Совершенствование конструкции кожухотрубных аппаратов. Аппаратурное оформление процесса первичного охлаждения молока

 
 
 
 
П. А. Галкин 
 
 
 
 
 
 
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ  
КОЖУХОТРУБНЫХ АППАРАТОВ 
АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА  
ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 

 
 
Рекомендовано научно-техническим советом 
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный 
технический университет» 
УДК 637.1.02 
ББК 36.95 
Г16 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор кафедры математического моделирования 
и информационных технологий ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный 
университет им. Г. Р. Державина» Ковалев Сергей Владимирович; 
д. т. н., профессор кафедры компьютерно-интегрированных систем 
в машиностроении ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный 
технический университет» Соколов Михаил Владимирович 
 
 
 
Галкин, П. А. 
Г16  
Совершенствование конструкции кожухотрубных аппаратов. Аппаратурное оформление процесса первичного охлаждения молока : монография / П. А. Галкин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 96 с. : 
ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1373-2 
 
Показаны способы повышения эффективности кожухотрубных теплообменников для первичного охлаждения молока, представлена методика, уточняющая число труб для малогабаритных кожухотрубных аппаратов с учетом уменьшения байпасного зазора путем установки дополнительного числа труб в байпасной зоне при сохранении направлений по- 
токов. 
Для специалистов в области пищевой промышленности и агропромышленного комплекса. 
 
  УДК  637.1.02 
  ББК   36.95 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1373-2 
” Галкин П. А., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

 
 
-¢ªŸ¡ª¤¬§¤
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 4 
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ ПЕРВИЧНОГО                 
ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА 
..................................................................................... 6 
1.1. Первичное охлаждение молока........................................................................ 6 
1.2. Классификация теплообменных аппаратов, применяемых                       
при первичном охлаждении молока 
..................................................................... 13 
1.3. Сравнительный анализ кожухотрубных и пластинчатых                         
теплообменников 
.................................................................................................... 26 
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА                            
КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С УЧЕТОМ ЗАЗОРОВ          
В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ................................................................ 32 
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА .................. 47 
3.1. Описание экспериментальной установки ..................................................... 47 
3.2. Экспериментальные исследования и их результаты ................................... 52 
4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 
................. 55 
4.1. Методика расчета аппарата для первичного охлаждения молока ............. 55 
4.2. Алгоритм и описание программы для расчета ............................................. 59 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 64 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................... 65 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
....................................................................................................... 68 
Приложение 1. Результаты теоретического исследования влияния зазоров     
на интенсивность теплообменного процесса ...................................................... 68 
Приложение 2. Результаты экспериментального исследования                          
зависимости температуры теплоносителей от времени проведения                
эксперимента........................................................................................................... 74 
Приложение 3. Программа проектирования кожухотрубных аппаратов        
для первичного охлаждения молока .................................................................... 76 
3 
 

 
 
¡¡¤£¤¬§¤
 
Развитие агропромышленного комплекса обуславливает необходимость 
использования современного высокоэффективного оборудования, в том числе и 
в животноводстве. Это термоемкости на базе молоковозов, позволяющие перевозить молоко на дальние расстояния с наименьшими изменениями первоначальной температуры продукта, резервуары-охладители, позволяющие снизить 
температуру молока с 35 °С до 4 °С, холодильные машины, в которых в качестве 
хладагента применяется аммиак или фреон. 
Молоко теряет свои ценные питательные свойства в течение первых двухтрех часов после доения. Наиболее полное сохранение этих свойств обеспечивается охлаждением. Процесс охлаждения должен быть не только своевременным, 
но и достаточно интенсивным, чтобы понизить температуру молока после доения в среднем до двух градусов по шкале Цельсия. На животноводческих фермах в молочных линиях для охлаждения применяются пластинчатые аппараты, 
которые позволяют распределить тепло- и хладоносители тонким слоем по поверхностям теплообмена. 
Однако пластинчатые аппараты имеют целый ряд недостатков, которые 
связаны с наличием в конструкции большого количества прокладок. Эти прокладки располагаются по периметру соседних пластин и имеют значительные 
размеры по длине и ширине аппарата. После сжатия пакета пластин и прокладок они образуют герметичные каналы в виде щелей для молока и хладоносителя. Отмечаются частые отказы в работе из-за нарушения герметичности. Щели забиваются посторонними частицами, например опилками, шерстью и т. п. 
Отсюда значительные затраты на разборку и сборку аппарата. Кроме того, конструкция пластинчатого аппарата имеет существенные ограничения для дальнейшей интенсификации теплообменных процессов. 
Создание оборудования для первичного охлаждения молока как для крупных, так и для мелкотоварных производств более приемлемо при использования 
4 
 

