Спосіб охолодження харчових рідин

Винахід відноситься до холодильної техніки і призначений для використання у малих і середніх фермерських господарствах і підприємствах для охолодження та короткочасного зберігання харчових рідин: питної води, молока, соків, вина, коньяків та інше. Відомі способи та пристрої для охолодження харчових рідин, зокрема молока, на молочних фермах. У деяких аналогах [1] ”Применение холода в пищевой промышленности”. Справочник М. "Пищевая промышенность", 1979. - 272с.] холод акумулюється у вигляді наморожуваного льоду після чого льодяною водою зрошують зовнішні поверхні ємності з рідиною. Недоліками згаданого способу охолодження є низька ефективність тепловіддачі від стінок ємності до плівки зрошуємої води внаслідок нерівномірного розподілення плівки води по поверхні ємності. Низька тепловіддача також від молока до стінок ємності внаслідок малої швидкості руху молока повз стінок. Мішалки, які прискорюють рух молока, по-перше, погіршують санітарні вимоги у випадках просочування технічного мастила у робочий об’єм, а постійний контакт перемішуємого молока з повітрям викликає проникнення у рідину мікрофлори та кисни, які не покращують якість продукту. В цілому, спосіб охолодження малоефективний, а експлуатація незручна. У тому ж аналогі 1 для термообробки молока у пристрої ТМУ-1000 наведен спосіб утилізації тепла перегрітої пари після компресора, яке використовується для підігріву води до температури, при якій пастеризується молоко, після чого воно охолоджується льодяною водою від панельного випарника занурювального типу, а охолоджена пара прямує до конденсатора. Відомо, що пастеризація молока здійснюється при температурі близько 80°С, тому температура води в утилізаторі повинна бути не менш 85°С, отже температура пари після компресора для постійного утримання 85°С води буде не менш як 90-95°С. У такій ситуації логічно передбачити, що до конденсатора буде потрапляти тільки перегріта пара. Льодяну воду одержують у панельному випарнику занурювального типу, який не може конкурувати по ефективності теплообміну із гладкостінними трубними випарниками, які у 2,5 рази ефективніше панельних. У роботі [2] А.С. 579506 М.Кл.F25 В29/00 от 05.11.77. Бюл. №41. “Теплонасосная установка для пастеризации и охлаждения молока”. Охолодження молока здійснюється льодяною водою після пастеризації у каскадній холодильній машині де тепловий контакт між конденсатором верхньої гілки, каскаду та охолоджувачем пари нижньої гілки об’єднані у одному баку гарячої води. При чому, як конденсація, так і охолодження пари відбуваються на температурному рівні 85-95°С, а вода нагрівається не менш як до 80°С. Виникає сумнів що при такій температурі води, у якій знаходяться конденсатор і охолоджувач відбуватиметься конденсація, тому після охолоджувача пара потраплятиме до конденсаторної частини конденсатора-випарника обов’язково у перегрітому стані із відповідними негативними наслідками. Відомі також способи утилізації тепла перегрітої пари та конденсації для підігріву води у сільському господарстві на молочних фермах. У аналогу [3] A.C. 1280281 кл. F25B –29/00, 13/00 от 30.12.86. Бюл. №48. ”Способ работы теплового насоса в режиме нулевой холодопроизводительности” відзначається, що пара після компресора подається послідовно до форконденсатора і конденсатора і утилізатора, де охолоджується водою, а подальше охолодження відбувається у конденсаторі повітряного охолодження відбувається у конденсаторі повітряного охолодження. У розглянутому аналогу відсутній контроль за розмежуванням функцій форконденсатора і конденсаторів водяного та повітряного охолодження. У даній ситуацію для максимального використання теплового потенціалу перегрітої пари дія підігріву води доцільно перегріту пару подавати і до конденсатора водяного охолодження, тобто він також форконденсатор повітряного охолодження буде працювати у номінальному режимі. У аналогу [4] А.С. 1399613 Кл.F 25B 29/00. 13/00 от 30.05.88 Бюл. №20 “Холодильная установка с тепловым насосом” дві секції фopконденсатор та конденсатор послідовно з’єднані у одній ємності заповненій водою, яка виконує функцію утилізатора тепла конденсації і форконденсації. Секція форконденсації розміщена у верхній частині ємності, а конденсатора - у середній. Обидві секції приєднані послідовно до конденсатора повітряного охолодження. Під час роботи установки вода у ємності перемішується завдяки природній конвекції і, згодом по мірі нагріву води у верхній частині ємності, при відсутності відбору води, перегріта пара холодоагенту потраплятиме до секції конденсатора внаслідок чого підвищується тиск і температура. У цьому разі конденсація пари відбувається у конденсаторі повітряного охолодження. Як бачимо у даному способі утилізації тепла перегріву пари відсутня чітка функція форконденсатора, призначення якого повністю поглинати тепло перегріву, також не визначена тому, що навіть до конденсатора повітряного охолодження потрапляє перегріта пара. Найбільш близьким до заявленого способу утилізації тепла перегрітої пари є [5] А.