Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ГРУНТА

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использована сельскохозяйственными предприятиями, в частности, как для регулирования температуры молока непосредственно после его доения, так и для дальнейшего хранения молока.

Известно «Устройство для регулирования температуры молока» [1]. Устройство содержит резервуар для хранения молока, змеевиковый теплообменник, холодильную машину, электрический блок управления, датчики температуры молока и хладоносителя и емкость с источником - аккумулятором холода в виде массы льда.

Основным недостатком данного патента является проблема заправки массы льда. Кроме того, в жаркое лето масса льда легко может превратиться в воду и эффективность работы устройства резко уменьшится.

Известен «Терморегулятор молока» [2]. Терморегулятор молока содержит резервуар для молока; термоэлектрический охладитель; источник холода в виде холодной воды, находящийся в колодце; электрический регулирующий орган, позволяющий распределить охлаждающую воду на термоэлектрический охладитель минуя его.

Основными недостатками данного патента являются:

1. Электрический регулирующий орган работает от воздействия электронагревателя через твердый наполнитель на шток с клапанами. Такая конструкция повышает инерционность, для повышения быстродействия следует увеличивать мощность электронагревателя, а это снижает эффективность работы терморегулятора молока.

2. В жаркое время года колодец может оставаться без воды, что создает дополнительную проблему для эксплуатации терморегулятора молока.

Заявляемое изобретение решает задачу создания способа регулирования температуры молока после доения и последующего его хранения до отправки на молочные заводы.

Техническим результатом при этом является создание способа регулирования температуры молока, уменьшение потребляемой электрической энергии, увеличение срока хранения молока и соответственно его качества поддержанием оптимальной температуры в любое время года.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования температуры молока используется устройство, содержащее резервуар для молока, термоэлектрический охладитель, змеевиковый теплообменник, датчики температуры, блок управления, задатчик, блок сравнения, оно дополнительно содержит низкопотенциальный вертикальный грунтовый теплообменник с теплоносителем, установленный на расчетной глубине, вход которого подключен к поверхности грунта, выход теплоносителя присоединен к трехходовому крану, выход первого патрубка через трехходовой кран, термоэлектрический охладитель связан со змеевиковым теплообменником, а выход второго патрубка подключен к тепловому насосу с возможностью возвращения теплоносителя к грунтовому теплообменнику. Кроме того, термоэлектрический охладитель электрически подключен к выходу блока управления, который подсоединен к задатчику через блок сравнения, связанный с датчиками температуры теплоносителя и молока, причем один из выходов блока управления соединен с возможностью подачи сигнала на электрический исполнительный механизм, выполненный с возможностью воздействия на трехходовой кран для открытия, закрытия каналов на термоэлектрический охладитель или на перепуск, другой выход блока управления электрически соединен с насосом подачи теплоносителя от грунтового теплообменника, третий выход блока управления соединен с насосом подачи молока из резервуара молока в транспортное средство.

В способе используется устройство - низкопотенциальный источник энергии грунта (НИЭГ) [7], который используется как для работы теплового насоса, так и для «натурального охлаждения» сельхозпродуктов, в частности молока. При этом «натуральное охлаждение» имеет такие преимущества как:

• экономичность - стоимость производства 1 кВт/ч энергии грунта в 3-5 раз ниже, чем другие источники энергии;

• энергосбережение - производит энергию, черпая возобновляемый НИЭГ, не используя традиционные энергоносители;

• экологичность и безопасность - экологически чистый метод получения энергии, как для окружающей среды, так и для обслуживающего персонала.

При работе устройства не производятся выбросы, приводящие к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют аллергеноопасные выбросы в помещения, не сжигается кислород, т.к. нет сжигаемого топлива;

• универсальность - низкопотенциальный источник энергии грунта может быть применен в качестве системы обогрева, горячего водоснабжения, вентиляции, удаления из помещений излишней влажности, а также охлаждения жилых и производственных помещений в зависимости от сезонных потребностей и т.п.

