Способ охлаждения молока и устройство для его осуществления

(19) 25 О 3/00, А 01.3 9/О 1)5 САНИ РЕТЕНИ ТЕНТУ 4 О ь. К) Ы (Л лодильной на молочн ерских хоз едусматри у дойками ружения и та в жидк ерсного рас елем. Расхо техникео-товаряйствах, вает нахолода в спаритеий хладо- . пыления д хладо-. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР1 ГОСПАТЕНТ СССР)(71) Малое государственное предприятие(56) 1, Каталог Холодильные машины и аппараты, часть 2, Танк-охладитель молока ТОМ 2 А, ЦИНТИХИМНефтемаш, 1975, с,90-91,2. ГОСТ 13264-88. Молоко коровье. Требования при закупках.3, Авторское свидетельство СССРМ 24194, кл. Р 25 О 3/04, 1931,4. Справочник по холодильной технике,Применение холода в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность,1979, с.190.5. Авторское свидетельство СССРМ 1537989, кл. Р 25 О 3/00, 1990.(54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА ИГО ОСУЩЕСТВЛЕУСТРОИСТВО ДЛЯ Е НИЯ(57) Использование: в х для охлаждения молока ных фермах и в ферм Способ охлаждения пр копление в период межд аккумуляторе путем пог ля холодильного агрега носитель или мелкодисп последнего над испарит Изобретение, относится к холодильной технике и предназначено для охлаждения молока на молочно-товарных фермах и в фермерских хозяйствах,2носителя при этом определяют с учетом холодопроизводительности холодильного агрегата в период намораживания. В течение 2 ч после выдаивания молоко в виде пленки подают на внешнюю поверхность теплообменника в охладителе молока, а к каналам теплообменника подают из аккумулятора хладоноситель, При этом последний охлаждается в аккумуляторе за счет пленочного контакта с ледяными наростами на трубах испарителя, а в каналы теплообменника подается с обеспечением числа Рейнольдса Яе1 104. Обеспечение теплопередачи при пленочном контакте хладоносителя со льдом в аккумуляторе и молока с теплообменником в охладйтеле, а также подача хладоносителя в каналы теплообменника в турбулентном режиме сокращают время охлаждения молока и увеличивает холодопроизводительность устройства без увеличения холодопроизводительности агрегата, Трубы испарителя расположены в аккумуляторе в поперечном сечении в шахматном порядке. Теплообменник в охлади- теле содержит вертикальную панель с каналами для хладоносителя, отношение периметра орошения которой к ее длине составляет от 1/3 до 1/6. Распределитель молока установлен над панелью и содержит коллектор и приемный короб с отогнутой вертикально вниз боковой стенкой для организации безударного пленочного обтекания молоком обеих сторон панели. 2 с, и 3 з.п. ф-лы, 4 ил. Известен способ охлаждения молока, реализуемый в устройстве, содержащем охладитель молока, включающий емкость с мешалкой, аккумулятор холода, сообщенный с1794235Составитель Редактор Г. Федотов Техред М.Моргентал Корректор А,Мотыль Заказ 532 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,1794235 3 4рубашкой емкости для подвода туда хладо- теле, подвод к внутренней поверхности тепносителя, холодильный агрегат с испарите- лообменника хладоносителя, охлаждаемолем в виде панелей, размещенных в го в аккумуляторе путем разбрызгивания резервуаре аккумулятора. Хладоноситель его над испарителем с последующим обтезаполняет резервуар. В период зарядки и в 5 канием хладоносителем ледяных наростов .период потребления холода производят со- с плавлением льда в пленочном режиме.ответственно наращиваниельда на панелях Намораживание льда на испарителе в акиспарителя и плавление его в объеме хладо- кумуляторе осуществляют в объеме, заполносителя, т.е, в объемном режйме плавле- ненном холодоносителем.ния. В охладителе производят отвод тепла 10 Известно устройство для охлаждения от молока в объеме емкости через стенку. молока, содержащее аккумулятор холода,Недостатком этого технического ре- охладитель, включающий кожух и теплообшения является низкая интенсивность менник,сообщенный с аккумулятором., хопроцесса охлаждения молока, что обуслов- . лодильный агрегат, испаритель которого . лено невысоким коэффициентом теплоот размещен в резервуаре аккумулятора, лидачи ото льда к хладоносителю в связи с нию подачи воды от водосборника аккумунезначительной скоростью плавления лятора к его верхней зоне над испарителем льда в заполненном объеме, В связи с этим через форсунки для подачи хладоносителя холодопроизводительность установки при и обеспечения пленочного режима обтека. охлаждении молока (разрядка аккумулято ния 5).ра) не превышает значения холодопроизво- Этот способ и устройство наиболее дительности холодильного агрегата. Также близки к заявленным по технической сущнов этом техййческом решении ограничена ин- сти и достйгаемому результату и могут быть тенсивность теплоотвода от молока в емко- приняты в качестве прототипа.