быстродействующая установка охлаждения молока

Формула изобретения

Быстродействующая молочная холодильная установка, содержащая резервуар с наружным теплоизоляционным покрытием, крышками, мотор с редуктором, траверсой и мешалкой, первый компрессорно-конденсаторный агрегат, соединенный гибкими трубопроводами нагнетания и всасывания с погружным испарителем, отличающаяся тем, что резервуар выполнен прямоугольным, установка содержит магнитный пускатель для первого компрессорно-конденсаторного агрегата, а погружной испаритель выполнен в виде змеевика, кроме того, устройство содержит разгрузочный электронасос, щелевой испаритель днища и боковин резервуара, второй компрессорно-конденсаторный агрегат со своим магнитным пускателем, соединенный со щелевым испарителем днища и боковин дополнительными трубопроводами нагнетания и всасывания, а также нижний, средний и верхний датчики уровня молока и третий магнитный пускатель разгрузочного электронасоса, причем нижний датчик уровня электрически связан с магнитным пускателем второго компрессорно-конденсаторного агрегата, средний датчик уровня электрически связан с магнитным пускателем первого компрессорно-конденсаторного агрегата, а средний и верхний датчики уровня электрически связаны соответственно с отключающим и включающим входами магнитного пускателя разгрузочного электронасоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в пищевой промышленности, в агропромышленном комплексе и фермерских хозяйствах, обслуживающих стадо, с суточным надоем 3000-15000 л молока.

Известны молочные холодильные установки, предназначенные для сбора, охлаждения и хранения молока при оптимальной температуре 4°С [1-7], например, установки охлаждения молока по патентам RU № 2238642, А01J 9/04, 2004; RU № 2265322, А01J 9/04, 2005. Согласно санитарным нормам охлаждение должно происходить не более, чем за 3 часа.

Их основой является ванна-резервуар квадратной или круглой формы (например, резервуар охладитель молока по патенту RU № 2007909, А01J 9/04, 1994; танк-охладитель молока, по патенту FR 2133145 A, 1998), выполненная из пищевой нержавеющей стали, с погружным трубчатым, припаянным наружным трубчатым или приваренным щелевым, а также приваренным трубчато-щелевым испарителем хладона (например, резервуар-охладитель молока по патенту SU 1496723 A1, 30.07.1989), поступающего от компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА). Для снижения энергозатрат при хранении резервуары снаружи окружены слоем теплоизоляции. В верхней части резервуаров смонтирован мотор-редуктор с мешалкой. Щелевые испарители хладона выполняются методом контактной точечной сварки, либо шовно-кольцевой лазерной сварки (танк-охладитель KRIOS, WESTFALIA SURGE. Рекламные материалы. E-mail: info@/ru.westfalia.com).

Перечисленные установки осуществляют непосредственное охлаждение молока за счет циркуляции хладона через испаритель, либо содержат промежуточный хладононоситель (ледяную воду), как в резервуаре-охладителе молока по патенту RU № 2007909, 1994 и в установке мгновенного охлаждения молока «Поток», ООО «Рифинг» (см. рекламные материалы из г.Миасса, приложение [10], и сайт: www reefing.ru.) для косвенного охлаждения продукта с накоплением холода в незагруженном режиме, а также осуществляют комбинированное охлаждение.

Они выполняются открытыми со съемными крышками, либо закрытыми (герметичными) со встроенным промывочным электронасосом. Механизированная или ручная промывка резервуаров после охлаждения и слива молока осуществляется горячей и холодной водой.

Для мгновенного охлаждения молока в процессе приемки на фермах непосредственно во время дойки используется резервуар-генератор ледяной воды с холодильным агрегатом, модулем приемно-компенсирующим и пластинчатым спиральным теплообменником, связанными между собой комплектом трубопроводов для молока и воды (установки мгновенного охлаждения молока «Поток», г.Миасс, сайт: www.reefing.ru.). Охлаждение молока в теплообменнике происходит в непрерывном изолированном тонкослойном потоке ледяной водой за 10 с. Далее молоко поступает в термос-накопитель.

