Модернизация танка охладителя молока ТОМ-2 (конструкторская часть дипломного проекта + чертеж)

6 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
6.1 Патентный обзор машин для охлаждения молока.
6.1.1 Авторское свидетельство 2132129 С1
Автор свидетельства Ермичев В.А.
Устройство относится к сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности и предназначено для охлаждения молока. Технический результат упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности охлаждения молока за счет отказа от механического привода мешалки и за счет охлаждения ее лопастей. Танк для охлаждения молока включает охлаждающую установку, охлаждаемый резервуар и вращающуюся мешалку, привод которой выполнен в виде объемного гидродвигателя, рабочей жидкостью в котором является охлаждающая жидкость устройства. Лопасти мешалки выполнены полыми и охлаждаются циркулирующей в них жидкостью, используемой для вращения мешалки. Такое выполнение позволяет повысить надежность и эффективность охлаждения молока за счет отказа от механического привода мешалки и за счет охлаждения ее лопастей.
Большинство мешалок, расположенных в охлаждающих емкостях (танках) молока, выполнены вращающимися и имеют привод от электродвигателя. Частота вращения лопастей мешалки - 20...30 об/мин, поэтому привод представляет собой понижающую передачу с большим передаточным отношением. Например, в танке для охлаждения молока ТОМ-20А применена фрикционная передача, которая обладает малой долговечностью и надежностью
Наиболее близким аналогом является устройство для охлаждения молока по авторскому свидетельству SU 803912, кл. А01 J 9/04, 1981, включающее охлаждаемую емкость для молока, охлаждающую установку, насос охлаждающей жидкости, подводящий и отводящий трубопроводы,
вращающуюся мешалку с электроприводом.
Недостатком этого устройства является то, что для понижения частоты



вращения мешалки требуется передача с большим передаточным числом, что усложняет конструкцию и понижает ее надежность.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности привода мешалки, и
повышение эффективности охлаждения молока за счет охлаждения лопастей мешалки.
Это достигается тем, что привод мешалки выполняется в виде объемного гидравлического двигателя. При этом рабочая жидкость гидродвигателя, циркулируя в замкнутом контуре, охлаждается в холодильной установке и прокачивается через полые лопасти мешалки, охлаждая молоко.
Данное изобретение поясняется чертежом. Устройство содержит корпус охладителя 1, охлаждаемый резервуар 2, насос охлаждающей жидкости 3, охладительную установку 4, подводящий трубопровод 5, привод мешалки 6, выполненный в виде объемного гидравлического двигателя, мешалку 7, имеющую в лопастях полости для циркуляции жидкости, отводящий трубопровод 8.
Охлаждающая жидкость находится в корпусе охладителя 1, омывает охлаждаемый резервуар 2. Насос 3 прокачивает охлаждющую жидкость под давлением по трубопроводу 5, которая поступает в гидродвигатель 6. Работа гидродвигателя может быть осуществлена, например, за счет тангенциального входа охлаждающей жидкости в его ротор и тангенциального выхода из него. На валу ротора гидродвигателя крепится мешалка 7. Вал ротора имеет два канала, по которым охлаждающая жидкость поступает в полые лопасти мешалки и возвращается из них. По трубопроводу 8 жидкость сливается в систему.

6.1.2 Авторское свидетельство 2238642
Автор свидетельства Бродский Л.Е.
Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в пищевой промышленности, в агропромышленном комплексе и


