Ванна длительной пастеризации

Ванна длительной пастеризации предназначена для подогрева или пастеризации молока и сливок, приготовления кисломолочных продуктов и сырного зерна, может быть использована на молочно-товарных фермах, фермерских хозяйствах с объемом переработки до 2000 л за смену.

Обеспечивается простота конструкции, минимальная металлоемкость и энергоемкость в работе, а также трудоемкость при изготовлении.

Содержит водяную полость с ТЭНами для нагрева, встроенную в днище картера вертикально-цилиндрического резервуара, а также расширительный бачок с поплавковым клапаном, датчиком уровня и переливной трубой, соединенный - через подъемное колено - с верхним сливным патрубком картера. Нижний напорный патрубок картера - через дроссельную шайбу и шаровый кран - соединен с водопроводом.

Обеспечивает нагрев ТЭНами и пастеризацию до 76°C86°C, а также охлаждение водопроводом до температуры 25°C32°C заквашивания и сквашивания кисломолочных продуктов.

Легко и просто промывается. Обеспечивает высокий КПД и минимальное водопотребление.

Область применения.

Полезная модель, ванна длительной пастеризации, в дальнейшем ВДП, предназначена для подогрева (пастеризации) молока или сливок, приготовления (заквашивания и сквашивания) кисломолочных продуктов и сырного зерна, а также для варки и бланширования пищевых продуктов и может быть использована на предприятиях пищевой промышленности и на мелочно-товарных фермах для выпуска сметаны, сливок, кефира, творога, мягких сыров при объемах производства от 500 л до 2000 л за смену.

Уровень техники.

В настоящее время для пастеризации молока, сливок, заквашивания и сквашивания кисломолочных продуктов применяются ванны длительной пастеризации по патенту RU 2007139028 [1], а также серии ВДП [2] (ВДП-П - с паровым нагревом, ВДП-Э - с паровым и электронагревом, ВДП-Б - с паровым барботером), описанные на веб-сайте www.normit.ru/equipment/v80.php.

Нагрев, термостатирование продукта и поддержание температуры может обеспечиваться паром или встроенными ТЭНами, которые расположены в пространстве между наружной и внутренней ваннами - водяной «рубашке». Охлаждение производится проточной водой - холодной или «ледяной». Все упомянутые ВДП имеют избыточную контактную площадь теплообмена, а также неизбежный избыточный объем и усложненную конструкцию водяной «рубашки», снижающей КПД и скорость нагрева, особенно при частичном заполнении. Применение газовых парокотельных установок [2], которые позволяют экономить электроэнергию, в деревенских условиях модульных молочных минизаводов и низкой квалификации обслуживающего персонала, делает их использование неприемлемым.

Известны также устройства для пастеризации молока в потоке производительностью от 1300 л до 5000 л в час по патенту RU 2007146478 [3], основанные на пластинчатом теплообменнике - регенераторе (рекуператоре), через который пропускаются встречные потоки сырого (холодного) молока и пастеризованного (горячего) молока. Донагрев молока может осуществляться, либо ТЭНами через змеевик [3], либо роторными (вихревыми) центробежными насосами, как в ПМР-02-ВТ [4]. Благодаря пластинчатому регенератору (рекуператору) обеспечивается экономия электроэнергии, однако они являются конструктивно сложными, содержат множество дорогостоящих узлов, требуют двух дополнительных резервуаров для сырого и отпастеризованного охлажденного молока, что делает их применение целесообразным только в условиях крупных молокозаводов от 3000 л до 20000 л за смену.

Из известных устройств наиболее близкой по технической сути (прототипом) является ванна длительной пастеризации по патенту RU 2007139028 [1].

ВДП содержит квадратный корпус с винтовыми опорами, мотор-редуктором, мешалкой и верхней крышкой, облицованный термоизолированными панелями, вертикально-цилиндрическую ванну для заполнения продуктом с термодатчиком и сливным краном, выполненную из нержавеющей стали, теплообменный резервуар-«рубашку», заполняющуюся водой через штуцер с дроссельной шайбой и шаровым краном до уровня переливной трубы, размещенной внутри «рубашки», а также ТЭНы, расположенные в корпусе под днищем ванны. Датчик уровня, встроенный внутрь «рубашки», защищает водяные ТЭНы от работы «всухую». Переливная труба расположена в углу квадратного корпуса. Нагрев молока при включенных ТЭНах осуществляется через «рубашку», а охлаждение проточной водой, вытекающей через переливную трубу.

