Винтовой предохладитель молока

Предназначен для предохлаждения парного молока из молокопровода в доильных залах на 100 голов КРС до температуры 1012 град перед поступлением в резервуар-молокоохладитель, охлаждающий его до 4 град. Содержит внутреннюю восходящую винтовую трубу (ВВТ) из тонкостенной нержавеющей стали Ф25×1, расположенную над резервуаром, через которую молокопровод соединен с его верхним входным патрубком. ВВТ расположена внутри наружной гофрированной гибкой фторопластовой трубы (ГГФТ) диаметра Ф38 мм длиной 30 м. Через верхний и нижний патрубки ВПМ с ограничивающими дроссельными отверстиями 10 мм артезианский водопровод связан с автопоилкой. Проточная артезианская вода, проходя по ГГФТ, охлаждает молоко и самоподогревается с 6 град до 15·17 град, что важно для поения КРС, особенно в зимний период. Благодаря предохлаждению молока вдвое снижается потребление электроэнергии агрегатом резервуара-молокоохладителя.

Область применения.

Винтовой предохладитель молока (ВПМ) предназначен для предохлаждения молока, поступающего из молокопровода в процессе дойки в резервуар-молокоохладитель с целью снижения его тепловой нагрузки, уменьшения энергозатрат и повышения энергоэффективности при сборе и хранении молока объемом до 5000 литров молочно-товарных ферм (МТФ) от 20 до 200 голов КРС перед отгрузкой на молокозавод.

Уровень техники.

В настоящее время для предоохлаждения молока, поступающего из молокопровода в резервуар-молокоохладитель на МТФ применяются импортные трубчатые «спиральные» предохладители молока единой модели TES, либо наращиваемые несколькими секциями пропорционально потоку молока прямолинейные змеевики-предохладители из модулей ТЕМ, представленные на сайте www.chariau.com/ru/predohladitel-moloka [1].

Другим способом предохлаждения молока для этих целей служат импортные пластинчатые теплообменники FreshMilk-1000 на сайте www.progress-st.ru/prod/ustanovki_mgnovennogo_ohlazhdeniya_moloka [2].

Для дальнейшего охлаждения молока до норм СанПИНа +4°C служат, например, закрытые молокоохладители полуцилиндрического типа со встроенными промывочно-разгрузочными насосами по патенту РФ 148964 [3].

Недостатками трубчатых спиральных предохладителей молока TES [1] является их исполнение из одной или двух секций пластиковых винтовых труб Ф25 мм и Ф40 мм, помещенных друг в друга, по внутренней трубе Ф25 идет поток молока, в межтрубном пространстве проходит вода. Материал внутренней трубы полиэтилен низкого давления (ПНД) имеет малый коэффициент теплопроводности k=0,4 Вт/м*град, поэтому для повышения контактной площади воды с молоком вдвое изготовителям приходится спиральный предохладитель молока делать из двух отдельных винтов общей длиной 30 м, размещая их друг в друга [1].

Другим недостатком предохладителей TES является технологическая сложность монтажа «труба в трубу» достаточно жестких труб ПНД Ф25 мм, толщиной 2 мм и труб Ф40 мм, толщиной 2,5 мм, поставляемых в кольцевых бухтах порядка Ф 1000 мм в диаметре.

Преимуществом модульных змеевиков-предохладителей ТЕМ является их исполнение из нержавеющих труб Ф25 мм и Ф32 мм, имеющих повышенный в 40 раз коэффициент теплообмена k=16 Вт/м*град «вода-молоко» по сравнению с ПНД, но резко возрастает стоимость исходных материалов, значительно увеличивается количество деталей (калачи, муфты, резиновые уплотнения стыков и т.д.) множество сварных швов и стоимость их изготовления.

Недостатком пластинчатых теплообменников из нержавеющей стали FreshMilk-1000 [2] также является большое число деталей (пластин, плит, манжет, колец) сложность изготовления и высокая стоимость, а также ограниченная площадь теплообмена S=1,65 кв.м. и небольшой внутренний объем продукта V=2,4 л. Водопроводная вода +16°C охлаждает поток молока с 36°C до 18°C.

После предохладителя молоко поступает в холодильный резервуар [1, 3], где охлаждается с 16°C до 4°C.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому ВПМ является трубчатый спиральный одновинтовой предохладитель молока TES [1] первого поколения, содержащий внутреннюю винтовую трубу из ПНД Ф25 мм × 2 мм с кольцевым диаметром винта порядка Ф1 м, количеством витков 10 штук и длиной L=30 м, соединенную с молокопроводом, а также наружную винтовую трубу из ПНД Ф40×2,5 мм, полость которой соединяется с артезианским водопроводом.

