牛奶冷卻罐典型技術方案及其特性分析

謝繼紅陳東 李國盛

（天津科技大學機械工程學院）

牛奶冷卻罐典型技術方案及其特性分析

謝繼紅*陳東 李國盛

（天津科技大學機械工程學院）

牛奶冷卻罐是牧場和牛奶收集站的主要設備。給出了牛奶冷卻罐三個典型的技術方案，分別為直冷式奶罐、水冷式奶罐和速冷式奶罐。對不同奶罐的基本構(gòu)成、工作原理進行了介紹，并以6 t奶罐為例，對不同奶罐的功率匹配和能耗進行了計算分析。結(jié)果表明，速冷式奶罐具有較好的綜合優(yōu)勢。

牛奶 罐 冷卻 節(jié)能 制冷系統(tǒng) 冷負荷

0 引言

剛擠出的牛奶溫度一般在30℃以上，需在較短時間內(nèi)冷卻到4℃左右，才能保證牛奶具有較好的品質(zhì)[1]。在牧場和牛奶收集站等場所，牛奶冷卻罐是關鍵設備之一，其容量一般為3～10 t。

牛奶冷卻罐由奶罐和冷卻裝置兩個主要部分構(gòu)成。奶罐多為臥式，截面為橢圓形，其中有攪拌、清洗等構(gòu)件[2]；冷卻裝置則包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器、輔助換熱器等，流程布置較多樣[3]。冷卻裝置和奶罐的有機組合，可構(gòu)成不同的牛奶冷卻罐技術方案。

1 直冷式奶罐

直冷式奶罐的基本構(gòu)成如圖1所示。

直冷式奶罐由奶罐、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成。壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)器置于奶罐底部。

直冷式奶罐的工作過程為：擠奶系統(tǒng)送來的熱奶進入奶罐，同時制冷系統(tǒng)工作，蒸發(fā)器中的低溫制冷劑吸收奶罐中牛奶的熱量，迅速將牛奶冷卻。擠奶系統(tǒng)不斷送入熱奶，低溫制冷劑不斷將熱量帶出，直至將奶罐中的牛奶冷卻到要求溫度。

直冷式奶罐的結(jié)構(gòu)較緊湊，但制冷系統(tǒng)的功率配置較大。以6 t奶罐為例，設每天擠奶兩次，每次2 h，并近似取牛奶的熱物性與水相近，則牛奶冷卻的冷負荷為:

圖1 直冷式奶罐的構(gòu)成

圖2 水冷式奶罐的構(gòu)成

式中 QE——冷負荷，kW；

M——每次擠奶的擠奶量，kg；

C——牛奶比熱容，kJ/(kg·℃)；

TH——進入奶罐的熱奶溫度，℃；

TL——要求的牛奶冷卻溫度，℃；

t——工作時間（近似為擠奶時間），s。

制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)近似為[4]：

式中 COPR——制冷系數(shù)（單位功率制冷量），無因次；

TE——制冷劑的蒸發(fā)溫度，℃；

TC——制冷劑的冷凝溫度，℃。

所需配置的壓縮機功率為：

設制冷系統(tǒng)每天總計工作4 h，則每天電耗為：

設電價為0.85元/千瓦小時，則每天電費為：

2 水冷式奶罐

水冷式奶罐的基本構(gòu)成如圖2所示。

水冷式奶罐的工作過程為：由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)器管內(nèi)的低溫制冷劑將管外的冷水降溫到接近0℃，并通過冷水泵將冷水送到奶罐外的冷卻夾套中，將奶罐中的牛奶冷卻。

水冷式奶罐的制冷系統(tǒng)和奶罐通過冷水循環(huán)管路連接，制冷系統(tǒng)和奶罐可獨立制作和運輸，現(xiàn)場安裝調(diào)試方便。對北方地下水溫度和冬季氣溫較低的場合，易于利用自然冷源對牛奶進行輔助冷卻，減少用戶能耗。

水冷式奶罐中也可設立蓄冷單元，制冷系統(tǒng)在擠奶系統(tǒng)未送入牛奶前即可開始工作，預先制備好牛奶冷卻所需的冷水，減少系統(tǒng)的功率匹配；對具有峰谷電價政策的場所，也便于利用谷值電降低用戶耗電費用。

設奶罐容量為6 t，制冷系統(tǒng)每天工作15 h。其中7 h為谷值電，電價為0.35元/千瓦小時；8 h為平值電，電價為0.85元/千瓦小時。由式（2）得其制冷系統(tǒng)冷負荷為：

