Технология охлаждения

Материя может существовать в трех разных формах: газообразной, твердой или жидкой. Каждая из этих форм называется агрегатным состоянием. Например, вода (H2O) может существовать как пар, лед или вода. Трансформация из одного состояния в другое происходит в точке равновесия, когда теплоемкость меняется, а температура нет. Скрытое количество тепла называется латентным теплом.

Точка равновесия, при которой лед превращается в тепло, называется точкой таяния с температурой 0°C, а количество тепла, необходимое для таяния 1 кг льда, составляет 93 Ватта. Температура, при которой вода превращается в пар, называется точкой кипения, или 100°C при давлении 1 бар, а латентное тепло составляет 268 Ватт. Необходимо отметить, что на точку кипения влияет только давления, а не точка таяния.

Многие процессы охлаждения связаны с теплотой испарения жидкости. Если жидкость испаряется, ей необходимо тепло. Это тепло берется из среды, которая окружает испаряющеюся жидкость.

Раннее свидетельство использования охлаждения испарением можно найти еще в древнем Египте. Каменные бутыли, называемые «Ганди», наполнялись водой. Из-за пористого строения часть воды просачивалась через стенку бутыли наружу и испарялась.

Если молоко должно храниться на ферме в течение долгого периода, любой способ охлаждения будет лучше, чем его отсутствие вообще. Однако, если средства охлаждения являются базовыми, а время, необходимое для транспортировки молока в центр по сбору молока или на молочный завод, относительно короткое, рекомендуется как можно скорее доставлять молоко в ближайший центр по сбору молока.

Для охлаждения молока есть несколько систем. В самых простых используется вода из водопровода или колодца. При наличии большого количества колодезной воды молочные бидоны можно поместить в колодец. Однако этот метод не рекомендуется, если колодец также используется для питья, так как погружение молочных бидонов легко приводит к его заражению. Простые системы охлаждения с использованием воды могут охладить молоко только до уровня температура на 3–5 °C выше, чем температура самой воды. Это значит, что вода при температуре 11–12°C может охладить молоко примерно до 15°C (максимум). Не говоря уже о том, что этой температуры недостаточно, следует учитывать то, что температура воды 11–12°C труднодостижима в жарких тропических условиях. Эти условия требуют искусственного охлаждения с помощью специального оборудования.

При наличии проточной воды молоко может охлаждаться путем надевания перфорированного трубчатого кольца на горлышко бидона с теплым молоком. После того как кольцо соединяется с водопроводом, вода течет по внешней поверхности бидона. Если использовать ледяную воду из резервуара для холодной воды, ее следует собирать под бидоном и использовать повторно, например, поместив молочный бидон на специальный держатель над резервуаром.

Поверхностные охладители состоят из серий горизонтально расположенных трубок малого диметра. Они расположены друг над другом и имеют с обоих концов насадки. Эти насадки связывают трубки друг с другом так, чтобы по ним могло циркулировать охлаждающее вещество.

Теплое молоко распределяется по поверхности охладителя, то есть по этим горизонтальным трубкам, с помощью распределительной трубки или поддона с маленькими отверстиями на верхушке верхней трубки. Поверхностные охладители могут состоять из двух независимых секций, размещенных одна над другой. Верхняя секция охлаждается водой из водопровода или колодца, а нижняя секция – ледяной водой или прямым охлаждением. Поверхностная охлаждающая система также называется «открытой системой охлаждения». Она проста в использовании, но требует соблюдения правил санитарной гигиены. Особое внимание следует обращать на предотвращение загрязнения с воздуха.

Если необходимо собирать и транспортировать небольшие партии молока на большие расстояния, а предварительное охлаждение молока не является технически или экономически целесообразным, можно использовать ледяные конусы. Эти конусы помещаются в молочные бидоны таким образом, чтобы их основание оставалось на горлышке бидона и прилегало достаточно плотно во избежание выплескивания молока во время погрузки и транспортировки. Конус занимает около одной трети объема молочного бидона. Если конусы заполнить колотым льдом, то молоко во время транспортировки охладится с 30 до 5–10°C. Конусы и лед могут доставляться на фермы или в центры по сбору молока грузовым транспортом. Лед должен транспортироваться в изолированных ящиках, а конусы должны быть хорошо обработаны и дезинфицированы после использования, желательно в морозильной камере или на молочном заводе.