Парное молоко с температурой 34°C, протекающее по внутренней винтовой трубе охлаждается потоком артезианской воды 610°C, протекающей внутри наружной трубы между внутренней и наружной трубой.

Из-за низкого коэффициента теплопроводности ПНД k=0,4 Вт/м*град и толщины внутренней трубы h=2 мм протекающее молоко не «успевает» существенно охладиться и прогреть артезианскую воду. Для повышения контактной площади и улучшения теплообмена вдвое приходится выполнять двухвинтовой спиральный предохладитель TES [1] с разделением потоков воды и молока на два рукава. Другим недостатком ПНД-предохладителя является технологические проблемы сборки двух достаточно жестких труб Ф25 мм и Ф40 мм («труба в трубе»), поставляемых в бухтах Ф 1000 мм.

ЦЕЛЬЮ и техническим результатом предлагаемой полезной модели ВПМ является повышение коэффициента теплообмена и мощности предохлаждения молока, соответственно, снижение температуры молока, поступающего в резервуар-молокоохладитель из ВПМ, и уменьшение тепловой нагрузки на его холодильный агрегат, а также повышение температуры воды, поступающей в автопоилки, кроме того упрощение сборки при монтаже внутренней трубы в наружную.

Техническая сущность полезной модели.

С этой целью в ВПМ, содержащем внутреннюю восходящую винтовую трубу (ВВТ), через которую молокопровод соединяется с верхним патрубком резервуара-молокоохладителя, а также наружную нисходящую винтовую трубу (НВТ), через которую артезианский водопровод соединяется с автопоилкой, причем внутренняя винтовая труба (ВВТ) размещена внутри НВТ, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ полезной модели, внутренняя восходящая винтовая труба (ВВТ) выполнена из тонкостенной нержавеющей стали, а наружная нисходящая винтовая труба (НВТ) выполнена из фторопластовой гибкой гофрированной трубы.

Кроме того, ВПМ может быть размещен над резервуаром-молокоохладителем, причем с нижним патрубком восходящей винтовой трубы (ВВТ) соединен верхний дренажный кран резервуара-молокоохладителя.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показан сборочный чертеж ВПМ, смонтированного над полуцилиндрическим резервуаром-молокоохладителем с промывочно-разгрузочным насосом (ПРН).

На фиг. 2 дана конструкция верхнего и нижнего патрубка ВПМ с обратным клапаном и дренажным краном.

ВПМ содержит внутреннюю восходящую винтовую трубу (ВВТ) 1, через которую молокопровод 2 соединяется с верхним патрубком 3 резервуара-молокоохладителя 4, а также наружную нисходящую винтовую трубу (НВТ) 5, через которую артезианский водопровод 6, соединяется с автопоилкой 7. ВВТ 1 выполнена из пищевой нержавеющей трубы 10Х18Н9Т Ф25×1, 30 м, d=23 мм, сваренной из пяти 6 - метровых хлыстов, завитых винтом диаметром Ф950, общее число витков - 10 штук, высота витков ВВТ 1 составляет 500 мм, поэтому конструкция ВВТ 1 является компактной.

Снаружи на ВВТ 1 «одета» нисходящая винтовая труба (НВТ) 5, закрепленная на верхнем 8 и нижнем 9 патрубках ВПМ кольцевыми хомутами 10 (фиг. 2), обеспечивающими герметичность. НВТ 5 выполнена из фторопластовой гофротрубы поставляемой в бухтах длиной L=30 м, Фнар=38 мм, Фвнутр=33 мм, которая является гибкой, выдерживает давление 2 ат и легко монтируется снаружи на жесткую ВВТ 1. В верхнем и нижнем патрубках 8, 9 ВПМ выполнено дроссельное отверстие 11 диаметром Ф10 мм (фиг. 2), ограничивающее поток артезианской воды. Для удобства монтажа и минимальных габаритов ВПМ размещен над резервуаром-молокоохладителем 4 на его жесткой траверсе причем мотор-редуктор мешалки 12 высотой до 300 мм расположен внутри ВПМ (фиг. 1). В нижнем патрубке 9 размещен резервный обратный клапан 13 для удобной промывки ВПМ в режиме циркуляции через промывочно-разгрузочный насос (ПРН) 14 и гибкий шланг 15 с пистолетом 16 (фиг. 1), а также верхний дренажный кран 17 резервуара 4. С молокопроводом 2 через встроенный обратный клапан 18 молочного насоса 19 связана вакуумная колба-сборщик молока 20 с верхним и нижним датчиками уровня 21, 22 к которой присоединяются доильные аппараты (на фиг. 1 не показаны). Работает ВПМ следующим образом.

