УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2004 года по МПК A23C3/00 A23C3/02 A23L3/16 

Техническое решение относится к устройствам для непрерывной стерилизации жидких продуктов, например молока, и может быть использовано для тепловой обработки любых жидкостей.

Процесс стерилизации заключается в кратковременном нагреве обрабатываемой жидкости до температуры, значительно превышающей температуру кипения при атмосферном давлении. Для проведения ультравысокотемпературной стерилизации молока необходимо поддерживать температуру 140-150°С при давлении, предотвращающем кипение (более 4 атм), в течение не более 4 с с последующим быстрым охлаждением и понижением давления.

Известны установки для непрерывной стерилизации молока при ультравысокотемпературном режиме обработки, где нагрев происходит за счет конденсации в молоке водяного пара, охлаждение - за счет испарения. Они делятся на два типа: "пар в молоко" и "молоко в пар".

Пароконтактная установка ВТИС фирмы "Альфа-Лаваль" (1) является представителем установок типа "пар в молоко". В теплообменнике предварительного нагрева происходит нагрев молока до 75°С паром из котельной. Далее молоко поступает в пароконтактный нагреватель, обеспечивающий распределенный ввод перегретого пара в поток молока, в результате чего молоко быстро нагревается до 145°С. Горячее молоко поступает в вакуум-камеру, где вследствие понижения давления происходит испарение влаги молока, что приводит к охлаждению молока до 76-77°С. После гомогенизации молоко охлаждается до 20°С в охладителе пластинчатого типа при помощи холодной воды.

Пароконтактная установка "Лагилляр" фирмы "Лагилляр" (2) снабжена нагревателем типа "молоко в пар". В теплообменнике предварительного нагрева происходит нагрев молока до 75°С паром из котельной. В дальнейшем молоко поступает в пароконтакгный нагреватель и распыляется в атмосфере греющего пара, нагреваясь до 145°С. В вакуум-камере молоко охлаждается до 77°С и из него удаляется влага. Дальнейшее охлаждение идет при помощи холодной воды.

Обе вышеупомянутые конструкции требуют значительных капитальных затрат на создание самой установки и вспомогательных хозяйств (необходим источник пара и вакуумная система). Затруднена мойка трубопроводов и контактирующего с молоком оборудования. Высок уровень тепловых потерь. Экономически нецелесообразна обработка небольших партий молока.

Описанные недостатки частично компенсируются при использовании принципа нагрева жидкости теплотой, выделяющейся за счет вихревого трения в зазорах между неровными поверхностями, движущимися с разной скоростью. Определенный вклад в уничтожение микрофлоры вносит кавитация, возникающая при таких режимах течения.

Ближайшим по технической сущности к заявляемому решению является устройство для термообработки жидких пищевых продуктов (3). Оно включает корпус, консольно закрепленный на фланце электродвигателя, ротор, содержащий осевой насос, и две крышки с подвижными и неподвижными ячейками на торцевых сторонах ротора и смежных поверхностях крышек, патрубки подачи и отвода продукта. Полости, которые образованы ячейками, связаны при помощи каналов в роторе с патрубком подачи продуктов; предусмотрены также каналы для отвода парогазовой фазы, которая может образовываться при нагреве до температуры, близкой к температуре кипения. Устройство является нагревателем жидкости и одновременно насосом в технологической цепи установки. Нагрев жидкости производится целиком за счет преобразования в теплоту механической энергии, подведенной к ротору. Охлаждение продукта после нагревания производится в отдельном аппарате.

Недостатками данного устройства являются:

- невозможность проведения стерилизации при ультравыкотемпературном режиме, поскольку при работе устройство не создает давления (4 атм), необходимого для поднятия температуры до 140°С без вскипания; нет возможности быстро охладить жидкость, т.е. кратковременное (не более 4 с) поддержание высокой температуры исключено, а при длительной выдержке при повышенной температуре молоко теряет свои качества;

- неизбежность использования отдельного аппарата для охлаждения молока, например вакуумной камеры;

- отсутствие рекуперации тепловой энергии; теплота нагрева, полученная только за счет электроэнергии, потребляемой двигателем, целиком теряется при охлаждении.

Задачей заявляемого технического решения является создание устройства для осуществления стерилизации жидкости при ультравысокотемпературном режиме с использованием для нагрева теплоты, выделяющейся за счет вихревого трения в жидкости, с ее последующей рекуперацией. Устройство состоит из двух включенных встречно коаксиально расположенных лабиринтных насосов, причем наружный лабиринтный насос образован корпусом с винтовой нарезкой и наружной поверхностью ротора, а внутренний лабиринтный насос - статором с винтовой нарезкой и внутренней поверхностью ротора, причем рабочая часть ротора изготовлена в виде гофрированного тонкостенного стакана с винтовыми гофрами, выполненными так, что насосы работают навстречу друг другу; полости насосов с разделяющей их перегородкой (ротором) являются одновременно противоточным теплообменником-рекуператором и пространством, в котором за счет вихревого трения выделяется теплота. Таким образом, устройство обеспечивает нагрев прямого потока с одновременным повышением давления и охлаждение обратного потока при одновременном снижении давления. Имеется регулятор, изменяющий расход жидкости для обеспечения заданной высокой температуры в зоне поворота потока. Развитая турбулизация создает условия для интенсивной теплопередачи между встречными потоками и предотвращает налипание продуктов на поверхности. Процессы переноса вязкого импульса (жидкостное трение) и переноса теплоты (теплопроводность) в турбулентных потоках автомодельны; затрачиваемая на трение значительная механическая энергия обеспечивает коэффициент теплопередачи, позволяющий рекуперировать не менее 90% теплоты, выделяющейся в потоке. В результате возможен нагрев потока до 140°С при затратах мощности, соответствующей повышению температуры потока (между входом жидкости в аппарат и выходом) всего на 10-15°С, т.е. по сравнению с прямым нагревом без охлаждения затраты энергии сокращаются на порядок.

