Способ охлаждения молока и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F25D3/00 A01J9/04 

рубашкой ёмкости для подвода туда хладоносителя, холодильный агрегат с испарителем в виде панелей, размещенных в резервуаре аккумулятора. Хладоноситель заполняет резервуар. В период зарядки и в период потребления холода производят соответственно наращивание льда на панелях испарителя и плавление его в объеме хладоносителя, т.е. в объемном режиме плавления. В охладителе производят отвод тепла от молока в объеме емкости через стенку.

Недостатком этого технического решения является низкая интенсивность процесса охлаждения молока, что обуслов лено невысоким коэффициентом теплоотдачи ото льда к хл а до носителю в связи с незначительной скоростью плавления льда в заполненном объеме. В связи с этим холрдопроизводительность установки при охлаждении молока (разрядка аккумулятора) не превышает значения холодопроизво- дительности холодильного агрегата. Также б этом техническом решении ограничена интенсивность теплоотвода от молока в емкостном охладителе в .связи с невысоким коэффициентом теплоотдачи через стенку от хладоноситеяя к молоку и от молока к хладоносител ю, поскольку теплообмен происходит в большом объеме с малой степенью турбулизации от мешалки. Это не позволяет осуществить охлаждение молока в установленное ГОСТом время. Недостат- . ком, кроме того, является необходимость введения механической мешалки, работающей от индивидуального электродвига ;. теля. ; : ; . ... . ./v v .. :. ..-.. .

Известен охладитель молока, в котором осуществляют подачу его на охлажденную поверхность через распределитель в виде пленки. При этом охлаждающим веществом является расположенный по другую сторону охлаждающей поверхности лед.

Однако .в этом случае теплоотвод от молока замедлен в связи с образованием около теплообменной поверхности водяной прослойки, образуемой при таяний льда.

Известен охладитель молока, содержащий холодильный агрегат, теплообменник для охлаждения хладоносителя, панель из труб для хладоносителя, укрепленных с обеспечением между ними теплового контакта, установленный над панелью распределитель.

Недостатком этого устройства является отсутствие аккумулятора и то, что темп охлаждения молока определяется холодопро- изводительностью агрегата.

Известен способ охлаждения молока, предусматривающий подачу его на наружную поверхность теплообменника в охладителе, подвод к внутренней поверхности теплообменника хладоносителя, охлаждаемого в аккумуляторе путем разбрызгивания его над испарителем с последующим обтеканием хладоносителем ледяных наростов с плавлением льда в пленочном режиме. Намораживание льда на испарителе в аккумуляторе осуществляют в объеме, заполненном холодоносителем.

Известно устройство для охлаждения молока, содержащее аккумулятор холода, охладитель, включающий кожух и теплообменник, сообщенный с аккумулятором, холодильный агрегат, испаритель которого

размещен в резервуаре аккумулятора, линию подачи воды от водосборника аккумулятора к его верхней зоне над испарителем через форсунки для подачи хладоносителя и обеспечения пленочного режима обтекания 5..:.: ;

Этот.способ и устройство наиболее близки к заявленным по технической сущности и достигаемому результату и могут быть приняты в качестве прототипа.

В этом техническом решении обеспечен достаточно высокий теплосъем хладоносителем с поверхности льда в аккумуляторе. Однако это никак не согласовано с отводом тепла от молока, В существующих охладителях механизм теплоотвода от молока не позволяет реализовать весь тепловой потенциал, полученный хладоносителем в аккумуляторе. Чтобы интенсивно охлаждать продукт, необходимо обеспечить теплоот. вод в охладителе, сопоставимый с теплосъе- мом в аккумуляторе, определяемый .интенсивностью плавления льда,

Для сокращения времени охлаждения

молока, увеличения холрдопроизводительнести без увеличения холодопроизводи- тельности агрегата предлагаемый способ охлаждения молока, предусматривающий подачу его на наружную поверхность теплообменника в охладителе, подвод к внутценней поверхности теплообменника хладоносителя, охлаждаемого в аккумуляторе путем разбрызгивания его над испарителем с последующим обтеканием хладоносителем ледяных наростов с плавлением льда в пленочном режиме, отличается тем, что осуществляют теплообмен между хладоносителем и молоком в охладителе при коэффициентах теплоотдачи от одного к другому, близких по численному

значению, и обеспечивают значение этого коэффициента такого же порядка, что и при теплообмене между льдом и хладоносителем в аккумуляторе, при этом молоко в охладитель подают с созданием пленочного

режима обтекания поверхности теплообменника (как это имеет место в аккумуляторе при контакте хладоносителя с наморо- женным льдом), причем плотность орошения теплообменника выше минимальной, определяемой величиной значения поверхностного натяжения молока.