Недостатком погружных трубчатых, а также щелевых паянных наружных трубчатых или приваренных щелевых испарителей является ограниченная площадь теплообмена, не позволяющая нарастить мощность холодильного агрегата для непосредственного охлаждения молока из молокопровода в процессе дойки большого стада высокопроизводительными доильными аппаратами. Другим их недостатком является временная пауза в пределах часа между началом дойки и ручным запуском холодильных агрегатов, необходимая для начального заполнения резервуаров на 10... 15% от его объема, чтобы исключить ненагруженную работу испарителей «всухую», способную проморозить компрессор, нарушить нормальную смазку и, в конечном счете, заклинить агрегат. Из материалов на сайте: www.reefing.ru. известно, что во время начального накопления парного молока начинает возрастать его бактериальная обсемененность до 2000 единиц при допустимой норме 5000 согласно санитарным нормам и правилам (САНПИН). Многократный «сухой» запуск агрегата в момент начала дойки для снижения БАК-обсемененности не допускается, т.к. может заклинить компрессор и «проморозить» молоко в лед.

Недостатком установок мгновенного охлаждения молока во время дойки «Поток» (сайт: www.reefing.ru.) является их сравнительная сложность, металлоемкость, большие массо-габаритные характеристики и дороговизна, а также косвенный метод охлаждения (ледяной водой). Неизбежные энергетические потери при накоплении холода (льда и ледяной воды) в теплом помещении приводят к снижению КПД.

Кроме того, из теории холодильных машин известно, что холодильная мощность (холодильный коэффициент) уменьшается по мере уменьшения температуры (давления) кипения хладона.

Так, для компрессора TAG4573 Т (Юнитэ Герметик, Франция), хладон R22 в номинальных условиях CECOMAF, мощность равна 12832 Вт при температуре кипения 0°С, давлении 4,98 ат и охлаждении молока до +5°С. С понижением температуры кипения хладона до -5°С, давления до 4,28 ат (для получения ледяной воды) холодильная мощность падает до 9804 Вт: на 29%. Кроме того, намораживание льда при косвенном охлаждении неизбежно сопряжено с дополнительным снижением КПД из-за нарушения теплообмена между хладоном и водой во время появления ледяного слоя, как теплоизолятора. Не случайно, что среднее потребление электроэнергии на 1 т принимаемого молока в установках «Поток» составляет 17,2 кВт·ч, вместо 10 12 кВт·ч при непосредственном охлаждении. На начальном этапе работы в установках непосредственного охлаждения при температуре кипения +7°С, соответственно температуре молока +34°С +17°С, давлении хладона 6,6 ат, холодильная мощность TAG 4573 доходит до 17816 Вт и энергетические преимущества по сравнению с генератором льда еще больше усиливаются. Очевидно, что соразмерно с увеличением суточного объема охлаждаемого молока за 1 прием в установках «Поток» с 3000 л до 12000 л увеличивается объем до 2000 4000 л и мощность резервуара-генератора ледяной воды с холодильным агрегатом, приемно-компенсирующим модулем и пластинчатым спиральным теплообменником. Соответственно возрастает цена с 410000 рублей (для П-3) до 1120000 рублей (для П-12). Еще одним недостатком установок «Поток» является перерыв в работе 8 часов, необходимый на накопление холода между дойками, ограничивающий суточную производительность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является быстродействующая установка охлаждения молока (патент на изобретение RU № 2238642 C1, AO1J 9/04, 27.10.2004 г) с погружным трубчатым змеевиком-испарителем. Она содержит квадратный резервуар 2060×1900 мм с наружным теплоизоляционным покрытием, съемными крышками, траверсой, мотор с редуктором и мешалкой. Испаритель, размещенный на V-образном днище резервуара, связан с компрессорно-конденсаторным агрегатом (ККА) гибкими шлангами для удобства его промывки в поднятом состоянии после охлаждения и выгрузки молока. Опорная траверса с этой целью откидывается на петле вместе с мотором и редуктором, обеспечивая свободный доступ к внутренней полости резервуара. Магнитный пускатель ККА включается вручную после заливки испарителя молоком.

