幾種常見的直冷式奶罐

文│李國盛 陳東 謝繼紅（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

幾種常見的直冷式奶罐

文│李國盛 陳東 謝繼紅（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

直冷式奶罐廣泛應(yīng)用于牧場和牛奶收集站，在對直冷式奶罐的現(xiàn)狀及其存在問題簡單分析的基礎(chǔ)上，給出了三種改進(jìn)技術(shù)方案，分別為采用電子膨脹閥的直冷式奶罐、采用熱管散熱器的直冷式奶罐和同時制取熱水的直冷式奶罐，對不同方案的設(shè)備構(gòu)成、工作原理及特點進(jìn)行了介紹，為直冷式奶罐的發(fā)展提供了較好的參考。

一、直冷式奶罐現(xiàn)狀

在牧場等場所，擠出的牛奶需收集在奶罐中，并在一定時間內(nèi)從30℃左右冷卻至4℃左右。目前常用的奶罐是直冷式奶罐，其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖中，直冷式奶罐由制冷單元和奶罐單元構(gòu)成，制冷單元包括壓縮機(jī)、冷卻器、膨脹閥、散熱器和風(fēng)機(jī)，奶罐單元包括奶罐和攪拌槳，兩個單元通過冷卻器與奶罐耦合在一起而形成一個整體的系統(tǒng)。剛擠出的牛奶進(jìn)入奶罐后冷卻時，制冷單元運行，低溫制冷劑在奶罐下部的冷卻器中汽化吸熱，將奶罐內(nèi)緊貼罐壁的牛奶冷卻，奶罐內(nèi)的攪拌槳同時旋轉(zhuǎn)將奶罐內(nèi)其他部位的牛奶與緊貼罐壁的冷牛奶不斷置換混合，實現(xiàn)罐內(nèi)牛奶的整體冷卻；罐外冷卻器內(nèi)吸收了牛奶熱量的制冷劑氣體，被壓縮機(jī)吸走并升壓后進(jìn)入散熱器，在散熱器中把制冷劑攜帶的熱量排入環(huán)境空氣，制冷劑則成為液體，經(jīng)膨脹閥后又形成低溫制冷劑，再送入奶罐底部的冷卻器進(jìn)行下一個循環(huán)，實現(xiàn)奶罐中牛奶熱量的連續(xù)移出。

直冷式奶罐的優(yōu)點是牛奶和制冷劑直接換熱，系統(tǒng)簡單緊湊，工作可靠性好，整個系統(tǒng)可在車間內(nèi)制作和調(diào)試完成后整體運至用戶現(xiàn)場，現(xiàn)場安裝簡便；但目前直冷式奶罐存在如下幾個問題。

1.對四季環(huán)境溫度變化時的適應(yīng)性較差。制冷單元中的膨脹閥多采用熱力膨脹閥，對一年四季的變工況適應(yīng)性較差，尤其在北方冬季時，由于環(huán)境溫度較低，散熱器內(nèi)制冷劑壓力也偏低，導(dǎo)致制冷劑流量偏小，制冷單元的制冷量也偏小，影響牛奶的冷卻速度。

2.對天然冷源的利用率低。北方地區(qū)冬季氣溫很低，可充分利用天然低溫冷源用于奶罐內(nèi)牛奶的冷卻，減少制冷單元的能耗，而普通的直冷式奶罐一般沒有實現(xiàn)對天然冷源的利用。

3.功能較單一。目前多數(shù)直冷式奶罐只有牛奶冷卻功能，但牧場中奶罐和擠奶系統(tǒng)的清洗均需要大量熱水，可通過對直冷式奶罐的局部改進(jìn)，在基本不增加成本的情況下，可同時實現(xiàn)牛奶冷卻和熱水制取兩個功能。

二、采用電子膨脹閥的直冷式奶罐

采用電子膨脹閥的直冷式奶罐如圖2所示。

◎圖1 直冷式奶罐示意圖

◎圖2 采用電子膨脹閥的直冷式奶罐示意圖

與普通直冷式奶罐相比，此類直冷式奶罐用電子膨脹閥取代了熱力膨脹閥，電子膨脹閥通過基于電信號的溫度和壓力傳感器，獲取壓縮機(jī)進(jìn)出口的溫度及壓力信息，并通過步進(jìn)電機(jī)等智能驅(qū)動器，可大幅度、快速、適時調(diào)整其開度，使制冷劑的流量實現(xiàn)最佳化。采用電子膨脹閥的直冷式奶罐與普通直冷式奶罐工作時的制冷量的定性比較如圖3所示。

