文│李國(guó)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(guó)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(chǎng)和牛奶收集站，在對(duì)直冷式奶罐的現(xiàn)狀及其存在問題簡(jiǎn)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(shí)制取熱水的直冷式奶罐，對(duì)不同方案的設(shè)備構(gòu)成、工作原理及特點(diǎn)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(chǎng)等場(chǎng)所，擠出的牛奶需收集在奶罐中，并在一定時(shí)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(gè)單元通過冷卻器與奶罐耦合在一起而形成一個(gè)整體的系統(tǒng)。剛擠出的牛奶進(jìn)入奶罐后冷卻時(shí)，制冷單元運(yùn)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(shí)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(shí)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(gè)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)奶罐中牛奶熱量的連續(xù)移出。

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

1.對(duì)四季環(huán)境溫度變化時(shí)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(duì)一年四季的變工況適應(yīng)性較差，尤其在北方冬季時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)中奶罐和擠奶系統(tǒng)的清洗均需要大量熱水，可通過對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)牛奶冷卻和熱水制取兩個(gè)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(hào)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(dòng)器，可大幅度、快速、適時(shí)調(diào)整其開度，使制冷劑的流量實(shí)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(shí)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(duì)普通直冷式奶罐，當(dāng)環(huán)境溫度在15～30℃變化時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，由于電子膨脹閥的開度是由步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器調(diào)整，其開度可隨環(huán)境溫度隨時(shí)調(diào)整，尤其當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)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(dòng)運(yùn)行用于牛奶冷卻；根據(jù)環(huán)境溫度高低可單獨(dú)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(shí)制取熱水的直冷式奶罐示意圖

四、同時(shí)制取熱水的直冷式奶罐

同時(shí)制取熱水的直冷式奶罐如圖5所示。

在牧場(chǎng)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(shí)，還可制取50～80℃的熱水。

同時(shí)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(chǔ)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(shí)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(shí)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(fèi)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(shì)。

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(shí)制取熱水等缺點(diǎn)，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(duì)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。