Длина погружного испарителя, выполненного из нержавеющей трубы Ø14 мм и контактная площадь охлаждения S повышаются с 48 пог.м до 112 пог.м и соответственно с S=2,2 кв.м до S=5 кв.м при увеличении емкости с 2000 л до 5000 л так, чтобы охладить половину резервуара (двухдоечное охлаждение) в пределах трех часов согласно САНПИН.

При этом емкость на 2000 л охлаждается однокомпрессорным агрегатом на базе TAG 4561, а емкость на 5000 л содержит двухкомпрессорный агрегат TAG 4573×2.

Недостатком прототипа является необходимость начального накопления молока порядка 500 700 л перед ручным включением ККА для того, чтобы покрыть погружной испаритель. За это время неизбежно возрастает БАК-обсемененность.

Кроме того, в прототипе контактная площадь труб испарителя ограничена значением S=5 м², хотя днище уже в начале дойки частично покрыто молоком и могло бы служить источником холода и дополнительной теплообменной площадью при совершенствовании конструкции.

Изобретение направлено на увеличение скорости охлаждения молока, снижение БАК-обсемененности, уменьшение энергозатрат, повышение автоматизации и реализацию, в конечном счете, мгновенного охлаждения молока непосредственно из молокопровода в процессе дойки.

Указанный технический результат достигается тем, что в быстродействующую молочную холодильную установку, содержащую прямоугольный резервуар с наружным теплоизоляционным покрытием, крышками, мотор с редуктором, траверсой и мешалкой, первый компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА), соединенный гибкими трубопроводами нагнетания и всасывания с погружным испарителем, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ резервуар выполнен прямоугольным, установка содержит магнитный пускатель для первого компрессорно-конденсаторного агрегата, а погружной испаритель выполнен в виде змеевика, кроме того, устройство содержит разгрузочный электронасос, щелевой испаритель днища и боковин резервуара, второй ККА со своим магнитным пускателем, соединенный со щелевым испарителем днища и боковин дополнительными трубопроводами нагнетания и всасывания, а также нижний, средний и верхний датчики уровня молока и третий магнитный пускатель разгрузочного электронасоса, причем нижний датчик уровня электрически связан с магнитным пускателем второго ККА, средний датчик уровня электрически связан с магнитным пускателем первого ККА, а средний и верхний датчики уровня электрически связаны соответственно с отключающим и включающим входами магнитного пускателя разгрузочного электронасоса.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен сборочный чертеж общего вида быстродействующей установки охлаждения молока, на фиг.2 - конструкция датчика уровня, на фиг.3 - поперечное сечение установки, на фиг.4 - схема соединений принципиальная, комбинированная.

Быстродействующая установка охлаждения молока (фиг.1,3) содержит прямоугольный резервуар 1 размерами 2000×1000×600 мм, с наружным теплоизоляционным покрытием 2, крышками 3, мотор-редуктором 4, траверсой 5 и мешалкой 6, а также первый компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) 7 с магнитным пускателем 8 (фиг.4), соединенный гибкими трубопроводами нагнетания 9 и всасывания 10, с погружным змеевиком-испарителем 11. (фиг.1, фиг.3, фиг.4) Первый ККА 7 содержит сдвоенный компрессор 12 из двух компрессоров TAG4573 Т общей хладопроизводительностью 2×12632 Вт=25264 Вт при температуре кипения хладона R22 t°_к=0°С, сдвоенный конденсатор 13 (фиг.1, фиг.4) с вентиляторами воздушного охлаждения, ресивер 14 (фиг.4), фильтр 15, терморегулирующий вентиль 16 с номинальной мощностью 26 кВт. Погружной змеевик-испаритель 11 выполнен из трубы 10Х18Н9T 14 мм, состоит из четырнадцати четырехходовых змеек, длиной 8 м каждая, сгруппированных в два блока по семь «змеек» габаритными размерами 1980×300×300 мм, размещенных на дне резервуара (фиг.1, фиг.3) общей контактной площадью 5 м², обеспечивающей холодильную мощность 25264 Вт. Для равномерной подачи холода «змейки» соединены общим инжектором Ø14 мм с дроссельными распределительными отверстиями жидкого хладона Ø2 мм на входе, а также общим коллектором Ø30 мм (всасывания паров). С помощью «гуськов» Ø30 мм и Ø14 мм над крышками 3 резервуара 1 инжектор и коллектор погружного испарителя 11 выведены из внутренней полости резервуара для соединения с гибкими трубопроводами 9 и 10. Крышки 3 резервуара выполнены съемными, а траверса 5 с закрепленным на ней мотор-редуктором 4 и мешалкой 6 установлена на быстросъемных барашках 17 (фиг.3), благодаря чему легко снимается, а змеевик 11 вынимается для промывки в поднятом состоянии. Мешалка 6 (фиг.3) выполнена двухуровневой с размахом лопастей первого уровня 400 мм, расположенных в зазоре между блоками змеевика-испарителя 11 и размахом лопастей второго уровня 800 мм над змеевиком-испарителем. Лопасти первого уровня сближены с плоским днищем резервуара до 10 мм, чтобы начать перемешивание и холодосъем уже с минимального заполнения (40 л). Такая конструкция мешалки обеспечивает равномерный холодосъем, мощное перемешивание молока и исключает обмораживание испарителей и образование льда при полной нагрузке.

