ПАСТЕРИЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

ОПИСАНИЕ.
Область применения.
Полезная модель, пастеризационная установка, в дальнейшем ПУ, предназначена для подогрева(пастеризации) и последующего охлаждения, преимущественно молока в потоке, а также для пастеризации пива, соков и может быть использована на предприятиях пищевой промышленности, молокозаводах и молочно-товарных фермах, при выпуске сметаны, сливок, кефира, творога с объемами производства от 3000 до 30000 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 2000 л в час применяются устройства, основанные на пластинчатом теплообменнике - регенераторе (рекуператоре), через который пропускаются встречные потоки сырого (холодного) молока и пастеризованного (горячего) молока [1, 2, 3, 4]. Донагрев молока может осуществляться ТЭНами с электрокотлом [1, 2, 3] через змеевик, либо роторными (вихревыми) центробежными насосами [4] за счет преобразования механической энергии электронасосов в тепловую. Недостаток последних - высокий акустический шум при производительности 1500 л/ч от двух электронасосов (2*7,5=15кВт). 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 [5] с ТЭНами и артезианской водой, а также пастеризационно-холодильные установки [6] с ТЭНами, водопроводным предохлаждением и фреоновым доохлаждением. Пастеризация молока до 2500 л за смену и его охлаждение осуществляется в едином резервуаре [5, 6] 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 часа на литр), хотя рекуперативные пластинчатые пастеризаторы в потоке [1-4] позволяют экономить до 85% электроэнергии и перерабатывают до 10000…30000 л молока за смену.
Из известных пастеризационных установок наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому решению является устройство [1] для пастеризации ИПКС-013Р-2500Р по патенту RU 2007146478, выпускаемое в Рязани фирмой «Эльф-4М», подробно описанное на веб-сайте _ipks-013-01.pdf [2].
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 [1,2] 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, температура 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.
И главное - непонятно,что делать в случае засорения с винтовым молочным змеевиком, выполненным из сдвоенной нержавеющей трубы Ф20*1, длиной 15 м 10 витков Ф500. По - видимому его нужно протампонить с помощью длинного пятнадцатиметрового троса Ф3…4 мм, что проблематично, либо заменить. Таким образом, к недостаткам прототипа следует отнести сложную и габаритную конструкцию сборно-разборного змеевика - выдерживателя, а также сдвоенного, длинного винтового змеевика 2шт*20*1,0 пастеризационного бака. Другим недостатком прототипа является излишний второй пластинчатый теплообменник для охлаждения отпастеризованного молока до +4°С ледяной водой. Это не всегда необходимо и не позволяет использовать преимущества рекуперационной пастеризации. Например, для упаковки цельного молока рекомендуют температуру 14°С, получаемую на выходе из первого (рекуперативного)теплообменника. А для сепарации молока в процессе дальнейшей переработки (при получении полужирного творога, нормализации жирности продуктов до 1% МДЖ, 2,5% МДЖ, 3,2% МДЖ) требуется иметь оптимальную температуру отпастеризованного молока 40…42°С. Любая ВДП [5, 6] позволяет нагреть охлажденное пастеризованное цельное молоко до 42°С и пропустить его через сепаратор, Ж5-ОСБ, однако это сопровождается нецелесообразными дополнительными энергозатратами. Третьим недостатком прототипа является повышение числа пластин, цены и габаритов в рекуперативном пластинчатом теплообменнике с ростом производительности от 1000 л/ч до 2500 л/ч, что не всегда оправдано, т.к. зачастую требуется гибкое изменение производительности в связи с сезонными колебаниями удоев в 1,5…1,8 раза без изменения в конструкции.
Технический результат.
Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции ПУ, уменьшение весогабаритных характеристик, упрощение технического обслуживания и периодической разборной мойки (прочистки) молокопровода, оптимизация конструкции винтового змеевика пастеризационного бака за счет соотношения «длина - диаметр», универсализация конструкции ПУ с простым регулированием сезонной производительности в пределах 1000 л/ч…3000 л/ч, выработка отпастеризованного цельного молока с температурой +14° (под упаковку), либо +40° (под сепарацию) по выбору оператора.
Техническая сущность устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в пастеризационной установке, содержащей пополнительный бак сырого молока с центробежным циркулиционным насосом и возвратным клапаном, рекуперативный пластинчатый теплообменник встречных потоков пастеризованного и сырого молока, водонагревательный пастеризационный бак с винтовым змеевиком, ТЭНами и связанным с ними водяным термостатом, а также выдерживатель с термодатчиком, причем пополнительный бак через центробежный насос и входные патрубки теплообменника (прямотока сырого молока) соединен трубопроводами со входом винтового змеевика, а выход винтового змеевика - через выдерживатель и возвратные патрубки теплообменника (противотока отпастеризованного молока) соединен трубопроводами со входом возвратного клапана, первый выход которого соединен с пополнительным баком, а второй выход - с выходом установки, при этом термодатчик связян с электрическим входом возвратного клапана, согласно сущности полезной модели винтовой змеевик выполнен из тонкостенной трубы не менее 40 мм диаметром, а выдерживатель - в виде герметичного цилиндрического бачка с быстросъемной торцевой крышкой, кроме того, во входной патрубок возвратного клапана установлен второй термотадчик, также связанный с его электрическим входом. В выходной патрубок центробежного насоса может быть установлена, кроме того, сменная дроссельная шайба.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана принципиальная схема ПУ.
Пастеризационная установка содержит пополнительный бак 1 сырого молока с датчиками верхнего 2 и нижнего 3 уровня, а также центробежный циркуляционный насос 4 и возвратный клапан 5. Потоки сырого холодного молока и пастеризованного горячего молока проходят встречно через рекуперативный пластинчатый теплообменник (РПТ) 6, так что выходной патрубок центробежного насоса 4 через дроссельную шайбу 7 соединен со входным патрубком 8 РПТ 6 сырого молока, а выходной патрубок 9 сырого молока из РПТ 6 - со входом винтового змеевика 10 водонагревательного пастеризационного бака (ВПБ) 11. Внутри винтового змеевика 10, имеющего диаметр витка D=530 мм, шаг h=60 мм, n=4,5 витка, общую длину трубы с концевыми заделками L=8 м, установлены ТЭНы 12, 9 шт*5кВт=45кВт. Винтовой змеевик 10 выполнен из тонкостенной нержавеющей трубы Ф40×1 сталь AISI316. Выходной патрубок 13 винтового змеевика 10 через выдерживатель 14 с быстросъемной торцевой крышкой 15 соединен трубопроводом со входным патрубком 16 РПТ 6 пастеризованного молока. Выходной патрубок 17 РПТ 6 соединен со входным патрубком 18 возвратного клапана 5, один выход 19 которого является выходом ПУ, а другой выход 20 - возвращает «недогретое» молоко в пополнительный бак 1. Термодатчик 21 «+80°С» выдерживателя 14 связан с первым электрическим входом возвратного клапана 5. Во входной патрубок 18 возвратного клапана 5 установлен второй термодатчик 22, также связанный со вторым входом возвратного клапана 5.
Выдерживатель 14 выполнен в виде герметичного цилиндрического бачка D=T90 мм, 1=500 мм, объемом 14 л, так, чтобы обеспечить время выдержки отпастеризованного молока не менее 13с при максимальных расходах 4000 л/ч, а также легко промыть и прочистить внутреннюю полость ершами при снятой крышке. РПТ 6 выполнен из штампованных пластин высоколегированной нержавеющей стали AISI316 размерами 750×350×0.7, 23 штуки, эквивалентной площадью F=6 кв.м., обеспечивающей для встречных расходов 2000 л/ч перепад температур не более Т=10°С на выходе и на входе.