由式（2）得制冷系數(shù)為：

由式（3）得制冷系統(tǒng)的功率配置為：

每天耗電費用為：

3 速冷式奶罐

速冷式奶罐的構(gòu)成如圖3所示。

速冷式奶罐由奶罐、制冷系統(tǒng)（包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等）、冷水系統(tǒng)（冷水箱、冷水泵等）和換熱器構(gòu)成。其工作過程為：冷水箱中注入自來水或地下水，制冷系統(tǒng)工作，同時冷水泵運行且閥2打開、閥1關閉，蒸發(fā)器中的低溫制冷劑將冷水箱中的冷水冷卻，待冷水溫度達到0℃左右時，制冷系統(tǒng)停機，冷水泵也停止運行；當擠奶系統(tǒng)工作，牛奶要進入奶罐時，冷水泵啟動，同時閥1打開、閥2關閉，冷水進入換熱器，與來自擠奶系統(tǒng)的牛奶換熱，在1 min之內(nèi)即可將牛奶冷卻到4℃左右并進入奶罐；冷水則經(jīng)換熱器吸收牛奶熱量后變?yōu)闇厮M入熱水箱，適當加熱即可用于奶罐的清洗。

圖3 速冷式奶罐的構(gòu)成

由速冷式奶罐的工作過程可知，冷水箱中的冷水可在擠奶系統(tǒng)來奶前提前制好，制冷系統(tǒng)的工作時間不受擠奶系統(tǒng)工作時間限制。設奶罐容量為6 t，制冷系統(tǒng)工作15 h（其中7 h為谷值電，8 h為平值電），自來水溫度為15℃，換熱器中冷水和牛奶流量相同，則由式（1）可得制冷系統(tǒng)的冷負荷為：

由式（2）得制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)為：

制冷系統(tǒng)的配置功率為：

每天耗電費用為：

4 結(jié)論與建議

直冷式奶罐、水冷式奶罐和速冷式奶罐是牛奶冷卻罐的三個典型技術方案。其中直冷式奶罐結(jié)構(gòu)緊湊，但制冷系統(tǒng)功率配置較大；水冷式奶罐制作、運輸和安裝調(diào)試較方便，配置蓄冷單元時制冷系統(tǒng)可不必與擠奶系統(tǒng)同步工作，功率可約為直冷式奶罐的1/3，有利于降低設備成本，且可利用谷值電降低電耗費用；速冷式奶罐需配置冷水箱和換熱器，系統(tǒng)部件較多，但系統(tǒng)制作與調(diào)試均較方便，制冷系統(tǒng)功率配置可約為直冷式奶罐的1/6，電耗費用可比直冷式奶罐降低一倍以上，是最有競爭力的技術方案。

建議進一步對自然冷源在牛奶冷卻中的應用和速冷式奶罐的換熱器等環(huán)節(jié)進行更具體深入的研究。

[1]王蕊.冷殺菌技術在原料乳保鮮中的應用[J].乳品加工，2004(5):49-51.

[2]武建新.乳品技術設備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

[3]王志遠.制冷原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]陳東，謝繼紅，趙義旭，等.一種連續(xù)冷凍濃縮裝置及其應用分析[J].食品與機械，2006，22（6）：86-88.

三利立式多級離心泵能效趕超國際

青島三利集團研發(fā)的新產(chǎn)品——三利立式多級離心泵，于2014年11月通過山東省機械設計研究院組織的檢測。報告顯示，該離心泵能效超出國內(nèi)同類泵的15%，超出同行業(yè)最高水平丹麥格蘭富相同泵產(chǎn)品的3%。該產(chǎn)品預計2015年年初投放市場。目前日本荏原、丹麥格蘭富、美國ITT、德國威樂泵業(yè)等國際知名水泵企業(yè)在國內(nèi)高端水泵產(chǎn)品市場幾乎處于壟斷地位，中國1000多家泵業(yè)企業(yè)絕大多數(shù)徘徊在低端市場，水泵能效與國際通用水平差距為15%～20%。

青島三利集團是我國無負壓供水技術獨創(chuàng)者。據(jù)介紹，為了打破外國企業(yè)對高端水泵市場的壟斷，三利立式多級離心泵從立項到研發(fā)成功耗資1.2億元，前后歷時7年。為了核心零件葉輪的扭曲度問題，他們從圖紙到開模，從流體力學到電焊技術，多環(huán)節(jié)攻關，其中僅磨具一項就耗資5000多萬元。

據(jù)預測，到2015年我國泵業(yè)市場規(guī)模將達到1580億元左右。未來一段時間，高效率的注水泵、抽油泵、輸油泵和螺桿泵等需求將會大增，不同類型工業(yè)泵需求量在14萬～15萬臺。我國泵業(yè)用電占據(jù)工業(yè)用電總量的20%，水泵能效每提高一個百分點，對我國節(jié)能減排都意義重大。（禾火）

Characteristics Analysis of the Typical Technical Schemes for Milk Cooling Tanks

Xie Jihong Chen Dong Li Guosheng

Milk cooling tanks are important devices in pasturelands and milk collection stations.Three typical technical schemes are presented:direct-cooling milk tank,water-cooling milk tank and rapid-cooling milk tank. The basic structures and working principles of these tanks are introduced.The power matching and energy consumption are calculated and analyzed for the three types of 6-ton milk tank,and it is shown that the rapidcooling milk tank has more comprehensive advantages.

Milk;Tank;Cooling;Energy saving;Cooling system;Cooling load

TS 252.3

2014-12-04）

*謝繼紅，女，1969年生，碩士，副教授。天津市，300222。