ОХЛАДИТЕЛЬ МОЛОКА Российский патент 1995 года по МПК A01J9/04 

Изобретение относится к охлаждению и хранению жидкостей, точнее молока.

Для сохранения биологических свойств молока широко применяется охлаждение и хранение молока с помощью холодильных машин.

Стационарный охладитель молока содержит фреоновую или аммиачную холодильную машину, промежуточный хладоноситель и теплообменник, смонтированный в молочном резервуаре. Этот охладитель молока принят за базовый.

Стационарные охладители молока монтируются в отдельных помещениях на молокозаводах или в крупных молочных хозяйствах. Молоко с мелких ферм необходимо после дойки перевозить для охлаждения и хранения на стационарный охладитель молока, что приводит к снижению качества молока. Кроме того, стационарный охладитель молока имеет сложную конструкцию и повышенные расходы энергии на охлаждение молока. Это является недостатком стационарных охладителей молока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является охладитель молока, используемый для охлаждения парного молока после дойки непосредственно на молочных фермах, перед отправкой на молокозавод. Охлаждение производится от температуры парного молока 36^оС до температуры 6-8^оС.

Охладитель ТОМ-2А является автоматизированным агрегатом, состоящим из фреоновой холодильной машины, ванны для молока, мешалки с электроприводом и системы охлаждения.

Парное молоко в молочную ванну заливается через фильтр. В ванне молоко перемешивается мешалкой для интенсификации процесса теплообмена. Наружная поверхность ванны орошается ледяной водой. Отепленная вода стекает в нижнюю часть корпуса охладителя, где размещается панельный испаритель холодильной машины. Вода омывает испаритель, охлаждается и центробежным насосом через фильтр снова подается в систему орошения молочной ванны.

При достижении температуры молока 6^оС термореле, установленное в схеме охладителя молока, отключает холодильную машину, водяной насос для орошения ванны ледяной водой и мешалку. Повторное включение охладителя молока производится при температуре 8^оС.

Недостатком охладителя ТОМ-2А являются повышенные энергетические затраты на охлаждение молока, поскольку отвод тепла от молока происходит через две металлические стенки: в молочной ванне и во фреоновом испарителе.

Кроме того, для организации циркуляции промежуточного хладоносителя необходим теплоизолированный резервуар ледяной воды, водяной насос и т.д. Все это усложняет конструкцию охладителя и приводит к дополнительным затратам энергии.

Целью изобретения является снижение удельного расхода энергии на охлаждение молока, упрощение конструкции охладителя молока и улучшение его экологичности.

Указанная цель достигается за счет замены фреоновой холодильной машины на вакуумный насос.

Известно, что при вакуумировании потерь жидкости ниже давления насыщения происходит частичное испарение и кипение жидкости, сопровождаемое поглощением тепла и снижением температуры жидкости за счет эндотермического процесса (аналогичные процессы происходят в испарителе фреоновой холодильной машины при откачке паров фреона компрессора). Поскольку молоко является раствором белковых тел в воде, испарение части воды из молока повышает его жирность.

В предлагаемой конструкции вакуумного охладителя молока снижение удельного расхода энергии связано с тем, что физический эффект охлаждения при вакуумировании выполняется непосредственно на рабочем теле молоке, в то время как при использовании холодильной машины отвод тепла от молока к фреону происходит через металлические стенки с дополнительными затратами энергии.

При замене фреоновой холодильной машины на вакуумную систему значительно упрощается конструкция охладителя молока, а отказ от использования фреона повышает ее экологичность.

Приведенные особенности предлагаемого охладителя молока создают существенные отличия от прототипа и других конструкций и в технической и патентной литературе не описаны.

Предлагаемый охладитель молока схематично изображен на чертеже.

Он состоит из молочной ванны 1 и вакуум-насоса 3, смонтированных на общей раме 4. Для снижения теплопритоков снаружи ванны нанесена теплоизоляция 2. Ванна имеет жидкостную 11 и газовую 10 полости. Газовая полость соединена с вакуум-насосом через вентиль 5. Заливка молока осуществляется через фильтр 8, установленный в горловине с откидывающейся крышкой 7. Уровень молока контролируется мерной линейкой.Слив молока из ванны осуществляется через молочный кран 9. Для предотвращения попадания молока в вакуумный насос жидкостная полость должна быть снабжена ограничителем уровня молока (на чертеже не показан), который фиксирует объемы жидкостной и газовой полостей.

Управление работой охладителя молока происходит с помощью термореле 6.

Вакуумный насос подбирается таким образом, чтобы давление всасывания было ниже давления насыщенного пара воды в рабочем диапазоне температур от 36^оС до 6^оС. Давление насыщения при температуре 36^оС равно 6 КПа (44,6 мм рт. ст. ), а при температуре 6^оС равно 1 КПа (7,6 мм рт.ст.). Этим условиям удовлетворяет большинство современных вакуумных насосов. Например, плунжерные насосы серии НВЗ имеют давление всасывания на номинальном режиме не выше 0,13 КПа, и в них допускается вакуумирование водяных паров.