Работает ПУ следующим образом. С помощью ТЭНов 12 и водяного термостата (на фиг.1 - не указан) в водонаревательном пастеризационном баке ВПБ 11 поддерживается желаемая температура пастеризации (80°±1°)С. В пополнительный бак 1 из холодильного танка закачивается внешним насосом сырое молоко +4°С от датчиков уровня 2,3 по мере его пастеризации. Сырое молоко, проходя через РПТ6 подогревается до 70°С, далее в винтовом змеевике 10 нагревается до температуры воды 80°С и в выдерживателе 14 выдерживается не менее 15…20с при такой температуре.
Обратный поток пастеризованного молока через РПТ 6 охлаждается с 80°С до 14° так что перепад температур вдоль пластин сохраняется Т=10°. Для оптимизации конструктивных параметров винтового змеевика 10 необходимо рассчитать разогрев молока на длине 1 до температуры τ внутри трубы диаметром d=40 мм, толщиной h=1 мм из нержавеющей стали AISI316 с коэффициентом теплопроводности k=15 Вт/м*град. Теплоемкость молока с=3,9 кДж/кг*град, плотность р=1 кг/л, расход Q варьируется от 1200 л/ч до 3000 л/ч или от Q=0,33 л/с до Q=0,8 л/с с помощью дроссельной шайбы 7 от 3 мм до 5 мм в диаметре.
При этом из технических характеристик упомянутого РПТ 6 известно, что в установившемся режиме при расходах Q=0,57 л/с, 2000 л/ч он имеет перепад температур встречных потоков Т=10°, т.е. сырое молоко прогревается с 4° до 70°, а пастеризованное молоко охлаждается с 80° до 14°. При этом увеличение потока Q вдвое увеличивает перепад Т до 20°С, снижая коэффициент рекуперации, а уменьшение - снижает Т до 5°С, увеличивая рекуперацию. Желаемая температура пастеризации (температура воды) автоматически устанавливается водяным термостатом и ТЭНами в пределах (77°…92°)±1°.
Элементарное приращение термодинамики тепловой энергии молока ∂W в установившемся режиме истечения через трубу d=40 мм на длине ∂l описывается уравнением в частных производных
∂W=πd[k*(T-τ)/h] ∂l=Qcpdτ,
Где ∂τ - элементарный прирост температуры молока, πd∂1- элементарная площадь (кольцо) трубы длинной ∂l, толщиной h=1 мм, через которую происходит прогрев молока. Откуда получаем T=(Qcph/kπd*∂τ/∂l+1)τ, или
где  - оператор Лапласа в частных производных, т.е. темп приращения температуры молока по длине, ξ=Qcph/kπd - постоянная длины [м]. Решение этого дифференциального уравнения дает следующую экспоненциальную зависимость нарастания температуры молока вдоль трубы
0
0
Из этой базовой формулы следует, что температура молока внутри трубы змеевика при его достаточной длине l=3ξ; 6ξ, нарастает от исходной Т=70° практически до температуры воды Т+τ=80° по обратной экспоненте (1).
