ПАСТЕРИЗАТОР БРОДСКОГО

Область применения.
Полезная модель, пастеризатор, предназначен для подогрева(пастеризации) и последующего охлаждения, преимущественно молока в потоке, а также для пастеризации пива, соков, и может быть использован на предприятиях пищевой промышленности, молокозаводах и мелочно-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 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, 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=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 [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 часа на литр), хотя рекуперативные пластинчатые пастеризаторы в потоке [1-5] позволяют экономить до 85% электроэнергии и перерабатывают до 10000…20000 л молока за смену.
www.elf4m.ru/passport ipks-013-01.pdf
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  [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 пастеризационная установка по патенту RU 120541.
Установка содержит 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, 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=530 мм, шаг витка h=60 мм, общую длину трубы L=8m, 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 Ф60x100, устанавливаемых в начало змеевика, и штатного циркуляционного насоса.
Расчет термодинамики винтового змеевика, приведенный в прототипе [1], показывает возможность подогреть сырое молоко практически с 70°С до температуры воды 80°С при движении потока от входа к выходу с расходами 2000 л/час, однако этот расчет не учитывает статического состояния охлаждаемого «чулка» водяной трубы, возникающей вокруг витков змеевика. Естественная циркуляционная конвекция в водонагревательном баке, заключающаяся в подъеме горячих слоев воды, подогреваемых ТЭНами внутри змеевика, и опускании охлажденных от молока слоев воды снаружи змеевика, имеет ограниченную скорость циркуляции и ограниченную мощность теплообмена, особенно в период пауз в нагреве (подключении) ТЭНов, автоматически вырабатываемых водяным термостатом. Поэтому существуют режимы работы змеевика в пределах 1500…2500 л/час, когда ТЭНы отключены и температура молока на выходе змеевика в выдерживателе оказывается на 5°…7° ниже температуры горячей воды из-за «чулка» вокруг витков змеевика. Это снижает общий КПД, приводит к необходимости повышения уставки водяного термостата, и к выкипанию воды, особенно при высокотемпературной пастеризации до 92°С, рекомендуемой, например, при производстве кефира. Для достижения требуемой температуры пастеризации в выдерживателе приходится снижать подачу отпастеризованного молока выходным краном, т.е. ограничивать производительность пастеризатора, или повышать температуру воды до 100°С уставкой термостата. Таким образом, основным недостатком прототипа является ограниченная мощность теплообмена винтового змеевика в водонагревательном баке, снижающая производительность пастеризатора и его КПД. Вскипание воды на ТЭНах при высокотемпературной пастеризации увеличивает локальный перегрев их поверхности, что снижает ресурс работы и дополнительно понижает КПД, вследствии потерь на парообразование, изначально заложенных, например, в конструкцию аналога [3].
Технический результат.
Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение производительности пастеризатора без изменения длины и габаритов змеевика, а также повышение КПД и надежности работы ТЭНов.
Техническая сущность устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в пастеризатор, содержащий пополнительный бак сырого молока с центробежным циркулиционным насосом и возвратным клапаном, рекуперативный пластинчатый теплообменник встречных потоков пастеризованного и сырого молока, водонагревательный пастеризационный бак с крышкой, винтовым змеевиком, выполненным из тонкостенной трубы Ф40, ТЭНами и связанным с ними водяным термостатом, а также объемный 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 объемный 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 выходным краном пастеризатора, при этом термодатчик связан с электрическим входом возвратного клапана, согласно сущности полезной модели, на крышку водонагревательного пастеризационного бака установлен мотор-редуктор с мешалкой, размещенной внутри винтового змеевика и ТЭНов.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана принципиальная схема пастеризатора и сборочный чертеж водонагревательного пастеризационного бака (ВПБ).
Пастеризатор 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 трубу 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=5,5 витка, общую длину трубы с концевыми заделками L=10m, установлены ТЭНы 12, 9 шт*5 кВт=45 кВт. Винтовой змеевик 10 выполнен из тонкостенной нержавеющей трубы Ф40х1 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. Через дроссельную шайбу 21 dy 5 мм термодатчик 22 «+80°С» выдерживателя 14 связан с электрическим входом возвратного клапана 5.
Выдерживатель 14 выполнен в виде герметичного цилиндрического бачка D=190 мм, l=500 мм, объемом 14 л, так, чтобы обеспечить время выдержки отпастеризованного молока не менее 13 с при максимальных расходах 2500 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 750×350×0.5, 31 штука, эквивалентной площадью F=6 кв.м., обеспечивающей для встречных расходов 2000 л/ч перепад температур не более Т=10° на выходе и на входе.