фермерских хозяйствах, обслуживающих стадо, с суточным надоем 1000-3000 л молока.
Установка охлаждения молока содержит квадратный резервуар размером 2000x2000x600 мм из нержавеющей стали с наружным теплоизоляционным покрытием 2, верхнюю траверсу 3 (балку) с закрепленной на ней мешалкой 4 и мотор редуктором 5, а также последовательно соединенные компрессорно-конденсаторный агрегат 6, ресивер 7, фильтр 8, терморегулирующий вентиль 9, делитель потока (на фиг.1 не показан) и трубчатый испаритель 10 со всасывающим коллектором, связанным со входом компрессорно-конденсаторного агрегата 6.
Трубчатый испаритель 10 выполнен из 36 медных труб длиной 2000 мм d=14 мм, полу деформированных в плоскость шириной 17,5 мм для повышения площади теплового контакта. Трубы припаяны с шагом 50 мм к днищу слоем олова 0,7 мм.
Делитель потока представляет собой шесть медных труб d=6 мм длиной 1 м, соединенных в "паук", обеспечивающих равномерное последовательно-параллельное прохождение испаряющегося хладона в 6 секциях из 6 труб испарителя. При этом калачи и коллектор (труба d=20 мм), соединяющие трубы испарителя 10, а также делитель потока находятся вне теплового кон-такта с днищем.
Так, паспортное время охлаждения 1500 л молока от 28 до 4°С при t возд.=25°С составляет 3,5 часа [1] и превышает санитарные нормы (3 часа). При полной загрузке (2000 л) время охлаждения пропорционально возрастает до 4,7 часа.
Отметим также, что несмотря на повышенную площадь теплового контакта паспортное время охлаждения 1000 л молока в аналоге [2] составляет 3 часа (при половинной загрузке) и 6 часов (при полной загрузке), что вызвано ограниченной мощностью  компрессорно конденсаторного агрегата.



Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является резервуар-охладитель молока по патенту RU No2007909, А 01 J 9/04, 1994. Он содержит резервуар с наружным теплоизоляционным покрытием, верхнюю траверсу с закрепленной на ней мешалкой, трубчатый испаритель со всасывающим коллектором, связанным с компрессорно-конденсаторным агрегатом и расположенным под резервуаром
Бак-аккумулятора холода, снабженным трубопроводом подачи ледяной воды с вращающимся оросителем днища. Для циркуляции ледяной воды и теплообмене между днищем и трубчатым испарителем предусмотрен водяной насос. Кроме того, в состав резервуара-охладителя входит ресивер хладона, фильтр и терморегулирующий вентиль.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, связанная с наличием промежуточного хлада носителя (ледяной воды) между кипящим хладоном и молоком, ограниченная площадь теплообмена на днище и, как следствие, ограниченная мощность холодильного агрегата, а также необходимость круглосу-точного аккумулирования холода вплоть до образования льда на трубчатом испарителе для соблюдения санитарных норм охлаждения. Конструкция усложняется наличием дополнительных приборов автоматики: водяного насоса с электродвигателем и магнитным пускателем, реле наморозки льда, оросителя (сегнерова колеса), что сопровождается снижением надежности.
Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение холода производительности, а также на устранение всех промежуточных потерь мощности при обмене между кипящим хладоном и молоком.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке охлаждения молока, содержащей резервуар с наружным теплоизоляционным покрытием, верхнюю траверсу с закрепленной на ней мешалкой, трубчатый испаритель со всасывающим коллектором, связанным с компрессорно-конденсаторным агрегатом, согласно изобретению компрессорно-конденсаторный агрегат, ресивер,



фильтр, терморегулирующий вентиль, делитель потока и трубчатый испаритель со всасывающим коллектором соединены последовательно, а трубчатый испаритель с делителем потока и всасывающим коллектором выполнен погружным съемным и размещен на дне резервуара, траверса с мешалкой выполнена съемной, кроме того, в нее введены два гибких рукава нагнетания и всасывания, причем рукав нагнетания соединяет терморегулирующий вентиль с делителем потока, а рукав всасывания соединяет всасывающий кол- лектор со входом копрессорно-конденсаторного агрегата. При этом для повышения срока службы резервуар выполнен из нержавеющей стали.
Установка охлаждения молока содержит резервуар 1 из нержавеющей стали с наружным теплоизоляционным покрытием 2, верхнюю траверсу 3 с закрепленной на ней мешалкой 4 и мотор редуктором 5, а также после-довательно соединенные компрессорно-конденсаторный агрегат 6, ресивер 7, фильтр-осушитель 8, терморегулирующий вентиль 9, делитель потока 10 и трубчатый испаритель 11 со всасывающим коллектором 12. Сверху резервуар 1 закрыт крышками.
Трубчатый испаритель 11 со всасывающим коллектором 12 и делителем потока 10 выполнены погружными, быстросъемными и размещены на дне резервуара 1 в 5 мм от дна. Они опираются на дно изогнутыми калачами в четырех крайних угловых точках. Траверса 3 с мешалкой 4 выполнена также быстросъемной и крепится к резервуару 1, с одной стороны на петлях 13, с другой стороны - гайкой с барашком. Терморегулирующий вентиль 9 и делитель потока 10 связаны гибким рукавом нагнетания 14 с условным проходом 10 мм, а всасывающий коллектор 12 и вход компрессорно-конденсаторного агрегата 6 - гибким рукавом всасывания 15 с условным проходом 20 мм. Гибкие рукава 14, 15 закреплены в верхней части резервуара хомутом 16. Установка также содержит запорные вентили 17 - два на компрессоре компрессорно-конденсаторного агрегата и один на ресивере (рабочее положение - открыты).
Трубчатый испаритель 11 выполнен из 24 прямолинейных тонкостенных труб