Для повышения холодильной мощности в состав резервуара 1 (фиг.1, фиг.3) введен щелевой испаритель днища 18 с размером 1950×950 мм и двух боковин 19 с размером 1950×400 каждая с общей эффективной площадью 3,4 м², что позволяет подключить к нему второй компрессорно-конденсаторный агрегат 20 на базе компрессора TAG4573 Т с магнитным пускателем 21 (фиг.4) холодильной мощностью 12632 Вт и соответствующим терморегулирующим вентилем 22 (ТРВ) на 15кВт. Для упрощения первый ККА 7 и второй ККА 20 выполнены в единой раме и используют общий ресивер 14 и фильтр 15. Второй ККА 20 соединен со щелевым испарителем днища 18 и боковин 19 дополнительными трубопроводами нагнетания 23 и всасывания 24 (фиг.1, фиг.4). Для автоматизации выгрузки охлажденного молока в состав резервуара 1 введен электронасос 25, соединенный со сливным патрубком 26, управляемый магнитным пускателем 27 (фиг.4). Кроме того, в лицевой стенке резервуара 1 размещены нижний 28, средний 29 и верхний 30 датчики уровня молока (фиг.1, фиг.2, фиг.4). Они представляют собой вваренную в стенку трубу 20 мм и уплотненные диэлектрической фторопластовой втулкой 31 медные контакты 32 4 мм. При замыкании контактов 32 молоком, за счет его электропроводности возникает изменение резистивного сопротивления между контактами 32 датчика соответствующего уровня. Нижний датчик уровня 28 установлен в 20 мм от днища. Средний датчик уровня 29 установлен в 230 мм от днища, верхний датчик уровня 30 установлен в 550 мм от днища соответственно сигнализируя заполнение 40 л, 450 л, 1100 л. Нижний датчик уровня 28 связан с магнитным пускателем 21 второго ККА, средний датчик уровня 29 связан с магнитным пускателем 8 первого ККА 7 и одновременно со включающим входом магнитного пускателя 27 электронасоса 25, а верхний датчик уровня 30 с отключающим входом магнитного пускателя 27 электронасоса 25. Кроме того в состав охладителя входит датчик температуры - термостат (на фиг.1,2 не показан), закрепленный в нижней части резервуара 1, соединенный с отключающими входами магнитных пускателей 8 и 21, обесточивающий агрегаты 7 и 20 при охлаждении молока до 4°С, и включающий их при подъеме температуры до +5°С, чтобы не переморозить молоко при остановке дойки.

Работает быстродействующий молокоохладитель следующим образом.