◎圖3 制冷量比較示意圖

圖中曲線A是采用熱力膨脹閥的普通直冷式奶罐的制冷量隨環(huán)境溫度的變化曲線，曲線B是采用電子膨脹閥的直冷式奶罐的制冷量隨環(huán)境溫度的變化曲線。由圖可見，對普通直冷式奶罐，當(dāng)環(huán)境溫度在15～30℃變化時，熱力膨脹閥可較好的調(diào)整其開度，制冷單元的制冷量基本不變；當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時，熱力膨脹閥開度不能適應(yīng)更大的開度調(diào)整要求，而此時制冷單元的制冷劑冷凝壓力較低，熱力膨脹閥兩側(cè)的壓差減小，使流過熱力膨脹閥的制冷劑流量顯著下降，制冷單元的制冷量隨之降低。

采用電子膨脹閥的直冷式奶罐，當(dāng)環(huán)境溫度在15～30℃時，其制冷量特性和普通直冷式奶罐相似。但當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時，由于電子膨脹閥的開度是由步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動器調(diào)整，其開度可隨環(huán)境溫度隨時調(diào)整，尤其當(dāng)環(huán)境溫度較低時其開度可調(diào)整得很大，足以保證當(dāng)閥前后的壓差很小時也可具有足夠的制冷劑流量，保證制冷單元的制冷量不下降，在必要時還可適當(dāng)提高冷卻器中制冷劑的蒸發(fā)壓力，使制冷單元的制冷量得到一定程度的提升。

三、采用熱管散熱器的直冷式奶罐

采用熱管散熱器的直冷式奶罐如圖4所示。

圖中，采用熱管散熱器的直冷式奶罐有兩個途徑把奶罐中牛奶的熱量排入環(huán)境，一是制冷單元由壓縮機(jī)驅(qū)動制冷劑吸收牛奶的熱量通過散熱器排入環(huán)境；二是通過熱管散熱器依靠制冷劑的自然流動把牛奶的熱量排入環(huán)境。

熱管散熱器的散熱原理是：牛奶進(jìn)入奶罐后，把熱量傳遞給下部冷卻器中的制冷劑，制冷劑吸熱汽化變成制冷劑蒸氣，蒸氣上升沿管道進(jìn)入熱管冷卻器，在熱管冷卻器中凝結(jié)，同時把熱量排給熱管散熱器外的空氣，凝結(jié)后的制冷劑液體由于密度較大，沿管路下降流回奶罐下部的冷卻器，繼續(xù)吸收牛奶熱量進(jìn)行下一個循環(huán)。

只要環(huán)境溫度低于牛奶溫度，熱管散熱器即可自動運行用于牛奶冷卻；根據(jù)環(huán)境溫度高低可單獨用熱管散熱器來冷卻牛奶，也可用熱管散熱器與制冷單元聯(lián)合進(jìn)行牛奶冷卻，可使牛奶冷卻所需的能耗減少30%以上。

◎圖4 采用熱管散熱器的直冷式奶罐

◎圖5 同時制取熱水的直冷式奶罐示意圖

四、同時制取熱水的直冷式奶罐

同時制取熱水的直冷式奶罐如圖5所示。

在牧場中，除剛擠出的牛奶需要降溫冷卻外，奶罐和擠奶設(shè)備的清洗還需要大量熱水，圖中通過在壓縮機(jī)和散熱器之間加入熱回收器的方法，可使制冷單元在冷卻牛奶的同時，還可制取50～80℃的熱水。

同時制取熱水的直冷式奶罐工作原理為：來自壓縮機(jī)的高溫高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入熱回收器，在熱回收器中設(shè)有傳熱管，高溫制冷劑通過傳熱管把熱量傳給自來水，使其溫度升至50～80℃后排入熱水箱儲存，被冷卻的制冷劑再繼續(xù)進(jìn)入散熱器和環(huán)境空氣換熱并冷凝為液體，再經(jīng)膨脹閥變?yōu)榈蜏匾后w進(jìn)入冷卻器冷卻牛奶。

同時制取熱水的直冷式奶罐和普通直冷式奶罐相比，需增設(shè)熱回收器，但其散熱器尺寸可減小，總體成本和普通直冷式奶罐相差不多，牛奶冷卻速度和耗電量二者也相當(dāng)令人滿意，但同時制取熱水的直冷式奶罐可直接獲得用于清洗奶罐和擠奶系統(tǒng)的熱水，不但節(jié)約了熱水制取費用，還可省去熱水加熱爐等設(shè)備，具有較強(qiáng)的綜合優(yōu)勢。

五、結(jié)論與建議

直冷式奶罐技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，但普通的直冷式奶罐又有工況調(diào)節(jié)范圍窄、不能利用天然冷源、不能同時制取熱水等缺點，通過電子膨脹閥、熱管散熱器、熱回收器等技術(shù)的引入，可為直冷式奶罐的發(fā)展提供較好的參考，建議進(jìn)一步對各技術(shù)方案所涉及的新型直冷式奶罐的部件選取、工作特性以及結(jié)合用戶需求的整體優(yōu)化，展開更深入的工作。