БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ МОЛОЧНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Область применения
Полезная модель относится к устройствам для приема, накопления и быстрого охлаждения молока в процессе дойки и может быть использована преимущественно на фермах с ежедневным надоем от 300 л до 2500 л (1250 л - утренняя дойка, 1250 л - вечерняя дойка).
Уровень техники
В настоящее время для сбора, накопления и охлаждения молока объемом 300…2500 л применяются закрытые горизонтально-цилиндрические или открытые вертикально-цилиндрические молочные холодильные установки (МХУ)[1-5].
Вертикально-цилиндрические МХУ [2-4] содержат термоизолированный резервуар со съемной крышкой для промывки, мотор-редуктор с мешалкой, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) и щелевой испаритель на днище. Щелевой испаритель резервуаров [2-4] выполняется шаговым точечным, получаемым методом вздутия после оптоволоконной лазерной сварки.
Недостатком вертикально-цилиндрических резервуаров [2-4] является ограниченная ширина щелей «надувного» щелевого испарителя днища, а также ограниченная эффективная (контактная) площадь теплопередачи между кипящим хладоном и молоком. Это уменьшает скорость охлаждения. Для эффективного охлаждения требуется «широкая и плоская» конструкция большого диаметра.
Лазерная роботизированная кольцевая шаговая сварка с шагом 30…40 мм насчитывает около тысячи точек на днище. Она является достаточно трудоемкой и дорогостоящей. Повышение давления «вздутия» после лазерной сварки до 30 Ат для расширения щелей сопряжено с пределом прочности двух листов на разрыв. Это, в свою очередь, ограничивает мощность охлаждения.
Однако, преимуществом такой конструкции является возможность охлаждения при минимально заполненном объеме в самом начале дойки, т.к. уже 3…5% в емкости покрывают весь испаритель молоком, обеспечивает теплопередачу.
С другой стороны, известны вертикально-цилиндрические МХУ по изобретению [1] (заявка №2010133522, решение о выдачи патента от 04.08.2011 г.) и полезной модели (патент №2006132468, фиг.1), содержащие испарители, встроенные в нижнюю часть цилиндра резервуара.
При этом недостатком вертикально-цилиндрического резервуара-охладителя молока по патенту №2006132486 (фиг.1) является медный паяный змеевик-испаритель, закрепленный на внешней цилиндрической стороне снизу ванны, поскольку контактная площадь молока и фреона уменьшается пробелами «зебры» винтообразного змеевика-испарителя. Аналогичный недостаток присущ горизонтально-цилиндрическим резервуарам по этому же патенту №2006132488 (фиг.2, фиг.3), которые имеют минимально допустимый уровень безаварийного включения паяного змеевика-испарителя порядка 15% вместимости, несмотря на его пропайку в днище резервуара.
Другим недостатком вертикально-цилиндрического резервуара №2006132486 (фиг.1), как и резервуара [1] по патенту (заявке №2010133522) является свободная площадь на днище (без испарителя), которая не позволяет включить ККА в режим охлаждения в самом начале дойки (аварийный режим холостого хода без нагрузки). Это, в конечном счете, удлиняет процесс охлаждения молока и повышает БАК-обсемененность.
Наиболее близким аналогом из известных резервуаров охладителей (прототипом) является МХУ [1] по заявке на изобретение №2010133522 (решение о выдаче патента от 04.08.2011 г.).
Она содержит теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар, мотор-редуктор, подъемную крышку, мешалку, ККА, а также глубоковальцованный (с помощью «вздутия», или проката) щелевой испаритель, выполненный шовной сваркой в виде дуг, встроенных в нижнюю часть цилиндра резервуара с вертикальным нижним инжектором и верхним коллектором, соединенными соответственно с нагнетательным и всасывающим трубопроводами ККА. Такая МХУ имеет примерно вдвое большую мощность и скорость работы за счет увеличенной площади теплового контакта щелевого нижнего цилиндрического испарителя (по сравнению с днищем) при быстром половинном заполнении, например, из молоковоза: двухдоечный резервуар, утренняя и вечерняя дойки. Однако основным недостатком прототипа является невозможность включения в работу в самом начале дойки при заполнении из молокопровода до уровня молока менее 20% от половины номинального объема, пока не будут покрыты 2…3 дуговых щели инжектора. При общем времени дойки 90 мин. это означает фактически 18 мин. простоя и определенный рост БАК-обсемененности со снижением качества молока.
