CC BY
171
УДК 637.113:637.125
Технология охлаждения молока в системе молокопровода
ПУСТЫННАЯ Юлия Юрьевна, старший преподаватель
e-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В.Верещагина
ТУВАЕВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры графики и теоретической механики
e-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В.Верещагина
Аннотация: предложена схема охлаждения молока на основе трубчатого теплообменника, установленного в молокопроводе, и определены его оптимальные параметры и режимы работы.
Ключевые слова: охлаждение молока, трубчатый теплообменник, термодинамическая модель, параметры установки.
Молоко является скоропортящимся продуктом и поэтому требует немедленного охлаждения уже в процессе доения. При охлаждении молока до 4±2 °С жизнедеятельность микроорганизмов приостанавливается, что создает благоприятные условия для его длительного хранения. Чем быстрее молоко будет охлаждено, тем выше будет качество молочной продукции.
Разработаны противоточные трубчатые охладители молока, являющиеся одновременно частью молокопровода доильной установки [1]. В конструктивном исполнении устройство представляет «трубу в трубе», внутренняя из них - молокопроводная и установлена с некоторым зазором по отношению к внешней. В кольцевое пространство между трубами навстречу молоку движется холодная вода. Охладитель обычно состоит из двух-четырех секций и охлаждает молоко в потоке с 35 °С до 2-6°С при производительности около 1000 л/ч. Температура охлаждения молока на 3 °С выше температуры охлаждающей жидкости.
Охладители технологично вписываются в систему молокопроводов доильных установок, являясь их составной частью.
Такая усовершенствованная доильная установка (рисунок 1) содержит доильный молокопровод 1, доильные аппараты 2, вакуумный насос 3, воздухоразде-литель 4, молочный насос 5, магистральный молокопровод 6, водяной насос 7, водопровод 8, выполненный в виде отдельных секций, поилки 9, устройство для подмывания вымени, емкость 11 для охлаждения и хранения молока, емкость 12 для холодной воды. Охлаждающее пространство между стенками молокопроводов 1 и 6 и стенками водопровода 8 герметизируется эластичными втулками, установленными на концах секций, посредством которых молокопроводы 1 и 6 концен-трично установлены в водопроводе 8. Секции водопровода 8 установлены по всей длине доильного 1 и магистрального 6 молокопроводов и соединены между собой перемычками, выполненными в виде эластичного шланга 13. Для устранения конденсации влаги на наружном корпусе охладителя в процессе охлаждения молока на водопровод 8 установлен с помощью резиновых втулок теплоизолирующий ко-
жух из полиэтиленовой трубы.
Доильная установка работает следующим образом. Под действием разрежения создаваемого вакуумным насосом 3, молоко из вымени коровы через доильные аппараты 2 поступает в доильный молокопровод I, затем в воздухоразделитель 4 молока и далее молочным насосом 5 нагнетается в магистральный молокопровод 6, из которого поступает в емкость для сбора молока. При прохождении по доильному 1 и магистральному 6 молокопроводам молоко с температурой 35 °С охлаждается в потоке до температуры 6-8 °С, а ледяная вода, поступающая в водопровод 8, по схеме (рисунок 1) движется навстречу молоку, при этом нагревается с 2-5 °С до 14-16 °С и подается в поилки 9 и устройства хозяйственно-бытового назначения.
Авторами проведены предварительные теоретические исследования по разработке термодинамической модели процесса охлаждения молока [2,3], на основе которой можно рассчитать рациональные параметры и режимы работы однотрубного противоточного охладителя молока в системе молокопровода доильной установки (рисунок 2).
В теплообменнике типа «труба в трубе» необходимо охладить молоко с массовым расходом т1 = 0,1 кг/с от ^ = 35 °С до ^ = 2 - 6 °С. Холод передается от охлаждающей жидкости - воды с начальной температурой £2 = 3 - 5 °С, конечная температура воды Г2. Молоко движется по внутренней стальной трубе. Вода движется по кольцевому зазору противотоком по отношению к молоку.
При проектировании охладителя молока вопрос оптимальной компоновки поверхности теплообмена и режимов работы должен решаться исходя из связей между тепловыми и гидравлическими параметрами процесса, с одной стороны, и технико-экономическими показателями - с другой. Тогда рассматриваемую задачу можно сформулировать следующим образом: при заданных значениях начальных и конечных температур молока и воды и производительности доильной установки определить скорость хладоносителя, напор, минимальную поверхность теплообмена и соответствующие ей диаметры труб, то есть в качестве критерия оптимальности предложено использовать приведенные затраты [2,3].
Сумма комплексных (приведенных) затрат в данной случае будет равна:
ТП
г
Рисунок 2. Схема однотрубного теплообменника
п = и + Ех-к^ Щ,-і, -»шіп(і)
и = С Ш ■ 11«т
где ^ -12 - эксплуатационные расходы;
Сэ - стоимость электроэнергии, руб; ц2 - расход охлаждающей жидкости (вода), кг/с; т - загрузка годовая, час;
Н - потерянный напор, Па;
- эксплуатационные расходы;
пт - число последовательных теплообменников;
10- длина теплообменника, м;
Ен - нормативный коэффициент эффективности;
Куд - удельные капитальные вложения, руб/м.