стном охладителе в связи с невысоким 25 В этомтехническом решении обеспечен коэффициентом теплоотдачй через стенку достаточно высокий теплосъем хладоносиот хладоносителя к молоку и от молока к телем с поверхности льда в аккумуляторе.хладоносителю, посколькутеплообмен про- Однако это никак не согласовано с отводомисходит в большом объеме с малой сте- теплаотмолока, Всуществующихохладитепеныо турбулизации от мешалки. Это не 30 лях механизм теплоотвода от молока не по- позволяет осуществить охлаждение моло- зволяет реализовать весь тепловой ка в установленное ГОСТом время. Недостат- потенциал, полученный хладоносителем в ; ком, кроме. того, является необходимость аккумуляторе.Чтобыинтенсивноохлаждатьвведения мехайической мешалки, работа- продукт, необходимо обеспечить теплоотющей от индивидуального электродвига. вод в охладителе, сопоставимый с теплосъе.теля.мом в аккумуляторе, определяемыйИзвестен охладитель молока; в котором интенсивностью плавления льда.осуществляют подачу его на охлажденную Для сокращения времени охлаждения поверхность через распределитель в виде молока, увеличения холодопроизводительпленки.йриэтомохлаждающимвеществом 40 ности без увеличения холодопроизводиявляетСя расположенный подругую сторону тельности агрегата предлагаемый способ охлаждающей поверхности лед. охлаждения молока, предусматривающийОднако.в этом случае теплоогвод от мо-подачу его на наружную поверхность теплока замедлен в связи с образованием око- лообменника в охладителе, подвод к внутло теплообменной поверхности водяной 45 ренней поверхности теплообменника прослойки, образуемой при таянии льда,хладоносителя, охлаждаемого в аккумуляИзвестен охладитель молока. содержа- торе путем разбрызгивания его над испащий холодильный агрегат, теплообменник рителем с. последующим обтеканием для охлаждения хладоносителй, панель из хладоносителем ледяных наростов с плавтруб для хладоносителя, укрепленных с 0 лением льда в пленочном режиме, отличает- обеспечением между ними теплового кон-. ся тем, что осуществляют теплообмен такта, установленный над панелью распре- между хладоносителем и молоком в охлади- делитель.: теле при коэффициентах теплоотдачи от одНедостаткомэтогоустройстваявляется ного к другому, близких по численномуотсутствие аккумулятора и то. что темп ох значению, и обеспечивают значение этого лаждения молока определяется холодопро- коэффициента такого же порядка, что и при изводительностью агрегата, - теплообмене между льдом и хладоноситеИзвестен способ охлаждения молока, лем в аккумуляторе, при этом молоко в охлапредусматривающий подачу его на наруж- дитель подают с созданием пленочного ную поверхность теплообменника в охлади- режима обтекания поверхности теплооб 179 1235менника (как зто имеет место в аккумуляторе при контакте хладоносителя с намороженным 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 соотношениемЯл =- (О;7 - 1) с 3 экв при бэкв25 мм и Ял = (1-1,3) бэкв при с 3 экв25 мм,где Ял - толщина льда;бэкв - эквивалентный диаметр, равный с 3 экв = 4 Р/Р, гдеЕ - 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, линию 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 расположены 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 обте кания молоком поверхности теплообменника. Последний может быть выполнен в виде панели, а емкость распределителя - в виде короба, при этом переливная отбортовка образована отогнутой вниз боковой стенкой короба,Подача молока и хладоносителя в теплообменнике с близким по численному значению коэффициентом теплоотдачи создает максимальный теплосъем с единицы поверхности теплообмена. Обеспечение значения этого коэффициента теплообмена такого же порядка, что и при теплообмене между льдом и хладоносителем в аккумуляторе позволяет охлаждать молоко более ин 5 10 15 дительностью.Установление при аккумулировании расхода хладоносителя (воды) с учетом холодопроизводительности холодильного агрегата обеспечивает изменение фазового состояния и превращение в лед всей массы хладоноситвля. Исключается нецелесооб 55 тенсивно и сохранять качество продукта.Подача молока к поверхности теплообмена в охладителе и хладоносителя ко льду ваккумуляторе с пленочным режимом обте 20 кания интенсифицирует процесс теплообмена на всех стадиях процесса охлаждениямолока.Орошение молоком поверхности теплообмена с плотностью выше минималь 25 ной, определяемой величиной значенияповерхностного натяжения молока, предотвращает разрыв пленки в теплообменнике, способствует турбулиэации режиматечения пленки на внешней поверхности30 панели и, как следствие, интенсификациитеплообмена,Теплопередача от хладоносителя,протекающего в каналах теплообменника при развитом турбулентном режиме при35 Ве1 10 дает возможность отбиратьтепло от молока с максимальной эффективностью.