С. 1695072 Кл. F25B 29/00 от 30.11.91. Бюл. №44 “Холодильная установка с тепловым насосом”. Утилізатор тепла виконаний у вигляді кожухотр убного апарата у верхній частині міжтрубного простору установлена повздовжня перегородка із каналами для сполучення порожнин форконденсатора і конденсатора. Система водопостачання утилізатора тепла складається із двох відокремлених частин. Контур гарячої води складається із форконденсатора і бака гарячої води, яка завдяки природній конвекції здійснює самоциркуляцію між баком і форконденсатором. Аналогічний контур теплої води об’єднує конденсатор і бак теплої води, яка також здійснює конвективну самоциркуляцію. Пара холодоагенту нагнітається компресором в утилізатор тепла де послідовно проходить крізь секцію форконденсатора, а потім через канали у перегородці, до конденсатора, охолоджується і потрапляє до конденсатора повітряного охолодження. Внаслідок відсутності відбору гарячої води або дуже малої витрати її із бака, з’єднаного з форконденсатором де циркуляція відбувається за рахунок природної конвекції, вода у баці нагрівається до температури значно перевищуючої температуру конденсації. Аналізуючи роботу даного прототипу слід відзначити, що завдяки наявності отворів, сполучаючих обидві порожніми, по мірі підігріву рециркулюємої води у замкнутому об’ємі, температура нагнітаємої пари буде постійно підвищуватись і перегріта пара буде поступово потрапляти і у зону конденсації, погіршуючи її роботу. Запропонований спосіб підігріву води за рахунок тепла перегріву пари в умовах природної конвективної рециркуляції при відсутності регулярного водообміну, носить нестаціонарний характер в бік постійного підвищення як температури води так і перегрітої пари, а також тиску і температури конденсації. Ці факторії негативно впливають на енергетичні характеристики циклу холодильної машини, призводять до інтенсивного відкладення всередині труб конденсатора водяного каменю внаслідок чого скорочується строк його служби. Розглянуті аналог і прототип свідчать про існування способів та пристроїв для акумуляції холоду у вигляді наморожуваного льоду, охолодження льодяною водою, утилізації тепла перегрітої пари та конденсації для підігріву води. Але відсутня інформація про спосіб у якому б вирішувались питання одночасно у одному комплексі акумуляція холоду, утилізація тепла перегрітої пари, який забезпечує найбільший ефект з економії енергії, матеріалів та експлуатаційних витрат. Стосовно дуже важливого ефекту утилізації тепла перегрітої пари, слід відзначити, що у жодному із розглянутих джерел не акцентується увага на необхідності охолодження пари в утилізаторі до насиченого стану, Не застосовуються також заходи для досягнення цього становища, а тільки згадується: “тепло перегрітої пари відводиться в утилізаторі”, Цього ствердження недостатньо тому, що наприклад, у нагнітальній магістралі також тепло перегріву відводиться у оточуюче середовище. Важливо реалізувати спосіб, який забезпечує заздалегідь задані параметри пари що входить у конденсатор. Задача, на рішення якої спрямований спосіб охолодження харчових рідин відрізняється від відомих тим, щo акумуляція холоду у вигляді наморожуваного льоду здійснюється на поверхні занурювального випарника із гладкотрубних секцій, які у 2,5 рази ефективніше панельних. Процес наморожування льоду виконується у нічні часи, коли температура повітря або охолоджуючої води у конденсаторах значно нижча ніж вдень, тому питомі витрати енергії на одиницю продукції зменшуються на 1520%. Крім цього, вартість кВт год. електроенергії вночі у чо тири рази дешевше денної. Охолоджуючий пристрій кожухотр убної конструкції, де харчова рідина рухається всередині прямих труб з великою швидкістю, забезпечує е фективну теплопередачу апарата, а прямі труби дозволяють проводити механічну очистку їх і візуальний контроль чистоти. Запропонований спосіб дозволяє задіяти декілька пристроїв, приєднаних магістралями льодяної води до центрального льодоакумулятора для одночасного охолодження молока, пива, соків та інше. Накінець, одним із головних засобів підвищення енергоефективності циклу холодильної машини і теплової продуктивності конденсатора є спосіб повного використання теплового потенціалу перегрітої пари в утилізаторі тепла шляхом автоматичного контролю за рівнем температури пари на вході в конденсатор, у який подається пара тільки у насиченому стані. У розглянути х схемах перегріта пара потрапляє до конденсатора, де процес конденсації починається тільки після охолодження пари до насиченого стану. Але внаслідок поганої тепловіддачі від неї на відведення теплоти перегріву потребується значна частина теплообмінної поверхні. В залежності від типу холодоагента ця частина лежить у межах від 20 до 40%. Тому, при вилученні із робочого простору конденсатора перегрітої пари, конденсація насиченої пари буде займати всю теплообмінну поверхню, тобто теплопродуктивність конденсатора збільшиться у середньому на 30%. Крім цього, перегріта пара у конденсаторах