Аккумулирование холода можно осуществлять путем мелкодисперсного распыления воды над испарителем для получения ледяных наростов неправильной формы, а .расход хладоносителя определять с учетом холодопроизводительности агрегата в режиме намораживания.

Намораживание наростов при аккумулировании холода осуществляют до достижения ими толщины льда, определяемой соотношением

5Л (0,7-1) сЬкв при ёэкв 25 мм и 5л (1-1,3) Ьэкв при сЬкв 25 мм,

где 5л - толщина льда;

d3KB - эквивалентный диаметр, равный

4 F/P, где

F - поперечное сечение трубы испарителя;

Р - омываемый периметр трубы испарителя.

Для увеличения холодопроизводительности устройства в целом без изменения холодопроизводительности агрегата, а также сокращения времени охлаждения молока предложенное устройство для охлаждения молока, содержащее аккумулятор холода, охладитель, включающий кожух и теплообменник, сообщенный с аккумулятором, холодильный агрегат, испаритель которого размещен в резервуаре аккумулятора, ли- ию подачи хладоносителя от сборника аккумулятора к его верхней зоне над испарителем через форсунки для обеспечения пленочного охлаждения, отличается тем, что испаритель выполнен трубчатым и в поперечном сечении аккумулятора трубы рас- положены в шахматном порядке для исключения при подаче хладоносителя бесконтактного прохождения его по ледяным наростам на трубах, причем теплообменник содержит каналы, сообщенные с аккумулятором через линию подачи хладоносителя, и отношение периметра орошения теплообменника к его высоте составляет от 1/3 до 1/6, при этом над теплообменником установлен распределитель молока, содержащий горизонтальный коллектор со щелью или рядом отверстий и емкость с отогнутой вниз переливной отбортовкой. форма которой соответствует форме кромки теплообменника в его поперечном сечении для организации безударного пленочного обтекания молоком поверхности теплообменника. Последний может быть выполнен в виде панели, а емкость распределителя - в виде короба, при этом переливная отбортовка образовэна отогнутой вниз боковой стенкой короба.

Подача молока и хладоносителя в теплообменнике с близким по численному значению коэффициентом теплоотдачи создает

0 максимальный теплосъем с единицы поверхности теплообмена. Обеспечение значения этого коэффициента теплообмена такого же порядка, что и при теплообмене между льдом и хладоносителем в аккумуля5 торе позволяет охлаждать молоко более интенсивно и сохранять качество продукта. Подача молока к поверхности теплообмена в охладителе и хладоносителя ко льду в аккумуляторе с пленочным режимом обте0 кания интенсифицирует процесс теплообмена на всех стадиях процесса охлаждения молока.

Орошение молоком поверхности теплообмена с плотностью выше минималь5 ной, определяемой величиной значения поверхностного натяжения молока, предотвращает разрыв пленки в теплообменнике, способствует турбулизации режима течения пленки на внешней поверхности

0 панели и, как следствие, интенсификации теплообмена.

Теплопередача от хладоносителя. протекающего в каналах теплообменника при развитом турбулентном режиме при

5 Re Т 104 дает возможность отбирать тепло от молока с максимальной эффективностью.

Мелкодисперсное распыление воды над испарителем при аккумулировании хо0 лода обеспечивает превышение сил поверхностной адгезии над силами гравитации, что способствует схватыванию и замораживанию частиц хладоносителя (воды) на трубах испарителя. Образующиеся наросты

5 льда имеют неправильную форму и, следо- вательно, более развитую поверхность теплообмена. Кроме того, образование слоя льда сразу не на всей поверхности, а только на верхней поверхности труб создает

0 возможность холодильному агрегату в режиме аккумулирования холода работать при более высоких температурах кипения хладагента, т.е. с большей холодопроизво- дительностью.

5 Установление при аккумулировании расхода хладоносителя (воды) с учетом холодопроизводительности холодильного агрегата обеспечивает изменение фазового состояния и превращение в лед всей массы хладоносителя. Исключается нецелесообразная циркуляция его в системе и снижаются энергозатраты.

Подобранное соотношение геометрических параметров толщины наростов льда и размеров труб испарителя позволяет холодильному агрегату работать в рекомендуемом диапазоне термодинамических параметров (Т, Р кипения хладагента), что приводит к снижению энергетических потерь при охлаждении продукта.

Расположение труб испарителя горизонтально в шахматном порядке обеспечивает горизонтально-отрывной режим течения пленки, характеризующийся наибольшей ударной турбулизацией потока, и соответственно повышение коэффициента теплоотдачи.

Использование испарителя с охлаждающими элементами в виде труб способствует увеличению теплообменной поверхности по мере нарастания льда. Расположение труб испарителя в шахматном порядке предотвращает бесконтактное проскакива- ние частицами распыляемого хладагента элементов охлаждающей поверхности.