В начале дойки при заполнении резервуара 1 теплым молоком из молокопровода с расходом 1350 л/ч (максимальная производительность по охлаждению парного молока до +4°С в непрерывном потоке) в течение первых двух минут агрегаты 7, 20 обесточены. Затем по сигналу нижнего датчика уровня 28 через магнитный пускатель 21 включается ККА 20 и начинается непрерывное охлаждение с +35°С до +15°С поступающих потоков молока. Мощность охлаждения ККА 20, обеспечиваемая через щелевой испаритель днища 18 и боковин 19 в таком диапазоне температур достигает 17816 Вт, что позволяет быстро снизить температуру прибывающего молока. Через 20 минут при поступлении 450 л молока срабатывает средний датчик уровня 29 и через магнитный пускатель 8 включается ККА 7, втрое увеличивая мощность охлаждения до 50кВт. Начинается ускоренное понижение температуры молока с +15°С до +4°С за счет потоков холода через погружной змеевик-испаритель 11 и щелевой испаритель днища 18 и боковин 19. По мере охлаждения до +4°С мощность однокомпрессорного агрегата 20 за счет работы ТРВ 22 автоматически снижается до номинальной 12632 Вт, а двухкомпрессорного агрегата 7 за счет работы ТРВ 16 до номинальной 25264 Вт. Суммарная холодильная мощность порядка 38 кВт выбрана таким образом, чтобы обеспечить непрерывную приемку 1350 л/час парного молока в установившемся режиме +4°С, при этом устанавливается термобаланс: поток тепла из молокопровода уравновешивается потоком холода от испарителей. При уменьшении потока парного молока термостат будет периодически обесточивать и вновь включать агрегаты 7 и 20, чтобы его не переохладить.

Мощная двухуровневая мешалка 6, начиная с 40 л и до 1100 л, обеспечивает хороший холодосъем, исключающий обморожение испарителей 11, 18, 19 и образование льда.

Через 45 50 минут при достижении объема 1100 л молока (90% загрузки) от переполнения срабатывает верхний датчик уровня 30 и через включающий вход магнитного пускателя 27 подает напряжение на электронасос 25. Охлажденное до +4°С молоко выгружается в термостатический резервуар (термос) или молоковоз.

Производительность электронасоса 6 м³/час в несколько раз превышает непрерывный поток продукта из молокопровода, поэтому через 4 5 минут уровень охлажденного молока понижается до 450 л. Средний датчик уровня 29 через отключающий вход магнитного пускателя 27 обесточивает электронасос 25. Цикл охлаждения и выгрузки первой порции 700 л молока через 55 минут после начала дойки завершен. Далее циклы выгрузки охлажденного молока +4°С автоматически повторяются от верхнего датчика уровня 30 до среднего датчика уровня 29 каждые 30 35 минут за счет включения и отключения электронасоса 25. При этом оба испарителя погружной 11 и щелевой 18, 19 находятся в постоянном контакте с молоком и обеспечивают номинальную холодильную мощность порядка 38 кВт, снимаемую мешалкой 6. Следует отметить, что суммарная площадь щелевого испарителя 18, 19, равная 3,4 м² с избытком обеспечивает хладопроизводительность, развиваемую однокомпрессорным агрегатом 20-12632 Вт, поэтому она может быть увеличена в 1,5 раза до 18200 Вт, например, за счет применения тандема из двух компрессоров TAG4546, имеющих номинальную холодильную мощность каждого 9100 Вт при t_к =0°С. При этом можно увеличить прием молока и поднять подачу из молокопровода до 1600 л/час. Таким образом, первая порция молока 500 л охлаждается до +4°С за 0,5 часа, а последующие расходы из молокопровода охлаждаются мгновенно, смешиваясь с холодным молоком +4°С, что с большим запасом удовлетворяет санитарные нормы (не более 3-х часов после дойки).

Непрерывное охлаждение молока двумя ККА 7 и 20 достигается при номинальных расходах 1350 л/мин. При снижении расходов в процессе дойки ККА 7 и 20 начинают автоматически отключаться с помощью термостата, чтобы не переохладить молоко. При повышении расходов до 1700 л/мин молоко в непрерывном, избыточном потоке не успевает охлаждаться до +4°С, частота срабатывания электронасоса 25 повышается, ККА 7 и 20 работают непрерывно, но молоко выгружается при температуре 6 9°С.