водяного охолодження стаціонарних і судових холодильних установках, маючи температуру порядку 100-120°С, виробляє до відкладання на поверхнях тр уб водяного каменю, до значно погіршує теплопередачу, викликав необхідність у частих прочистках або заміни швидко виходящи х із строю апаратів. Економічна доцільність у обладнанні кожної установки утилізатором тепла полягає у тому, що шкідливе для конденсатора теплоперегрітої пари, забезпечує безкоштовний підігрів значної кількості води, яка завжди потрібна на підприємствах розглянутої категорії. На рисунку надається технологічна схема установки, яка реалізує запропонований спосіб роботи. Установка включає у себе компресор поршневий герметичний 1, теплообмінник рекуперативний 2, вентиль регулюючий 3, о холоджуючий пристрой 4, кран трьохходовий 5, насос рециркуляції харчової рідини 6, бак-ємність для охолоджуємої харчової рідини 7, насос рециркуляції льодяної води 8, корпус льодоакумулятора 9, змійовикові гладкотрубиі секції випарника 10, ресівер лінійний 11, конденсатор повітряного охолодження 12, датчик термореле манометричного типу 1З, утилізатор тепла перегрітої пари 14, водорегулювчнй вентиль 15, байпасний вентиль 16, вентиль подачі води із мережі 17, бак-накопичувач гарячої води 18, кран подачі води споживачам 19, сігнальна переливна труба 20. Спосіб роботи здійснюється наступним чином. Перед пуском установки у роботу бак льодоакумулятора 9 необхідно заповнити водою до рівня верхньої утворюючої верхньої тр уби змійовиків випарника 10. Відрегулювати датчик термореле 13, який зблокований із водорегулюючим вентилем 15 на позначку, перевищуючою температур у конденсації на 0,5-1°С вентилем 17 відкрити подачу води у систему, Після пуску компресора 1 волога пара холодоагенту із секцій випарника 10 проходить через рекуперативний теплообмінник 2 де підігрівається і осушується, потім засмоктується компресором 1, у якому стискується і у перегрітому стані нагнітається у змійовик утилізаторі 14 зверху. У міжзмієвиковому просторі утилізатора вода рухається протитоком гарячої пари знизу вверх, поглинаючи тепло перегріву. Датчик термореле 13 відрегульований з урахуванням рівноваги у тепловому балансі між теплотою перегрітої пари і кількістю води, яка підігріватиметься до заданого температурного рівня. Завдяки цьому перегріта пара повністю віддає це тепло підігріваємій воді і у насиченому стані потрапляє до конденсатора 12, У випадку підвищення температури пари на вході у конденсатор, датчик термореле дає імпульс водорегулюючому вентилю для збільшення кількості подаваної води і рівновага знову установлюється, Насичена пара конденсується і рідина після ресивера 11 поступає у змійовик рекуперативного теплообмінника 2 де охолоджується внаслідок теплообміну із холодною вологою парою. Переохолоджена рідина дроселюється у регвентилі 3 і у вигляді парорідинної суміші потрапляє у змійовики випарника 10 льодоакумулятора 9. Акум уляція холоду у вигляді наморожуваного льоду на поверхнях труб змійовиків 10 продовжується на протязі всієї ночі. За цей час наморожується необхідна кількість льоду, яка призначена для поглинання запланованого на день певного розміру теплових джерел. Паралельно із процесом акумуляції холоду у теплоізольованому баці 18 накопичується гаряча вода. При необхідності швидкого нагріву невеликої кількості води, на короткий час вмикають байпасну лінію, перекриваючи вентиль 17 і відкриваючи вентиль 16, після чого усе становиться на свої місця. Після завершення акумуляції холоду із утилізацією тепла холодильний компресор і електровентилятор повітряного конденсатора вимикаються. У денні часи робоча ємність бака 7 заповнюється харчовою рідиною і у роботу вмикають спочатку насос 8 льодяної води, а потім насос 6 рециркуляції харчової рідини. Перевіряють або установлюють необхідну температуру на шкалі термореле, яке контролює температуру харчової рідини. При досягненні заданої температури обидва насоси вимикаються. Процес охолодження здійснюється у такій послідовності. Льодяна вода від насоса 8 поступає знизу у міжтрубний простір пристрою 4 де, поміж поперечних перегородок багаторазово змінюючи напрямок руху, омиває зовні теплообмінні труби. Підігріта вода під напором насоса 8 поступає зверху у бак 9 і через перфорірувані труби зрошує змійовики, на яких наморожений лід. Вода омиває покриті льодом труби, о холоджується і знизу всмоктується насосам 8 для подачі знову у пристрій 4. Харчова рідина рухається всередині труб, змінюючи напрям руху шість разів завдяки перегородкам у кришках пристрою. Охолоджена рідина циркулює між пристроєм 4 і баком 7 де моменту досягнення заданої температури. Завдяки теплоізоляції бака 7 охолоджена рідина може знаходитись без істотних змін температури певний час, а при довгочасному зберіганні, по команді термореле обидва насоси будуть періодично вмикатись і вимикатись, підтримуючи заданий температурний режим. Випорожнення бака 7 виконується ввімкненням насоса 6 і за допомогою трьохходового крана 5 подають рідину у будь-яку ємність.