牛奶冷却罐典型技术方案及其特性分析

谢继红陈东 李国盛

（天津科技大学机械工程学院）

牛奶冷却罐典型技术方案及其特性分析

谢继红*陈东 李国盛

（天津科技大学机械工程学院）

牛奶冷却罐是牧场和牛奶收集站的主要设备。给出了牛奶冷却罐三个典型的技术方案，分别为直冷式奶罐、水冷式奶罐和速冷式奶罐。对不同奶罐的基本构成、工作原理进行了介绍，并以6 t奶罐为例，对不同奶罐的功率匹配和能耗进行了计算分析。结果表明，速冷式奶罐具有较好的综合优势。

牛奶 罐 冷却 节能 制冷系统 冷负荷

0 引言

刚挤出的牛奶温度一般在30℃以上，需在较短时间内冷却到4℃左右，才能保证牛奶具有较好的品质[1]。在牧场和牛奶收集站等场所，牛奶冷却罐是关键设备之一，其容量一般为3～10 t。

牛奶冷却罐由奶罐和冷却装置两个主要部分构成。奶罐多为卧式，截面为椭圆形，其中有搅拌、清洗等构件[2]；冷却装置则包括压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器、辅助换热器等，流程布置较多样[3]。冷却装置和奶罐的有机组合，可构成不同的牛奶冷却罐技术方案。

1 直冷式奶罐

直冷式奶罐的基本构成如图1所示。

直冷式奶罐由奶罐、压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成。压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成制冷系统，蒸发器置于奶罐底部。

直冷式奶罐的工作过程为：挤奶系统送来的热奶进入奶罐，同时制冷系统工作，蒸发器中的低温制冷剂吸收奶罐中牛奶的热量，迅速将牛奶冷却。挤奶系统不断送入热奶，低温制冷剂不断将热量带出，直至将奶罐中的牛奶冷却到要求温度。

直冷式奶罐的结构较紧凑，但制冷系统的功率配置较大。以6 t奶罐为例，设每天挤奶两次，每次2 h，并近似取牛奶的热物性与水相近，则牛奶冷却的冷负荷为:

图1 直冷式奶罐的构成

图2 水冷式奶罐的构成

式中 QE——冷负荷，kW；

M——每次挤奶的挤奶量，kg；

C——牛奶比热容，kJ/(kg·℃)；

TH——进入奶罐的热奶温度，℃；

TL——要求的牛奶冷却温度，℃；

t——工作时间（近似为挤奶时间），s。

制冷系统的制冷系数近似为[4]：

式中 COPR——制冷系数（单位功率制冷量），无因次；

TE——制冷剂的蒸发温度，℃；

TC——制冷剂的冷凝温度，℃。

所需配置的压缩机功率为：

设制冷系统每天总计工作4 h，则每天电耗为：

设电价为0.85元/千瓦小时，则每天电费为：

2 水冷式奶罐

水冷式奶罐的基本构成如图2所示。

水冷式奶罐的工作过程为：由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成制冷系统，蒸发器管内的低温制冷剂将管外的冷水降温到接近0℃，并通过冷水泵将冷水送到奶罐外的冷却夹套中，将奶罐中的牛奶冷却。

水冷式奶罐的制冷系统和奶罐通过冷水循环管路连接，制冷系统和奶罐可独立制作和运输，现场安装调试方便。对北方地下水温度和冬季气温较低的场合，易于利用自然冷源对牛奶进行辅助冷却，减少用户能耗。

水冷式奶罐中也可设立蓄冷单元，制冷系统在挤奶系统未送入牛奶前即可开始工作，预先制备好牛奶冷却所需的冷水，减少系统的功率匹配；对具有峰谷电价政策的场所，也便于利用谷值电降低用户耗电费用。

设奶罐容量为6 t，制冷系统每天工作15 h。其中7 h为谷值电，电价为0.35元/千瓦小时；8 h为平值电，电价为0.85元/千瓦小时。由式（2）得其制冷系统冷负荷为：

