Молокоохладитель бродского

Полезная модель, молокоохладитель Бродского (МБ), предназначен для охлаждения молока в процессе дойки на мелочно - товарных фермах с суточными надоями от 300 л до 2500 л. Содержит термоизолированный вертикально - цилиндрический резервуар с мотор - редуктором, мешалкой, щелевым испарителем, встроенным в нижнюю часть цилиндра резервуара, и компрессорно-конденсаторным агрегатом, жидкостный трубопровод которого связан с нижним инжектором, а паровой (всасывающий) трубопровод ККА с верхним коллектором испарителя. В круглое днище резервуара снизу приварен герметичный цилиндрический картер с верхним переливным патрубком и нижним напорным патрубком, причем нижний напорный патрубок картера размещен под сливным краном резервуара и соединен - через дроссельную шайбу и напорный кран - с артезианским водопроводом, а верхний переливной патрубок - с канализацией. МБ позволяет охладить в процессе вечерней дойки за 1 час пол резервуара молока до +4°С, а также в процессе утренней дойки все молоко суточного надоя еще за 1 час до +4°С, при этом достигается двух-трехкратная экономия электроэнергии по сравнению с фреоновыми молокоохладителями при расходах артезианской воды 3:1 по отношению к объему молока, благодаря комбинированному водопроводно-фреоновому охлаждению. В первые в России с помощью МБ вдвое превзойден двухдоечный Евростандарт IS05708 2 ВII, предусматривающий охлаждение половины резервуара за 2.5 часа по энергоэффективности и быстродействию!!

Область применения.

Полезная модель, молокоохладитель Бродского, в дальнейшем МБ, предназначена для сбора, охлаждения молока на молочно-товарных фермах с суточным надоем от 300 л до 2500 л

Уровень техники.

В настоящее время для сбора и охлаждения молока до температуры +4° на фермах используются фреоновые молокоохладители [1-5]. 0ни содержат резервуар вертикально - цилиндрической [1, 3], квадратной [2], горизонтально - полуцилиндрической [4], горизонтально - цилиндрической (закрытой)[5] формы и компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА). В нижней части резервуаров используется встроенный щелевой испаритель [1, 2], получаемый шовной сваркой, а также припаянный «полуспющенный» медный трубчатый [3, 4, 5]. Жидкостной вход испарителей (инжектор), расположенный снизу, соединен с входом ККА, а паровой выход испарителей (коллектор) - со всасывающим трубопроводом ККА. Они могут содержать также дополнительный квадратный (кубический) резервуар-предохладитель [2] со щелевой водяной рубашкой по днищу и четырем боковым граням, соединенный с артезианским водопроводом, обеспечивающий высокую скорость и энергосбережение, однако его недостатком является усложненная конструкция, высокая трудоемкость изготовления и цена (по - существу два резервуара, вместо одного).

Недостатком медных паянных трубчатых испарителей [3, 4, 5] по сравнению со щеловыми [1, 2], «сплошными», является малая контактная площадь охлаждения («зебра») и высокая трудоемкость изготовления, а также, как следствие, низкая скорость работы.

Недостаток вертикально-цилиндрических резервуаров-молокоохладителей [1, 3], содержащих испаритель в нижней части цилиндра, заключается в невозможности его включения в работу без заполнения на 25% молоком. Такая вынужденная «пауза» после начала дойки снижает скорость достижения +4° и незначительно повышает БАК - обсемененность