Самая простая система охлаждения требует открытого резервуара с холодной водой. Молочные бидоны помещаются в резервуар и погружаются в воду «по шейку». Вода должно постоянно меняться непрерывно или с регулярными интервалами.

Для дэаэрации молока во время охлаждения крышки бидонов должны быть ослаблены. Резервуар может быть покрыт крышкой для защиты молока от мух и пыли. При использовании воды из водопровода или колодца эта система обеспечивает медленное охлаждение до относительно высокого уровня температуры. Более эффективные результаты можно получить за счет использования ледяной воды, а интенсивность охлаждения можно повысить еще больше за счет принудительной циркуляции ледяной воды в резервуаре. Для сокращения холодопотери из-за солнечного облучения следует хорошо изолировать резервуар и его крышку.

Системы охлаждения передают тепло молока через охлаждающее вещество в воздух или воду. Эта передача осуществляется через стенку, поэтому прямой контакт с молоком отсутствует. Охлаждающее вещество, или охлаждающая среда, поглощает тепло молока внутри испарителя. Каждое охлаждающее вещество имеет собственную точку кипения при определенной температуре. Скорость охлаждения зависит от конструкции оборудования. Конечная температура зависит от установки термостата или от потока молока, проходящего через пластинчатые охладители. Большая разность температур увеличивает скорость охлаждения. Высокая скорость и турбулентное движение жидкостей по стенке улучшает скорость теплопередачи.

Если молоко охлаждается современным способом, для достижения необходимой температуры нужно электричество. Электричество задействует конденсаторную установку, которая конденсирует испаряющуюся жидкость и превращает весь процесс в непрерывный цикл.

Холодильный цикл можно разделить на фазу низкого и высокого давления.

Испаритель частично наполняется охлаждающим веществом. Когда компрессор начинает работать, газ над жидкостью будет откачиваться. Благодаря этому давление будет снижаться. Жидкость начинает кипеть, как только давление падает ниже уровня давления при данной температуре. Частицы охлаждающего вещества испаряются и забирают тепло из оставшейся охлаждающей среды. Это приводит к охлаждению остающейся части. Если температура падает ниже температуры молока, тепло будет уходить из молока в кипящую охлаждающую среду. Это тепло вызывает испарения части охлаждающего вещества. Температура будет оставаться постоянной, пока количество тепла от компрессора равно количеству тепла от молока.

Агрегат высокого давления компрессора связан с конденсатором. В задачу конденсатора входит удаление конденсационной теплоты в окружающую среду. Компрессор закачивает газ в конденсатор. Пока давление остается ниже уровня, связанного с температурой конденсации, повышается только давление. Когда давление поднимается выше уровня, связанного с температурой конденсации, теплота начинает переходить из газа в окружающую среду. Сначала удаляется только теплота перегрева. Теплота перегрева – это разница температур нагретого газа выше точки кипения и в точке кипения. После этого начинается процесс конденсации. Для того, чтобы конденсация происходила с определенной производительностью, необходима разница температур. Давление станет постоянным, как только разница температур будет достаточно большой для конденсации всего газа, закачиваемого в компрессор.

Для того чтобы этот процесс был непрерывным, жидкость в конденсаторе должна попасть обратно в испаритель. Так как давление в конденсаторе всегда выше, чем в испарителе, это легко достигается установлением трубочного соединения между конденсатором и испарителем. Если клапан установлен в этой трубке, количество холодильного агента можно корректировать. Обычно этот клапан бывает автоматическим и называется термостатическим расширительным клапаном. Клапан измеряет давление в испарителе и температуру всасывающего патрубка. Клапан открывается практически в соответствии с теплотой перегрева.

Это система охлаждения молока является самой распространенной. Дно резервуара сконструировано как испаритель, а теплота, выделяемая молоком, поступает через нержавеющую сталь в охлаждающую среду. Охлаждающее вещество испаряется, забирая теплоту от молока. Ввиду того, что резервуары прямого охлаждения не имеют холодного буфера, требуется постоянное наличие энергии. В системе этого типа молоко охлаждается прямым способом и перемешивается после помещения в резервуар.

В системах непрямого охлаждения испаритель расположен в резервуаре, наполненном теплоносителем (как правило, водой). Испаритель состоит из системы спиралей и трубок, в которых испаряется охлаждающая среда и охлаждается теплоноситель.

