ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА БРОДСКОГО

Полезная модель относится к устройствам по переработке молока, предназначена для подогрева или пастеризации с последующим охлаждением молока, приготовления сливок и кисломолочных продуктов. ПХУ Бродского может быть использована прежде всего на малых молочно-товарных фермах с суточным надоем от 300 л до 2000 л, а также предприятиях пищевой промышленности.
Из уровня техники известен пастеризатор текучих продуктов [патент RU 2202894, A23C /02, A01J 9/04 от 2001.11.15], содержащий вертикально-цилиндрическую рабочую камеру, инфракрасный электроизлучатель, установленный коаксиально, выходную емкость, сообщенную с нижней частью рабочей камеры, вращатель рабочей камеры с электроприводом. Недостатком данного устройства является его приборная, технологическая и техническая сложность, а также дороговизна по причине множества электронных, электромеханических узлов.
Известно также устройство для пастеризации и охлаждения молока [патент RU 2273141, A23C 3/02 от 2004.07.15], содержащее резервуар сырого молока, рекуперативный (регенеративный) теплообменник, теплообменный резервуар, резервуар переработанного пастеризованного молока, аккумуляторы тепла и холода, термоэлектрические модули, прикрепленные к одной стороне теплообменной пластины, насосные агрегаты, электронные автоматические регуляторы. Устройство, хотя и экономит энергию за счет рекуперации, однако чрезвычайно затратно в исполнении и эксплуатации, требует множества резервуаров, больших площадей и высокой квалификации обслуживающего персонала, что нереально в условиях малых молочно-товарных ферм.
Для крупных молокозаводов с объемом переработки от 1500 л до 20000 л в сутки применяются пастеризационно-холодильные установки молока в потоке производительностью от 1000 л/ч до 5000 л/ч ПМР-02-ВТ [www.pasterizator.ru/paster5.htm], с электрокотлом или роторным нагревателем, а также устройства для пастеризации по патенту RU 2007146478, содержащие в своей основе пластинчатый рекуперативный теплообменник, через который пропускают встречные потоки сырого (холодного) молока и отпастеризованного (горячего) молока, а также артезианскую, либо водопроводную воду с кратностью продукт/хладагент 1:3. Температура охлажденного продукта при этом на 4…5°C выше температуры воды, т.е. 10…22°C.
Такие установки должны быть дооснащены автономным холодильным резервуаром исходного сырого молока, а также приемным холодильным резервуаром отпастеризованного молока для его упаковки при рекомендуемой температуре +4°C. Установки являются энергоэффективными и позволяют экономить порядка 50% электроэнергии за счет рекуперации, однако такое большое количество резервуаров и техническая сложность и стоимость реализации делают нецелесообразным применение дорогих ПМР-02-ВТ с двумя резервуарами в условиях малых молочно-товарных ферм с объемом переработки до 1500 л в смену. Другим недостатком является сложность промывки молочных рекуперативных теплообменников, требующая периодической сборки-разборки и механической очистки. Еще одним недостатком является требуемая высокая квалификация операторов, способных поднастроить и отрегулировать процесс прогрева, синхронизировать три потока: холодной воды, сырого молока и обратный поток пастеризованного молока.
Известна также ванна длительной пастеризации по патенту RU 2007139028 [2]. Она представляет собой вертикально-цилиндрический резервуар с датчиком температуры, мотор-редуктором, мешалкой и верхней крышкой, размещенной внутри теплоизолированного герметичного квадратного корпуса - наружного резервуара. Нагрев, пастеризация, термостатирование продукта обеспечивается встроенными ТЭНами, которые расположены в водяной рубашке на днище между наружным и внутренним резервуарами. Охлаждение осуществляется циркулирующей в рубашке водопроводной или артезианской («ледяной») водой, поступающей через шаровый кран с ограничительным отверстием (дросселем) для защиты рубашки от смятия. В теплообмене участвует вся заполненная поверхность внутреннего резервуара: круглое днище и цилиндрическая часть. Водяная рубашка заполняется до верхнего уровня переливной трубы, расположенной внутри герметичного квадратного корпуса, и соединенной с канализацией.