Из известных наиболее близким по технической сущности (прототипом) является молочная холодильная установка по патенту RU 2438300 от 10.08.2010г [1]. Она содержит вертикально - цилиндрический резервуар со щелевым испарителем, встроенным в нижнюю часть цилиндра резервуара, с нижним жидкостным инжектором и верхним паровым коллектором, соединенными соответственно со входом и выходом ККА. После охлаждения молока до +4° термодатчик через компаратор отключает ККА. Такая МХУ позволяет быстро охладить молоко при половинной загрузке из молоковоза. Однако, основным недостатком прототипа является свободное от холодильных потоков днище, что актуально для вертикально-цилиндрических резервуаров малого объема от 300 л до 2500 л, предназначенных для сбора и охлаждения молока на фермах в процессе дойки. Радиусный гладкий переход внутренней поверхности цилиндра и плоского днища не позволяет в начале дойки покрыть нижние щели испарителя молоком. Это вызывает вынужденную «паузу» порядка получаса. Например, для двухдоечного резервуара 2000 л молока утренней дойки 1000 л поступает равномерными порциями по 200 л каждые 15 мин в течение 11,5 часов. Лишь вторая порция, заполняющая резервуар на 20% позволит включить ККА в работу, т.к. часть щелей испарителя (30%) покрывается тепловой нагрузкой. Ошибочное раннее включение оператором ККА в работу без нагрузки может вывести молокоохладитель из строя и снижает его надежность и ресурс, т.к. жидкий фреон не испаренным может попасть во всасывающий трубопровод компрессора и вызвать заклинивание.

Технический результат.

Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является ускорение процесса охлаждения молока во время дойки при одновременном снижении энергозатрат за счет использования потока холода от артезианской (водопроводной) воды, которая имеется на каждой ферме. Реализация этой задачи простейшими средствами.

Техническая сущность устройства.

Заявленный технический результат достигается тем, что в молокоохладитель, содержащий теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар со сливным краном, мотор-редуктором, мешалкой, термодатчиком, компрессорно-конденсаторным агрегатом (ККА), а также щелевым испарителем, встроенным в нижнюю часть цилиндра резервуара, с нижним инжектором и верхним коллектором, соединенными соответственно с жидкостным нагнетательным и паровым всасывающим трубопроводами ККА, причем выход термодатчика через компаратор связан с отключающим входом ККА, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ БРОДСКОГО, в круглое днище резервуара снизу приварен цилиндрический герметичный картер с верхним переливным патрубком, нижним напорным патрубком и армирующими вварными стяжками между днищем резервуара и картера, причем нижний напорный патрубок картера размещен под сливным краном и соединен через - дроссельную шайбу и напорный кран - с артезианским водопроводом, а верхний переливной патрубок картера размещен с диаметрально противоположной стороны и соединен с канализацией.

В нижнюю часть цилиндра резервуара также может быть встроен датчик уровня, связанный со включающим входом ККА.

Краткое описание чертежей. Реализация полезной модели.

На фиг.1 представлен сборочный чертеж молокоохладителя Бродского (МБ), на фиг.2 - развертка щелевого испарителя.