Выполнение теплообменника с отношением периметра орошения к его высоте от 1/3 до 1/6 дает возможность увеличить плотность орошения, связанного с ней коэффициента теплоотдачи от молока и. как следствие, снизить габариты и материало- емкость устройства.

, Выполнение распределителя в виде емкости с отогнутой вертикально вниз переливной отбортовкой, форма которой соответствует форме кромки теплообменника в его поперечном сечении, способствует организации безударного пленочного обтекания молоком обеих сторон теплообменника без нарушения внутренней структуры жировых телец (шариков) в молоке, сохранению его качества.

На фиг,1 представлена принципиальная схема устройства для охлаждения молока; на фиг,2 -устройство в аксонометрии; на фиг.З - аккумулятор холода, поперечный разрез; на фиг.4 - распределитель молока в аксонометрии.

Устройство для охлаждения молока содержит холодильный агрегат 1, аккумулятор 2 холода, охладитель 3. Холодильный агрегат содержит компрессор 4, конденсатор 5, испаритель, включающий трубы 6, размещенные в резервуаре 7 аккумулятора и расположенные в поперечном сечении аккумулятора в шахматном порядке. При этом оси труб расположены по углам равностороннего треугольника, и расстояния между ними выбраны так, чтобы с учетом диаметра трубы d и толщины 5л льда исключить бесконтактное прохождение разбрызгиваемого хладоносителя мимо поверхности ледяных наростов. К внутренним стенкам резервуара 7 над трубами 6 испарителя прикреплены отбойные пластины 8, Под резервуаром 7 установлен сборник 9 охлажденного хладоносителя, связанный линией 10 подачи хладоносителя с верхней зоной резервуара 7 над трубами б

0 испарителя. На конце этой линии установлены форсунки 11,12 для подачи хладоносителя при намораживании или потреблении льда и обеспечения пленочного обтекания охлаждающей поверхности. Охлади5 тельЗ содержит кожух 13 и теплообменник, установленный вертикально, отношение периметра орошения которого к высоте составляет от 1/3 до 1/6. Теплообменник может быть выполнен в виде вертикальной

0 панели 14, внутри которой имеются каналы 15 для хладоносителя, или может иметь изогнутую поверхность.

Через трубы 16 с вентилями 17,18 каналы 15 теплообменника подсоединены к ли5 нии 10 подачи хладоносителя и через нее сооба ены с аккумулятором холода. На линии 10 установлен побудитель потока хладоносителя, например насос 19.

Над панелью 14 установлены моло0 коприемник20 и распределитель молока. Последний содержит связанный с молокоп- риемником 20 горизонтальный коллектор 21 со щелью или рядом отверстий и емкость с отогнутой вниз переливной отбортовкой,

5 форма которой соответствует форме кромки теплообменника в его поперечном сечении, для организации безударного обтекания молоком поверхности теплообменника. Емкость распределителя может быть выполне0 на в виде короба 22. При этом переливная отбортовка может быть образована отогнутой вниз боковой стенкой 23 короба 22. Короб 22 связан с поворотным механизмом 24 для регулирования наклона днища

5 короба 22 относительно горизонтальной плоскости,

Способ охлаждения молока осуществляют в представленном выше устройстве следующим образом.

0 ГОСТом предусмотрено охлаждение молока в течение 2 ч после выдаивания. Учитывая, что в течение суток проводят 2-3 дойки, продолжительность охлаждения за сутки не должна превышать соответственно 4-6 ч.

5 Поэтому подбирать холодильный агрегат на полную пиковую тепловую нагрузку, которая имеет место в этот период, нецелесообразно, так как в остальное время оборудование будет простаивать. В соответствии с этим энергетически более выгодно устанавливать агрегат малой холодоп- роизводительности (не более 1/3-1/4 пиковой нагрузки), используя его в период между дойками для аккумулирования холода, реализуемого в дальнейшем при охлаждении молока.

На первом этапе производят зарядку аккумулятора 2. Это можно осуществить двумя путями. Один из них предусматривает заполнение резервуара 7хладоноси- телем. При этом трубы 6 испарителя затоплены. Включают холодильный агрегат 1 и производят намораживание льда на трубах 6 равномерно по всей поверхности, после чего холодильный агрегат может быть отключен до наступления периода охлаждения молока.

Другой путь зарядки аккумулятора предусматривает мелкодисперсное распыление через форсунки 12 хладоносителя над испарителем, в результате чего на трубах 6 Образуются наросты льда неправильной формы. Теплообменная поверхность таких наростов больше, чем у цилиндрических, образованных у труб, расположенных в объеме жидкого хладоносителя.