d=14 мм длиной 2000 мм, соединенных с одной стороны делителем потока 10, всасывающим коллектором 12 и калачами, а с другой стороны - только калачами в шесть секций трубчатого испарителя 11 по четыре трубы. Делитель потока 10 представляет собой прямолинейную трубу d=14 мм, связывающую параллельно секции трубчатого испарителя 11с установленными на входах секций по линии нагнетания дроссельными шайба-ми d=4 мм.
Всасывающий коллектор 12 представляет собой прямолинейную тонкостенную трубу
d=20 мм, связывающую параллельно шесть секций трубчатого испарителя 11 по линии всасывания.
В состав установки охлаждения молока входит также датчик температуры резервуара 1 и шкаф электроуправления (на фиг.2, 3 не показаны), которые автоматически обесточивают установку при достижении температуры 4°С и вновь включают ее через 3-4 часа при повышении температуры до 5°С в процессе хранения.
Работает установка следующим образом. При заполнении резервуара 1 свыше 500 л трубчатый испаритель 11 и мешалка 4 оказываются погруженными в молоко. Жидкий хладоагент, например R 22, из ресивера 7, пройдя через фильтр-осушитель 8, дросселируется до давления испарения на терморегулирующем вентиле 9 и, испаряясь, поступает через гибкий рукав нагнетания 14 в делитель потока 10, где разделяется на шесть одинаковых кипящих потоков, заполняя секции трубчатого испарителя 11. Здесь хладагент полностью испаряется, отбирая тепло у охлаждаемого молока. Далее пары хладона из секций трубчатого испарителя 11 соединяются в общем всасывающем коллекторе 12 и через гибкий рукав всасывания 15 поступают на вход компрессорно-конденсаторного агрегата 6. В компрессоре компрессорно-конденсаторного агрегата 6 пары сжимаются до давления конденсации и нагнетаются в конденсатор, где они охлаждаются и конденсируются в жидкую фазу, отдавая тепло окружающему воздуху.



Далее жидкий хладон поступает вновь в ресивер 7. Терморегулирующий вентиль 9 автоматически уменьшает дросселирующее сечение и массу жидкого хладона, а также давление паров на линии всасывания в гибком рукаве всасывания 15 по мере охлаждения молока.
Мешалка 4 с мотор редуктором 5 обеспечивают равномерный теплосъем с трубчатого испарителя 11, приподнятого над дном резервуара 1, и отдают холод всему объему молока. Скорость вращения мешалки - 20 об./мин. Делитель потока 10 также обеспечивает равномерное охлаждение всех секций и труб испарителя. После охлаждения молока до 4°С датчик температуры отключает установку.
Обслуживание установки охлаждения молока заключается в промывке резервуара 1, мешалки 4, трубчатого испарителя 11с делителем потока 10 и коллектором 12 струей теплой воды или моющей жидкости ("Дезмолом") после каждого цикла охлаждения молока.
Применение погружного трубчатого испарителя 11, выполненного из тонкостенной нержавеющей или медной трубки d=14 мм, общей длиной L=48 м с калачами общей длиной 2 м, а также погружным двухметровым делителем потока 10 и двухметровым всасывающим коллектором 12 из трубки d=20 мм обеспечивает эффективную площадь охлаждения S=7tdL+AS=2,3 м, где AS=0,3 м - общая площадь коллектора, калачей и делителя потока.
Общая площадь эффективного охлаждения у заявляемой установки оказывается в 1,83 раза больше, чем у прототипа, и в 1,44 раза больше аналога несмотря на снижение числа трубок испарителя в 1,5 раза по сравнению с прототипом. Повышению холода производительности также способствует высокий коэффициент теплопередачи между испаряемым хладоном и молоком, обеспечиваемый тонкостенной нержавеющей или медной трубкой толщиной в 1 мм.





