Молочная пастеризационно-холодильная установка

Изображения

Изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для сбора молока. Молочная пастеризационно-холодильная установка содержит термоизолированный прямоугольный резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище, мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке, компрессорно-конденсаторный агрегат с первым магнитным пускателем и соленоидным вентилем, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом и выходом щелевого испарителя, а также датчик давления всасывания, связанный с первым магнитным пускателем, и датчик температуры резервуара, связанный своим выходом с соленоидным вентилем и первым магнитным пускателем. В нижней части резервуара установки введены полуплоские дисковые термоэлектронагреватели с прижимными пластинами и вторым магнитным пускателем. На дне резервуара размещен погружной змеевик-охладитель с электромагнитным клапаном и трубопроводами напора и слива, который через электромагнитный клапан и трубопроводы напора и слива соединен соответственно с водопроводом и канализацией, при этом выход датчика температуры связан также со вторым магнитным пускателем и электромагнитным клапаном. Молочная пастеризационно-холодильная установка может использоваться в условиях ограниченного водоэнергопотребления при одновременном повышении КПД и имеет упрощенную конструкцию. 2 ил.

Изобретение предназначено для ежедневного сбора 1000 2000 литров молока от индивидуальных фермерских хозяйств (ИФХ), его последующей пастеризации, охлаждения и отгрузки на молокозаводы, либо упаковки для розничной сети. Устанавливается в деревенских молокоприемных пунктах, преимущественно используется в сочетании с упаковочными автоматами для продажи пакетов пастеризованного молока через розничную торговую сеть, что позволяет удвоить и утроить выручку ИФХ от молочно-товарного животноводства.

Известны молочные холодильные установки по патенту RU 2337534 С2, предназначенные для сбора, охлаждения и хранения молока перед отгрузкой на молокозаводы. Они содержат термоизолированный прямоугольный (квадратный) резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище, мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке (траверсе), компрессорно-конденсаторный агрегат, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом (инжектором) и выходом (коллектором) щелевого испарителя. В инжектор впрыскивается жидкий хладон, из коллектора отсасывается испаренный, что охлаждает молоко. Существует также возможность охлаждения молока за счет трубчатого погружного змеевика-испарителя (ПЗИ) с погружным инжектором и коллектором по патенту RU 2238642 от 08.09.2003 г. Особенностью ПЗИ являются дроссельные отверстия 1,5 мм, выполненные в инжекторе для равномерного симметричного распределения потока кипения жидкого хладона (потока холода) по всем «змейкам». Это исключает возможность эффективного использования такого ПЗИ для других хладоносителей, например холодной воды.

Их общим недостатком является необходимость ежедневной отгрузки охлажденного цельного молока на молокозаводы, диктующие ограниченные закупочные цены для последующей переработки.

По санитарным нормам охлажденное цельное молоко с температурой 4°С должно сохраняться не более суток, что также ограничивает сбыт. Кроме того, переработка молока на молокозаводах начинается с пастеризации (прогрева молока до +70°С, уничтожающего молочно-кислые бактерии и повышающего санитарные сроки хранения до 10 суток). Процесс охлаждения требует затрат электроэнергии, а процесс нагрева также требует затрат электроэнергии, что удваивает, в конечном счете, энергопотребление.

С другой стороны, известны термоизолированные ванны пастеризации 1000 л молока Г2-ОПБ-1000, описанные на сайте www.deltamol.ru. Они содержат мотор-редуктор с мешалкой, герметичную кольцевую полость вокруг вертикальной цилиндрической ванны с молоком, в которую сначала полтора часа подается горячий пар 95°C с расходом 150 кг, а затем ледяная вода +2°C с расходом 5 м3/ч. Регулируются потоки сложной электропневомгидроавтоматикой. Такое энерго- и холодоснабжение доступно только на крупных и средних молокозаводах и не может применяться в условиях российской деревни. Известны также отечественные универсальные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОГУ-2.5 производительностью 2500 л/ч, описанные на сайте www.protex.ru, и германские установки полной пастеризации молока производительностью 5000 л/ч, описанные на сайте www.trubatec.org. Они нагревают молоко горячим паром через пластинчатые теплообменники, после чего охлаждают отпастеризованное молоко ледяной водой через такие же многосекционные пластинчатые теплообменники. Время выдержки потока молока при прогреве до 78°С составляет 25 с, затем происходит охлаждение до 4°С. Установки содержат сложнейшую интегральную систему управления, гидропневматику, множество молочных насосов, расходомеров, дополнительных теплообменников, электромагнитных пневмо- и гидроклапанов, программируемых промышленных контроллеров.

