|
Wyróżniamy trzy formy występowania materii: gazową, płynną i stałą, które nazywamy stanami skupienia. I tak np. H2O może występować w trzech stanach skupienia: jako para wodna, lód i ciecz. Przechodzenie z jednego w drugi stan skupienia zachodzi w stałym punkcie, w którym zmienia się ilość ciepła, ale nie temperatura. Ciepło to nosi nazwę ciepła właściwego.
Stały punkt, w którym lód przechodzi w wodę nazywamy temperaturą topnienia. Temperatura topnienia lodu to 0°C, a ilość ciepła potrzebna do stopienia 1 kg lodu to 93 Watt. Temperatura, w której woda zaczyna parować nazywa się temperaturą wrzenia. Wynosi ona 100°C. Przy ciśnieniu 1 bara ciepło właściwe, które należy dostarczyć, by doprowadzić do wrzenia 1 kg wody, wynosi 268 Watt. Należy podkreślić, że ciśnienie oddziałuje tylko na temperaturę wrzenia, a nie wywiera wpływu na temperaturę topnienia.
|
Stany skupienia materii.
|
- Skraplanie
- Parowanie
- Zestalanie
- Topnienie
- Kondensowanie
- Sublimacja
|
Wiele metod chłodzenia wykorzystuje ciepło parowania cieczy. Do parowania cieczy niezbędne jest ciepło, które jest pobierane z otoczenia cieczy.
Bardzo stare przykłady chłodzenia przez odparowanie znajdujemy w starożytnym Egipcie. Gliniane, butelkowate dzbany napełniano wodą. Ponieważ były wykonane z materiału porowatego, część wody przesiąkała na zewnątrz przez ścianki naczynia i wyparowywała. Odparowywanie zabierało ciepło z wnętrza naczynia, czym ochładzało znajdującą się tam wodę.
Jeżeli mleko musi być przetrzymywane w gospodarstwie przez dłuższy czas, każda metoda chłodzenia jest lepsza od braku chłodzenia. Jeżeli w gospodarstwie brak urządzeń chłodniczych, a odległość od punktu odbioru mleka lub zakładu mleczarskiego jest względnie mała, w takim przypadku mleko powinno być odstawiane bezpośrednio po doju.
Spotykamy różne systemy schładzania mleka. Najprostszy polega na wykorzystywaniu wody studziennej lub wodociągowej. Jeżeli w studni jest wystarczająco dużo wody, można w niej zanurzać konwie z mlekiem. System ten nie jest zalecany wtedy, gdy woda z tej samej studni służy do picia. Częste zanurzanie konwi prowadzi bowiem do szybkiego skażenia wody. Chłodzenie wodą studzienną pozwala doprowadzić mleko do temperatury wyższej od temperatury wody o 3-5°C. Oznacza to, że wodą o temperaturze 11-12°C można doprowadzić mleko najwyżej do temperatury rzędu 15°C. Niezależnie od faktu, że taka temperatura mleka jest wciąż zbyt wysoka, temperatura wody 11-12°C jest w niektórych rejonach trudno osiągalna.
Wszędzie, gdzie jest dostępna bieżąca woda do chłodzenia mleka można użyć perforowanych pierścieni, które zakłada się na szyjkę konwi wypełnionej świeżym mlekiem. Pierścień podłącza się do bieżącej wody, która obmywa powierzchnię konwi. Jeżeli stosuje się wodę lodową, pochodzącą ze specjalnego zbiornika, można wprowadzić obieg zamknięty odbierając wodę przy dnie konwi i kierując ją z powrotem do zbiornika.
Top
Oziębiacze powierzchniowe są zbudowane z poziomo ułożonych rurek o małym przkroju. Rurki te są są ułożone jedna nad drugą, a każdy ich koniec łączy się z przewodem pionowym, stanowiącym zbiornik substancji chłodzącej. Przewody pionowe umożliwiają czynnikowi chłodzącemu przepływanie wewnątrz poziomych rurek i ochładzanie ich powierzchni.