6.1.3 Авторское свидетельство 2295855 С1
Автор свидетельства Валиков Ф.И.
Изобретение относится к производству молочной продукции, а более конкретно, к молокосборникам с холодильными устройствами.
Известная установка характеризуется более эффективным порционным охлаждением молока большого объема при его накоплении и хранении на ферме до реализации.
Однако известной установке присущи следующие недостатки:
- преднамеренная наморозка глыбы льда на объемной трубчатой конструкции испарителя, выполняющей функции инерционного накопителя холода, но массивом перекрывающей его распределенные в объеме трубы, резко уменьшает конвективную поверхность теплообмена, чем снижается эффективность охлаждения;
- размещение мешалки в верхней части корпуса не обеспечивает равномерной циркуляции всего объема воды при охлаждении на испарителе и в конвективном технологическом зазоре по высоте между корпусом и емкостью для молока;
- прямоугольная форма сосудов установки, не совпадающих по конфигурации, не обеспечивает эквидистантности зазору между ними (каналу циркуляции теплоносителя), который в многочисленных застойных зонах конструкции накапливается и нагревается, что заметно ухудшает гидродинамику потока воды и, следовательно, снижает эффективность охлаждения молока в емкости.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование известной конструкции установки для повышения скорости охлаждения молока с меньшими энергозатратами, то есть более эффективной по основному показателю значения.
Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в установке охлаждения молока, содержащей холодильный агрегат, трубчатый



испаритель которого размещен внутри жидкого теплоносителя, наполняющего теплоизолированный корпус, где с зазором установлена емкость для молока, при этом в корпусе и емкости для молока вертикально смонтированы лопастные мешалки, достигается тем, что по меньшей мере двухъярусная мешалка жидкого теплоносителя смещена относительно оси корпуса овальной формы и локализована внутри концентричного отражателя, совмещенного с дополнительным испарителем конгруэнтного профиля, заходная часть которого примыкает к емкости для молока с минимальным технологическим зазором, а его выход, расположенный между емкостью для молока и корпусом, формирует эжектор, при этом отражатель перекрывает технологический промежуток между испарителями, являющимися петлевыми, трубы которых равноудалены друг от друга, а на расстоянии от трубы испарителя, соответствующем заданной толщине наморозки льда, закреплен электроконтактный коммутатор, связанный с блоком управления холодильного агрегата. Петли вертикально расположенных трубчатых испарителей на шаг смещены по высоте.
Отличительные признаки изобретения обеспечивают повышение эффективности охлаждения молока, то есть основного показателя назначения установки, которая характеризуется более низким удельным энергопотреблением, что снижает потребительскую стоимость товарной продукции.
Овальная форма корпуса при совмещении с цилиндрической емкостью для молока формируют эквидистантный технологический зазор - равномерный обтекаемый канал без застойных зон для беспрепятственной циркуляции охлаждаемой жидкости с заданной скоростью и требуемой теплопроводностью.
Смещение вертикальной мешалки охлаждающей жидкости обеспечивает градиент давления в корпусе, в результате чего трубы испарителя с намороженным льдом интенсивно омываются теплой водой.
При этом мешалка локализована концентричным отражателем, на входе