Они обладают повышенной производительностью, мощностью по расходам пара и ледяной воды, большими массогабаритными характеристикам и большой ценой, что доступно крупным молочно-товарным фермам, но делает неприемлемым их использование непосредственно в деревнях.

Известны также пастеризационные молочные цеха КОЛАКС-1001, на 1000 л в сутки, описанные на сайте www.colaxm.ru, содержащие ванну длительной пастеризации на 500 л молока с кольцевой герметичной полостью вокруг внутреннего резервуара для подачи пара или горячей воды, а также бак-электроводонагреватель 120 л мощностью 25 кВт для производства обогрева. Кроме того, цех содержит пластинчатый охладитель с расходом воды 3 м3 за смену при температуре не более 6°С для охлаждения. Время прогрева (пастеризации) 500 л молока составляет около 4-х часов.

Недостатком оборудования КОЛАКС-1001 является косвенный обогрев резервуара длительной пастеризации молока с помощью воды и пара, создаваемого дополнительным электроводонагревательным баком, а также неизбежные потери электроэнергии при передаче тепла от бака к резервуару. Фактически в техпроцессе используется три теплообменных емкости: резервуар длительной пастеризации, бак-водонагреватель и пластинчатый охладитель, что усложняет электропневмоавтоматику, снижает КПД, увеличивает габаритные размеры и стоимость.

Кроме того, снижение температуры охлаждающей воды (не более 6°С), обусловленное необходимостью охлаждения выходной температуры отпастеризованного молока, предполагает внешний холодильник либо артезианскую воду, что накладывает дополнительные проблемы при установке в необорудованных местах. Расход холодной (ледяной) воды будет также повышенным (троекратным) при постепенном доведении молока до требуемой температуры +4°С из учета 3 м3 на 1000 л продукта вследствие снижения теплового напора (разницы температур) между молоком и охлаждающей водой в конце процесса. Наиболее близкой из известных по технической сущности к предполагаемому изобретению (прототипом) является молочная холодильная установка (МХУ) по патенту RU 2337534 С2.

Она содержит термоизолированный прямоугольный резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище, мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке, компрессорно-конденсаторный агрегат с соленоидным вентилем и магнитным пускателем, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом и выходом щелевого испарителя, а также датчик давления всасывания, связанный с магнитным пускателем, и датчик температуры резервуара, связанный своим выходом с соленоидным вентилем и магнитным пускателем. МХУ предназначена для двухдоечного охлаждения парного молока за время не более трех часов на молочно-товарных фермах от температуры +34°С до температуры +4°С. Она не способна прогреть молоко для его пастеризации, а также охлаждать горячее молоко в случае внешнего прогрева до 70°С. Известно, что парциальное давление хладона R22 при температуре +70°С возрастает до 3,5 МПа. Это может «разорвать» щелевой испаритель и перегружает компрессор, вплоть до его поломки.

Целью предлагаемого изобретения является реализация молочной пастеризационно-холодильной установки малой производительности (до 1500 л в смену) в деревенских условиях ограниченного водоэнергопотребления при одновременном повышении КПД, упрощении конструкции и снижении себестоимости.

С этой целью в молочную пастеризационно-холодильную установку, содержащую термоизолированный прямоугольный резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище, мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с первым магнитным пускателем и соленоидным вентилем, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом и выходом щелевого испарителя, а также датчик давления всасывания, связанный с первым магнитным пускателем, и датчик температуры резервуара, связанный своим выходом с соленоидным вентилем и первым магнитным пускателем, согласно изобретению введены дисковые термоэлектронагреватели (ТЭНы) нижней части резервуара с прижимными пластинами и вторым магнитным пускателем, а также погружной змеевик-охладитель, размещенный на дне резервуара, с электромагнитным клапаном и трубопроводами напора и слива, причем дисковые ТЭНы прижаты рабочей плоскостью непосредственно к боковым стенкам резервуара соответствующими прижимными пластинами, а погружной змеевик-охладитель через электромагнитный клапан и трубопроводы напора и слива соединен соответственно с водопроводом и канализацией, при этом выход датчика температуры связан также со вторым магнитным пускателем и электромагнитным клапаном.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен сборочный чертеж общего вида резервуара молочной пастеризационно-холодильной установки (МПХУ), на фиг.2 - схема электрогидравлическая комбинированная.