В ВПБ 11 установлен водяной термостат 23, связанный через магнитный пускатель с ТЭНами 12, стабилизирующий желаемую температуру пастеризации, а также поплавковый клапан 24, поддерживающий уровень воды ниже среза переливной трубы 25, но выше винтового змеевика 10. ВПБ 11 имеет усиленную теплоизоляцию 26 толщиной 40 мм с облицовкой из нержавейки. Крышка 27 ВПБ 11 двойная, теплоизолированная с эластичной манжетой 28 по периметру для снижения тепловых потерь, а также четырьмя клиновыми замками 29. На крышку 27 установлен червячный мотор-редуктор 30 с двухярусной мешалкой 31, размах крыльев 350 мм, зона захвата лопастей 400 мм.
В верхней точке пастеризатора в объемном выдерживателе 14 установлен воздушный кран 32, предназначенный для стравливания воздуха в процессе циркуляции. На выходе пастеризатора установлен дюймовый шаровый кран 33 для удобного регулирования производительности в пределах 1000…3000 л/час.
Работает пастеризатор следующим образом. С помощью ТЭНов 12 и водяного термостата 23 с магнитным пускателем в водонаревательном пастеризационном баке ВПБ 11 поддерживается температура (85°±1°)С, которая на 4°…5°С превышает желаемую минимальную температуру пастеризации 80°С, установленную на термодатчике 22 выдерживателя 14. В пополнительный бак 1 из холодильного танка закачивается внешним насосом сырое молоко +4°С от датчиков уровня 2, 3 по мере его пастеризации.
При первоначальном заполнении пустых полостей молоком открывают полностью воздушный кран 32, так что воздух выходит из РПТ 6, змеевика 10 и выдерживателя 14. Температура молока в выдерживателе 14 в течении 2…3 мин достигает 80°С, за счет накопленного тепла ВПБ 11, и термодатчик 22 перекрывает поток отпастеризованного молока через возвратный клапан 5 и дроссельную шайбу 21, направляя его в выходной патрубок 19. 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 33. При этом в установившемся режиме пастеризации краном 33 обеспечивают номинальный расход 2000 л/час.
Сырое холодное молоко +4°С из пополнительного бака 1 в установившемся режиме подается через РПТ6 в патрубок 9, подогревается при этом до 70°С за счет возвратного встречного потока отпастеризованного горячего молока, проходящего через патрубки 16 и 17. Далее в винтовом змеевике 10 молоко пастеризуется, подогреваясь до температуры 80°С при интенсивном теплообмене с горячей водой, обеспечиваемом мотор-редуктором 30 с двухуровневой мешалкой 31. Следует отметить, что интенсивное вращение мешалки 31 и потоки горячей воды в зазорах 20 мм между витками винтового змеевика 10 снимают застойный «чулок» из охлажденных слоев воды вокруг витков, повышают коэффициент теплообмена змеевика 10, снижают тепловой напор между водой и молоком на выходе 13, увеличивают эффективную контактную площадь и мощность, передаваемую от ТЭНов 12 к молоку. Скорость потоков воды от мешалки 31 на порядок превосходит естественную конвекцию от ТЭНов 12 к змеевику 10. Далее молоко в выдерживателе 14 перемещается порядка 15…20 с через входной патрубок 16 РПТ 6 пастеризованного молока на выход РПТ 6 (патрубок 17).
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 T=10°, т.е. сырое молоко прогревается с 4° до 70°, а пастеризованное молоко охлаждается с 80° до 14°. Увеличение потока пастеризованного молока с помощью крана 33 в полтора раза до Q=3000 л/ч увеличивает перепад температур встречных потоков Т до Т=15°, снижая коэффициент рекуперации, а уменьшение потока Q до Q=1000 л/ч - снижает Т до 5°С, увеличивая рекуперацию. Следует отметить, что остановка мешалки 31 приводит к появлению динамического «чулка» охлажденной воды вокруг змеевика 10, что ухудшает подогрев молока в ВПБ 11, понижает температуру в выдерживателе 14 на 5°…7° до 73°…75°С, и, соответственно, в патрубке 9 РПТ 6 до 63°…65°С.
Для восстановления температуры пастеризации при естественной конвекции (без мешалки) приходится настройку водяного термостата 23 увеличивать до 95…100°С, что сопровождается кипением воды, выработкой водяного пара и падением КПД, особенно в режиме высокотемпературной пастеризации молока 92°С, рекомендуемой при производстве кефира.