примыкающим к емкости для молока, создавая ограниченное проходное сечение (гидродинамическое давление), и который перекрывает для прохода технологический промежуток между испарителями, где образуется разрежение, а на выходе формирующим эжектор, через который принудительным потоком жидкости от мешалки образуется подсос охлаждаемой воды в испарителях.
Организованная таким образом принудительная направленная циркуляция жидкого теплоносителя в рабочем охлаждающем канале и технологической зоне корпуса значительно повысила эффективность охлаждения молока в емкости при снижении удельных энергозатрат.
Предложенная установка коммутатора, при условии равноудаленного размещения труб обоих испарителей, то есть тождественных условий функционирования, обеспечивает опосредованный активный контроль за объемом намораживания льда на всех трубах испарителей, предотвращая образование его монолита на испарителях в целом.
Таким образом гарантированно обеспечиваются заданные технологические зазоры для свободной циркуляции жидкого теплоносителя, эффективность охлаждения которого обеспечивается развитой конвективной поверхностью ледяной рубашки на трубах по определению.
Выполнение вертикальной лопастной мешалки воды двухярусной по высоте корпуса обеспечивает принудительное вовлечение всего объема теплоносителя в циркуляцию и теплообмен.
Организация встречного движения молока в емкости и воды в корпусе обеспечила эффективное использование последней в качестве теплоносителя для интенсификации процесса теплопередачи через поверхность их раздела.
Симметричное относительное смещение по высоте петель труб в структуре каждого из вертикальных испарителей, то есть установка их в шахматном порядке, предназначено для повышения гидродинамического сопротивления в процессе конвективного теплообмена, чтобы увеличить скорость охлаждения воды до требуемой температуры теплоносителя.


Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, таким образом поставленная техническая задача в изобретении достигается не суммой эффектов признаков, а новым эффектом их суммы.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пищевому машиностроению, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления установки охлаждения молока можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.


6.1.4 Авторское свидетельство 2014880 С1
Автор свидетельства Медведев В.Д.

Изобретение относится к перемешивающим устройствам, применяемым в аппаратах для осуществления тепло массообменных процессов.
Рамные мешалки относятся к тихоходным перемешивающим устройствам. Уязвимым местом их является высокая металлоемкость и недостаточная эксплуатационная надежность.
Известен смеситель в котором лопасти рамной мешалки выполнены в виде подковообразного профили, вогнутой стороной направленного в сторону внутренней поверхности корпуса смесителя. К существенным недостаткам следует отнести трудности изготовления мешалки и большую ее массу.
В перемешивающем устройстве содержащем вал, U-образную мешалку, закрепленную горизонтальной своей частью на валу, с вертикальными частями, расположенными параллельно валу, и пластину, надетую на вал и закрепленную своими торцами на вертикальных частях мешалки с изгибом пластины в сторону, противоположную вращению мешалки, и отверстиями на


выпуклых ее частях. В данном устройстве также не достигается снижение металлоемкости.
В якорной мешалке хотя и .уменьшается металлоемкость, однако эксплуатационная ее надежность значительно снижается за счет выполнения лопасти мешалки с окнами, расположенными вертикальными рядами в шахматном порядке.
Известна рамная мешалка (6), существенным недостатком ее является большая металлоемкость из-за многочисленных сопловых устройств, вваренных по всей высоте лопасти.
Целью предлагаемого технического решения является повышение эксплуатационной надежности и снижение металлоемкости за счет изменения профиля лопасти мешалки.
Поставленная цель достигается тем, что лопасть мешалки выполнена в виде изогнутой трубы, наружная поверхность которой снабжена пластинами, прикрепленными в миделевом сечении трубы, и пластинами, установленными на лопастях и перемычке наклонно к горизонтальной и вертикальной плоскостям. Такое конструктивное выполнение позволит обеспечить турбулизацию среды вдоль лопасти и корпуса аппарата,
обеспечивает эксплуатационную надежность. Замена сопловых устройств, вваренных по всей высоте лопасти, позволяет снизить металлоемкость конструкции.
Рамная мешалка содержит ступицу 1, закрепленную на валу 2 перемешивающего устройства, круглые лопасти 3 в виде изогнутой трубы, соединенные с помощью перемычки 4 со ступицей 1, пластины 5, прикрепленные в миделевом сечении лопасти 3 в виде изогнутой трубы и перемычки 4, пластины 6, установленные на лопастях 3 и перемычке 4 наклонно к горизонтальной и вертикальной плоскостям.