Работа охладителя молока осуществляется следующим образом.

После заливки парного молока с температурой 36^оС горловина герметизируется, включается вакуумный насос и открывается вентиль 5. Вначале за короткое время из газовой полости откачивается остаточный воздух, а за ним начинают откачиваться водяные пары. Для восстановления равновесного состояния происходит выпаривание воды из молока, за счет чего температура молока понижается. При достижении температуры молока +6^оС термореле 6, находящееся в объеме молока, отключает вакуумный насос.

При повышении температуры молока за счет теплопритоков до +8^оС вакуумный насос включается повторно. Расчеты показывают, что при использовании молочных ванн небольшой емкости (до 250 л) и выборе качественной теплоизоляции теплопритока к молоку будут настолько низкие, что повышение температуры до 8^оС будет происходит в течение 10-12 ч.

Эффективность предлагаемого охладителя молока подтверждается следующим расчетом затрат энергии на охлаждение 1000 кг молока.

Количество холода, необходимое для охлаждения молока, определяется по формуле
Q m˙ C_p ˙ Δt, кДж, где Q 1000 ˙ 3,76 ˙ 30 112800 кДж,
m масса молока (1000 кг)
С_р теплоемкость молока
Δt величина охлаждения молока.

С_р 3,76
Δt 36^о 6^о 30 ^оС.

Количество воды m₁, испарившееся при вакуумировании молока и необходимое для покрытия затрат холода Q на охлаждение молока, определяется по формуле
m₁ где r скрытая теплота парообразования
при температуре 36 ^оС r 2,416
при температуре 6^оС r 2,486
Принимая r_ср 2,451 , получаем
m₁ 46,02 кг
Относительная доля воды, испарившейся из молока (повышение жирности молока):
100 100 4,6%
Удельный объем водяного пара V_ср рассчитывается как среднеинтегральная величина. Результаты расчета приведены в таблице.

V_ср 47,2
Удельная работа l_удзатраченная на вакуумирование 1 кг водяного пара в реальном вакуум-насосе
l_уд · l_п где Р_ср 2,7 КПа выбирается из таблицы при V_ср 47,2
Р_нагн 108 КПа давление нагнетания,
η 0,55 КПД реального вакуум-насоса (для мокрых вакуум-насосов)
l_уд= · 858 .

Полная работа, затраченная на вакуумирование m₁ кг водяного пара
L m₁˙ l_уд 46,02˙ 858 39485 кДж
Cравнение затрат энергии на охлаждение 1000 кг молока.

Согласно ГОСТ 11116-82 "Резервуары молочные" для фреонового охладителя с промежуточным хладоносителем затраты энергии не должны превышать 30 кВт˙ ч.

Реальные затраты энергии в охладителе ТОМ-2А определяем следующим образом.

Время непрерывной работы, включая аккумуляцию холода и охлаждение молока
τ 4,6 ч
Коэффициент машинного времени, с учетом остановки холодильной машины
K 0,92
Суммарная мощность холодильной машины, мешалки и насоса ледяной воды
εN 7,87 кВт
Затраты энергии на охлаждение 1800 л молока
L' ε N˙τ ˙K 47,78 кВт˙ ч.

Затраты энергии на охлаждение 1000 л молока
L = 26,55 кВт˙ч.

Затраты электроэнергии на охлаждение 1000 кг молока в вакуумном охладителе равны:
L 10,97 кВт˙ ч т.е. в 2,42 раза меньше, чем в прототипе.

Предлагаемый охладитель молока обладает следующими преимуществами перед охладителем ТОМ-2А (прототипом): снижается расход энергии на охлаждение 1000 кг молока более чем в 2 раза; упрощается конструкция за счет отказа от фреоновой холодильной машины; повышается жирность молока; повышается экологическая чистота конструкция за счет отказа от фреона, разрушающего атмосферу.

Использование: охлаждение и хранение молока. Сущность: теплоизоляционная молочная ванна имеет газовую и жидкостную полости. Жидкостная полость содержит ограничитель уровня молока. Газовая полость соединена с вакуумным насосом, откачивающим водяные пары с поверхности молока. Затраты энергии на охлаждение молока снижены в 2-2,5 раза. После охлаждения жирность молока повышается на 4-5%. Экологическая чистота достигается за счет отказа от фреона и других холодильных веществ. Предназначен для молочных ферм и предприятий молочной и пищевой промышленности. 1 ил., 1 табл.

ОХЛАДИТЕЛЬ МОЛОКА, содержащий теплоизолированную и герметизированную молочную ванну с жидкостной и газовой полостями и систему охлаждения, отличающийся тем, что система охлаждения содержит вакуумный насос с рабочим давлением по водяному пару до 1 КПа, соединенный с газовой полостью молочной ванны.