МБ содержит теплоизолированный вертикально - цилиндрический резервуар 1 со сливным краном 2, мотор - редуктором 3, мешалкой 4, подъемной крышкой 5, регулируемыми опорами 6, термодатчиком 7, компрессорно-конденсаторным агрегатом 8. В нижнюю часть цилиндра резервуара 1 встроен щелевой испаритель 9, полученный шовной сваркой (фиг.2) с последующим вздутием, с нижним вертикальным инжектором 10, верхним вертикальным коллектором 11 и разворотной полостью 12. На фиг.2 представлена развертка щелевого испарителя 9-500 - литрового МБ, имеющего диаметр 800 мм, выполненного из одного листа 2 мм с размерами 1100×2500, к нему приваривается лист 550×2450 толщиной 1 мм. Для двухтонного МБ, имеющего диаметр 1600 мм, выполненного из двух листов 1250×2500, инжектор 10 и коллектор 11 будут состоять из двух полостей, соединяемых параллельно трубопроводами (на фиг.2 не показаны). В каждом из листов цилиндра будет своя разворотная полость 12. Нижний инжектор 10 и верхний коллектор 11 соединены соответственно с жидкостным нагнетательным 13 и паровым всасывающим 14 трубопроводами ККА 8. Выход термодатчика 7 через компаратор «+4 градуса», входящий в состав блока управления 15, связан с отключающим входом ККА 8. В круглое днище резервуара 1 снизу приварен цилиндрический герметичный картер 16 с верхним переливным патрубком 17, соединенным с канализацией 18, а также нижним напорным патрубком 19, соединенным через дроссельную шайбу 20 и напорный шаровой кран 21 с артезианским водопроводом 22. Напорный патрубок 19 размещен под сливным краном 2 резервуара, а верхний переливной патрубок 17 - с диаметрально противоположной стороны. Поскольку регулируемые опоры 6 обеспечивают уклон 50 мм днища резервуара 1 в сторону сливного крана 2, то переливной патрубок 17 расположен выше напорного на 70+50=120 мм, что исключает завоздушивание внутренней полости картера 16 и способствует вытеснению верхних «теплых» слоев воды картера в процессе охлаждения, т.е. оптимизируют теплообмен. Диаметр дроссельной шайбы 20 от 3 до 10 мм выбирается пропорциональным объему резервуара 1, чтобы обеспечить протекание артезианской воды через картер с соотношением 3:1. Для усиления днища, имеющего площадь от S=0.5 м² до S=2 м² между днищем резервуара 1, выполненным из листовой стали h=1,5 мм, картером 16, вварены армирующие стяжки 23 (7 шт). В нижнюю часть цилиндра резервуара на высоте 170 мм от начала уровня щелевого испарителя 9 встроен датчик уровня 24 гальванического типа. Выход датчика уровня 24 через блок управления 15 связан со включающим входом ККА 8.

Работает МБ следующим образом. Для двухдоечного резервуара 2000 л темп вечерней дойки составляет m=200 л за 15 мин, те 14 л/мин. Перед поступлением первых 200 л молока в самом начале дойки открывают напорный кран 21. Артезианская вода +6 градусов, проходя через дроссель 20 и картер 16 с расходом М=42 кг/мин, что втрое превышает темп дойки, обеспечивает охлаждение первой порции до температуры 910 градусов сквозь днище резервуара 1 за 15 мин. ККА 8 при этом не включен, т.к. щели испарителя 9 не покрыты молоком. Вторая порция 200 л, подаваемая по молокопроводу насосом НМУ-6 (подача 100 л/мин), за 2 минуты дополняет резервуар до 20%-ного контакта со щелями испарителя 9. Датчик уровня 24 через блок управления 15 автоматически включает ККА 8, т.к. температура молока превышает компараторную +4 градуса, либо это делает оператор вручную. Поток холода в виде жидкого хладона поступает по трубопроводу 13 в нижние щели испарителя 9 через инжектор 10 и всасывается паром через коллектор 11 по трубопроводу 14. По мере заполнения резервуара 1 до 1000 л терморегулирующий вентиль, входящий в состав ККА 8, автоматически увеличивает подачу жидкого хладона до уровня молока, выводя ККА на полную мощность. Кипение хладона при 1000 л молока идет по всей площади испарителя 9. Мотор-редуктор 3 с мешалкой 4 обеспечивают теплосъем. Точные расчеты термодинамики охлаждения молока и теплового поля днища описываются сложной системой дифференциальных уравнений в частных производных с учетом порционного поступления молока по 200 л за 2 мин, подачи жидкого хладона от ККА 8, ламинарных расходов артезианской воды через дроссель 20. Однако, оценим мгновенную мощность потока холода через днище и скорость охлаждения в начале поступления первой порции молока, когда тепловой напор на днище составляет Т=34-6=28 градусов:

где k=15 Вт/м*град - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали 10Х18Н9Т.