Вертикально-цилиндрическая ванна с молоком имеет повышенную площадь теплообмена за счет круглого днища и боковой цилиндрической поверхности, однако в рубашке, заполненной до верхнего уровня переливной трубы, имеется избыточное количество воды между квадратным корпусом и внутренним цилиндром. Так, например, в ВДП на 500 л молока имеется 500 л воды в «рубашке». Это повышает энергозатраты на пастеризацию, примерно, вдвое и делает КПД не выше 50%. При частичном заполнении молоком, например 250 л, конструкция такой ВДП уменьшает КПД до 25%. Другим недостатком прототипа является необходимость использования «толстой» нержавеющей стали (не менее 2 мм), т.е. повышенная металлоемкость, чтобы днище не прогибалось от статической нагрузки 1000 л молока и не «хлопало» при разгрузке. Квадратный корпус «рубашки» для многолетнего ресурса также должен быть выполнен из нержавеющей стали толщиной не менее h=2 мм. Т.е. фактически прототип требует удвоенного расхода пищевой нержавеющей стали. Но даже сравнительно «толстый» корпус и резервуар молока не защищают от аварийного «смятия» резервуаров при засорах канализации на модульных молочных минизаводах или, например, при обледенении. Давление в «рубашке» может повыситься до 3 ат (рабочее давление водопровода), что разрушит ВДП, т.к. суммарное усилие на 1 м.кв. вырастет до 30 т, а на всей поверхности 5 м.кв. до 150 т соответственно.

Технический результат.

Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение КПД, снижение металлоемкости, упрощение конструкции и повышение надежности.

Техническая сущность устройства.

Заявленный технический результат достигается тем, что в Ванне длительной пастеризации, содержащей теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с винтовыми опорами, термодатчиком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой и сливным краном, а также теплообменную водяную полость с ТЭНами и нижним напорным патрубком, соединенным - через дроссельную шайбу и шаровый кран - с водопроводом, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, теплообменная водяная полость с ТЭНами встроена в круглое днище резервуара, образуя цилиндрический герметичный картер с верхним сливным патрубком, а также в нее введен расширительный бачок с поплавковым клапаном, крышкой, датчиком уровня и переливной трубой, причем поплавковый клапан соединен с водопроводом, верхний сливной патрубок - через подъемное колено - соединен с расширительным бачком, а переливная труба - с канализацией, кроме того, между днищем резервуара и картера вварены армирующие стяжки, а нижний напорный патрубок картера размещен под сливным краном резервуара, при этом верхний сливной патрубок картера - с диаметрально противоположной стороны.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показан сборочный чертеж ВДП. Ванна длительной пастеризации содержит термоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар 1 с винтовыми опорами 2, термодатчиком 3, мотор-редуктором 4, мешалкой 5, верхней крышкой 6 и сливным краном 7. Теплообменная водяная полость 8 с ТЭНами 9 и нижним напорным патрубком 10 образована днищем цилиндрического картера 11, сваренным с его обечайкой 12. ТЭНы 9 смонтированы герметично на рамке, вваренной в обечайку 12. Винтовые опоры 2 обеспечивают регулируемый уклон 50 мм резервуара 1 к сливному крану 7 для полного слива продукта. Непосредственно под сливным краном 7 вварен напорный патрубок 10 в днище картера 11, а с диаметрально противоположной стороны - верхний сливной патрубок 13 - в обечайку 12.

ВДП также содержит расширительный бачок 14 с поплавковым клапаном 15, крышкой 16, датчиком уровня 17 и переливной трубой 18, причем поплавковый клапан 15 соединен с водопроводом 19, верхний сливной патрубок 13 - через подъемное колено 20 - с дном расширительного бачка 14, а переливная труба 18 - с канализацией. Между днищем резервуара 1 и днищем картера 11 герметично вварены армирующие стяжки 21, обеспечивающие жесткость и исключающие его изгибы при заполнении и опорожнении резервуара 1. Нижний напорный патрубок 10 - через шаровой кран 22 и дроссельную шайбу 23 соединен с водопроводом 19.