Самым большим преимуществом системы охлаждения молока с помощью намораживающего холодоаккумулятора является то, что она позволяет поместить охлаждающее устройство в изолированный резервуар с теплоносителем и «холодным буфером» или «ледяной банк». В районах, где недостаточно энергии, система охлаждения с помощью намораживающего холодоаккумулятора является эффективной технологией охлаждения. Холодный буфер дает возможность охлаждать молоко в районах, где энергия стоит дороже в период пиковой нагрузки или где использование электричества ограничено. Холодный буфер позволяет отключить систему охлаждения во избежание бросков напряжения во время дойки. Выработка холода может осуществляться в периоды, когда электроэнергия стоит недорого, и может производиться в течение большего периода, что позволяет использовать небольшой компрессор.

Энергетическая эффективность непрямой системы ниже, чем эффективность прямой системы, так как охлаждение теплоносителя требует дополнительной энергии. Расход энергии системой охлаждения с помощью намораживающего холодоаккумулятора составляет 23 Вт/л. Существует два вида агрегатов для охлаждения и циркуляции воды. Первый – генератор льда, который аккумулирует лед в период между дойками с помощью небольшого конденсатора, работающего 18 часов в день. Второй – холодильный агрегат с большим конденсатором, запускаемым только во время дойки.

Молоко поступает от коров в конечную точку, где оно перекачивается с постоянной скоростью через фильтр в пластинчатый охладитель. Пластинчатый охладитель состоит из рифленых пластин из нержавеющей стали. Молоко течет по одной стороне этих пластин, а на другой стороне вода из водопровода или колодца течет в противоположном направлении. Когда молоко покидает пластинчатый охладитель, его температура снижается до 2–4°C выше температуры воды до момента окончательного охлаждения и хранения в охладительных танках.

Предварительное охлаждение с помощью холодной водопроводной воды снижает общие и эксплуатационные затраты предприятия за счет снижения потребностей в охлажденной воде. Всегда есть возможность сочетать предварительное охлаждение с другими видами охлаждения для достижения еще большего снижения затрат на электроэнергию. При использовании для предварительного охлаждения водопроводной воды желательно использовать остывшую или холодную воду в качестве питьевой воды для скота. Если водопроводная вода не используется повторно, то эти затраты аннулируют экономию затрат на электроэнергию. При использовании для предварительного охлаждения колодезной воды этот аспект менее важен.

Сегодняшние фермерские хозяйства становятся все более крупными, что означает больший объем работы, большее количество скота и больший надой – и меньший промежуток времени между дойками. Этот процесс создает для фермеров потенциальные проблемы, связанные с охлаждением, так как все молоко необходимо охлаждать и хранить. Увеличившееся количество молока, а также высокий уровень молокоотдачи и увеличение продолжительности дойки усложняет использование стандартной оптовой молочной тары.

Более быстрая дойка означает большее количество молока за единицу времени. Перегрузка системы охлаждения означает более медленное охлаждение и более высокое содержание бактерий, а длительный период охлаждения означает более долгий период перемешивания, что увеличивает риск сбивания масла. Сохранение вкуса и качества стало более трудной задачей, что ставит под угрозу все молочное производства в целом. Быстрое охлаждение – это технологическая система, которая охлаждает молоко за несколько секунд перед тем, как оно попадает в танк для хранения.

Молоко поступает от коров в конечную точку и , откуда оно перекачивается с постоянной скоростью через фильтр в пластинчатый охладитель. Пластинчатый охладитель – это сердце охлаждающей системы. Он состоит из рифленых пластин из нержавеющей стали, по одной стороне которых молоко течет в одном направлении, а по другой стороне холодная вода течет в противоположном направлении. Когда молоко покидает пластинчатый охладитель, его температура снижается до 2 – 4°C выше температуры воды. Молоко непрерывно перекачивается в изолированный танк для хранения, где оно хранится при периодическом перемешивании до момента транспортировки.

Комбинированное охлаждение включает двухэтапный процесс охлаждения. Очень эффективно сочетать быстрое охлаждение с предварительным охлаждением с помощью охлажденной воды. Предварительное охлаждение с помощью холодной водопроводной или колодезной воды позволяет сократить затраты, включая эксплуатационные затраты предприятия, за чет снижения потребности в охлажденной воде.

При применении предварительного охлаждения теплообменник пластинчатого охладителя разделен на две секции. В первой секции молоко охлаждается холодной водопроводной или колодезной водой. Во второй секции молоко охлаждается до конечной температуры хранения с помощью охлажденной воды.