Мелкодисперсное распыление водынад испарителем при аккумулировании хо 40 лода обеспечивает превышение сил поверхностной адгезии над силами гравитации,что способствует схватыванию и замораживанию частиц хладоносителя (воды) на трубах испарителя. Образующиеся наросты45 льда имеют неправильную форму и, следовательно, более развитую поверхность теплообмена, Кроме того, образование слояльда сразу не на всей поверхности, а только на верхней поверхности труб создает50 возможность холодильному агрегату в режиме аккумулирования холода работатьпри более высоких температурах кипенияхладагента, т.е. с большей холодопроизво 1794235разная 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 гурбулизацией 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 проскакивание частицами распыляемого хладагента элементов охлаждающей поверхности.Выполнение теплообменника с отношением периметра орошения к его высоте от 1/3 до 1/б дает возможность увеличить плотность орошения, связанного с ней коэффициента теплоотдэчи 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.3 - 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 б и толщины Ял льда исклю 5 10 15 20 25 30 35 40 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 45 50 короба 22 относительно горизонтальной плоскости,Способ охлаждения молока осуществляют в представленном выше устройстве следующим образом.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,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 выгодчить бесконтактное прохождение разбрызгиваемого хлэдоносителя 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 6 испарителя. На конце этой линии установлены форсунки 11, 12 для подачи хладоносителя при намораживании или потреблении льда и обеспечения пленочного обтекания охлаждающей поверхности. Охлади- тель 3 содержит кожух 13 и теплообмен ник, установленный вертикально, отношение периметра орошения которого к высоте составляет от 1/3 до 1/б, Теплообменник может быть выполнен в виде вертикальной панели 14, внутри которой имеются каналы 15 для хладоносителя, или может иметь изогнутую поверхность.Через трубы 16 с вентилями 17, 18 каналы 15 теплообменникэ подсоединены к линии 10 подачи хлэдоносителя и через нее сообщены с аккумулятором холода, Нэ линии 10 установлен побудитель потока хладоносителя, например насос 19,Над панелью 14 установлены молокоприемник 20 и распределитель молока: Последний содержит связанный с молокоприемником 20 горизонтальный коллектор 21 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 обтекания молоком поверхности теплообменника. Емкость распределителя может быть выполне 1794235 1010 15 20 25 30 35 40 50 количестве льда.Перед потреблением холода хладоноситель из сборника 9 посредством насоса.19 но устанавливать агрегат малой холодопроизводительности (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 7 хладоносителем. При этом трубы 6 испарителя затоплены. Включают холодильный агрегат 1 и производят намораживание льда на трубах 6 равномерно по всей поверхности, после чего холодильный згрегат 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 Ов, подаваемой на распыление, определен с учетом средней холодопроизводительности ц холодильного агрегата в режиме намораживания, При холодопроизводительности ц = 1,65 кВт расход воды.бв составляет 20 кг/ч.Намораживание наростов осуществляют до достижения ими толщины льда, определяемой соотношений Зл = (0,7 - 1) бэкв при бэкв 25 мм и Ял=(1-1;3) бэкв при бэкв25 мм, где Ял - толщина льда; бэкв - эквивалентный диаметр, равный дэкв = 4 Е/Р, где Р - поперечное сечениетрубы испарителя; Р - омываемый периметр труб, При бэкв = 16 мм намораживают лед толщиной Ял - 21 мм. При бэкв = 12 мм толщина намороженного льда Зл 15 мм, а при бэкв 42 мм Зл = 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 суммарной длины труб в аккумуляторе при необходимом для работы установленном подают по ливии 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 ал = 4000 - .5000 Вт/м К. При этомрасход хладоносителя регулируют в зависимости от выполнения каналов теплообменника таК что обеспечивают прохождениеего по каналам 15 в турбулентном режиме,т,е, при Ве1 104.При внутреннем диаметре каналабвн = 19 мм и ширине панели 14 Ь = 200 ммрасходводыбв=2,4 10 м /с,чтосоответ3ствует йе = 1 10 . Коэффициент теплоотда 4чи от уладоносителя. при этом ак = 2000Вт/м К, т.