Ciepłe mleko rozlewa się na powierzchni oziębiacza za pomocą przewodu rozlewającego albo tacki z małymi otworkami, zamocowanej na szczycie najwyższego przewodu rurowego. Oziębiacze powierzchniowe mogą się składać z dwóch niezależnych sekcji, położonych jedna nad drugą. Górna sekcja jest wtedy chłodzona wodą wodociągową lub studzienną, podczas gdy dolna - wodą lodową. Metoda ochładzania powierzchniowego nazywana jest „otwartym systemem chłodzenia”. Jest metodą prostą, lecz wymagającą szczególnie starannego przestrzegania zasad higieny.
Metalowe stożki lodowe stosuje się wtedy, gdy niezbyt duże ilości mleka mają być przewiezione na dłuższym dystansie, a z powodów technicznych lub ekonomicznych mleko nie może być schłodzone na miejscu, w gospodarstwie. Metalowy stożek wypełniony w środku lodem zanurza się w konwi z mlekiem. Zajmuje on około 1/ 3 pojemności konwi. Brzeg stożka opiera się na krawiędzi konwi na tyle szczelnie, że mleko nie wychlapuje się w czasie transportu. Jeżeli stożek jest wypełniony skruszonym lodem, temperatura mleka obniża się podczas transportu z 30°C do 5 - 10°C. Stożki i lód można dostarczać do gospodarstwa samochodami transportującymi mleko. Lód należy przewozić w torbach lub skrzynkach chłodniczych. Metalowe stożki muszą być dokładnie myte po każdym użyciu, najlepiej w zakładzie mleczarskim.
|
Stożki lodowe |
Zbiorniki z wodą |
Chłodzenie wodą i lodem to proste i prawie zawsze właściwe metody.
Jedną z najprostszych metod schładzania jest użycie zbiornika napełnionego zimną wodą. W wodzie tej zanurza się konwie, nieco poniżej górnej ich krawędzi. Niezbędny jest tu stały przepływ wody lub jej wymiana w regularnych odstępach czasu.
Aby umożliwić odpowietrzanie mleka podczas schładzania, pokrywy konwi powinny być „poluzowane” lub częściowo odkryte. Z kolei zbiornik powinien być nakryty pokrywą zabezpieczającą mleko przed muchami i kurzem. Schładzanie wodą studzienną lub wodociągową powoduje powolne odbieranie ciepła z mleka i stosunkowo słabe jego oziębienie. Lepsze wyniki daje użycie wody lodowej i przyśpieszenie tempa schładzania wymuszoną cyrkulacją wody w zbiorniku. Aby ograniczyć utratę zimna, zbiornik i jego pokrywa muszą być dobrze izolowane
Top
W nowoczesnych systemach chłodzenia ciepło zawarte w mleku jest przez ścianę urządzenia chłodniczego przenoszone do czynnika chłodzącego. Substancja chłodząca absorbuje ciepło z mleka. Końcowa temperatura mleka zależy od konstrukcji urządzenia chłodniczego. W niektórych urządzeniach mleko jest chłodzone do temperatury zaledwie o kilka stopni wyższej od temperatury substancji chłodzącej. Tempo schładzania mleka zależy między innymi od różnicy temperatur między mlekiem a czynnikiem chłodzącym, wielkości powierzchni chłodzącej, grubości i rodzaju materiału ścianki chłodzącej, szybkości przepływu płynów wzdłuż ścianki i czasu kontaktu mleka ze ścianką. Duże różnice temperatury zwiększają tempo schładzania mleka, podobnie jak gładkie powierzchnie ścianki. Tempo oddawania ciepła jest również większe przy większej szybkości i turbulentnym przepływie płynów wzdłuż ścianki.
Nowoczesne systemy chłodzenia wymagają zasilania energią elektryczną. Jest ona niezbędna, między innymi, do sterowania pracą skraplacza, w którym zachodzi skraplanie czynnika chłodzącego, co umożliwia jego wykorzystanie w cyklu zamkniętym.
W cyklu chłodzenia wyróżniamy część niskociśnieniową i część wysokociśnieniową.
Schemat prostego cyklu schładzania.
