RU2529896C2

RU2529896C2 - Device for pasteurization of liquid products

Info

Publication number: RU2529896C2
Application number: RU2013101244/13A
Authority: RU
Inventors: Иван Николаевич Краснов; Александра Юрьевна Краснова; Денис Андреевич Лебедько
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-10-10
Also published as: RU2013101244A

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to the field of agriculture. The device comprises a hydrodynamic heater, a stator with a conical rotor mounted in it with the formation of the gap. And on the outer surface of the rotor there is a set of cells arranged in rows along a helical line, and on the inner side of the stator the similar cells are made, but with a different pitch of rows. In the stator housing the axisymmetric annular cavity corresponding to the length of the rotor is made, communicating with the cellular working part of the device. The cells of the conical surfaces of the rotor and the stator are made of hemispherical shape, the diameter of which gradually increases from the smallest to the largest base of the cone. The axisymmetric annular cavities are made for the regenerator and the cooler with the heat exchange elements mounted in them and communicating sequentially with the holder, and the cavities of these heat exchange elements are connected at the regenerator with the inlet of the device of the pasteurized product and the outlet to the working gap of the hydrodynamic heater, and at the cooler - to the inlet of the cooling fluid and its outlet for the discharge.

EFFECT: invention enables to simplify the structures of the cellular part of the hydrodynamic heater, to articulate in a single monolithic unit all thermal devices of the pasteurization unit, and to increase its efficiency by reducing heat loss to the environment.

6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к устройствам для тепловой обработки жидких продуктов, включая их пастеризацию.The invention relates to the field of agriculture, in particular to devices for heat treatment of liquid products, including their pasteurization.

Известен кавитационный генератор фирмы "Hydrodynamicinc" США для нагрева жидких продуктов и их пастеризации, содержащий корпус с крышками и вращающийся цилиндрический барабан с ячеистой наружной поверхностью, контактирующей с гладкой внутренней поверхностью корпуса [Jimm Frederik, Daniel Armsstead, Steve Lien, Wolfgang Schmidi, Bijan Kazem. Economic Benefits of Utilizing Controlled Cavitation Technology for Black Liquor Oxidation and Heating. TAPP Jomal, Junuary, 2002 (аналог)].Known cavitation generator company "Hydrodynamicinc" USA for heating liquid products and their pasteurization, containing a housing with covers and a rotating cylindrical drum with a mesh outer surface in contact with the smooth inner surface of the housing [Jimm Frederik, Daniel Armsstead, Steve Lien, Wolfgang Schmidi, Bijan Kazem . Economic Benefits of Utilizing Controlled Cavitation Technology for Black Liquor Oxidation and Heating. TAPP Jomal, Junuary, 2002 (equivalent)].

Недостатками известной конструкции являются существенные потери тепла, низкая тепловая производительность и громоздкость.The disadvantages of the known design are significant heat loss, low thermal performance and bulkiness.

Известен также пастеризатор по патенту Франции №316216 от 18.04.1968 г., содержащий в одном из вариантов конический ротор и корпус, установленные с зазором и имеющие гладкие рабочие поверхности их сочленения: наружную ротора и внутреннюю корпуса [Описание к патенту Франции №316216 от 18.04.1968 г. Авторы Р.Ангюс (Франция) и Р.Вандер (Швейцария) (аналог)].Also known is the pasteurizer according to French patent No. 316221 dated 04/18/1968, containing in one embodiment a conical rotor and a casing installed with a gap and having smooth working surfaces of their joints: the outer rotor and the inner case [Description to French patent No. 3116216 of 18.04 .1968. Authors R. Angus (France) and R. Vander (Switzerland) (analogue)].

Недостатком его является замедленное преобразование механической энергии привода в тепловую нагрева жидкости при пастеризации, так как этот процесс происходит в основном за счет жидкостного трения в зазоре конической пары ротор-корпус, ограничение производительности и низкий тепловой кпд.Its disadvantage is the delayed conversion of the mechanical energy of the drive into thermal heating of the liquid during pasteurization, since this process occurs mainly due to liquid friction in the gap of the conical rotor-body pair, performance limitation, and low thermal efficiency.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для гидродинамического нагрева жидких продуктов (по патенту РФ №2398499, A23L 3/015, опубликованному 10.09.2010, бюлл. №25), содержащее в коническом варианте исполнения статор с установленным в нем с образованием зазора коническим ротором, на наружной поверхности ротора выполнен набор ячеек, расположенных рядами по винтовой линии, на внутренней поверхности статора выполнены аналогичные ячейки, расположенные также по винтовой линии, но с другим шагом рядов ячеек, в корпусе статора выполнена соответствующая длине ротора осесимметричная кольцевая полость, сообщающаяся с ячеистой рабочей частью устройства отверстием в зоне нагрева продукта до температуры пастеризации.The closest technical solution to the present invention is a device for hydrodynamic heating of liquid products (according to RF patent No. 2398499, A23L 3/015, published September 10, 2010, bull. No. 25), containing in the conical embodiment a stator with a gap installed in it with the formation of a gap a conical rotor, on the outer surface of the rotor, a set of cells arranged in rows along a helical line is made, on the inner surface of the stator there are similar cells located also along a helical line, but with a different step of the rows of cells, in An axisymmetric annular cavity corresponding to the rotor length is made in the stator housing, communicating with the cellular working part of the device by an opening in the zone of heating the product to the pasteurization temperature.