е, такого же порядка, что и коэффи 2циент теплоотдачи ото льда а л " 4000 - 5000Вт/м К,Молоко подают из емкости 20 черезколлектор 21 в короб 22, откуда оно повертикальной стенке 23 стекает и подаетсяна обе стороны панели 14. При этом прирасходе молока Ом = 10 л/ч и ширине панели 14 Ь = 200 мм обеспечивают плотностьорошения панели Г = 1,6 10 " м /с,Минимальная плотность орошения Гчопределяется в каждом конкретном случае самостоятельно в зависимости от поверхностного натяжения молока и краевогоугла смачивания и составляет порядка0,5 10 м /с,При Г = 1,6 10 м /с молоко стекаетпо панели 14 неразрывным потоком. Приэтом обеспечивается коэффициент теплоотдачи от молока а м = 2000 Вт/м К, равныйпо численному значению коэффициентутеплоотдачи от хладоносителя. Таким образом обеспечивается максимально возможный теплоотвод от молока.В процессе охлаждения молока лед ваккумуляторе отбирает тепло от хладоносителя и расплавляется, После завершения холодильной обработки молока необходимопровести зарядку аккумулятора, заполняярезервуар 7 и погружая трубы 6 испарителяв хладоноситель или осуществляя мелкодис 5 персное распыление хладоносителя надтрубами 6 до образования на них необходимого обьема льда,Использование в аккумуляторе трубчатого испаритеая способствует увеличениюпри намораживании площади поверхностильда пропорционалъно диаметру трубы сольдом и обеспечивает максимальную поверхнбсть контакта хладоносителя со льдом.После намораживания на трубах испарителя наростов льда заданных размеровотключают холодильный агрегат до наступления времени охлаждения молока,Данное техническое решение позволяет испольэовать холодильный агрегат малой1794235 12 5 10 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 тепло- отдачи ото всех участвующих в этом проФормула изобретения 1, 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 и плавлением льда в пленочном режиме, о т л ич а ю щ и й с я тем, что осуществляют теплообмен между хладоносителем и молоком в охладителе при коэффициентах тепло- отдачи от одного к другому близких по численному значению. и обеспечивают значение этого коэффициента такого же порядка; что и при теплообмене между льдом и хладоносителем е аккумуляторе, при этом молоко в охладитель подают с созданием пленочного режима обтекания им поверхности теплообменника и плотностью орошения теплообменика выше минимальной, определяемой величиной поверхностного натяжения молока, а хладоноситель подают в теплообменник через каналы с обеспечением числа Рейнольдса Ве 1 10.2. Способпоп 1,отл и чаю щийся тем, что при аккумулировании холода осуществляют мелкодисперсное распыление хладоносителя над испарителем для получения ледяных наростов неправильной формы, а расход хладоносителя определяют с учетом холодопроизводительности холодильного агрегата в режиме намораживания.3, Способ по пп,1 и 2, о т л и ч а ю щ в йс я тем, что намораживание наростов льда осуществляют до достижения ими толщины льда, определяемой соотношением Зл (0,7-1,0) бзкв при бзкв25 мм,или Зл-(1,0-1,3) бзкв при бзкв 25 мм,цессе сред (лед - хладоноситель - молоко). Организация пленочного режима обтекания хладоносителем и молоком теплообменных поверхностей (льда и теплообменника), а также согласованность коэффициентов их теплоотдачи с коэффициентом теплоотдачи от хладоносителя к молоку в охладителе позволяет в 3-4 раза сократить время охлаждения единицы массы молока. где Ял - толщина льда;бзкв - эквивалентный диаметр, равный4 Е(Р,где Е - поперечное сечение трубы испарителя;Р - омываемый периметр трубы испарителя.4. Устройство для охлаждения молока,содержащее аккумулятор холода, охладитель, включающий кожух и теплообменник,сообщенный с аккумулятором, холодильныйагрегат, испаритель, которого размещен врезервуаре аккумулятора, линию подачихладоносителя от сборника аккумулятора кего верхней зоне над испарителем черезфорсунки для обеспечения пленочного ре-.жима обтекания, о тл и ч а ю щ ее с я тем,что испаритель выполнен трубчатым и в поперечном сечении аккумулятора трубы расположены в шахматном порядке дляисключения при подаче хладоносителя бесконтактного прохождения его по ледянымнаростам на трубах, причем теплообменниксодержит каналы, сообщенные с аккумулятором через линию подачи хладоносителя иотношение периметра орошения теплообменника к его высоте составляет от 1(3 до1(6, при этом над теплообменником установлен распределитель молока, содержащий горизонтальный коллектор с щелью илирядом отверстий и емкость с отогнутой внизпереливной отбортовкой, форма которой соответствует форме кромки теплообменникав его поперечном сечении для организациибезударного пленочного обтекания молоком поверхности теплообменника.5.Устройствопоп.4,отл ича ющеес я тем, чтотеплообменник выполнен в виде. панели, а емкость распределителя - в видекороба, при этом переливная отбортовка образована отогнутой вниз боковой стенкойкороба,