由式（2）得制冷系数为：

由式（3）得制冷系统的功率配置为：

每天耗电费用为：

3 速冷式奶罐

速冷式奶罐的构成如图3所示。

速冷式奶罐由奶罐、制冷系统（包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等）、冷水系统（冷水箱、冷水泵等）和换热器构成。其工作过程为：冷水箱中注入自来水或地下水，制冷系统工作，同时冷水泵运行且阀2打开、阀1关闭，蒸发器中的低温制冷剂将冷水箱中的冷水冷却，待冷水温度达到0℃左右时，制冷系统停机，冷水泵也停止运行；当挤奶系统工作，牛奶要进入奶罐时，冷水泵启动，同时阀1打开、阀2关闭，冷水进入换热器，与来自挤奶系统的牛奶换热，在1 min之内即可将牛奶冷却到4℃左右并进入奶罐；冷水则经换热器吸收牛奶热量后变为温水进入热水箱，适当加热即可用于奶罐的清洗。

图3 速冷式奶罐的构成

由速冷式奶罐的工作过程可知，冷水箱中的冷水可在挤奶系统来奶前提前制好，制冷系统的工作时间不受挤奶系统工作时间限制。设奶罐容量为6 t，制冷系统工作15 h（其中7 h为谷值电，8 h为平值电），自来水温度为15℃，换热器中冷水和牛奶流量相同，则由式（1）可得制冷系统的冷负荷为：

由式（2）得制冷系统的制冷系数为：

制冷系统的配置功率为：

每天耗电费用为：

4 结论与建议

直冷式奶罐、水冷式奶罐和速冷式奶罐是牛奶冷却罐的三个典型技术方案。其中直冷式奶罐结构紧凑，但制冷系统功率配置较大；水冷式奶罐制作、运输和安装调试较方便，配置蓄冷单元时制冷系统可不必与挤奶系统同步工作，功率可约为直冷式奶罐的1/3，有利于降低设备成本，且可利用谷值电降低电耗费用；速冷式奶罐需配置冷水箱和换热器，系统部件较多，但系统制作与调试均较方便，制冷系统功率配置可约为直冷式奶罐的1/6，电耗费用可比直冷式奶罐降低一倍以上，是最有竞争力的技术方案。

建议进一步对自然冷源在牛奶冷却中的应用和速冷式奶罐的换热器等环节进行更具体深入的研究。

[1]王蕊.冷杀菌技术在原料乳保鲜中的应用[J].乳品加工，2004(5):49-51.

[2]武建新.乳品技术设备[M].北京：中国轻工业出版社，2000.

[3]王志远.制冷原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]陈东，谢继红，赵义旭，等.一种连续冷冻浓缩装置及其应用分析[J].食品与机械，2006，22（6）：86-88.

三利立式多级离心泵能效赶超国际

青岛三利集团研发的新产品——三利立式多级离心泵，于2014年11月通过山东省机械设计研究院组织的检测。报告显示，该离心泵能效超出国内同类泵的15%，超出同行业最高水平丹麦格兰富相同泵产品的3%。该产品预计2015年年初投放市场。目前日本荏原、丹麦格兰富、美国ITT、德国威乐泵业等国际知名水泵企业在国内高端水泵产品市场几乎处于垄断地位，中国1000多家泵业企业绝大多数徘徊在低端市场，水泵能效与国际通用水平差距为15%～20%。

青岛三利集团是我国无负压供水技术独创者。据介绍，为了打破外国企业对高端水泵市场的垄断，三利立式多级离心泵从立项到研发成功耗资1.2亿元，前后历时7年。为了核心零件叶轮的扭曲度问题，他们从图纸到开模，从流体力学到电焊技术，多环节攻关，其中仅磨具一项就耗资5000多万元。

据预测，到2015年我国泵业市场规模将达到1580亿元左右。未来一段时间，高效率的注水泵、抽油泵、输油泵和螺杆泵等需求将会大增，不同类型工业泵需求量在14万～15万台。我国泵业用电占据工业用电总量的20%，水泵能效每提高一个百分点，对我国节能减排都意义重大。（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）

*谢继红，女，1969年生，硕士，副教授。天津市，300222。