Расход воды GB, подаваемой на распыление, определен с учетом средней холодоп- роизводительности q холодильного агрегата в режиме намораживания. При холодопроиз- водительности q 1,65 кВт расход воды GB составляет 20 кг/ч.

Намораживание наростов осуществляют до достижения ими толщины льда, определяемой соотношений 8л (0.7-1) сЬкв при и 8л(1-1,3) d3K8 при d9KB 25мм, где 8л - толщина льда;

daKB - эквивалентный диаметр, равный .0экв 4 F/P. где F - поперечное сечение трубы испарителя,

Р - омываемый периметр труб.

При da™ 16 мм намораживают лед толщиной Sn 21 мм. При daKB 12 мм толщина намороженного льда 8л 15 мм, а при йэкв 42 мм 8л 35 мм,

Намораживание льда выше этих значений приводит к недопустимому снижению температуры кипения хладагента и удельной холодопроизводительности агрегата. Намораживание льда меньшей толщины вызывает нерациональное увеличение сум- маркой длины труб в аккумуляторе при необходимом для работы установленном количестве льда.

Перед потреблением холода хладоноси-. тель из сборника 9 посредством насоса 19 подают по линии 10 и разбрызгивают через форсунки 11 на ледяные наросты на трубах 6. Форсунки 12 при этом отключены. При пленочном обтекании хладоносителем наростов происходит плавление льда в пленочном режиме при коэффициенте теплоотдачи льда ап 4000-5000 Вт/м2К. При этом расход хладоносителя регулируют в зависимости от выполнения каналов теплообменника так, что обеспечивают прохождение его по каналам 15 в турбулентном режиме, т.е. при Re 1 104.

При внутреннем диаметре канала

йвн 19 мм и ширине панели 14 b 200 мм расход воды GB 2,4 м3/с, что соответствует Re 1 104. Коэффициент теплоотдачи от .хладоносителя при этом ах 2000 Вт/м2К, т.е. такого же порядка, что и козффи5 циент теплоотдачи ото льда а п 4000-5000 Вт/м2К.

Молоко подают из емкости 20 через коллектор 21 в короб 22, откуда оно по вертикальной стенке 23 стекает и подается

0 на обе стороны панели 14. При этом при расходе молока GM 10 л/ч и ширине панели 14 b 200 мм обеспечивают плотность орошения панели rv 1,6- м2/с.

Минимальная плотность орошения fv

5 определяется в каждом конкретном случае самостоятельно в зависимости от поверхностного натяжения молока и краевого угла смачивания и составляет порядка 0,5-10 4м2/с.

0 При rw 1,6 м2/с молоко стекает по панели 14 неразрывным потоком. При этом обеспечивается коэффициент теплоотдачи от молока ам 2000 Вт/м2К, равный по численному значению коэффициенту

5 теплоотдачи от хладоносителя. Таким образом обеспечивается максимально возможный теплоотвод от молока.

В процессе охлаждения молока лед в аккумуляторе отбирает тепло от хладоноси« теля и расплавляется. После завершения холодильной обработки молока необходимо провести зарядку аккумулятора, заполняя резервуар 7 и погружая трубы 6 испарителя в хладоноситель или осуществляя мелкодис5

0

персное распыление хладоносителя над трубами 6 до образования на них необходимого объема льда.

Использование в аккумуляторе трубчатого испарителя способствует увеличению при намораживанни площади .поверхности

льда пропорционально диаметру трубы со льдом и обеспечивает максимальную поверхность контакта хладоносителя со льдом.

После намораживания на трубах испа- 5 рителя наростов льда заданных размеров отключают холодильный агрегат до наступления времени охлаждения молока.

Данное техническое решение позволяет использовать холодильный агрегат малой

производительности для охлаждения значительного количества молока в установленное ГОСТом время благодаря накоплению в аккумуляторе холода количества льда, обеспечивающего съем до 3/4 тепловой нагрузки от молока в период его.охлаждения и организации более полного использования накопленного теплового потенциала за счет повышения коэффициентов теплоотдачи ото всех участвующих в этом процессе сред (лед - хладрноситель - молоко). Организация пленочного режима обтекания хладоносителем и молоком теплообменных поверхностей (льда и

теплообменника), а также согласованность коэффициентов их теплоотдачи с коэффициентом теплоотдачи от хладоно- сителя к молоку в охладителе позволяет в 3-4 раза сократить время охлаждения

единицы массы молока.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Зп - (0.7-1,0) при баке 25 мм, или 8л - (1,0-1,3)d3KB при dans 525мм,

где Зл - толщина льда;

- эквивалентный диаметр, равный 4F/P,

где F - поперечное сечение трубы испарителя;

Р -омываемый периметр трубы испарителя.

Фиг.Ј

1

1§

§

А