1
2
2
4
Недостатком аналога является излишний объем воды в рубашке, располагающийся между квадратным наружным и цилиндрическим внутренним резервуарами, соразмерный и даже превосходящий объем продукта при номинальном, а тем более, частичном заполнении. Это снижает КПД до 50% и даже 30% и повышает расход электроэнергии в разы. Другим недостатком является возможность смятия внутреннего цилиндра и «выдавливания» днища при засорении канализации. Рубашка выдерживает давление не более P=0,5 ат, т.к. большие контактные площади S+S=3,5 м приводят к огромному суммарному усилию смятия F=0,5*3,5*10 кг=17,5 т, а при засорении канализации давление возрастет в 10 раз. Еще одним недостатком этого аналога, как и аналогов [3, 4], является ограничение минимальной температуры охлажденного после пастеризации молока на уровне 10…22°C с учетом теплового напора (4°C) соответственно для артезианской воды (+6°C) или водопроводной воды (+18°C). Поэтому, для охлаждения до +4°C согласно САНПИН потребуется еще один резервуар-молокоохладитель. Расход нержавеющей стали в прототипе, содержащем фактически 3 слоя: внутренний, наружный и облицовку имеет также избыток. Из известных наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является вертикально-цилиндрическая пастеризационно-холодильная установка (ПХУ) по патенту RU 117267 [1].
Она содержит теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с датчиком температуры молока, мотор-редуктором, мешалкой и верхней крышкой, а также встроенным в днище герметичным вторым дном (картером) с водяными ТЭНами, нижним напорным, верхним сливным патрубками и расширительным баком, с установленным в нем поплавковым датчиком уровня, причем нижний напорный патрубок через кран и дроссельную шайбу соединен с водопроводом, а верхний сливной патрубок - через расширительный бак - может быть соединен - с накопительной автопоилкой, и, кроме того, в цилиндр резервуара встроен щелевой испаритель, связанный с нижним жидкостным трубопроводом, датчиком давления и верхним паровым трубопроводом хладонового компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА), причем датчик температуры молока связан со входом ККА.
ПХУ [1] позволяет в едином резервуаре охладить вечернюю дойку до +4°C в автоматическом режиме, сохранив его до утра, затем дополнить ПХУ парным молоком утренней дойки и отпастеризовать (нагреть) весь объем до температуры молока 76°C. Далее предохладить молоко проточной водой, проливаемой через картер, до +22°C и доохладить его до +4°C хладоновым ККА через щелевой испаритель в нижней части цилиндра резервуара.
Основным недостатком прототипа является повышенный (двойной) расход электроэнергии, обусловленный необходимостью охлаждения вечерней дойки с 32°C до 4°C для ночного сохранения молока, затем нагрев с 20°C до 76°C после добавления утренней дойки до полного объема.
Целью данной полезной модели
является устранение недостатков, присущих прототипу и аналогам, а также существенное снижение энергопотребления (вдвое), ускорение процессов «пастеризации-охлаждения» молока, упрощение работы операторов при его переработке непосредственно на ферме, снижение трудозатрат и рабочего времени.
Техническим результатом
является возможность накопить и отпастеризовать молоко вечерней дойки в автоматическом режиме непосредственно к моменту ее завершения, сохранить отпастеризованное молоко +76…78°C до утренней дойки, дополнить резервуар утренней дойкой с автоматическим получением к ее концу отпастеризованного молока. Далее оператору остается только охладить молоко водой, затем хладоном до +4°C не более, чем за 2,5 часа.
Заявленный технический результат
(сущность полезной модели) достигается тем, что в ПХУ, содержащую теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с датчиком температуры молока, мотор-редуктором, мешалкой и верхней крышкой, а также встроенным в днище герметичным вторым дном (картером) с водяными ТЭНами, нижним напорным, верхним сливным патрубками и расширительным баком, с установленным в нем поплавковым датчиком уровня, причем нижний напорный патрубок - через кран и дроссельную шайбу - соединен с водопроводом, а верхний сливной патрубок - через расширительный бак - с накопительной автопоилкой, в цилиндр резервуара встроен щелевой испаритель, связанный с нижним жидкостным трубопроводом, датчиком давления и верхним паровым трубопроводом хладонового компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА), причем датчик температуры молока связан со входом ККА, согласно СУТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, в сливной патрубок картера введен датчик температуры воды, связанный через компаратор «+80°C» и первый магнитный пускатель с ТЭНами, а датчик температуры молока - через компаратор «+34°C» и второй магнитный пускатель - соединен с компрессором ККА, а также - через компаратор «+4°C» - с соленоидным вентилем ККА.
Сущность полезной модели поясняется
чертежом, на котором представлена схема электрогидравлическая комбинированная принципиальная (фиг. 1).
