Для чего нужны и где используются охладители молока

Зачем нужно охлаждать молоко?

Парное молоко проходит на фермах первичную обработку: фильтрование, охлаждение и кратковременное хранение. На первом этапе удаляются механические примеси - пыль, шерсть, частицы корма, навоза и прочее. Не позднее, чем через 20 минут после дойки, продукт надо начинать охлаждать. Молоко представляет собой идеальную среду для размножения бактерий. Притом, его температура (36 °С) крайне благоприятна для микробов (большинству достаточно даже 18 – 20 °С). Если его не охладить, то число микроорганизмов, как молочнокислых, так и вредных, быстро увеличится. В частности, будут прогрессировать стафилококки. Энтеротоксины, которые ими вырабатываются, разрушить пастеризацией невозможно.

Если понизить температуру продукта до +6 °С, то размножение бактерий сведется к минимуму. Но молоко будет сохранять высокие кондиции всего лишь в течение 20 часов. Низкую температуру надо поддерживать, в противном случае, увеличение числа микроорганизмов снова возобновится. При +2 - +4 °С рост количества микробов полностью прекращается, такое сырье можно хранить до 72 часов.

Таким образом, охлаждение молока ниже +4 °С преследует две цели. Во-первых, сохранить высокое качество продукта до начала его переработки. Во-вторых – получить возможность отправлять сырье на завод не слишком часто, раз в 2 – 3 дня, что экономически выгодно.

Классификация и общее устройство охладителей молока

Согласно ГОСТ Р 50803-2008 (ИСО 5708:1983) «Машины и оборудование для пищевой промышленности. Резервуары для охлаждения и хранения молока на молочно-товарных фермах и приемных пунктах. Технические требования и параметры безопасности», по способу охлаждения все установки делятся на 3 типа:

• I – непосредственного охлаждения. Испаритель компрессорно-конденсаторной установки смонтирован так, что находится в прямом контакте с корпусом внутреннего резервуара или с молоком.

• II – косвенного охлаждения. Для переноса тепла от холодильной установки к молоку применяется промежуточный носитель (вода или рассол).

• III – комбинированного охлаждения. Подготовка молока (предварительное понижение его температуры до подачи в танк) осуществляется при помощи ледяной воды – в потоке или с аккумуляцией холода. Для этого используются теплообменники: пластинчатые, трубчатые, со спиральной обечайкой или иной формы. Они включаются в единый комплекс с танком так, что в последнем осуществляется доохлаждение молока (при необходимости) и его последующее хранение.

По форме корпуса классификация охладителей молока предусматривает два вида – вертикальные и горизонтальные. По исполнению – открытые и закрытые. По числу доений: двух-, четырех- и шестидоечные. К первым относятся установки для охлаждения количества продукта, равного 50% от вместимости танка. Ко вторым и третьим – соответственно, 25% и 16,7%. Степень защиты – не ниже IP54.

Охладитель молока открытого типа – это ванна с верхней крышкой. Корпус может быть вертикальным цилиндрическим (объемы - до 2000 л) (рис. 1) или горизонтальным полукруглым (до 5000 л) (рис. 2). В общем случае, такие установки рассчитаны на меньшие объемы, чем закрытые. Причина в том, что, в процессе работы, крышку время от времени открывают. Внутрь попадает теплый атмосферный воздух, из-за чего, для поддержания необходимой температуры, надо чаще включать компрессор и, следовательно, расходовать больше электроэнергии. На малых количествах молока этот недостаток почти не заметен. Зато такие ванны, по сравнению с танками, дешевле и проще в обслуживании, с ними может работать менее квалифицированный персонал. Поэтому их охотно покупают малые предприятия.

Еще одна важная особенность ванны заключается в том, что она моется вручную. В остальном, ее устройство и принцип действия аналогичны аппаратам второго вида.

Охладитель молока закрытого типа – это герметичная цистерна (танк). Корпус делается в виде горизонтального цилиндра, эллипса или суперэллипса. Разнообразие форм получается из-за того, что производители охладителей молока стараются обеспечить максимально возможную вместимость округлой емкости, которая, в большинстве случаев, устанавливается в прямоугольных помещениях. В верхней части есть люк с уплотнением, для проведения профилактических или ремонтных работ. Мойка выполняется в автоматическом режиме. За счет того, что атмосферный воздух внутрь танка не проникает, на охлаждение молока расходуется меньше электроэнергии. Такое оборудование берут средние и крупные компании, поскольку, при больших надоях, оно выгоднее, чем установки первого вида.