Работает ВДП следующим образом. При заполнении резервуара сырым нормализованным молоком (под кефир, творог) или сливками (под сметану, масло) включают мотор-редуктор 4 и ТЭНы 9. Водяная полость 8 заполнена водой через расширительный бачок 14 и подъемное колено 20. Уровень переливной трубы 18 находится выше поплавкового клапана 15 и датчика уровня 17, поэтому поплавковый клапан 15 закрыт, а датчик уровня 17 сигнализирует включение ТЭНов 9. В аварийном режиме при разгерметизации водяной полости 8 датчик уровня защищает ТЭНы от «сухого» включения. Уклон 50 мм, реализуемый винтовыми опорами 2, в сторону сливного крана 7 обеспечивает полное вытеснение воздуха из водяной полости и контактную площадь теплообмена для ВДП на 1000 л S=D²/41,2 м.кв., где D=1216 мм - диаметр резервуара 1. Нетрудно получить максимальный перегрев T=3°C, обеспечивающий передачу мощности N=30 кВт от шести пятикиловаттных ТЭНов 9 через пищевую нержавеющую сталь 10×18Н9Т, обладающую коэффициентом теплопроводности K=15 Вт/м·град по формуле:

Столь малый перегрев воды Т, не превышающий 3°С, свидетельствует о возможности нагрева молока до температуры 76°С и выше, рекомендуемой САНПИНом, без кипения и дополнительных тепловых потерь через подъемное колено 20.

При этом время общего нагрева воды в полости массой m=180 кг и молока M=1000 кг на =70°C (для охлажденного молока) найдется по формуле:

,

и составит t₁=3 часа. Здесь C=4,0 кВт/кг·град - средняя теплоемкость воды и молока. Время нагрева парного молока на =40°C с температуры 36°C до температуры пастеризации 76°C сократится по формуле (2) до 1,7 часа. Приведенные расчеты свидетельствуют о достаточности контактной площади S=1,2 м.кв. для качественной пастеризации и отсутствии необходимости в усложнении конструкции дополнительным боковым цилиндром, как это сделано в прототипе [1]. После завершения пастеризации, обесточивают ТЭНы 9 и открывают шаровый кран 22. Расход воды Q=1 кг/с (3600 л/ч), ограниченной дроссельной шайбой 7 мм при давлении водопровода 3 ат, поступает в водяную полость 8 и вытесняет горячую воду через подъемное колено 20 и расширительный бачок 14 в переливную трубу 18. Через 3 мин. горячая вода (180 кг, 80°C) будет полностью вытеснена водопроводной 15°C-18°C.

Термодинамика охлаждения и поле температур от минимальной 20°C, вблизи напорного патрубка 10, до максимальной 70°C в верхних слоях у сливного патрубка 13, описывается сложной системой уравнений с учетом вращения мешалки 5 и теплового поля водяной полости 8 под днищем. Приблизительно мощность охлаждающего потока N можно оценить по формуле:

,

где R=70-20=50 - перепад температур в теплообменной полости 8,

C₂=4,2 кДж/кг·град - теплоемкость охлаждающей воды. Нетрудно получить из формулы (1), что средний перепад температур T при мощности теплопередачи N=210 кВт в среднем сечении водяной полости 8 составит T=Nh/KS=210,000·0,0015/15·1,2=17,5 град. Значительная мощность 210 кВт обеспечивает высокую скорость охлаждения молока V=N/MC₃=210·60/1000·3.9=3.2 град/мин., где C₃=3,9 кДж/кг·град - теплоемкость молока.

По мере охлаждения молока и снижения перепада температур Т пропорционально уменьшается скорость до 0,3 град/мин.