Задачей данной полезной модели является повышение скорости охлаждения молока, сокращение времени охлаждения от момента начала дойки до достижения охлажденного состояния +4°С и снижение БАК-обсемененности.
Технический результат данной полезной модели заключается в обеспечении охлаждения молока при запуске ККА практически с начала дойки, непосредственно после минимального заполнения до 3…5%, а также в повышении общей площади и холодильной мощности щелевого испарителя в 1,5 раза, при сокращении общего времени охлаждения с 36°С до 4°С после начала дойки приблизительно в 2 раза.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается тем, что в быстродействующей молочной холодильной установке, содержащей теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар, мотор-редуктор, подъемную крышку, мешалку, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА), а также глубоковальцованный (с помощью вздутия или проката) щелевой испаритель, выполненный в виде дуг, встроенных в нижнюю часть цилиндра резервуара с вертикальным нижним инжектором и верхним коллектором, соединенным со всасывающим трубопроводом ККА, согласно сути полезной модели, в круглое днище резервуара встроен дополнительный глубоковальцованный щелевой испаритель, выполненный шовной сваркой в виде шестиугольника, вписанного в круглое днище со своим инжектором и коллектором, причем инжектор днища соединен с выходом ККА, а коллектор днища с вертикальным нижним инжектором цилиндра резервуара.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 представлен сборочный чертеж МХУ, на фиг.2 - развертка щелевого испарителя, встроенного в нижнюю часть цилиндра резервуара, а также развертка дополнительного щелевого испарителя (шестиугольника), вписанного в круглое днище и схема трубопроводов и ККА.
Быстродействующая молочная холодильная установка (фиг.1) содержит теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар 1 с подъемной верхней крышкой 2, мотор-редуктором 3, мешалкой 4. Высота резервуара составляет от 1000 мм до 1250 мм для удобства обслуживания и промывки оператором среднего роста. Диаметр резервуара 1 изменяется от 800 до 1600 мм при изменении объема резервуара с 300 л до 2500 л.
В нижней части цилиндра резервуара 1 размещен глубоковальцованный щелевой испаритель 5, полученный методом шовной сварки в виде образующих дуг, встроенных в цилиндрическую часть резервуара. При этом нагнетательный инжектор и всасывающий коллектор имеют вертикальное расположение. Технологически щелевой испаритель, свариваемый из двух листов пищевой нержавеющей стали: внутреннего 2 мм и наружного 1 мм, может изготавливаться с помощью вздутия щелей после сварки резервуара давлением 20 ат, либо с помощью проката наружного листа 1 мм на профилированных вальцах с глубиной до 2…3 мм. Шаг швов составляет 48 мм, что гарантирует (с учетом мощного ядра шва 3 мм, получаемого на машине шовной сварки), надежность щелевого испарителя на разрыв, выдерживающего давление до 40 ат.«Вздутие» щелей после шовной сварки давлением 20 ат позволяет получить их глубину до 2 мм.