Из доильных аппаратов в количестве 28 штук парное молоко поступает в вакуумную колбу 20. Утренняя (вечерняя) дойка осуществляется обычно в течении 22,5 часов (далее в расчетах 160 мин) с номинальными объемами удоя до 1000 л для 100 голов КРС при средней подаче 1000/160-6,25 л/мин. Молоко поступает через молокопровод 2 дискретно автоматическими порциями по 12,5 л, определяемыми датчиками уровня верхним 21 (включение насоса 19) и нижним 22 (выключение насоса 19) каждые 2 мин (нарастающим итогом 80 порций). Встроенный обратный клапан 18 исключает возврат молока в вакуумную колбу 20 после остановки насоса 19.

Артезианская вода с температурой 56 град (зима), либо 78 град (лето) через водопровод 6 поступает под давлением 1,52 ат постоянным потоком в автопоилки 7 через наружную НВТ 5. Поток ограничен дроссельными отверстиями 11 в верхнем и нижнем патрубках 8,9 номинальным уровнем 750 л/час = 12,5 л/мин, что в 2 раза больше объема удоя и соответствует среднему объему потребляемой воды из автопоилок 7. При уменьшении численности стада и потребляемого количества воды для оптимизации номинальный поток 750 л/час пропорционально уменьшают частичным перекрытием входного шарового крана полдюйма (на фиг. 1 не показан).

Порции 12,5 л поступают в молокопровод в соответствии с номинальным темпом дойки каждые 2 мин. Эти 12,5 л молока удерживаются во внутренней полости ВВТ 1 с объемом *d²*L/4=3,14*0,23²*300=12,5 л при перекрытом верхнем дренажном кране 17 резервуара 4 обратными клапанами 13 и 18.

При потоке артезианской воды 6°C осуществляется теплообмен мощностью N между водой и молоком через тонкостенную нержавеющую трубу ВВТ 1, рассчитываемую через контактную площадь S=*D*L=2,36 м.кв. по формуле: N=k*S*T/h=k**D*L*T/h=16*3,14*0,025*30*(34-6) /0,001=10,5 кВт, где k=16 Вт/м* град - коэффициент теплопроводности пищевой нержавеющей стали, h=1 мм - толщина трубы ВВТ, Т=34-6=28 град - начальный перепад температур на ВВТ 1.

Этот поток мощности N=10,5 кВт мог бы охлаждать m=12,5 кг молока при постоянном поддержании перепада температур Т=28 град за время t, не более:

t=m*c*T/N=12,5*3,95*28/10,5=131 сек ~ 2 мин, средняя скорость охлаждения v=28/2=14 град / мин, где с=3,95 кДж/кг*град - удельная теплоемкость молока.

Однако, в связи с пропорциональным уменьшением перепада температур Т в процессе охлаждения молока скорость охлаждения и мощность пропорционально уменьшается, а время охлаждения увеличивается. Точный расчет термодинамики охлаждения замкнутого объема молока 12,5 л внутри ВВТ за 2 мин при непрерывном потоке артезианской воды 12,5 л/мин снаружи, описывается сложными уравнениями в частных производных, поэтому примем следующую приближенную методику расчета средней температуры молока, поступающего в резервуар 4, учитывая высокую начальную скорость охлаждения v=14 град / мин.

а) из-за высокого коэффициента теплопередачи ВВТ и близких коэффициентов теплоемкости воды (4,2 кДж/кг*град) и молока (3,95 кДж/кг*град) первая порция артезианской воды 12,5 л за время теплообмена 1 мин охладит 12,5 л молока приблизительно на 14 град до средней температуры (34+6)/2=20 град и, соответственно, вода подогреется с 6 до 20 град также на 14 град.

б) по той же причине вторая порция артезианской воды 12,5 л еще за 1 мин охладит 12,5 л молока внутри ВВТ до температуры (20+6)/2=13 град, соответственно вода также прогреется с 6 град до 13 град (на 7 град).

в) соответственно, средняя температура двух порций воды будет (20+13)/2=16,5 град, а температура молока, вытесняемого в резервуар 4, при подаче очередной порции парного молока 12,5 л через молокопровод 2, будет не более 13 град.

Заметим, что мощность охлаждения парного молока артезианской водой через трубу ПНД той же длины L=30 м и того же диаметра 25 мм при толщине 2 мм в 16*2/0,4=80 раз!!! меньше, чем у нержавеющей трубы с k=16 Вт/м*град, где k=0,4 Вт/м*град - удельная теплопроводность ПНД.

Поэтому соотношения а), б), в) для ПНД у прототипа [1] существенно нарушаются в сторону более теплого молока в резервуаре (порядка 1618 град) и более холодной воды в автопоилках (порядка 1012 град), вследствие низкой теплопроводности.