Минимизация целевой функции осуществлена с учетом начальных и граничных условий процесса [3]:
1. Поверхность охлаждения рассчитывали по формуле:
А = Чт'с\и -0/(Ч •И) (2)
где дт - расход жидкости, подлежащей охлаждению, кг/с; с - удельная теплоемкость, (Дж/кг-К)
Д1:ср- средний температурный напор;
И - коэффициент теплопередачи, Вт/м2-К
2. Характеристика рассматриваемого типа охладителя:
Л = Ж) и £ = Ж) (3) где ^ - коэффициент трения; и2 - скорость движения воды, м/с.
3. Условие неразрывности определяется производительностью:
Чт ~ Ц ' Р\ ' "^1 |/| Чг ~ ^2 Рг ' ^2 (4)
где р - плотность жидкости, кг/м3;
А1 и А2 - площадь сечения внутренней трубы и межтрубного сечения, м2.
Решение уравнения (1) с учетом условий (2), (3) и (4) относительно эквивалентного диаметра сечения с!э и скорости движения воды и2 позволило вывести расчетные формулы:
=
(р-2)- С3
чс4 -Л-с, -к° -(1-а)
Л р-а-1
(5)
и2 =
4-Ч2
ж-р2
(р-2)-с
2
Л р-а-1
чс4 -л-с! -а;; -(1-а)
(6)
где р, а, с3 и с4 - постоянные коэффициенты, определяются экспериментально, зависят от типа охладителя и физических свойств жидкости; кп - отношение скоростей молока и воды; с1 - удельная теплоемкость молока, Дж/кг-К.
Провели выбор рациональных параметров однотрубного теплообменника по формулам (5) и (6) с помощью вычислительной программы на ПЭВМ и получили следующее (таблица).
Таблица. Расчетные параметры теплообменников:
Показатели Доильные установки
УДС-3 УДС-3 м УДА-16
1 2 3 4
1. Количество одновременно работающих доильных аппаратов 8 12 10
2. Производительность, л/ч 400 800 600
3. Температура молока, °С 35 35 35
после охлаждения, °С 6±2 6±2 6±2
4. Поверхность теплообмена, м2 0,72 1,62 1Д
5. Длина теплообменника, м 9 14,4 11
6. Температура воды, °С 5 5 5
после теплообмена, °С 14 14 14
7. Расход воды, мЗ/ч 1,2 2,4 1,8
8. Диаметр молокопровода, мм 26x3 ЗбхЗ 32x2
9.Диаметр водопровода, мм. 50x5 55x4,5 50x5
10.Скорость охлаждающей воды, м/с 0,29 0,67 0,52
Уточненная термодинамическая модель (5) и (6) охлаждения молока позволяет определить оптимальные параметры и режимы работы трубчатого теплообменника при заданных температурах жидкостей и производительности.
Для увеличения производительности теплообменника необходимо увеличить поперечное сечение потока воды, что можно достигнуть увеличением эквивалентного диаметра межтрубного пространства и скоростью воды в нем.
Испытания, проведенные на животноводческих фермах и пастбищных доильных центрах сельхозпредприятий «Куркино» и «Остахово» Вологодского района Вологодской области, показали, что установка таких трубчатых охладителей в системе молокопровода обеспечивает охлаждение свежевыдоенного молока непосредственно в молокопроводе, позволяет использовать тепло молока на подогрев воды в системе водопровода автопоения. Все это вместе взятое приводит к повышению качества молока, снижению затрат на охлаждение молока и подогрев технологической воды и экономии электроэнергии. Экономия электроэнергии на охлаждение молока при эксплуатации трубчатых охладителей составляет 26,6 кВт/ч на 1 корову в год.
Список литературы:
1. А.с. № 1445667 СССР. Доильная установка / В. Н. Туваев, В. Н. Фатеев и В. А. Седунов. - Заявка № 4282202/30-15, опубл. 23.12.88, бюл. №47.
2. Туваев, В. Н. Расчетная модель охлаждения молока в процессе доения. Совершенствование механизированного производства сельскохозяйственной продукции / В. Н. Туваев // Сборник научных трудов ВГМХА. - Вологда; Молочное: ИЦ ВГМХА, 2000 - С. 76-78.
3. Туваев, В. Н. Термодинамическая модель охлаждения молока в процессе доения / В. Н. Туваев, Ю. Ю. Пустынная // Аграрная наука - сельскохозяйственному производству. Том Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии. - Вологда; Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008. - С. 117-120.
Milk Cooling technology by using pipe-line milking system
Pustynnaya Y.Y., Senior Lecturer
Tuvaev V. N., Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Chair of Drawing and Mechnical Theory
Abstract: Milk cooling system based on the tubular heat exchanger installed in the pipe-line has been suggested. The optimal parameters and regimes of its work have been specified.
Keywords: milk cooling, tubular heat exchanger, thermodynamic model, settings