ПХУ Бродского содержит теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар 1 с датчиком температуры молока 2, мотор-редуктором 3, мешалкой 4, верхней откидывающейся на рояльной петле крышкой 5, а также встроенным в днище 6 герметичным вторым дном (картером) 7 с водяными ТЭНами 8, нижним напорным 9 и верхним сливным 10 патрубком, и расширительным баком 11, причем нижний напорный патрубок - через кран 12 и дроссельную шайбу 13 соединен с водопроводом 14. В расширительном баке 11 установлен поплавковый датчик уровня (на фиг. 1 не показан) для защиты ТЭНов 8 от работы «всухую». Кроме того, в цилиндр резервуара 1 внизу встроен щелевой испаритель 15, связанный с нижним жидкостным 16 и верхним паровым 17 трубопроводами хладонового ККА 18.
В сливном патрубке 10 картера установлен датчик температуры воды 19, связанный через компаратор «+80°C» 20 и первый магнитный пускатель 21 с ТЭНами 8. Датчик температуры молока 2 через компаратор «+34°C» 22 и второй магнитный пускатель 23 соединен с компрессором ККА 18, а также через компаратор «+4°C» 24 и реле 25 с соленоидным вентилем 26 ККА 18.
Работает ПХУ Бродского следующим образом. В начале вечерней дойки включают ПХУБ в режим нагрева (пастеризации). Мощность ТЭНов 8 выбрана пропорционально объему резервуара: 15 кВт на 500 л, 30 кВт на 1000 л, 60 кВт на 2000 л. Например, для ПХУБ 1000 при объеме вечерней дойки m=500 л, 6 ТЭНов мощностью 5 кВт каждый, Ν=30 кВт способны подогреть парное молоко с 36°C до 76°C на T=40°C за время t=m*c*T/N=500*3,95*40/30=2633c, т.е. за 44 мин, где c=3,95 кДж/кг*град - теплоемкость молока. К моменту окончания дойки, занимающей порядка 1,5…2 часов, молоко будет уже отпастеризовано. Здесь следует добавить время на подогрев 120 л воды в картере с 10°C до 80°C, T=70°C, t=120*4,2*70/30=1176c=20мин, оставшейся от предыдущего цикла переработки. Таким образом, к моменту завершения вечерней дойки молоко автоматически отпастеризовано, будучи прогретым сквозь днище резервуара до 76°C. Мешалка 4 через мотор-редуктор 3 способствует теплообмену. Датчик температуры воды 19 через компаратор «80°C» 20 и магнитный пускатель 21 обесточивает ТЭНы 8 при подогреве картера до 80°C и подключает ТЭНы к трехфазной сети при снижении температуры до 78°C в результате теплообмена сквозь днище. Всю ночь молоко сохраняет температуру +76°C…77°C, практически без потребления энергии благодаря надежной теплоизоляции резервуара 1 и, закрытой на замки, крышки 5. Молочнокислые бактерии и кишечная палочка не выдерживают температуру 63°C, а тем более уничтожаются при 76°C.
После поступления первых порций парного молока +36°C утренней дойки в ПХУ Бродского автоматически включаются ТЭНы 8 через датчик температуры 19, компаратор 20 и магнитный пускатель 21. Происходит процесс непрерывной пастеризации всего объема молока. Время, необходимое для подогрева 500 л парного молока на 40°C утренней дойки с 36°C до 76°C также не превышает упомянутых 44 мин.
Таким образом, через 1,5…2 часа к моменту завершения утренней дойки суточный удой молока отпастеризован. Следует отметить, что желаемая температура пастеризации в пределах 80°C…90°C может быть перепрограммирована на микроконтроллере ID961 с цифровой индикацией температуры воды в картере от датчика 19, в котором реализована функция термостата компаратора 20.
Температура воды в верхних самых горячих слоях картера на датчике 19, в режиме нагрева всегда будет превышать на 3…4°C температуру молока на датчике 2, вследствие ограниченной площади теплообмена сквозь днище.