МПХУ содержит прямоугольный термоизолированный резервуар 1 габаритами 130×200×85 см со щелевым испарителем 2, встроенным в днище, мотор-редуктор 3 с мешалкой 4 на верхней крышке 5. Компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) 6 включает в себя компрессор 7, конденсатор 8 воздушного охлаждения, ресивер 9 жидкого хладона, фильтр-осушитель 10, соленоидный вентиль 11, терморегулирующнй вентиль 12. Трубопроводы нагнетания 13 и всасывания 14 соединяют ККА 6 соответственно со входом и выходом щелевого испарителя 2. В трубопроводе всасывания 14 установлен датчик давления 15. ККА 6 подключается к трехфазной сети 380 В 50 Гц через первый магнитный пускатель 16. Внизу резервуара 1 закреплен датчик температуры 17, выход которого связан с соленоидным вентилем 11 и магнитным пускателем 16. Датчик давления 15 соединен со входом первого магнитного пускателя 16. В нижней части резервуара 1 смонтированы полуплоские дисковые термоэлектронагреватели (ТЭНы) 18 мощностью 1кВт (при 220 В) в количестве 24 шт., соединенные с общим вторым магнитным пускателем 19. ТЭНы 18 равномерно распределены по боковым стенкам и прижаты рабочей плоскостью с теплопроводной пастой к боковым стенкам резервуара 1 соответствующими пластинами 20, гайками 21 и асбестовыми 4 мм прокладками 22. Наружный диаметр дисковых ТЭНов 150 мм, датчик температуры 17 размещен на боковой стенке резервуара 1 между парой дисковых ТЭНов 18. На днище резервуара 1 размещен погружной змеевик-охладитель 23 с электромагнитным клапаном 24 и трубопроводами напора 25 и слива 26, соединенными соответственно с водопроводом и канализацией. Погружной змеевик-охладитель 23 выполнен из пищевой нержавеющей стальной трубы 14×1, состоит из шести «змеек» длиной по 8 м, непосредственно вваренных (без дросселирующих отверстий) в трубопроводы напора 25 и слива 26, изготовленные из трубы 30×1,5. За счет равного линейного сопротивления «змеек» создается деление потока воды на шесть равных потоков и равномерное охлаждение объема молока. Выход датчика температуры 17 связан с соленодным вентилем 11, электромагнитным клапаном 24, а также первым магнитным пускателем 16 и вторым магнитным пускателем 19.

Для уменьшения конвекционных потерь от циркуляции воздуха, а также для герметизации верхней крышки 5 по контуру обечайки резервуара 1 установлена эластичная манжета 27 с защелками (на фиг.1 и фиг.2 не показаны).

Для повышения ресурса дисковых ТЭНов 18 реализовано их подключение через второй магнитный пускатель 19 попарно-последовательно, треугольником к трехфазной сети 380 В (фиг.2), так что на каждый ТЭН 18 приходится по 190 В с выделяемой мощностью 0,747 кВт. Такое подключение позволяет понизить мощность на каждом ТЭНе 18 и температуру нихромовых спиралей, тем самым увеличить ресурс, эффективно использовать всю контактную площадь боковин резервуара 1 с молоком, одновременно отсимметрировать нагрузку на трехфазную сеть и получить общую мощность теплового контакта спиралей с молоком, N=0,747×24=17,4 кВт - по 5,8 кВт из каждой фазы.

Работает МПХУ, установленная в деревне, следующим образом.

При сборке первых 450 л от ИФХ уровень молока в резервуаре составляет 200 мм, что покрывает ТЭНы 18, мешалку 4 и погружной змеевик-охладитель 23. Это позволяет включить МПХУ в работу. Второй магнитный пускатель 19 подключает сетевое напряжение 380 В×3ф, 50 Гц к ТЭНам 18, которые начинают прогревать молоко общей мощностью 17,4 кВт. Весь поток тепла от полуплоских дисковых ТЭНов 18 отражается теплоизолированными асбестовыми прокладками 22 и направляется от нагреваемой рабочей плоскости ТЭНов 18 через стенку резервуара 1 в молоко благодаря плотному тепловому контакту и хорошему теплоотводу, обеспечиваемому теплопроводной пастой, прижимными пластинами 20 и гайками 21. Мотор-редуктор 3 с мешалкой 4 перемешивает молоко. Мешалка 4 в сочетании с высокой теплопроводностью 2 мм нержавеющей стали резервуара 1 обеспечивает равномерный прогрев всех слоев и гомогенизацию молока, а также минимальный перегрев контактной плоскости ТЭНов 18, надежный теплосъем и необходимый ресурс их работы. Корме того, на стенках резервуара 1 исключается локальное вскипание молока. В процессе прогрева начального объема молока в резервуаре 1 МПХУ продолжается его приемка от ИФХ, взвешивание и дозагрузка резервуара 1. Общее время прогрева 1000 1500 л молока от исходной температуры 17 20°С до 70°С составляет 2,5 4 часа. Суммарная мощность ТЭНов 18 ограничена 18 кВт для деревенских условий. Однако этой мощности с учетом высокого КПД вполне достаточно для процесса длительной пастеризации молока за упомянутое время. Тем более что приемка 1000 1500 л молока из бидонов, его взвешивание и перегрузка в резервуар 1 занимает несколько часов.