Parownik jest częściowo wypełniony czynnikiem chłodzącym. Włączenie sprężarki powoduje odsysanie gazu znajdującego się nad płynem, dzięki czemu obniża się ciśnienie. W momencie, w którym ciśnienie spada poniżej poziomu ciśnienia właściwego dla danej temperatury, czynnik chłodzący zaczyna wrzeć. Część czynnika chłodzącego odparowuje, odbiera ciepło z pozostałego środka chłodzącego i obniża jego temperaturę. Gdy temperatura spada poniżej temperatury mleka, ciepło mleka przechodzi do wrzącego czynnika chłodzącego i powoduje dalsze jego odparowanie. Temperatura będzie się utrzymywać na stałym poziomie, gdy ilość ciepła odbierana przez kompresor znajdzie się w równowadze z ilością ciepła pochodzącego z mleka.
Wysokociśnieniowa część sprężarki jest połączona ze skraplaczem. Zadaniem skraplacza jest odprowadzanie ciepła skraplania do otoczenia. Sprężarka tłoczy gaz do skraplacza. Tak długo, jak poziom ciśnienia w skraplaczu jest niższy od ciśnienia właściwego dla temperatury skraplania, sprężarka powoduje jedynie wzrost ciśnienia. W momencie, w którym ciśnienie wzrośnie powyżej ciśnienia właściwego dla temperatury skraplania rozpoczyna się oddawanie ciepła przez gaz do otoczenia. W pierwszym momencie następuje oddawanie ciepła przegrzania. Ciepło przegrzania jest to ilość ciepła pochodząca z różnicy temperatury między temperaturą podgrzanego gazu powyżej temperatury wrzenia, a temperaturą wrzenia. Po oddaniu ciepła przegrzania rozpoczyna się proces skraplania. Wydajność skraplania zależy od różnicy temperatur pomiędzy gazem a skraplaczem (otoczeniem). Ciśnienie osiągnie stały poziom, gdy różnica temperatur będzie wystarczająco duża do skroplenia całego gazu wpompowanego przez sprężarkę.
Aby omawiany proces miał charakter ciągły, ciecz ze skraplacza musi z powrotem zasilać parownik. Ponieważ ciśnienie w skraplaczu jest zawsze wyższe niż w parowniku, łatwym sposobem zasilania jest połączenie kapilarą (rurka miedziana o małej średnicy) skraplacza z parownikiem. Jeżeli instalujemy zawór, można regulować ilość przepływającego czynnika chłodzącego. Najczęściej jest to zawór automatyczny, który nosi nazwę „termostatyczny zawór rozprężny”. W zaworze tym dokonuje się pomiaru ciśnienia panującego w parowniku i temperatury w przewodzie zasysającym. Zależnie od poziomu ciepła przegrzania następuje większe lub mniejsze otwarcie zaworu.
|
Składowe części instalacji chłodniczej |
Top
Poszczególne części instalacji chłodniczej.