Средняя потребляемая мощность ТЭНов 12 при расходах пастеризатора Q=2000 л/час, массовых расходах q=0,57 кг/с определяется соотношением
Где с=3,9 - теплоемкость молока, Т=10°С - подогрев молока в змеевике 10 от входа к выходу. При повышении расходов в 1,5 раза до Q=3000 л/час, q=0,86 кг/с и, соответственно, Т до 15° (разница температур между выходом сырого молока из патрубка 9 РПТ 6, а также выходом выдерживателя 14 (входом 16 РПТ 6) средняя мощность ТЭНов согласно соотношения (1) должна увеличиться до 50 кВт.
N=0,86*3,9*15=50 кВт
Поскольку в пастеризаторе установлено 9 ТЭНов 12 по 5 кВт, т.е. 45 кВт, то вода в ВПБ 11 начнет охлаждаться, температура выдерживателя 14 упадет ниже 76°С и условия пастеризации будут нарушены. Термодатчик 22 через возвратный клапан 5 автоматически перекроет поток пастеризованного молока от крана 33 и начнет возвращать «недогретое» молоко в пополнительный бак 1. Поэтому в установившемся режиме при выбранных параметрах РПТ 6 и змеевика 10 с мешалкой 31 целесообразно ограничить выход пастеризованного молока краном 33 на уровне 2000 л/час…2500 л/час, который способен обеспечиваться 9 ТЭНами 12 с общей мощностью 45 кВт. При этом дальнейшее открытие крана 33 автоматически сопровождается падением температуры в выдерживателе 14, а закрытие - подъемом температуры и ее стабилизацией на уровне 78…84°С.
Таким образом, винтовой змеевик 10, выполненный из тонкостенной трубы h=1 мм AISI316, Ф40 мм, длиной 10 м, в сочетании с мотор-редуктором 30 и мешалкой 31 позволяет для расходов 2000…2500 л/час прогреть поток сырого молока с 70°С (выход 9 РПТ 6) до 80°С при незначительном перегреве воды (84…85°С).
В прототипе [1], без мешалки, приходится повышать уставку водяного термостата 23 и, соответственно, температуру воды доводить до 93°С, чтобы компенсировать охлажденный водяной «чулок» вокруг змеевика 10. При повышении температуры пастеризации в прототипе до 92°С соответственно вода устанавливается термостатом 23 на температуре 98…100°С. Это сопровождается кипением на поверхности ТЭНов. Кроме того, приходится существенно понижать подачу отпастеризованного молока через кран 33 до 1000 л/час, чтобы не происходило снижения температуры пастеризации, т.е. понижать производительность пастеризатора.
Еще большее превосходство имеет предлагаемый пастеризатор перед аналогом [2], где кипение воды под избыточным давлением 0,5 ат заложено в конструкцию водонагревательного бака [3], реализуемую с помощью предохранительного клапана на 1 ат и электроконтактного манометра, отключающего ТЭНы при повышении давления.
Только избыточный перегрев воды до 110°С при абсолютном давлении 1,5 ат позволяет получить на выходе винтового змеевика, выполненного из сдвоенной сомкнутой трубы Ф20х1 длиной 15 м высокотемпературную пастеризацию 92°С. Это создает дополнительные проблемы в реализации водонагревательного бака, работающего под избыточным давлением. Фактически в аналоге [2, 3] 30% контактной площади змеевика исключены из теплообмена вследствие смыкания витков, поэтому приходится удлинять змеевик до 15 м. Теплообмен между витками и водой блокирован на 30%.
Промывка и механическая прочистка предлагаемого змеевика Ф40 в пастеризаторе с помощью стандартных поролоновых тампонов-пыжей Ф60х100, помещаемых в начало змеевика 10 при разобранном трубопроводе 9, не представляет никаких проблем за счет потока от центробежного насоса 4, создающего усилие от 25 кг до 32 кг при расходах до 8000 л/ч, 2 л/с, т.е. через 5 с после включения насоса 4 поролоновый пыж «вылетает» в конце змеевика 10.
Прочистка винтовых труб Ф20х1 длиной 15 м аналога [2, 3] представляет собой большую проблему. Надежность ТЭНов в предлагаемом пастеризаторе также возрастает, благодаря снижению локального перегрева на их поверхности, за счет потоков воды от мешалки, исключающих парообразование.
По сравнению с емкостными аналогами [6, 7] предлагаемый пастеризатор обеспечивает экономию от 80% до 93% электроэнергии за счет рекуперации «тепла-холода» в РПТ 6.
Таким образом, установка мотор-редуктора на крышку водонагревательного пастеризационного бака с мешалкой, размещенной внутри винтового змеевика и ТЭНов, обеспечивает повышение производительности пастеризатора, особенно при высокотемпературной пастеризации, повышение его КПД, исключает кипение на поверхности ТЭНов, что увеличивает их ресурс и надежность работы.
Источники информации
1. Пастеризационная установка Патент RU №120541 от 10.05.2012
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.