На чертеже изображено заявляемое устройство для стерилизации жидкостей, состоящее из следующих основных деталей: винтов 1 и 14, вала 2 и переднего щита 3 электродвигателя 23, пружины 4, втулок 5 и 11, корпуса 6, колец 7, 8 и 12, уплотняющих резиновых колец 9, 10, 13, ротора 15, статора 17, терморегулятора 20, штока 21, входного штуцера 22 и выходного патрубка 16, термоизоляции 18.

Корпус 6 имеет паяное соединение со статором 17 и крепится к переднему щиту 3 электродвигателя 23. Ротор 15 с помощью винта 14 консольно закрепляется на вал 2 электродвигателя. Корпус 6 и статор 17 имеют винтовую многозаходную нарезку, причем корпус 6 - правую, статор 17 - левую. Ротор 15 имеет ответную винтовую нарезку, выполненную в виде винтовых гофр. От попадания обрабатываемой жидкости в электродвигатель предохраняет торцевое уплотнение, состоящее из пружины 4, втулок 5 и 11, колец 7, 8 и 12, уплотняющих резиновых колец 9, 10 и 13.

Терморегулирование процесса осуществляется с помощью паровой камеры 19, регулятора 20 и штока 21.

Стерилизатор работает следующим образом.

Жидкость, входящая через штуцер 22, всасывается лабиринтным насосом, образованным наружной поверхностью ротора 15 и корпусом 6 (наружный насос), и под действием данного насоса перемещается от входного штуцера 22 до стенки паровой камеры 19, испытывая при этом интенсивный нагрев как в результате преобразования механической энергии вращающегося ротора в тепловую (за счет вихревого трения в жидкости), так и вследствие теплообмена с обратным более горячим потоком. Далее жидкость попадает в лабиринтный насос, образованный внутренней поверхностью ротора 15 и статором 17 (внутренний насос), создающий напор также в направлении к стенке паровой камеры 19. Вследствие превосходства напора, развиваемого наружным насосом, перед напором, развиваемым внутренним насосом, обрабатываемая жидкость, преодолевая действие внутреннего насоса, будет продвигаться к выходному патрубку 16, отдавая тепло потоку в полости внешнего насоса.

Таким образом, происходит нагрев обрабатываемой жидкости с последующей рекуперацией затраченной энергии.

Регулирование температуры происходит следующим образом. В заполненной водой камере 19 при рабочей температуре (около 140°С) образуется водяной пар, воздействующий через сильфон, входящий в состав терморегулятора 20, на шток 21, изменяющий расход жидкости на входном штуцере 22. Мойка устройства по окончании обработки осуществляется в тех же режимах при подаче в устройство питьевой воды в течение 1-2 мин.

Преимуществами заявляемого технического решениями являются: возможность проведения стерилизации жидкостей при ультравысокотемпературном режиме обработки без использования вспомогательных агрегатов и внешних источников тепла, компактность, простота обслуживания, высокий тепловой КПД установки за счет рекуперации используемого тепла.

Возможно создание установок стерилизации любой производительности. Для небольших ферм удобны стерилизаторы малой производительности; разработан проект установки со следующими характеристиками:

Источники информации

1. Золотин Ю.П. Стерилизованное молоко, 1979, с.56-65.

2. Там же, с.76-79.

3. Патент SU 2045910 (акционерное общество закрытого типа Научно-техническая коммерческая фирма "Агроживмаш-технология Лтд"); приоритет от 30.06.94; МКИ А 23 С 3/02, А 23 L 3/16.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к устройствам для непрерывной стерилизации жидких продуктов. Устройство для стерилизации жидких пищевых продуктов включает электродвигатель, фланец электродвигателя, вал, корпус, консольно закрепленный на фланце электродвигателя, а также два лабиринтных насоса. При этом наружный лабиринтный насос образован корпусом с винтовой нарезкой и наружной поверхностью ротора, а внутренний лабиринтный насос - статором с винтовой нарезкой и внутренней поверхностью ротора. Причем рабочая часть ротора изготовлена в виде гофрированного тонкостенного стакана с винтовыми гофрами, выполненными так, что насосы работают навстречу друг другу. Изобретение позволяет создать устройство для осуществления стерилизации жидкости при ультравысокотемпературном режиме с использованием для нагрева теплоты, выделяющейся за счет вихревого трения в жидкости, с ее последующей рекуперацией. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устройство для стерилизации жидких пищевых продуктов, включающее электродвигатель, фланец электродвигателя, вал, консольно закрепленный на фланце электродвигателя корпус, отличающееся тем, что оно содержит два лабиринтных насоса, при этом наружный лабиринтный насос образован корпусом с винтовой нарезкой и наружной поверхностью ротора, а внутренний лабиринтный насос - статором с винтовой нарезкой и внутренней поверхностью ротора, причем рабочая часть ротора изготовлена в виде гофрированного тонкостенного стакана с винтовыми гофрами, выполненными так, что насосы работают навстречу друг другу.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит температурный датчик в зоне максимальной температуры, управляющий регулирующим клапаном на входе в устройство.