|
1. Sprężarka
|
Pompa gazowa wytwarzająca niskie ciśnienie w parowniku (niska temp.) i wysokie w skraplaczu (wysoka temp). |
|
2. Przekaźnik sterowany ciśnieniem
|
Wykorzystywany głównie dla zabezpieczenia urządzeń skraplających instalacji. Jeżeli ciśnienie nadmiernie wzrasta presostat zatrzymuje sprężarkę. Używany też jako zabezpieczenie przeciw spadkowi ciśnienia spowodowanemu wyciekiem czynnika chłodzącego oraz jako wyłącznik zatrzymujący sprężarkę przy końcu cyklu „pump down. |
|
3. Skraplacz
|
Część, w której zachodzi skraplanie czynnika chłodzącego. Ciepło zgromadzone w gazie uwalnia się i gaz przechodzi w stan płynny. |
| 4. Zbiornik na ciekły czynnik chłodniczy |
Miejsce gromadzenia się czynnika chłodzącego. Podczas pracy urządzenia chłodniczego, zbiornik jest prawie pusty. Jeżeli urządzenie nie pracuje a zainstalowano system „ pump down”, czynnik chłodniczy gromadzi się w zbiorniku. |
| 5. Filtr / odwadniacz |
Usuwa z płynu wszystkie części stałe. Odwadniacz pozbawia czynnik chłodniczy wilgoci. |
| 6. Zawór elektromagnetyczny |
W instalacjach posiadających system „pump down”, zawór ten odcina napływ płynu do parownika. |
| 7. Wziernik szklany |
Umożliwia sprawdzanie poziomu czynnika chłodzącego w instalacji. |
8. Termostatyczny zawór rozprężny
|
Kieruje z powrotem do parownika taką samą ilość czynnika chłodzącego w formie płynnej, jaką sprężarka pobrała w postaci gazowej. |
9. Parownik
|
Część, w której czynnik chłodniczy paruje i odbiera ciepło z mleka. |
| 10.Termostat |
|
Kontroluje temperaturę chłodzonego mleka włączając lub wyłączając sprężarkę
zależnie od stopnia jego schłodzenia. | |
Chłodzenie bezpośrednie to najpowszechniejszy system chłodzenia mleka. Dno zbiornika schładzarki jest zaprojektowane jako parownik, a ciepło pochodzące z mleka przechodzi przez ściany zbiornika do czynnika chłodzącego. Ściany zbiornika są wykonane ze stali nierdzewnej. Czynnik chłodzący paruje i odbiera ciepło pochodzące z mleka. W związku z tym, że schładzarki te nie kumulują „zimna”, niezbędny jest stały dopływ energii elektrycznej. W omawianym systemie mleko jest chłodzone bezpośrednio w zbiorniku, w którym jest również systematycznie mieszane.
Powszechny sposób chłodzenia mleka systemem bezpośredniej ekspansji czynnika chłodzącego.
W systemach chłodzenia pośredniego, podczas cyklu chłodzenia parownik jest umieszczony w zbiorniku wypełnionym nośnikiem ciepła, którym najczęściej jest woda. Parownik stanowi wężownica lub system rurowy, w którym zachodzi parowanie czynnika chłodzącego, dzięki czemu dochodzi do oziębienia nośnika ciepła.
Schładzanie mleka z zastosowaniem banku wody lodowej.
Top
Największą zaletą systemu jest możliwość magazynowania i przechowywania energii w izolowanych zbiornikach wypełnionych nośnikiem ciepła. W rejonach, w których występuje niedobór energii, właściwym rozwiązaniem problemu schładzania mleka jest zastosowanie banku wody lodowej. W okresach dostatku energii, wokół przewodów rurowych wewnątrz zbiornika tworzy się otoczka lodowa, która kumuluje „zimno”. Zapas ten jest zużywany do chłodzenia mleka w okresach niedoboru energii. Skumulowane „zimno” umożliwia ekonomiczne schładzanie mleka w tych okolicach, w których płaci się wysokie ceny za energię elektryczną w okresach „szczytu”. Jest on również przydatny wówczas, gdy przy nadmiernym obciążeniu instalacji elektrycznej dochodzi do automatycznego wyłączenia schładzarki. Skumulowane „zimno” produkujemy w godzinach tańszej energii.
W pośrednim systemie chłodzenia mleka efektywność wykorzystania energii jest niższa niż w systemie bezpośrednim, ponieważ dodatkowa ilość energii jest zużywana na chłodzenie nośnika ciepła (np. wody). Zużycie energii przez bank wody lodowej wynosi 23 W/litr. Wyróżniamy dwa rodzaje aparatury dostarczającej wodę lodową. Pierwsza to wytwornica lodu, która gromadzi lód między dojami, wykorzystując mały agregat chłodzący, pracujący do 18 godzin na dobę. Druga, to dużej mocy agregat do wody lodowej, pracujący tylko w czasie doju.
Wydojone mleko przepływa do jednostki końcowej, z której w stałym tempie jest przepompowywane przez filtr do wymiennika ciepła. Wymiennik składa się z falistych, nierdzewnych, stalowych płytek. Czynnikiem chłodzącym jest woda, która przepływa przeciwprądowo w stosunku do mleka. Opuszczając wymiennik mleko ma temperaturę o 2-4°C wyższą od temperatury wody. Po tym wstępnym schłodzeniu następuje chłodzenie zasadnicze i przechowywanie mleka w zbiorniku chłodzącym.