Рамная мешалка, установленная в корпусе аппарата, работает следующим образом.
При включении электродвигателя приводится в движение рамная мешалка. Ее периферийные лопасти 3 с приваренными пластинами 5 в миделевом сечении трубы создают, вращательное движение жидкости в аппарате. Происходит перемешивание реакционной массы с разделением пристенного слоя по высоте рамной мешалки на ряд слоев, пропорциональных числу пластин 5 периферийной лопасти и пластин перемычки. При вращении рамной мешалки внутри каждого такого слоя из-за изменения направления сил, действующих по длине продольных 5 и наклонных 6 пластин, создается
крутящий момент, обусловливающий закручивание потока внутри слоя и образование вихревого шнура, который затем перемешивается с соседним по высоте слоем, обеспечивая при этом турбулизацию среды вдоль лопастей и корпуса аппарата. Такая конструкция наряду с обеспечением эксплуатациионной надежности и снижением металлоемкости позволяет интенсифицировать процессы тепло и массообмена во всем объеме аппарата.


6.2. Анализ конструкции
Холодильной машиной называют замкнутую систему аппаратов и устройств, в которых осуществляется холодильный цикл, т.е. круговой тепловой процесс рабочего вещества. Холодильная установка объединяет холодильную машину и вспомогательное оборудование для распределения и использования холода. Танк-охладитель ТОМ-2А – холодильная установка, в которой молоко охлаждается в ванне, причем охлаждение ванны производится промежуточным хладоносителем, методом орошения наружной её поверхности охлажденной водой. В данном проекте разработаем и установим дополнительные лопасти мешалки молока, что приведет к улучшению



смешивания за счет увеличения площади и радиуса захвата молока в ванне танка-охладителя. В следствии этого увеличится производительность как самого танка, так и всей линии первичной обработки молока.


6.3. Технические характеристика и краткое описание установки
Процесс охлаждения молока происходит следующим образом. После наморозки льда на панелях испарителя в ванну через лавсановый фильтр, установленный в горловине крышки, заливается охлаждаемое молоко. Охлаждение молока можно вести в автоматическом и ручном режимах в зависимости от положения тумблера избирателя режима на панели шкафа управления. При установке избирателя режима в положение «Автомат» включается в работу холодильная машина, мешалка и водяной насос. Ледяная вода насосом подается в оросительное устройство и с его помощью омывает наружную стенку ванны. При этом тепло молока через стенки ванны переходит к холодной воде, которая, нагреваясь на поверхности ванны, стекает в аккумулятор и охлаждается. При охлаждении молока до температуры 6...7ْС с помощью электроконтактного термометра отключаются электродвигатели привода мешалки и водяного насоса, а холодильная машина продолжает работать, намораживая лед на панелях испарителя. При повышении температуры на 1ْС с помощью электромагнитного термометра опять включаются электродвигатели мешалки и водяного насоса и процесс охлаждения молока продолжается.
Техническая характеристика танка-охладителя ТОМ-2А:
-рабочая вместимость молочной ванны, л 1800
-вместимость аккумулятора холода, л 1275
-холодопроизводительность агрегата, МДж 48
-общая установленная мощность электродвигателей, кВт 7,44
-производительность установки, л/ч 960
6.4. Расчет сварного соединения лопасти с валом мешалки
Необходимо чтобы качество сварочных швов соответствовало технологическим требованиям. Сварные соединения должны соответствовать II классу ОСТ 23.2.429-80. Швы сварных соединений по ГОСТ 14771-76 и ГОСТ 5264-80. Сварочная проволока ГОСТ 2246-70.
Условие прочности сварного соединения определяется по формуле:
;
где F- усилие на лопасть, Н;
ķ- катет шва, м;
l- длина шва, м.
Рассчитаем усилие на лопасть мешалки:

где Ал – площадь лопасти, м2;
ω – угловая скорость вращения вала, мин-1;
ρм- плотность молока, г/см3.
Допускаемое напряжение [τ]=80 МПа.
.
Условие прочности сварного шва соблюдается, так как:
τ=0,44 МПа< =80 МПа.