовом змеевике 13 молоко пастеризуется, подогреваясь до температуры 80°С при интенсивном теплообмене с горячей водой, обеспечиваемом мотор-редуктором 36 с двухуровневой мешалкой 37. Следует отметить, что интенсивное вращение мешалки 37 и потоки горячей воды в зазорах 20 мм между витками винтового змеевика 13 снимают застойный «чулок» из охлажденных слоев воды вокруг витков, повышают коэффициент теплообмена змеевика 13, снижают тепловой напор между водой и молоком на выходе 13, увеличивают эффективную контактную площадь и мощность, передаваемую от ТЭНов 15 к молоку. Скорость потоков воды от мешалки 37 на порядок превосходит естественную конвекцию от ТЭНов 15 к змеевику 13. Далее пастеризованное цельное молоко из выдерживателя 17 перемещается порядка 15…20 с через входной патрубок 19 РПТ 6 и выходной патрубок 27 РПТ 5 на выход пастеризатора 28.
Для модернизируемых молокозаводов, оснащенных паровыми, в том числе дровяными, котлами с целью снижения потребления электроэнергии перегретый пар подводится к электромагнитному крану 32 и водяной термостат 31 открывает поток пара через барботер 33 при температуре воды в ВНБ ниже 84°С, а также автоматически перекрывает поток пара через барботер 33 при нагреве свыше 86°С. При этом расход пара 100 кг/ч эквивалентен нагреву воды ВНБ 14 от ТЭНов с мощностью 62,5 кВт, т.е. при достаточной подпитке паром ТЭНы могут быть фактически обесточены, а процесс пастеризации реализуется только за счет парового котла. Потребляемая электрическая мощность в этом режиме не превосходит 2 кВт (работа мешалки 36 и насоса 3). После завершения пастеризации и остановки потока последняя порция пастеризованного молока с температурой 80°С из змеевика 13 и выдерживателя 17 общим объемом порядка 60 л сбрасывается через нижний дренажный кран 40 во вспомогательный поддон, так что процесс пастеризации проходит практически без потерь.
Б) При пастеризации нормализованного молока и получении пастеризованных нормализованных сливок подключают вход сепаратора 41 к первой муфте 23, а выход сепаратора - ко второй муфте 25, шаровый кран 24 при этом открыт, а трехходовой шаровый кран 21 переключают на соединение патрубка 20 с первой муфтой 23, одновременно перекрывают второй патрубок трехходового крана 21.
Таким образом, на вход сепаратора 41 поступает номинальный поток цельного пастеризованного молока, например, с подачей 5000 л/ч через кран 21 и муфту 23, а через муфту 25, кран 24 и тройник 22 в патрубок 26 первой секции РПТ 5 возвращается противоток нормализованного пастеризованного молока нужной жирности с расходом 4500 л/ч и температурой 45°С (на сепараторе 41, фиг. 1 не показаны нормализаторы - краны-регуляторы жирности сливок и обрата). Этот встречный противоток охлаждается в первой секции 5 РПТ с 45°С до 19…20°С и, соответственно, подогревает сырое молоко с 4 до 29°С в патрубках 8 и 9.
Поэтому на выходе 28 пастеризатора в установившемся режиме вырабатывается нормализованное пастеризованное молоко с ГОСТовскими МДЖ 1%, МДЖ 2,5%, МДЖ 3,2%, практически готовое к упаковке с температурой 19…20°С, собираемое в молокоохладитель с дополнительным охлаждением потока до 10…12°С в приемном резервуаре (на фиг. 1 не показан), а на выходе 42 сепаратора 41 получаются пастеризованные нормализованные сливки с подачей 500 л/ч и температурой 40…45°С, практически готовые к заквашиванию и сквашиванию без дополнительного нагрева. Оптимальная температура цельного молока 40…45°С, поступающего на закрытый сепаратор 41 из пастеризатора, соответствует его паспортным данным и позволяет практически полностью обезжирить обрат до 0,04% МДЖ.
Подача на сепаратор недопастеризованного цельного молока в прототипе [1] с температурой 65°С не позволяет обезжирить обрат ниже 0,1…0,2% МДЖ, т.е. приносит незначительные потери по сливкам, и потребует в дальнейшем дополнительного нагрева сливок с 65 до 80°С для завершения пастеризации (гарантированного уничтожения БАК-обсемененности) после чего охлаждения с 80 до 40°С для сквашивания и заквашивания в ВДП. А это потребует дополнительного расходования электроэнергии, воды и рабочего времени.
Таким образом, только предлагаемая полезная модель обеспечивает максимальное быстродействие, оптимизацию процессов пастеризации - сепарации, выработку пастеризованного нормализованного молока (в сочетании с закрытым сепаратором), практически готового к упаковке, а также пастеризованных нормализованных сливок, непосредственно готовых к заквашиванию и сквашиванию без дополнительных потерь электроэнергии, рабочего времени и воды.
По сравнению с емкостными аналогами [6,7] предлагаемый пастеризатор обеспечивает экономию от 80% до 83% электроэнергии за счет рекуперации «тепла-холода» в секциях РПТ 5 и 6.
Предлагаемый пастеризатор внедрен в производство на предприятии ООО «НПП «Автомаш-Владимир» (г.Ковров).
Источники информации
1. Пастеризатор Бродского. Патент RU №125024 от 18.09.2012 г.
2. Устройство для пастеризации. Патент RU 2007146478.
3. Комплект оборудования для пастеризации ИПКС-013Р-2500Р. www.elf4m.ru/passport_ipks-013-01.pdf
4. Установка для пастеризации и охлаждения жидких пищевых продуктов ПМР-02-ВТ с электрокотлом до 2000 л/ч. www.pasterizator.ru
5. Установка для пастеризации и охлаждения жидких пищевых продуктов (пастеризатор) ПМР-02-ВТ с роторными нагревателями до 1600 л/ч. www.pasterizator.ru
6. Ванны длительной пастеризации. Патент RU 2007139028.
7. Молочная пастеризационно-холодильная установка. Патент RU 2436293 от 17.05.2010.