• низкопотенциальный источник энергии грунта успешно может быть применен в отдаленных районах как для отопления, так и охлаждения объектов сельского хозяйства при отсутствии централизованного электротеплоснабжения.

НИЭГ, температура которого колеблется от 7 до 8° С, может охладить молоко путем «натурального охлаждения» от 7 до 8°С. Однако если производителям и переработчикам молока требуется охладить молоко до 4°С и ниже, то включается в работу термоэлектрический охладитель, который снижает температуру теплоносителя, имеющего температуру 7-8°С до 4°С и ниже. При этом если в заявляемом устройстве отсутствовал бы низкопотенциальный вертикальный грунтовый теплообменник с теплоносителем, то теплоноситель - раствор соли СаСl₂ или NaCl в помещении холодильной установки имел бы температуру 20-25°С и соответственно на снижение этой температуры, например до 4°С термоэлектрическим охладителем или другой холодильной машиной потребовалось бы больше электрической энергии. Отсюда следует, что при совместной работе низкопотенциального вертикального грунтового теплообменника с термоэлектрическим охладителей при снижении температуры теплоносителя до 4°С получим ощутимую экономию электроэнергии. При необходимости вместо термоэлектрического охладителя может быть использована другая холодильная машина.

При этом производитель и переработчик молока должны руководствоваться следующими данными.

В свежевыдоенном молоке микробы не развиваются, что объясняется его бактерицидными свойствами.

Продолжительность бактерицидной фазы молока зависит от температуры хранения и первоначального количества микроорганизмов. При хранении свежевыдоенного молока неохлажденным бактерицидная фаза продолжается 1-2 ч в зависимости от его первоначального обсеменения. По окончании бактерицидной фазы в молоке при температуре хранения выше 10°С начинается быстрое размножение микрофлоры, которое ведет к повышению титруемой кислотности, накоплению бактериальных токсинов, не уничтожающихся при пастеризаций молока, появлению ферментов бактериального происхождения, вызывающих пороки молока, и т.д. [4].

Известно, что при Т_м=32°С через 10 ч кислотность молока повышается в 2,8 раза, а бактерий возрастает в 40 раз [6]. В молоке, охлажденном до 12°С, в течение 10 ч кислотность не увеличивается, а общее число бактерий изменяется несущественно.

В увеличении продолжительности бактерицидной фазы заинтересованы как производители, так и переработчики молока, так как от этого зависят его качество и качество вырабатываемых из него продуктов [4].

Отсюда следует, что охлажденное молоко - один из основных факторов, способствующих подавлению развития нежелательной патогенной микрофлоры и сохранению качества молока. Размножение большинства микроорганизмов, встречающихся в молоке резко замедляется при охлаждении его ниже 10°С и почти полностью прекращается при температуре 2…4°С [6].

Чтобы ограничить или приостановить размножение бактерий, сырое молоко в хозяйствах рекомендуется очищать и сразу охлаждать до температуры 8-10°С (продолжительность хранения 6-12 ч.); до температуры не выше 8-6°С (продолжительность хранения 12-18 ч.); до 6-4°С (продолжительность хранения 18-24 ч.); летом молоко следует охлаждать до температуры не выше 6-8°С, а зимой - до температуры 8-10°С [5].

На фигуре представлено заявляемое устройство, которое содержит резервуар 1 для хранения молока; низкопотенциальный вертикальный грунтовый Теплообменник 2 с теплоносителем; термоэлектрический охладитель 3; змеевиковый теплообменник 4; теплообменник 5 холодных спаев; теплообменник 6 горячих спаев; трехходовые краны 7, 8; электрический исполнительный механизм 9; электрические насосы 10, 11; трехходовой кран 12; тепловой насос 13; блок управления 14; блок сравнения 15; задатчик 16; блок питания 17; контакт замыкающий 18; датчик 19 уровня молока; датчики 20, 21 температуры молока и теплоносителя; транспортное средство 22; грунт 23; канал 24 приема теплоносителя; канал 25 возвращения теплоносителя в теплообменник 2; каналы теплоносителя 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34; каналы 35, 36 подачи молока в транспортное средство 22; каналы подачи и возвращения теплоносителя 37, 38 для отопления и горячего водоснабжения для бытовых целей; каналы 39, 40, 41, 42, 43 подачи электроэнергии; каналы 44, 45, 46, 47 подачи электрических сигналов.