Отметим, что пиковая мгновенная мощность от потока воды в 50 раз превышает номинальную холодопроизводительность ККА 8. Начальная (мгновенная) скорость охлаждения водой (град/с) первой порции m=200 кг молока с учетом его теплоемкости с=3,9 кДж/кг*град может быть оценена по формуле:

По мере охлаждения первой порции молока тепловой напор Т и мощность N упадут по экспоненте. Скорость охлаждения V также резко замедлится. Но молоко уже охладится за первые 15 мин до температуры 89 градусов. Вторая порция 200 л (итого m=400 кг) повысит температуру молока до 0,5*(8+34)=21 градус. Тепловой напор Т уменьшится до Т=34-21=13 град, мощность N до 269 кВт, скорость V до V=260/3,9*400=0,17 град/с, однако через 15 мин, т.е. 900 с, вновь по экспоненте температура молока понизится до 89 градусов, тем более, что к потоку холода от артезианской воды добавится поток холода от кипящего хладона через щелевой испаритель 9. Подобным же образом охладится молоко после 3-й и 4-й порций 200 л с температуры Т=15 град и Т=12 град соответственно. К моменту поступления 5-й порции еще за 15 мин молоко остынет до 78 градусов. Щелевой испаритель 9 и ККА 8 выходят на полную мощность 10 кВт. Потребляемая мощность при этом 4,5 кВт. Далее оператора перекрывает поток артезианской воды напорным краном 21 и скорость охлаждения при работающем ККА 8 определится из формулы (2):

V=10/3,9*1000=0,0026 град/с=0,15 град/мин

То есть за 20 мин 1000 л молока охладится фреоном еще на 33,5 град до температуры +4 град. Термодатчик 7 через компаратор в блоке управления 15 отключит ККА 8.

Таким образом, ККА 8, проработав порядка 1 часа в сочетании с артезианским потоком воды +6 градусов объемом 3000 л охлаждает молоко до +4-х градусов. Потребленная на эти цели энергия не превышает 5 кВт часов на тонну молока. Впервые в России молокоохладителем Бродского вдвое превзойден по энергоэффективности и быстродействию двухдоечный Евростандарт ISO 5708 2ВII, требующий охлаждения половины резервуара за 2,5 часа. Далее до следующей дойки вращается мешалка, гомогенизируя молоко. Термоизоляция резервуара 1 сохраняет температуру +4 градуса, однако, если через 610 часов температура молока в жару поднимется до +5 градусов, то автоматически компаратор в блоке управления 15 вновь включает ККА 8 и за 56 мин охладит молоко до +4 градусов.

При утренней дойке 6-ая порция молока поднимет общую температуру приблизительно до 10 град и оператор открывает вновь поток артезианской воды краном 21. Автоматически включается ККА 8 и работает двойное охлаждение: водой и хладоном. К 7-ой и 8-ой порциям, когда температура снизится до 89°С, дальнейший расход артезианской воды становятся нецелесообразными, т.к. тепловой напор на днище становится меньше 2°С и оператор перекрывает кран 21. Полное охлаждение 2000 л молока до уставки компаратора «+4°С» проходит через щелевой испаритель 9 хладоном при работающем ККА 8.

По сравнению с прототипом [1], охлаждающим вечернюю дойку и утреннюю дойку за 22,5 часа, предлагаемый МБ потребляет в 22,5 раза меньше электроэнергии, работая по часу утром и вечером. Использование автоматического датчика уровня 24 исключает ошибочный запуск ККА 8 оператором без тепловой нагрузки, т.е. повышает надежность. Первые 200 л артезианской воды вечерней дойки, вытекающие из переливного патрубка 17, имеют среднюю температуру +20°С и могут быть запасены для промывки резервуара 1 после отгрузки молока.

Промывка резервуара МБ в режиме циркуляции при открытой крышке 8, в отличие от аналогов [2], а также [5] на представляет никаких проблем, учитывая их максимальную высоту с опорами 1400 мм для всех объемов от 300 л до 2500 л.