Постоянная длины ξ для упомянутых параметров трубы при расходах Q=2000 л/ч=0,57 л/с дает значение ξ=Qcph/kπd=1,2 м
Поэтому для данного расхода длина трубы винтового змеевика L=8 м=6,5 ξ, ехр(-6,5)=0,002, оказывается вполне достаточной, чтобы прогреть молоко до температуры воды. Анализ змеевика - прототипа [1] по формуле (1), имеющего спаренную трубу вдвое меньшего диаметра и расход через каждую Q также вдвое пониженный, показывает ту же постоянную ξ=1,2 м, поэтому его избыточная длина L=15 м=13ξ ничего, кроме проблем с прочисткой, не прибавляет для рекуперации, т.к. даже короткие 4-метровые трубы позволяют подогреть в змеевике молоко практически на упомянутые 10° до температуры воды. Следует отметить, что рост производительности ПУ, т.е. рост расходов вдвое до Q=4000 л/ч увеличивает ξ, до 2,4 м, однако заявленная длина L=8 м согласно базовой формулы (1) обеспечивает требуемый прогрев молока, т.к. L=3,2ξ, а [1-ехр(-3,2)]=0,97, т.е. молоко в винтовом змеевике 10 будет прогреваться на τ=Т*0,97=20*0,97=19,4°С. Молоко, подогреваясь в винтовом змеевике, охлаждает воду. Для энергетического баланса установившегося режима при номинальных расходах τ=Т=10°, Q=0,57 л/с водяной термостат с ТЭНами 12 будет автоматически подавать среднюю мощность, поддерживая температуру воды в пределах 80±1°.
Если мы удвоим расходы Q, не изменяя коэффициент рекуперации, определяющийся параметром РПТ 6 в виде перепада температур τ=Т=10°, что можно реализовать удвоив число пластин теплообменника до 46, то универсальный винтовой змеевик 10 L=8 м согласно формулы (1) обеспечит нормальный подогрев молока практически на 10°. Мощность ТЭНов 12 по формуле (2) также удвоится при неизменном коэффициенте рекуперации (экономии электроэнергии) η=0,86, рассчитываемом по формуле
где 80° - температура пастеризации, 4° - температура сырого молока.
Если же удвоенный расход Q пропустить через прежний РПТ 6 с 23 пластинами, то перепад температур τ и Т удвоится до 20°, а мощность ТЭНов потребуется учетверить до 84 кВт согласно уравнения (2). С учетом заданной максимальной мощности ТЭНов 12 45 кВт предельный расход, который можно пропустить через упомянутую ПУ будет 3000 л/ч. При этом перепады T и τ возрастут до 15°, а коэффициент рекуперации уменьшится соответственно до η=0,8. Уменьшение расходов Q до 1000 л/ч понизит перепад T до 5° и повысит рекуперацию до η=0,93.
2
Таким образом, винтовой змеевик 10, выполненный из тонкостенной трубы h=1 мм AISI316, диаметр 40 мм, длиной L=8 м, имеет оптимальные конструкционные параметры, позволяет для расходов Q=1000…3000 л/ч прогреть поток сырого молока до температуры воды 80°С, тем самым отпастеризовать его с высоким процентом экономии электроэнергии при коэффициенте рекуперации в пределах 0,8…0,93 по сравнению с прямым нагревом молока с 4°С до 80°С в аналогах [5, 6]. По сравнению со сдвоенной трубой прототипа [1] Ф20×2 штуки, обладающей избыточной длинной 15 м, которая имеет ту же постоянную ξ=1,2 м при Q=2000 л/ч, значительно упрощается промывка. Кроме того, оптимальный диаметр змеевика 10 (d=40 мм) позволяет раз в трое суток при разборке и прочистке трубопроводов применить стандартный поролоновый тампон-пыж Ф60 мм длиной 100 мм, предназначенный для промывки молокопроводов Ф40, имеющих на фермах длину до 100 пог.м. При этом пыж Ф60 вставляется в начало винтового змеевика 10, после чего трубопровод снова собирается и включается центробежный насос 4, с моющим раствором. Центробежный насос 4 развивает давление P от 2,2 до 3 ат, что создает усилие на пыже F=πdР/4 от 25 кг до 37 кг. За счет этого усилия поролоновый пыж перемещается на выход и застревает в конце винтового змеевика. Проделав эту простейшую процедуру несколько раз мы легко протампониваем змеевик и механически его прочищаем без троса. Уменьшение диаметра змеевика в прототипе [1] вдвое до 20 мм снижает усилие на пыже в 4 раза и может привести к его застреванию. Кроме того, пыжи Ф20 являются нестандартными для молочной промышленности и ферм, что создает дополнительные проблемы.