Для заквашивания и сквашивания сметаны рекомендуемая температура 34°C, для кефира -25°C, для творога -28°C, для мягкого сырного зерна -28°C. С учетом летних и зимних температур водопровода от 12°C до 18°C среднего температурного перепада порядка 16°C (для сметаны) и порядка 8°C (для остальных кисломолочных продуктов) вполне достаточно, чтобы за 4050 мин. охладить отпастеризованное молоко (сливки) до температур заквашивания и сквашивания соответствующих продуктов. При этом через переливную трубу 18 пройдет порядка 2,53000 л воды. Таким образом, для приготовления практически всех кисломолочных продуктов нет необходимости в привлечении генераторов ледяной воды +1°C или артезианской скважины +6+8°C.

Армирующие стяжки 21, обеспечивают жесткость двойного дна водяной полости 8 при статических нагрузках. Расположение сливного патрубка 13 в верхней части обечайки 12 с противоположной (относительно нижнего патрубка 10) стороны необходимо для максимального КПД в режиме охлаждения, т.к. только такая конструкция обеспечивает максимальный прогрев потока воды из патрубка 10 до патрубка 13. С учетом величины уклона 50 мм, а также высоты обечайки 12, составляющей 170 мм, общий подъем от патрубка 10 до 13 относительно плоскости горизонта составляет 220 мм, что вполне достаточно для упомянутого перепада температур R=50°, обусловленного объемным расширением воды при нагреве от молока с расходами до 3000 л/ч.

Благодаря армирующим стяжкам 21 не только повышается жесткость днища резервуара 1, но и предельное давление, выдерживаемое водяной полостью 8 при засорах подъемного колена 20. За счет крышки 16 расширительного бака исключается «вздутие» полости 8 при проморозке канализации или переливной трубы 18. Стяжки 21 позволяют выдержать рабочее давление водопровода до 2 ат, при этом на каждую стяжку падает усилие порядка 3 т при суммарном усилии 20 т. Наличие стяжек 21 позволяет минимизировать толщину днища h=1,5 мм, уменьшив ее в 1,5 раза по сравнению с прототипом. Тем самым пропорционально возрастает теплопроводность, снижается перегрев T по формуле (1) и вырастает КПД в режиме охлаждения. Замена ТЭНов 9 не представляет никаких проблем.

Таким образом, предлагаемая ВДП имеет металлоемкость на 3040% ниже прототипа 1, благодаря исключению боковой водяной рубашки и встроенной внутрь переливной трубы. Емкость водяной полости 8 для тысячелитрового резервуара, представляющая разницу между кубом и вписанным цилиндром, уменьшена с 1000 литров до 180 литров: в 5 раз! За счет этого значительно вырос КПД (почти в 2 раза), снижена энергоемкость, т.к. не нужно нагревать излишние объемы воды при пастеризации. Если для охлаждения использовать ледяную воду, то можно охлаждать пастеризованное молоко до 6°C8°C. Для кисломолочных продуктов достаточно использовать водопроводную воду. Промывка резервуара после отгрузки при поднятой крышке 6 не представляет никаких проблем.

Источники информации:

1. Ванна длительной пастеризации. Патент на полезную модель RU 2007139028/

2. Ванна длительной пастеризации ВДП-П, ВДП-Э, ВДП-Б. Веб-сайт www.normit.ru/equipment/v80.php

3. Устройство для пастеризации. Патент на полезную модель RU 2007146478.

4. Пастеризатор ПМР-02-ВТ. Веб-сайт www.pasterizator.ru/paster5.htm

Ванна длительной пастеризации, содержащая термоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с винтовыми опорами, термодатчиком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой и сливным краном, а также теплообменную водяную полость с ТЭНами и нижним напорным патрубком, соединенным - через дроссельную шайбу и шаровый кран - с водопроводом, отличающаяся тем, что теплообменная водяная полость с ТЭНами встроена в круглое днище резервуара, образуя цилиндрический герметичный картер с верхним сливным патрубком, а также в нее введен расширительный бачок с поплавковым клапаном, крышкой, датчиком уровня и переливной трубой, причем поплавковый клапан соединен с водопроводом, верхний сливной патрубок - через подъемное колено - соединен с расширительным бачком, а переливная труба - с канализацией, кроме того, между днищем резервуара и картера вварены армирующие стяжки, а нижний напорный патрубок картера размещен под сливным краном резервуара, при этом верхний сливной патрубок картера - с диаметрально противоположной стороны.