При достижении 70°С во всем объеме молока уничтожены молочно-кислые бактерии, завершена пастеризация и выход датчика температуры 17 через второй магнитный пускатель 19 обесточивает ТЭНы 18, одновременно включает с помощью электромагнитного клапана 24 поток водопроводной воды порядка 10 15 л/мин с температурой 12 15°С, протекающий через трубопровод напора 25, погружной змеевик-охладитель 23 и трубопровод слива 26. Мешалка 4 продолжает вращаться, обеспечивая охлаждение молока и нагрев воды на выходе трубопровода 25 в процессе теплообмена. Первые 200 л теплой воды +60°С из трубопровода 25 за 10 20 мин запасаются с целью экономии в дополнительный бак (на фиг.1 и на фиг.2 не показан). Теплая вода впоследствии используется для промывки резервуара 1 в режиме циркуляции от мощной помпы и для других бытовых нужд, а последующий поток теплой воды отводится в канализацию. В деревнях Татарстана имеется водопровод, а в деревнях Чувашии применяется погружной колодезный насос. В зависимости от напора в водопроводе через 1 1,5 часа после включения электромагнитного клапана 24 молоко достигает температуры 34°С, выходом датчика температуры 17 включается соленоидный вентиль 11 и одновременно первый магнитный пускатель 16, включающий ККА 6. Жидкий хладон из ресивера 9, проходя через фильтр-осушитель 10, соленоидный вентиль 11, терморегулирующий вентиль 12 и трубопровод нагнетания 13, попадает на вход щелевого испарителя 2. Контактируя через резервуар 1 с теплым молоком в щелевом испарителе 2, хладон вскипает, охлаждая молоко, образующийся пар всасывается через трубопровод 14 в компрессор 7, где сжимается и подается в конденсатор 8 воздушного охлаждения. При охлаждении потоком воздуха хладоновый пар конденсируется в жидкую фазу и поступает в ресивер 9. Осуществляется двойное ускоренное охлаждение молока с 34°С до 22°С за 20 30 мин потоком водопроводной воды через погружной змеевик-охладитель 23 и потоком испаряющегося хладона через щелевой испаритель 2. При охлаждении молока до 22°С дальнейшее охлаждение проточной водопроводной водой становится нецелесообразным из-за снижения теплового напора (разницы) между температурой воды в змеевике 22 и температурой молока в резервуаре 1. Поэтому датчик температуры 17 обесточивает электромагнитный клапан 24 и перекрывает водопроводный поток. Общий расход воды составляет 1500 2000 л. Дальнейшее охлаждение молока происходит через щелевой испаритель 2 при работающем ККА 6 и мешалке 4. Терморегулирующий вентиль 12 по мере охлаждения молока автоматически уменьшает дросселирующее сечение для прохода жидкого хладона, поддерживая оптимальный перегрев всасываемых насыщенных паров в трубопроводе 14 на уровне 6 10°С. При охлаждении молока до 4°С датчик температуры 17 обесточивает соленоидный вентиль 11, который перекрывает поток хладона при работающем компрессоре 7. Жидкий хладон из щелевого испарителя 2 при температуре +4°С полностью испаряется и конденсируется в ресивер 9. Давление в трубопроводе всасывания 14 за 10 20 с работы компрессора 7 понижается до 0,5 ат - давления установки датчика 15, который через первый магнитный пускатель 16 отключает ККА 6. Такое завершение цикла охлаждения необходимо для защиты от перегрузок по давлению щелевого испарителя 2 при промывке резервуара 1 горячей водой, а также при пастеризационном нагреве молока. Только такое завершение цикла охлаждения гарантирует полное испарение и отсутствие жидкого хладона в щелевом испарителе 2, следовательно низкое давление в нем и во всасывающем трубопроводе 14 при промывке горячей водой или нагреве ТЭНами 18.

При хранении охлажденного молока за счет термоизоляции резервуара 1 температура +4°С очень медленно повышается, мешалка 4 вращается и обеспечивает гомогенизацию. Если температура достигает +5°С, то датчик температуры 17 вновь открывает соленоидный вентиль 11 и включает первым магнитным пускателем 16 ККА 6. Щелевой испаритель 2 вновь охлаждает молоко до +4°С, сохраняя его до отгрузки.