После завершения утренней дойки с получением суточного объема пастеризованного молока 1000 л, 76°C, оператор переключает ПХУБ в режим «охлаждение» (ТЭНы обесточены) и открывает кран 12. Поток водопроводной +12…+18°C, или артезианской +6…10°C воды, ограниченный дроссельной шайбой 13 Ф6…12 мм на уровне 1000…2000 л/ч вытесняет горячую воду 80°C из картера через верхний патрубок 10 и расширительный бак 11 в автопоилки 14 для технических нужд. После прохода 1000 л воды, подогревающейся от пастеризованного молока при работающей мешалке 4 за 1 час она скапливается в автопоилке со средней температурой 40…45°C. Следующая порция воды 500…700 л, подогретая сквозь днище от частично охлажденного молока, до температуры 15…20°C, тоже поступает в автопоилку 14. При понижении температуры молока в резервуаре до 34°C от датчика 2 через компаратор 22 и магнитный пускатель 23 включается герметичный компрессор ККА 18 и начинается параллельное водопроводно-хладоновое охлаждение молока через картер днища - водой и через щелевой испаритель 15 - кипящим хладоном. Компараторы «+34°C» 22 и «+4°C» 24 реализованы на двухкомпонентном микроконтроллере ID974. Компаратор 22 через магнитный пускатель 23 автоматически включает компрессор ККА 18. Оператор наблюдает за температурой молока от датчика 2 и воды от датчика 19 на цифровых табло микроконтроллеров ID974, ID961 (фиг. 1 не показаны). При сближении (выравнивании) температур молока и воды (для водопровода - порядка 15…16°C, для артезианской скважины - порядка 11…12°C) оператор перекрывает кран 12, т.к. дальнейший пролив воды будет препятствовать охлаждению молока до 4°C. Обычно это требует порядка 1,5 часов от момента начала охлаждения. Дальнейшее охлаждение молока осуществляется за счет кипения хладона R404 в щелевом испарителе 15. При достижении температуры +4°C датчик 2 через компаратор 24 и реле 25 обесточивает соленоидный вентиль 26 ККА 18, который перекрывает поток жидкого хладона R404 по трубопроводу 16. Компрессор ККА 18 продолжает вращение и откачку остатков парожидкостного хладона («осушение испарителя» 15). При понижении давления всасывания на трубопроводе 17 до 1 ат датчик давления (на фиг. 1 не показан) через магнитный пускатель 23 отключает компрессор ККА 18. Испаритель 15 «осушен». Молоко отпастеризовано и охлаждено до +4°C.
«Осушение» испарителя 15 позволяет после отгрузки промыть резервуар 1 горячей водой и подготовиться к следующему циклу пастеризации. В противном случае, остатки жидкого хладона R404 в испарителе 15 могли бы вскипеть и при температуре промывки 60…70°C развить давление свыше 30…35 ат, что могло бы разрушить испаритель 15, трубопровод 17 или компрессор ККА 18.
Таким образом, через 1,5…2 часа после утренней дойки мы имеем полный резервуар 1 пастеризованного до 76°C охлажденного до 4°C молока, а также двойной объем теплой воды +30…+45°C.
При этом затрачено вдвое меньше электроэнергии, чем у прототипа [1], в котором молоко вечерней дойки охлаждается до +4°C, затем идет сначала охлаждение, затем нагрев всего объема молока после утренней дойки до 76°C и, наконец, его параллельное охлаждение водой, затем фреоном до 4°C. Рабочее время оператора также в разы больше. Единственный датчик температуры молока у прототипа (без датчика температуры воды в картере) не позволяет точно определить момент перекрытия крана, когда сравняются температура молока и воды в режиме параллельного водопроводно-хладонового охлаждения для оптимизации энергопотребления в режиме охлаждения, т.к. артезианская вода представляет бесплатный источник холода, а хладон в щелевом испарителе удорожается пропорционально кВт часам.
Еще большие преимущества в энергетике имеет ПХУ Бродского перед аналогами с квадратной конструкцией водяной рубашки [2, 3, 4]. Сохранение молока вечерней дойки до утра при температуре 76°C на 12 часов значительно надежнее уничтожает всю микрофлору по сравнению с рекуперативными аналогами в потоке [4, 5, 6], нагревающими молоко с 4°C до 76°C за 16…30 с в выдерживателе и охлаждающими его вновь до 20…4°C в пластинчатом теплообменнике, т.к. из микробиологических исследований известно, что уничтожение бактерий в молоке пропорционально времени теплового воздействия свыше 63°C.
Источники информации
:
1. Вертикально-цилиндрическая пастеризационно-холодильная установка. Патент RU 117267 от 03.02.2012 г.
2. Ванна длительной пастеризации. Патент RU 2007139028
3. Пастеризатор текучих продуктов. Патент RU 2202894, A23C 3/02, A01J 9/04 от 2001.11.15
4. Устройство для пастеризации и охлаждения молока. Патент RU 2273141, A23C 3/02 от 2004.07.15
5. Пастеризатор ПМР-02-ВТ. http://www.pasterizator.ru/paster5.htm
6. Устройство для пастеризации RU 2007146478