Schemat oziębiania wstępnego oziębiaczem płytowym.
Przepływ wody i mleka w płytowym wymienniku ciepła.
Schładzanie wstępne z użyciem wody bieżącej obniża koszt eksploatacji urządzeń chłodniczych, zmniejszając zapotrzebowanie na sztucznie chłodzoną wodę. Warunkiem zastosowania tej metody jest dostępność i niski koszt bieżącej, zimnej wody. Należy tu podkreślić, że istnieje wiele możliwości włączania schładzania wstępnego do różnych systemów schładzania i znacznego obniżania kosztów energii. Jeżeli do schładzania wstępnego użyto wody bieżącej z wodociągu, zaleca się dalsze jej wykorzystanie (recykling) np. jako wody pitnej dla bydła. W przypadku gdy woda wodociągowa, pochodząca ze schładzania wstępnego nie jest dalej wykorzystana, jej koszt może zniwelować oszczędności pochodzące ze zmniejszonego zużycia energii. Przy użyciu wody studziennej aspekt ten jest mniej istotny.
Obecna tendencja: większe gospodarstwa, więcej krów, więcej mleka, więcej pracy, mniej czasu między dojami. Wymienione trendy mogą stwarzać producentom mleka pewne kłopoty z chłodzeniem mleka, gdyż musi być ono jak najszybciej schłodzone i bezpiecznie przechowane. Aby połączyć dobrą jakość z wysoką produkcją mleka i dłuższymi odstępami między dojami, konwencjonalne zbiorniki mleka stają się niewystarczające.
Szybsze dojenie i szybszy dopływ mleka do zbiornika powoduje podniesienie temperatury mleka znajdującego się już w zbiorniku, a tym samym zagrożenie jego skwaśnieniem. Przeciążone układy chłodnicze powodują wolniejsze schładzanie i wzrost liczby bakterii w mleku. Ponadto, wolniejsze schładzanie wymaga dłuższej pracy mieszadła, co z kolei niesie ryzyko zmaślania mleka. Zachowanie odpowiedniego smaku i jakości mleka staje się trudniejsze, a produkcja bardziej ryzykowna.
Schładzanie mleka w przepływie (z 35°C do 3°C).
Top
System schładzania w przepływie jest częścią instalacji udojowej. Zanim mleko trafi do zbiornika, jest schłodzone w ciągu kilku sekund. Wydojone mleko jest gromadzone w jednostce końcowej, z której w równym tempie jest przepompowywane przez filtr do wymiennika płytowego. Wymiennik jest sercem całego systemu. Składa się on ze stalowych, nierdzewnych płytek. W wymienniku woda lodowa przepływa przeponowo i przeciwprądowo w stosunku do mleka. Gdy mleko opuszcza wymiennik płytowy, jego temperatura jest zbliżona do temperatury wody lodowej. Następnie mleko jest przepompowywane do izolowanego zbiornika w którym, od czasu do czasu, jest mieszane i oczekuje na odstawę.
 |
|
Przepływ mleka i wody w wymienniku ciepła. |
Bardzo korzystne jest łączenie schładzania w przepływie z chłodzeniem wstępnym. Chłodzenie wstępne z zastosowaniem wody wodociągowej obniża koszty ogólne, włączając w to bieżące koszty eksploatacji urządzenia, gdyż zmniejsza zapotrzebowanie na wodę lodową.
Chłodzenie mleka z zastosowaniem wymiennika płytowego dwustopniowego.
W stosowanym tu chłodzeniu wstępnym, wymiennik płytowy jest podzielony na dwie części. W pierwszej części, mleko chłodzi się bieżącą wodą wodociągową, w drugiej części jest dochładzane do temperatury przechowywania, przy użyciu wody lodowej.
Przepływ mleka i wody w dwustopniowym wymienniku płytowym.
Top
|