1
2
2
2
Вертикально-цилиндрический резервуар с длиной окружности 2800 мм, получается для удобства шовной сварки из двух листов 1250×2400×2 - 2 шт., свариваемых по торцам в процессе сборки резервуара после их изгиба в полуцилиндры (фиг.2). В нижней части полуцилиндра резервуара - 1 шовной сваркой в каждый из листов «прошит» щелевой испаритель 5, с шагом сварки 48 мм и своим нагнетательным инжектором 6, а также всасывающим коллектором 7. Из каждого нагнетательного инжектора 6 исходит 6 дуговых щелей шириной 48 мм и средней глубиной 2 мм, которые по разворотным полостям 8 переходят в 7 аналогичных дуговых щелей, объединенных во всасывающие коллекторы 7. Общая высота щелевого испарителя 5 составляет 48·(6+7)=624 мм, длина развертки 2800 мм, эффективная площадь S=1.7 м. Инжекторы - 6 и коллекторы 7, а также разворотные полости 8 получаются, например, также, вздутием. В окружность днища ⌀ 1460 вписан правильный шестиугольник дополнительного щелевого испарителя 9 (фиг.2) с хордой 730 мм общей площадью . В конструкции дополнительного щелевого испарителя 9 содержится свой инжектор 10, коллектор 11 и разворотная полость 12 для равномерного покрытия днища кипящим фреоном. Квадрат с диагональю 1460 мм, который тоже может быть вписан в окружность ⌀ 1460 мм, имеет площадь 1,06 м, что на 30% меньше, чем шестиугольник, поэтому эффективность шестиугольника выше. С точки зрения технологии изготовления сварка прямолинейных швов на днище согласно фиг.2 на шовной машине не представляет никаких проблем. Точно также как щелевой испаритель цилиндра 5, так и щелевой испаритель днища 9 может быть получен методом «вздутия» на 20 ат до 2 мм или проката на профилированных вальцах до 3 мм. Ширина щелей 48 мм, общее количество щелей 40: в том числе 20 щелей из инжектора 10 поступают в разворотную полость 12 и всасываются в коллектор 11. Выход коллектора 11 щелевого испарителя днища 9 связан с нижними входами сдвоенного инжектора 6 щелевого испарителя 5 цилиндра резервуара 1 трубопроводом 13. Таким образом, из 20 щелей коллектора 11 днища хладон поступает симметрично двумя потоками в 12 щелей (6+6) сдвоенного инжектора 6 цилиндра. Выход сдвоенного коллектора 7 цилиндра 5 в верхней точке связан трубопроводом 14 со всасыванием компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА) 15. ККА 15 состоит из последовательно соединенных компрессора 16, конденсатора 17 воздушного охлаждения, ресивера 18, фильтра-осушителя 19 и терморегулирующего вентиля (ТРВ) 20. Выход ТРВ 20 соединен трубопроводом 21 с инжектором 10 днища. 20 щелей инжектора 10 и коллектора 11 днища, а также 12 щелей сдвоенного инжектора 6 и 14 щелей сдвоенного коллектора 7 цилиндра резервуара 1 имеют общие площади сечения не менее 500 мм, что обеспечивает равномерное прохождение мощных потоков вскипающего фреона без потерь давления от инжектора 10 до коллектора 11 и далее по трубопроводу 13 (с условным проходом dy 20) через щелевой испаритель 5 цилиндра до всасывающего трубопровода 14 (с условным проходом dy 30), благодаря чему обеспечивается быстрое охлаждение молока.
1
2
2
Общая площадь теплового контакта фреона с молоком S+S=3,1 м возросла в 1,8 раза по сравнению с прототипом, содержащим только цилиндрическую часть, что позволяет использовать соответствующий более мощный в 1,8 раза ККА-15 и пропорционально повысить скорость охлаждения.
Работает МХУ следующим образом.