 
 
кожухотрубных теплообменников, так как они изготавливаются на универсальном оборудовании, которое широко известно, и имеют невысокую стоимость по 
сравнению с пластинчатыми аппаратами. Кроме того, они имеют следующие достоинства: 
1) широкий диапазон использования; 
2) простота изготовления; 
3) легкость чистки и мойки в процессе эксплуатации. 
Цель работы заключается в установлении способов повышения эффек- 
тивности кожухотрубных теплообменников для первичного охлаждения молока, уточнении методики их расчета и проектирования.  
В соответствии с этим нами разработана методика проектирования ко- 
жухотрубных теплообменных аппаратов, используемых при первичном охлаждении молока. Данная методика уточняет число труб для малогабаритных ко- 
жухотрубных аппаратов с учетом уменьшения байпасного зазора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

 
 
°-¡¯¤«¤¬¬-¤°-°±-¾¬§¤±¤´¬§©§
®¤¯¡§¶¬-¢--´ªŸ¥£¤¬§¾«-ª-©Ÿ
 
®ÄÏÁÇÖÌÍÄÍÔÊ¿ÅÃÄÌÇÄËÍÊÍÉ¿
 
Качество молока и молочных продуктов во многом зависит от своевременности обработки или переработки их. Молоко представляет собой скоро- 
портящийся продукт. Оно является весьма благоприятной средой для развития 
всевозможных микроорганизмов. В целях сохранения молока в свежем виде в 
период доставки потребителям или на молочные заводы его подвергают в хозяйствах первичной обработке. Важнейшим условием первичной обработки молока является его охлаждение [19]. Цельное парное молоко имеет оптимальную 
температуру для размножения микробов, которые повышают кислотность, вероятность скисания молока. Продолжительность действия бактерицидной фа- 
зы представлена в табл. 1. Молоко, не охлажденное уже через час после выдаивания, не отвечает требованиям первого сорта, а через 2 ч после него по кислотности соответствует второму сорту, а по бактериальной обсемененности счи- 
тается уже несортовым. Через 3 ч после выдаивания кислотность молока до- 
стигает 23 ƒТ, и такую продукцию молокозаводы уже не принимают. Поэтому 
молоко после выдаивания надо охлаждать сразу до температуры не выше 8 ƒС. 
Этого можно достигнуть, используя лед или машинный холод. Нельзя смешивать охлажденное молоко с парным. Смешивать молоко вечернего удоя c утренним можно, если оно охлажденное.  
Доильно-молочное оборудование предназначено для выполнения двух 
технологических процессов: машинного доения коров и первичной обработки 
молока, которые, как правило, объединяются в одну поточную линию. Под технологической молочной линией понимают систему, состоящую из источника 
молока (коров), доильной установки для приема молока (молоковыведение из 
вымени, сбор молока в емкости, транспортировка и кратковременное хранение 
6 
 

 
 
молока) и комплекта машин для первичной обработки молока (очистка, охлаждение, длительное хранение, транспортировка к местам реализации) [22]. 
 
Таблица 1 
Продолжительность действия бактерицидной фазы, ч. 
 