Также еще отметим, что повышение номинального расхода 750 л/час (общего объема 2000 л) артезианской воды, протекающей через НВТ свыше 23 по отношению к номинальному объему молока 1000 л, поступающего в процессе дойки в резервуар нецелесообразно, т.к. в связи со снижением теплового напора в предохлаждаемой порции молока Т с начального Т=34-6=28 град до конечного Т=13-6=7 град, т.е. в 4 раза, избыточные потоки воды недостаточно прогреты, переполняют автопоилки (их оптимальное соотношение 2:1) по отношению к надаиваемому молоку). Их сливают в канализацию, они не вносят существенного вклада в охлаждение молока, понижая его температуру не более, чем на 1 град.

После прохождения последней порции молока через молокопровод 2 и охлаждения ее проточной артезианской водой до 13 град открывают дренажный кран 17 и сливают последнюю порцию охлажденного молока 12,5 л в резервуар 4. Промывку молокопровода 2 и ВВТ 1 осуществляют единым потоком. Индивидуальную дополнительную промывку ВВТ 1 с резервуаром 4 осуществляют в режиме циркуляции через обратный клапан 13, ПРН 14, молочный шланг 15 и пистолет 16.

Таким образом, применение внутренней тонкостенной нержавеющей трубы в качестве ВВТ с внутренним объемом 12,5 л и наружной фторопластовой гофрированной трубы в качестве НВТ обеспечивает по сравнению с прототипом [1] удобство и простоту сборки ВПМ, значительное понижение температуры молока, поступающего в молокоохладитель 4 (на Д..6 град), существенное повышение температуры воды в автопоилках (на 35 град).

По сравнению с пластинчатыми аналогами [2] ВПМ обеспечивает значительное упрощение конструкции, уменьшение числа деталей, снижение габаритов, упрощение монтажа на резервуаре, удешевление изготовления и обслуживания, превосходя прямой аналог FreshMilk-1000 равной производительности по техническим характеристикам (внутреннему объему, площади теплообмена, мощности и эффективности) [2].

По сравнению с полуцилиндрическим закрытым молокоохладителем непосредственного охлаждения молока [3] до 4 град фреоном (без водяного предохлаждения) снижается потребление электроэнергии в 22,5 раза, т.к. охлаждение с 13 град до 4 град требует в (34-4)/(13-4)=4,3 раза меньше кДж!

Другим источником экономии для фермы является снижение в 22,5 раза мощности агрегата (и соответствующее снижение его цены), т.к. к концу дойки, длящейся 22,5 часа, даже четырехдоечные маломощные агрегаты по стандарту ISO5708 способны охладить полрезервуара на 89 град с 13 град до 4 град.

Коровы и телята, потребляющие подогретую до 15 град артезианскую воду в автопоилках, меньше болеют и не расходуют дополнительную биохимическую энергию на интенсивный прогрев воды до 36 град в желудках и, следовательно, снижается потребление комбикорма (на 5%) и растут удои.

Пользуясь приведенной расчетной методикой нетрудно получить, что для дойного стада 200-300 голов КРС с суточным удоем 4000 литров необходимо два ВПМ1000, включенных параллельно, для удоев 6000 литров в сутки - три описанных ВПМ1000.

ВПМ по предлагаемой полезной модели внедрен в производство на предприятии НПФ «Автомаш-Владимир» (г. Ковров).

Источники информации.

1. Спиральные и трубчатые предохладители молока TES и ТЕМ (Франция) сайт www.charriau.com/ru/predohladitel-moloka

2. Пластинчатые предохладители молока FreshMilk-1000 сайт www.progress-st.ru/prod/ustanovki_mgnovennogo_ohlazhdeniya_moloka

3. Закрытый молокоохладитель с промывочно-разгрузочным насосом. Патент РФ 148964 от 19.08.2014 г.

1. Винтовой предохладитель молока (ВПМ), содержащий внутреннюю восходящую винтовую трубу (ВВТ), через которую молокопровод соединяется с верхним патрубком резервуара-молокоохладителя, а также наружную нисходящую винтовую трубу (НВТ), через которую артезианский водопровод соединяется с автопоилкой, причем ВВТ размещена внутрь НВТ, отличающийся тем, что ВВТ выполнена из пищевой нержавеющей стали, а НВТ - из фторопластовой гофрированной гибкой трубы.

2. ВПМ по п. 1, отличающийся тем, что он размещен над резервуаром-молокоохладителем, причем с нижним патрубком ВВТ соединен верхний дренажный кран резервуара-молокоохладителя.

РИСУНКИ