Механическая прочистка ершами герметичного цилиндрического бачка 14 с учетом быстросъемной торцевой крышки 15 не представляет никаких проблем по сравнению со змеевиком-выдерживателем прототипа [1], но по габаритам и цене бачок-выдерживатель имеет в разы улучшенную характеристику, а также значительно упрощает и ускоряет промывку и обслуживание.
В номинальном режиме производительности пастеризованного молока Q=2000 л/ч, диаметр сменной дроссельной шайбы 7 Ф4 мм, перепад температур в патрубках 17 и 8, а также 16 и 9 соответствует Т=10°, температура пастеризации 80°, коэффициент рекуперации η=0,86, объемы сырого молока в пополнительном баке 1 с температурой 4°С восполняются за счет датчиков уровня 2, 3 и внешнего насоса. При этом цельное пастеризованное молоко через патрубок 18 возвратного клапана 5, управляемого от термодатчика 21 выдерживателя 14, поступает на выход 19 охлажденным с температурой 4°+Т=14°, что можно непосредственно пускать на упаковку. Однако, для сепарации на Ж5-ОСБ рекомендована температура 40°С. В этом случае необходимо отключить первый вход возвратного клапана 5 от термодатчика выдерживателя 21 и подключить его второй вход к термодатчику 22 «+40°» входного патрубка 18 клапана 5. При этом клапан 5 начнет автоматически сбрасывать отпастеризованное молоко +14° через патрубки 18 и 20 в пополнительный бак 1. Центробежный насос 4 будет вновь его пропускать в режиме циркуляции через РПТ 6, змеевик 10, выдерживатель 14, вызывая прогрев молока в пополнительном баке 1 до 30° и, соответственно, подогрев молока в патрубке 18 с 14° до 40°С. Только после этого возвратный клапан 5 за счет термодатчика 22 «+40°» перекроет циркуляцию по патрубку 20 и направит поток +40°пастеризованного молока на выход в патрубок 19. Такой рекуперативный подогрев пастеризованного молока до 40°С с подготовкой его непосредственно к оптимальному сепарированию является технологически и энергетически более выгодным, чем донагрев в ВДП [5] и ПХУ [6] с 14° до 40°.
Таким образом, заявляемая полезная модель ПУ с набором сменных дроссельных шайб 7 D=3 мм, 4 мм и 5 мм представляет собой универсальную конструкцию, от 1000 л до 3000 л с коэффициентом рекуперации от 0,93 до 0,8 соответственно, простую и малогабаритную, удобную в эксплуатации, обслуживании, промывке и прочистке. Она позволяет экономить от 80% до 93% электроэнергии по сравнению с прямым (нерекуперативным) нагревом аналогов [5, 6]. По сравнению с прототипом [1, 2] она удобно и выгодно сопрягается с дальнейшим перерабатывающим оборудованием: упаковщиками, либо сепараторами. Позволяет просто перестроить производительность в соответствии с сезонными изменениями поступления молока, имеет низкий уровень шума, повышенную производительность и более простую конструкцию по сравнению с роторными аналогами [4].
Предлагаемая ПУ внедрена в производство на предприятии «Автомаш-Владимир»(г.Ковров)
Источники информации
1. Устройство для пастеризации. Патент RU2007146478.
2. Комплект оборудования для пастеризации ИПКС-013Р-2500Р. 13-01.pdf
3. Установка для пастеризации и охлаждения жидких пищевых продуктов ПМР-02-ВТ с электрокотлом до 2000 л/ч.
4. Установка для пастеризации и охлаждения жидких пищевых продуктов (пастеризатор) ПМР-02-ВТ с роторными нагревателями до 1600 л/ч.
5. Ванны длительной пастеризации. Патент RU2007139028
6. Молочная пастеризационно-холодильная установка. Патент RU 2436293 от 17.05.2010.