Устройство резервуаров непосредственного охлаждения следующее. Агрегат состоит из цистерны (танка) с герметичным люком. Внутри имеется мешалка. Она нужна, чтобы продукт равномерно охлаждался и не примерзал к стенкам. Скорость ее вращения принимается такой, чтобы не разбивались жировые шарики, и молоко не смешивалось с воздухом. Для охлаждения применяется компрессорно-конденсаторная установка, аналогичная тем, которые используются в промышленных холодильных системах. Испаритель смонтирован внутри корпуса так, чтобы, касаться, либо внутренних стен, либо молока. Для санитарной обработки танка служит СИП-мойка. Ванны, как было сказано выше, дезинфицируются и моются вручную. Для управления агрегатом есть блок автоматики. Он реагирует на сигналы терморегулятора, включая компрессор, когда температура сырья повышается более чем на 1 °С. В современных моделях имеется защита от перепадов напряжения.

Преимущества молочных танков заключаются в сравнительно несложной конструкции, более простом обслуживании и универсальности – их можно использовать, как для сбора и охлаждения продукта, так и для его хранения. К тому же, на рынке представлен очень широкий выбор таких аппаратов. Но есть и недостатки. Для понижения температуры молока до заданной, танку нужно 3 часа. Все это время микробы, хоть и медленнее, но размножаются. Компрессор включается только после того, как заполнен минимальный объем, на что уходит где-то полчаса. В этот период число бактерий вообще растет с огромной скоростью. Теплая продукция следующих доек добавляется в уже охлажденную, что повышает кислотность.

Устройство системы с льдоаккумулятором несколько иное (рис. 4). Здесь емкость с молоком орошается ледяной водой, температура которой близка к нулю, и быстро охлаждается. Нагретая вода стекает в льдоаккумулятор, где отдает свое тепло. Этот узел представляет собой погруженную в воду трубчатую решетку, в которой циркулирует хладагент при температуре до -8 °С. В результате на трубках намораживается лед. Его толщина регулируется автоматически, максимально до 3,0 – 3,5 см. Больше – можно, но это экономически не выгодно, потому что на дальнейшее намораживание единицы льда требуется больше энергии.

 В молочной промышленности в течение дня тепловая нагрузка неравномерна. Пиковая длится всего несколько часов в сутки. Покупать молочный танк под эти значения не слишком выгодно. Система косвенного охлаждения способна намораживать лед ночью, во время низких нагрузок и более дешевых тарифов. А вырабатывать ледяную воду – в пиковые периоды.

Кроме льдогенераторов, существуют чиллеры - аналогичные устройства, в которых отсутствует фазовый переход хладагента.

Преимущества систем с льдогенератором не только в компенсации пиковых нагрузок. За счет уменьшения необходимой мощности оборудования, сокращаются капитальные затраты. По этой же причине, оборудование реже ломается и более долговечно. Работа по ночным тарифам снижает расходы на электроэнергию. Среди основных недостатков – высокая (от 25% до 100% больше, чем у танков) стоимость, не смотря на то, что мощность требуется меньше. И это не считая того, что к льдогенератору надо брать еще предварительный охладитель и танк-термос для хранения молока после понижения температуры. Кроме того, такие системы, по сравнению с устройствами прямого охлаждения, имеют более низкий КПД и, в общем, рассчитаны на меньший объем (максимально – до 7-8 тыс. л). При отсутствии ночных тарифов на электроэнергию, они не выгодны. По поводу размеров – эта проблема решена. Если раньше подобные агрегаты требовали много места, то современные модели, благодаря измененной компоновке, достаточно компактные.

Принцип действия охладителей молока

Принцип работы охладителей молока имеет смысл рассмотреть на примере герметичного танка, поскольку этот вид намного более распространен, чем установки с льдогенераторами.

В нижней части цистерны смонтирован испаритель, наружная поверхность которого контактирует с продуктом. Жидкий фреон, попав в этот узел, начинает переходить в газообразное состояние. Данный процесс сопровождается поглощением большого количества тепла – оно забирается из окружающей среды, то есть, из молока. Продукт охлаждается, а фреон перекачивается компрессором в конденсатор. Там он снова переходит в жидкое состояние, что сопровождается выделением тепла. Для его отвода в атмосферу, конденсатор делается в виде металлического радиатора с вентиляторами, чтобы обеспечить максимально быстрое удаление избыточной энергии. Цикл повторяется до тех пор, пока молоко не охладится до нужной температуры и автоматика не отключит компрессор.

Компрессоры ставятся, в основном, спиральные или поршневые. Первые процентов на 10 экономят электроэнергию. Но сильно «не любят», когда случаются фазовые перекосы, скачки напряжения и прочие перебои. Имеют небольшую мощность. Их не всегда можно обслужить в удаленных регионах. Вторые – надежные, мощные, с широко развитой сервисной сетью.

Испаритель, контактирующий с молоком, является одним из наиболее сложных в изготовлении узлов по той причине, что давление хладагента внутри него может доходить до 40 кгс/кв. см. и более. Он делается в виде двух стальных листов, соединенных лазерной сваркой. Зазор между ними составляет от 0,7 мм до 2,0 мм, точное значение выбирается в зависимости от типа применяемого хладагента.