Задатчик 16 предназначен для получения требуемой температуры молока в резервуаре 1 и устанавливается по заказу производителей и переработчиков молока и значение этого параметра может быть изменено в течение года и в зависимости от Продолжительности срока его хранения.

Позицией 2 представлен низкопотенциальный вертикальный грунтовый теплообменник с теплоносителем, который располагается на глубине 50-100 м. По каналам 24, 25 происходит циркуляция теплоносителя - раствора соли СаСl₂ или NaCl. В результате теплообмена с поверхностью грунта происходит нагрев теплоносителя до 7-8°С.Далее этот теплоноситель поступает по каналам 26, 27 в тепловой насос 13, где происходит передача тепловой энергии от теплоносителя через низкокипящую жидкость (хладагент) другому теплоносителю. Слегка нагревшись от теплоносителя в теплообменнике, хладагент превращается в пар, «испаряется» и поступает в компрессор насоса, а в конденсаторе (позиции не указаны) происходит передача теплоты к теплоносителю и по каналу 37 поступает к потребителю, например на отопление помещения, а по каналу 38 возвращается обратно в тепловой насос 13. После передачи теплоты в тепловом насосе 13 другому теплоносителю теплоноситель, поступивший, из теплообменника 2 возвращается, по каналам 28,25 обратно в теплообменник 2.

При отсутствий потребности отопления помещения трехходовым краном 8 канал 27 закрывается.

А другая часть теплоносителя с температурой 7-8°С через трехходовой кран 8 По каналу 29 поступает в трехходовой кран 12. Трехходовой кран 12 связан с электрическим исполнительным механизмом 9, который работает в релейно - импульсном режиме согласно патенту [3] и служит для распределения требуемого количества теплоносителя на термоэлектрический охладитель 3 через канал 30 и трехходовой кран 7 или минуя его по каналу 32 в канал 33.

В трехходовом кране 7 происходит распределение потоков теплоносителя в холодный теплообменник 5, а по каналу 31 - в горячий теплообменник 6. При этом требуемую порцию теплоносителя следует регулировать трехходовым краном 7.

Охлажденный теплоноситель из холодного теплообменника 5 поступает в канал 33, где происходит перемешивание с теплоносителем, поступающим из канала 32 в канал 33. Далее охлажденный теплоноситель поступает в змеевиковый теплообменник 4, где происходит теплообмен с молоком, температура которого доводится до оптимального (заданного) значения. Отработанный теплоноситель по каналу 25 поступает в теплообменник 2 и цикл повторяется.

Таким образом, предлагаемом способе, используется устройство, где проводится «натуральное охлаждение», а термоэлектрический охладитель позволяет регулировать температуру молока двумя вариантами:

1) путем совместной работы НИЭГ и термоэлектрического охладителя;

2) путем использования НИЭГ.

Для уменьшения потерь энергии нижняя часть резервуара 1 с молоком помещается в грунт. Охлажденное молоко может быть отправлено потребителю с помощью насоса 10, каналов 35, 36 и транспортного средства 22. При этом количество отправляемого молока контролируется датчиком уровня молока 19.

Заявляемом способе, устройство для регулирования температуры молока работает следующим образом.

Включается контакт замыкающий 18.

Вариант 1. Температура молока в резервуаре 1 по заказу производителей и Переработчиков молока должна поддерживаться, например, 4°С.