2
1
2
При начале дойки, как только первые 50 л молока поступили в резервуар 1, включают ККА 15, жидкий хладон из ресивера 18 через фильтр-осушитель 19 и терморегулирующий вентиль (ТРВ) 20 по нагнетательному трубопроводу 21 поступает в инжектор 10 днища и далее по разворотной полости 12 равномерно заполняет щелевой испаритель 9 кипящим хладоном, тем самым быстро охлаждает первые 50 л молока. Далее, пройдя через трубопровод 13, в щелевой испаритель 5, без тепловой нагрузки, он промораживает трубопровод 14 и термобаллон ТРВ 20, тем самым автоматически ограничивает подачу жидкого хладона через ТРВ 20 в инжектор 10 пропорционально нагрузке. При этом ККА 15 автоматически выходит на 40% своей полной мощности пропорционально соотношению площадей S:(S+S)=0,44. Поскольку молока мало, то скорость его охлаждения велика. По мере заполнения резервуара 1 в процессе утренней дойки в течение 2 часов до половины происходит постепенное повышение уровня молока и перекрытие щелей испарителя 5, встроенного в цилиндр резервуара 1, молоком. За счет обратной связи по давлению и температуре хладона, реализованной в ТРВ 20, автоматически поддерживается заполнение кипящим хладоном щелевого испарителя 9, а также постепенное заполнение щелевого испарителя цилиндра 5 днища пропорционально уровню и объему молока. ККА 15 выходит на полную мощность, которая будет поддерживаться в процессе вечерней дойки до полного резервуара 1. При достижении +4°С термостат (на фиг.1 и фиг.2 не показан) отключает ККА 15. Изотермический резервуар 1 сохраняет температуру молока в процессе хранения за счет теплоизоляции. Мешалка 4 с мотор-редуктором 3 служит для гомогенизации молока в процессе хранения, а также съема потока холода с испарителей 5 и 9.
1
2
1
2
2
2
Для охлаждения m=1000 кг молока в процессе дойки с 34°С до 4°С (перепад ΔТ=30°С) в течение t=2 часа (7200 с) необходимо развивать холодопроизводительность , где с=3,9 кДж/кг·град. - теплоемкость молока. Испаритель, состоящий из двух частей 9 и 5, общей эффективной площадью S+S=3,1 м позволяет обеспечить максимальную холодопроизводительность K(S+S)=18,3 кВт, где К=6 кВт/м - удельная мощность щелевого испарителя с учетом теплопроводности нержавеющей стали. Эта холодопроизводительность N=17 кВт обеспечивается, например, компрессором TAG 4573T или MTZ 80.
Таким образом, практически к окончанию дойки за 2 часа мы имеем 1000 л первосортного охлажденного молока до +4°С.
По сравнению с прототипом [1] в предлагаемой полезной модели эффективная площадь охлаждения выросла на 80% за счет дополнительного щелевого испарителя днища 9, а это позволяет пропорционально повысить мощность ККА 15 и скорость охлаждения. Кроме того, агрегат может быть включен в работу практически с началом дойки, то есть на 20…30 мин. раньше прототипа [1], что также сокращает время охлаждения и, в конечном счете, его БАК-обсемененность.
По сравнению с аналогами [2…4] исполнение глубоковальцованных щелевых испарителей днища и цилиндра шовной сваркой (с помощью «вздутия» или проката) значительно проще и технологичнее оптоволоконной роботизированной точечной шаговой сварки, либо пайки оловом медных труб испарителя снаружи нержавеющей стали резервуара [5]. Кроме того, общая площадь испарителей 9 и 5 вдвое больше днища аналогов [2, 4], поэтому может быть использован мощный агрегат.
Промывка резервуара 1 после отгрузки молока при поднятой крышке 2 с мешалкой 4 никаких проблем не представляет, благодаря удобному доступу к открытой полости резервуара.
Площадь вписанного шестиугольника днища близка к площади круга, поэтому контактная площадь испарителей с молоком максимальна, за вычетом радиусного гладкого перехода с цилиндра на днище, необходимого для улучшения промывки.
Источники информации.
1. Молочная холодильная установка по заявке на изобретение №2010133522 от 10.08.2010 г. с решением о выдаче патента от 04.08.2011 г.
2. Открытые танки-охладители молока Де Леваль. Модель DXOB 300-1800,1DXOC300-1800, 1 на сайте: www.delaval.ru
3. Охладители молока «СЭРАП». Модель FIRST.550.S на сайте: www.gropeserap.com
4. Открытые танки 330…1900 л «WEDHOLMS». Модели DFOV, DFOH на сайте: www.nats.ru.
5. Резервуар-охладитель молока. Патент на полезную модель №2006132468