После отгрузки или расфасовки молока резервуар 1 и погружной змеевик-охладитель 23 промывают в режиме циркуляции горячей водой +60°С, запасенной в 200 л накопительный бак на начальном этапе охлаждения. Промывка осуществляется в режиме циркуляции высоконапорной электропомпой при открытой крышке. Таким образом, МПХУ за рабочую смену позволяет принять 1000 1500 л цельного молока от населения, нагреть его до 70°С, тем самым отпастеризовать, после чего охладить до +4°С и сохранить для отгрузки на молокозаводы, либо упаковать в пакеты для розничной продажи. Срок хранения пастеризованного молока по сравнению с охлажденным в прототипе повышается в 10 раз.

За счет прямого обогрева молока с помощью ТЭНов 18 по сравнению с косвенным (через горячую воду или пар) у аналогов достигается КПД, близкий к 100%. Благодаря этому удается снизить потребляемую мощность до уровня 18кВт и сделать доступным монтаж МПХУ в любой российской деревне. Конструкция МПХУ по сравнению с аналогами значительно проще и стоимость, соответственно, дешевле. Многофункциональный датчик температуры 17 защищает ТЭНы 18 от перегорания при ошибочных действиях оператора в случае включения подогрева пустого резервуара 1, так как он близко расположен к паре ТЭНов 18, подогревающих датчик 17 через лист нержавейки резервуара 1 до 70°С за счет теплопроводности металла, что своевременно обесточивает второй магнитный пускатель 19.

Система автоматики, управляемая от датчика температуры 17, также значительно проще. Требуется меньший расход охлаждающей воды. Очевидные энергетические преимущества МПХУ по сравнению с аналогами заключаются также в том, что процесс переработки молока, принятого у населения с температурой 17 20°С, начинается с нагрева, а не с охлаждения до 4°С и последующего нагрева до 70°С на молокозаводе. Благодаря большим сечениям труб змеевика-охладителя удобно его обслуживание, которое заключается в ежегодной промывке потоком слабо концентрированной кислоты для снятия кальциевых отложений, в отличие от ежеквартальной сборки-разборки-прочистки узких пластинчатых теплообменников. Замена ТЭНов при снятой облицовке также проста и удобна.

Таким образом, МПХУ обеспечивает ежедневный выпуск 1000 1500 л высококачественного пастеризованного цельного молока, может быть установлена в любой российской деревне. Это позволит на порядок повысить сроки реализации молока, удвоить и утроить выручку крестьян (в сочетании с простейшей полиэтиленовой упаковкой) от молочного животноводства, тем самым переломить негативные тенденции по ежегодному сокращению индивидуального дойного стада КРС.

МПХУ с декабря 2008 г. внедрена в производство ООО «НПП «Автомат» (г.Ковров).

Библиографические данные

1. Патент RU 2337534 от 26.12.2005 г. Молочная холодильная установка.

2. Патент RU 2238642 от 08.09.2003 г. Установка охлаждения молока.

3. Ванна пастеризации молока Г2-ОПБ-100, веб-сайт: www.deltamol.ru.

4. Универсальная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка ОГУ-2.5, веб-сайт: www.protex.ru.

5. Установка полной пастеризации молока 5000 л/ч, веб-сайт: www.trubatec.org.

6. Пастеризационный молочный цех КОЛАКС-1001, веб-сайт: www.colaxm.ru.

Формула изобретения

Молочная пастеризационно-холодильная установка, содержащая термоизолированный прямоугольный резервуар со щелевым испарителем, встроенным в днище, мотор-редуктор с мешалкой на верхней крышке, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с первым магнитным пускателем и соленоидным вентилем, соединенный трубопроводами нагнетания и всасывания со входом и выходом щелевого испарителя, а также датчик давления всасывания, связанный с первым магнитным пускателем, и датчик температуры резервуара, связанный своим выходом с соленоидным вентилем и первым магнитным пускателем, отличающаяся тем, что в нее введены полуплоские дисковые термоэлектронагреватели (ТЭНы) нижней части резервуара с прижимными пластинами и вторым магнитным пускателем, а также погружной змеевик-охладитель, размещенный на дне резервуара, с электромагнитным клапаном и трубопроводами напора и слива, причем дисковые ТЭНы прижаты рабочей плоскостью к боковым стенкам резервуара соответствующими пластинами, а погружной змеевик-охладитель через электромагнитный клапан и трубопроводы напора и слива соединен соответственно с водопроводом и канализацией, при этом выход датчика температуры связан также со вторым магнитным пускателем и электромагнитным клапаном.

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 24.01.2011

Дата публикации: 10.12.2011