В этом случае сигналы от датчиков температуры 20, 21 и задатчика 16 поступают в блок сравнения 15, где происходит обработка сигналов. Сигнал управления подается в блок управления 14, подающий электроэнергию на электрический исполнительный механизм 9, который в зависимости от температуры молока в релейно - импульсивном режиме начинает распределять требуемую порцию теплоносителя через трехходовой кран 12 по каналу 30 или по каналу 32 до тех пор, пока температура молока не достигнет заданного значения.

При прохождении трехходового крана 7 теплоноситель распадается на два потока: первая часть потока поступает в холодный теплообменник 5, другая часть потока по каналу 31 поступает в горячий теплообменник 6.

В холодном теплообменнике 5 в результате теплообмена теплоносителя с холодными спаями термоэлектрического охладителя происходит понижение температуры теплоносителя, который по каналу 33 подается в змеевиковый теплообменник 4 и в результате теплообмена с молоком его температура понижается до заданного значения.

В горячем теплообменнике 6 происходит отвод теплоты от горячих спаев термоэлектрического охладителя и подогретый теплоноситель по каналу 34 поступает в канал 28, где смешивается с теплоносителем, поступающим из теплового насоса 13, далее поступает в канал 25, где смешивается с теплоносителем, поступающим из змеевикового теплообменника 4, и поступает в грунтовый теплообменник 2. Цикл повторяется.

Вариант 2. Температура молока в резервуаре 1 по заказу производителей и переработчиков молока должна поддерживаться, например 8°С.Задатчик 16 устанавливается в Положение 8°С. В этом случае для экономии электроэнергии термоэлектрический охладитель 3 выключается. Блок управления 14 подает электроэнергию в электрический исполнительный механизм 9, который запускается и закрывает трехходовых краном 12 канал 30. Тогда весь поток теплоносителя, имеющего температуру 7-8°С по каналам 24, 29, 32, 33 подается в теплообменник 4, где в результате Теплообмена с молоком его температура доводится, например до 8°С.

Таким образом, НИЭГ может использоваться в заявляемой заявке без применения других источников энергии. При этом, так как температура грунта летом холоднее, чем температура помещения регулируемого объекта, эта энергия может быть использована как «натуральное охлаждение» путем циркуляции теплоносителя через низкопотенциальный вертикальный грунтовый теплообменник как совместно с термоэлектрическим охладителем, так и без него.

В заявляемом способе применения НИЭГ устройства для регулирования температуры молока позволяет сэкономить электроэнергию и способствует получению значительного экономического эффекта.

Таким образом, предлагаемый способ для регулирования температуры молока позволяет увеличить продолжительность срока его хранения, способствует сохранению качества молока, а также может быть использовано для обеспечения сохранности произведенного молока на труднодоступных сельскохозяйственных объектах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент 76776 Россия, МПК A01J 9/04. Устройство для регулирования температуры молока / А.О. Васильев, В.Н. Тимофеев, А.Р. Егоров, Р.В. Арсентьев; опубл. в БИ 10.10.2008.

2. Патент 2297760 Россия, МПК A01J 9/04. Терморегулятор молока / И.М. Селиванов, В.Н. Тимофеев, О.И. Петрова и др.; опубл. в БИ 27.04.2007.

3. Патент 2031216 Россия, F01Р 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок / В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е.В. Кротов и др.; опубл. в БИ.

4. Шалыгина A.M. Калинина Л.В. Общая технология молока и молочных продуктов. - М.: Колосс, 2007. -199 с.: ил.

5. Степанова Л.И. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. В трех томах. Т.1. Цельномолочные продукты. - СПБ: ГИОРД, 1999. - 384 с.

6. Крусь Г.Н. и др. Технология молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев; Под ред. A.M. Шалыгиной. - М.:Колос, 2007. - 455 с.: ил.

7. Теплотехника:учебник для вузов/А.М. Архаров, И.А Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; Под общ. ред. A.M. Архарова, В.Н. Афанасьева. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 712 с.: ил.