Условия получения молока 
 
Температура 
 
молока, °С 
хорошие 
плохие 
37 
3,0 
2,0 
30 
5,0 
2,3 
16 
12,7 
7,6 
13 
36,0 
19,0 
 
В зависимости от способа содержания коров в зимний и летний перио- 
ды, а также от принятой системы организации машинного доения применяют 
доильные установки разных типов. 
В настоящее время промышленность выпускает доильные установки четырех типов: 1) для доения в стойлах со сбором молока в переносные ведра – 
АД-100А и ДАС-2Б; 2) для доения в стойлах со сбором молока через молокопровод в общую емкость – АДМ-8; 3) для доения на пастбищах и площадках 
со сбором молока в общую емкость – УДС-ЗА; 4) для доения на площадках 
со сбором молока в общую емкость – УДТ-6 типа «Тандем», УДЕ-8 типа «Елочка» и УДА-100 типа «Карусель» [19]. 
В доильной установке АДМ-8 с молокопроводом выдоенное молоко учитывается и затем транспортируется по стеклянному молокопроводу в молочное 
отделение, где охлаждается и собирается в общую емкость для хранения. 
Доильная установка АДМ-8 (рис. 1.1) состоит из 12 аппаратов ДА-2М, 
вакуум-провода, двух главных вакуум-регуляторов 2, шести вкауум-подъемников, молокопровода 12 и двух унифицированных вакуумных насосов 13 (уста- 
7 
 

 
 
новок УВУ-60/45). Оборудование молочной линии включает два групповых счетчика 4 надоя молока, шесть устройств зоотехнического учета молока, молокосборник 5, насос молочный универсальный 6, фильтр 7 и пластинчатый охладитель 8 молока. Кроме того, доильная установка снабжена устройством 9 для автоматической циркуляционной промывки молокопровода и доильной аппаратуры, источником тепла – электрическим водонагревателем-термосом ВЭТ-400, 
шкафом управления и шкафом запасных частей. 
 
 
 
Рисунок 1.1. Принципиальная схема доильного агрегата АДМ-8:  
1 – доильный аппарат; 2 – главный вакуум-регулятор;  
3  – дифференциальный клапан; 4  – счетчик надоя молока групповой; 
5 – молокосборник; 6 – насос молочный универсальный; 
7 – фильтр; 8 – пластинчатый охладитель молока;  
9 – автомат промывки; 10 – разделитель; 11 – вакуум-провод; 
12 – молокопровод; 13 – вакуумный насос 
 
Обязательное условие получения доброкачественного молока – ежедневная обработка доильного и молочного оборудования дезинфицирующими ве- 
ществами (0,1%-ным раствором хлорамина Б, раствором гипохлорита кальция 
8 
 

 
 
той же концентрации). Ими же ежедневно промывают молокосборники, молочные танки, ванны и другое оборудование [2]. 
Классификация оборудования, применяемого для охлаждения молока, 
представлена на рис. 1.2 [5]. 
 
 
Охладители 
 
Фляжные 
 
Трубчатые 
 
Спиральные 
 
Резервуарные 
 
Пластинчатые 
 
 
Оросительные 
 
Двухсекционные 
 
Односекционные 
 
Двухступенчатые 
 
Одноступенчатые 
С непосредственным  
испарением хладагента 
С непосредственным 
 охлаждением хладагентом 
 
С промежуточным хладоносителем 
С промежуточным хладоносителем 
Рисунок 1.2. Классификация оборудования для охлаждения молока 
 
 
 
 
 
9 
 

 
 
Выделяют несколько схем сбора и охлаждения молока: 
- охлаждение и хранение в резервуарах-охладителях;  
- предварительное охлаждение в тонкослойном пластинчатом охладителе, 
доохлаждение в резервуаре-охладителе, хранение в резервуаре-термосе; 
- охлаждение в пластинчатом охладителе, хранение в резервуаре-термо- 
се [1, 2].  
Охлаждение в резервуарах-охладителях может быть непосредственным 
и косвенным [15]. При непосредственном охлаждении хладагент холодильной 
машины отбирает тепло от молока, при косвенном охлаждении – от промежуточного хладоносителя. 
Преимущества системы с непосредственным охлаждением (рис. 1.3): 
- удобство эксплуатации в условиях фермы;  
- высокий КПД, так как нет дополнительных затрат энергии на охлаждение хладоносителя; 
- сравнительно небольшие металлоемкость и габаритные размеры. 
 
 
Рисунок 1.3. Система с непосредственным охлаждением 
 
 
10