Есть вариант, при котором тепло нагретого фреона отдается в воду. Она потом используется для технических целей. В этом случае в систему включается рекуператор тепла. Он представляет собой небольшой охладитель с пластинами из меди, работающий «в обратную сторону». К одному патрубку подводится горячий хладагент, к другому – холодная, очищенная и смягченная вода. В комплекте есть терморегулирующий вентиль и изолированная емкость для накопления подогретой до 60 – 70 °С жидкости. Из сказанного выше легко понять, что охладители молока и промышленные холодильники во многом похожи, принцип их работы аналогичный.

Требования и характеристики охладителей молока

ГОСТ Р 50803-2008 определяет для охладителей молока следующие характеристики. По максимальной вместимости I тип делается от 200 л. до 5000 л., III – от 100 л. до 10000 л. Данные по второму типу аналогичны первому. Поскольку эти цифры являются не обязательными, а рекомендованными, то на рынке можно встретить танки вместимостью до 30000 л. и более. При начальной температуре продукта +35 °С, установки обязаны охлаждать молоко до +4 °С за 2 ч. или 1 ч., после чего поддерживать заданную температуру с точностью до плюс-минус 2 °С. Сырье должно храниться без потери кондиций не более 24 ч. В настоящее время оборудование выпускается с несколько иными параметрами, которые, как показала практика, более экономичны, при поддержании необходимого уровня качества. Молоко охлаждается в течение 3,0 – 3,5 ч., температура поддерживается с точностью до плюс-минус 1 °С, сырье может храниться от 48 до 72 часов.

До вместимости 1700 л. допускается ручная мойка резервуаров. Начиная с этой цифры, и до 10000 л., должна присутствовать автоматическая система управления. На входе обязателен механический фильтр. Ресурс работы до капремонта составляет от 45000 ч., срок службы – от 12 лет. Теплоизоляция считается эффективной, если, при температуре окружающего воздуха +38 °С, она обеспечивает повышение температуры молока, находящегося при +4 °С, со скоростью не более 1 град С в течение 4 ч.

Процесс предварительного охлаждения

Чтобы работа танка было более эффективной, используется предварительное охлаждение в потоке. Для этого применяются пластинчатые или трубчатые теплообменники.

К первым (рис. 5) относятся установки в виде кассеты, набранной из тонких стальных пластин с рифленой поверхностью. Резиновые прокладки ставятся с таким расчетом, чтобы между пластинами оставался небольшой зазор – это каналы для жидкостей. Теплое молоко и холодную воду подводят так, чтобы по двум любым соседним каналам в одном направлении двигался продукт, а в другом – хладоноситель. Конструкция фиксируется в собранном положении прижимной плитой и крепежом «болт-гайка».

Вторые (рис. 6) предлагаются в виде двух концентричных труб – меньшая расположена внутри большей. Для увеличения длины, при сохранении относительной компактности, они сворачиваются в спираль или делаются многосекционными. Вся конструкция помещена в теплоизолированный кожух. По меньшей трубе прокачивается молоко, по большей – вода, в обратную сторону.

Преимущество пластинчатых теплообменников заключается в том, что молоко течет очень тонкими слоями и потому быстро охлаждается. Оборудование меньших размеров. Недостаток, по той же причине – продукт и воду надо фильтровать, иначе каналы скоро засорятся. Кроме того, необходимо регулярно менять прокладки и чистить осадок.

У трубчатых теплообменников таких минусов нет. Зато эффективность работы намного ниже, из-за большого сечения канала. Для ее повышения увеличивают длину трубы или ставят много тонких трубок в одном цилиндре – их концы на трубных решетках герметично развальцовывают.

Предварительные теплообменники включаются в систему охлаждения по одной из трех схем. Первая предусматривает использование льдогенератора (рис. 7). В теплообменник подается ледяная вода, молоко охлаждается до +4 °С и сливается в танк для хранения в течение 2 – 3 дней. Цистерна в данном случае работает только как термос.

Согласно второй, в предварительный теплообменник подается артезианская или водопроводная вода. На выходе из него температура продукта, по сравнению с хладоносителем, получится на 2 – 4 °С выше и составит 14 – 18 °С. Далее молоко сливается в танк, где выполняется его доохлаждение и хранение.

Третья схема комбинированная, представляет собой сочетание первой и второй. В первую секцию теплообменника подается водопроводная или артезианская вода. Здесь выполняется предварительное охлаждение. Во вторую – из льдогенератора. Температура молока падает до +4 °С, после чего оно сливается в танк-термос.

Быстрое охлаждение молока сразу после дойки – это необходимый этап производственного процесса. В настоящее время промышленность имеет эффективное оборудование для того, чтобы сохранить высокие кондиции сырья и тем самым обеспечить производство качественной продукции для населения.