По сравнению с аналогом [2] конструкция предельно упрощена, трудоемкость изготовления и металлоемкость уменьшена примерно вдвое. По сравнению с аналогами [3-5], охлаждающими треть резервуара за три часа, втрое возросло быстродействие и снизилось энергопотребление.

Преимуществом МБ является также максимальная контактная площадь S днища с артезианской водой, включая радиусный переход резервуара 1 с плоского днища на цилиндр щелевого испарителя (см. фиг..1), что повышает эффективность водяного охлаждения согласно формулы (1). Т.е. молоко со всех сторон окружено потоками холода. Реализация артезианского охлаждения с помощью простейшего картера 16 незначительно повышает трудоемкость и металлоемкость по сравнению с прототипом [1] (примерно на 10%), однако дает двукратные преимущества по скорости и энергопотреблению.

Еще одним достоинством МБ является быстрое охлаждение молока до температуры менее 12°С практически за 1525 мин после начала дойки. Известно, что такая температура резко замедляет нарастание остаточной БАК-обсемененности, поступающей по молокопроводу. Из различных исследований фирмы «Рифинг» (г.Миасс) известно также, что медленное охлаждение молока обычными фреоновыми резервуарами [1, 3, 4, 5] в течении 23 часов в процессе дойки увеличивает остаточную БАК-обсемсненность на 1525%. Очевидно, что сокращение времени прохождения диапазона +34+12°С в 610 раз на порядок уменьшит нарастание БАК-обсемененности до 23% и обеспечит высшее качество молока при отгрузке. Следует также отметить возможность «спасти» молоко, охладив его за счет артезианской воды до +910°С, и блокировать рост БАК-обсемененности на сутки при поломках компрессора, утечках хладона, регламентных работах ККА, аварийном отключении электроэнергии и т.д. Требование температуры воды не более +6°С не является обязательным. МБ успешно работает и от водопроводной воды +12+17°С.

С января 2012 г МБ внедрен в серийное производство на предприятии ООО «НПП Автомаш-Владимир» (г.Ковров).

Источники информации.

1. Молочная холодильная установка. Патент на изобретение RU 2438300 от 10.08.2010 г. Автор Бродский Л.Е. Ковров

2. Высокоэффективный быстродействующий молокоохладитель. Патент на изобретение RU2436292 от 12.05.2010 г. Автор Бродский Л.Е. Ковров

3. Резервуар-охладитель молока. Патент на полезную модель RU 2006132468 Фиг.1 Автор Эрлихсон М.Г. Рязань

4. Резервуар-охладитель молока. Патент на полезную модель RU 2006132468 Фиг.2 Автор Эрлихсон М.Г. Рязань

5. Резервуар-охладитель молока. Патент на полезную модель RU 2006132468 Фиг.3 Автор Эрлихсон М.Г. Рязань

1. Молокоохладитель, содержащий теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар со сливным краном, мотор-редуктором, мешалкой, термодатчиком, компрессорно-конденсаторным агрегатом (ККА), а также щелевым испарителем, встроенным в нижнюю часть цилиндра резервуара, с нижним инжектором и верхним коллектором, соединенными соответственно с жидкостным нагнетательным и паровым всасывающим трубопроводами ККА, при этом выход термодатчика через компаратор связан с отключающим входом ККА, отличающийся тем, что в круглое днище резервуара снизу приварен цилиндрический герметичный картер с верхним переливным патрубком, нижним напорным патрубком и армирующими вварными стяжками между днищем резервуара и картера, причем нижний напорный патрубок картера размещен под сливным краном и соединен через дроссельную шайбу и напорный кран с артезианским водопроводом, а верхний переливной патрубок картера размещен с диаметрально противоположной стороны и соединен с канализацией.

2. Молокоохладитель по п.1, отличающийся тем, что в нижнюю часть цилиндра резервуара встроен датчик уровня, связанный со включающим входом ККА.