Известно, что уже при таких температурах рост БАК-обсемененности замедляется в десятки раз. Однако, при избыточных расходах 1700 л/час из молокопровода для получения молока +4°С следует увеличить мощность второго ККА 20 до 18200 Вт, как уже упоминалось выше. После завершения дойки змеевик 11 и внутреннюю полость резервуара 1 промывают теплой водой из автомойки при снятых крышках. Один раз в месяц при обслуживании молокоохладителя отворачивают барашки 17 и снимают траверсу 5 с мотор-редуктором 4 и мешалкой 6. Поднимают змеевик 11 и промывают его с «ершиком» в зазорах между трубами в поднятом состоянии.

По сравнению с прототипом (патент РФ на изобретение № 2238642, 2004 г), содержащим в пятитонном варианте двухкомпрессорный агрегат TAG4573 и 112 метровый погружной змеевик на днище, холодильная мощность резервуара предлагаемого изобретения возросла в 1,5 1,7 раза за счет щелевого испарителя 18 и 19, соединенного с дополнительным ККА 20. При этом габариты резервуара уменьшены в 4 раза. Такая высокая концентрация удельной холодильной мощности в малом объеме позволяет реализовать мгновенное охлаждение молока из молокопровода при расходах до 1350 л/час. По сравнению с аналогом («Поток» П-12) (сайт: www reefing.ru), охлаждающим 6000 л молока за 1 прием (12000 л за сутки) и требующим 8 часов перерыва между приемами для накопления холода (льда и ледяной воды), предлагаемое изобретение может работать непрерывно 9,5 часов, принимая не менее 13500 л в сутки. Установленная мощность двух агрегатов 7 и 20 не превышает 22,2 кВт: каждый из трех компрессоров потребляет - 6,7 кВт, вентиляторов - 0,7 кВт. Расход электроэнергии за 9,5 часов работы 211 кВт/ч, удельные энергозатраты 15,6 кВт/ч на 1 тонну охлажденного молока, что на 10% меньше, чем у аналога П-12, имеющего показатель 17,2 кВт/ч на тонну. Это обусловлено снижением холодильной мощности и КПД при генерации ледяной воды, сопровождающейся снижением температуры кипении хладона до -5°С в аналоге, вместо 0°С у предлагаемого изобретения. По сравнению с аналогом в резервуаре 1 по существу совмещены функции накопителя - генератора (ледяной воды), модуля приемно-компенсирующего и теплообменника пластинчатого спирального. Это не могло не сказаться на стоимости, которая у предлагаемого технического решения втрое ниже, чем у аналога: 320 000 рублей против 1 120 000 рублей у «Потока» П-12.

Быстродействующий молокоохладитель, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением, внедрен в серийное производство ООО «НПП «Автомаш» г.Ковров.

Библиографические данные

1. Установка охлаждения молока. Патент RU № 2238642, A01J 9/04, 2004 г.

2. Молочная холодильная установка. Патент RU № 2265322, А01J 9/04, F25D 1/00, F25D 17/06.2005

3. Резервуар-охладитель молока. Патент RU № 2007909, A01J 9/04, 28.02.1994 г.

4. Танк-охладитель молока. Патент FR 2133145 А, 11.02.1998 г.

5. Резервуар-охладитель молока. Патент SU 1496723 A1, 30.07.1989 г.

6. Установка охлаждения молока УОМ 2000T-TAG4561T. Техническое описание и руководство по эксплуатации г.Ковров, ООО «НПП «Энергия», 2002 г.

7. Танк-охладитель KRJOS и ванны-охладители UES и CVS. WESTFALIA SURGE. Рекламные материалы. ООО «Вестфалия-Сердж». 105 005, Москва, Плешковский пер.6, стр.2. E-mail: info@ru.westfalia.com.

8. Резервуар-охладитель молока МКА-2000Л-2Б. Технические условия ТУ 4741-083-00238523-97 г.Курган, ОАО "Кургансельмаш".

9. Молокоохладитель «Альфа Лаваль» на сайте: www.Sil.cn.ua/upload/products.html.

10. Установка мгновенного охлаждения молока «Поток». ООО «Рифинг», 456318, Челябинская обл., г.Миасс. Пр. Октября, 72. Рекламный буклет. Сайт: www reefing.ru.