Недостатками его являются сложность конструкции ячеистых поверхностей ротора и статора, а также необходимость дополнительной комплектации пастеризационной установки на базе этого устройства для гидродинамического нагрева жидких продуктов тепловыми аппаратами для регенерации тепла и охлаждения продукции после пастеризации, что снижает кпд, затрудняет и удорожает процесс пастеризации особенно в условиях производства продукции малыми хозяйственными образованиями.Its disadvantages are the complexity of the design of the cellular surfaces of the rotor and stator, as well as the need for additional equipment for the pasteurization unit based on this device for hydrodynamic heating of liquid products with thermal apparatus for heat recovery and cooling products after pasteurization, which reduces the efficiency, complicates and increases the cost of pasteurization, especially in conditions production of small business entities.

Задачей заявленного технического решения является упрощение конструкции ячеистой части гидродинамического нагревателя, сочленение в единый монолитный агрегат всех тепловых аппаратов пастеризационной установки и повышение ее кпд за счет сокращения тепловых потерь в окружающую среду.The objective of the claimed technical solution is to simplify the design of the cellular part of the hydrodynamic heater, articulate all the heaters of the pasteurization unit into a single monolithic unit and increase its efficiency by reducing heat loss to the environment.

Она решается тем, что ячейки конических поверхностей ротора и статора выполнены полусферической формы, диаметр которых постепенно увеличивается от меньшего к большему основанию конуса, а в корпусе статора выполнены соответствующие длине ротора осесимметричные кольцевые полости для регенератора и охладителя с установленными в них теплообменными элементами и сообщающимися последовательно с выдерживателем, причем полости этих теплообменных элементов соединены у регенератора с входом в устройство пастеризуемого продукта и выходом в рабочий зазор гидродинамического нагревателя, а у охладителя - с входом охлаждающей жидкости и выходом ее на слив. Ячейки конического ротора и статора в месте их сочленения с зазором выполнены в виде сквозных отверстий в зоне их контакта и имеют полуцилиндрическую или полуконическую форму. Ячейки конического ротора и статора выполнены под углом с образованием между ними косозубых лопастей. Зазор конический ротор-корпус в месте их сочленения выполнен регулируемым, например, толщиной и количеством прокладок между корпусом и его крышками. Теплообменные элементы регенератора и охладителя выполнены в виде трубчатых спиралей, установленных в осесимметричные полости корпуса. Теплообменные элементы регенератора и охладителя выполнены в виде пакетов кольцевых гофрированных пластин. It is solved in that the cells of the conical surfaces of the rotor and stator are made hemispherical in shape, the diameter of which gradually increases from smaller to larger cone base, and axisymmetric annular cavities corresponding to the rotor length are made in the stator body for the regenerator and cooler with heat-exchange elements installed in them and communicating in series with a retainer, the cavities of these heat-exchange elements being connected at the regenerator with the entrance to the device of the pasteurized product and the output to The working gap of the hydrodynamic heater, and for the cooler - with the coolant inlet and its outlet to the drain. The cells of the conical rotor and stator in the place of their articulation with a gap are made in the form of through holes in the zone of their contact and have a semicylindrical or semiconical shape. The cells of the conical rotor and stator are made at an angle with the formation of helical blades between them. The gap of the conical rotor-housing at the junction is made adjustable, for example, by the thickness and number of gaskets between the housing and its covers. The heat exchange elements of the regenerator and cooler are made in the form of tubular spirals installed in axisymmetric cavities of the housing. The heat exchange elements of the regenerator and cooler are made in the form of packets of annular corrugated plates.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен схематический разрез устройства для пастеризации жидких продуктов по его продольной оси; на фиг.2 - сечение А-А устройства на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б устройства на фиг.2; на фиг.4 - спиральная труба теплообменного аппарата, на фиг.5 - схема коммутации теплообменного аппарата из кольцевых гофрированных пластин.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic section of a device for pasteurization of liquid products along its longitudinal axis; figure 2 is a section aa of the device of figure 1; figure 3 is a section bB of the device of figure 2; figure 4 - spiral pipe of the heat exchanger, figure 5 is a diagram of the switching heat exchanger from the annular corrugated plates.

Устройство для пастеризации жидких продуктов состоит из расположенного на стойках 1 статора 2, корпус которого имеет крышки 3 и 4 с прокладками 5 и 6, конического ротора 7, установленного в подшипниках 8 и соединенного с помощью муфты 9 с электродвигателем 10 привода устройства. Конический ротор 7 установлен в такой же конической полости корпуса статора 2 с зазором, образуя гидродинамический нагреватель, а обращенные с зазором друг к другу стороны в их сочленении (наружная ротора и внутренняя статора) имеют ячейки 11 и 12, образующие ячеистую рабочую полость 13 устройства и расположенные рядами в плоскостях сечения устройства вдоль зазора конический ротор-статор. Причем диаметр этих ячеек постепенно увеличивается от меньшего к большему диаметру конуса. Ячейки в коническом роторе 7 и корпусе статора 2 могут выполняться в виде полостей полусферической или полуконической форм 14, 15 (фиг.3), например, после сверлений цилиндрическими или коническими сверлами и развертками в зазоре соприкосновения конического ротора 7 и статора 2 с определенным шагом, большим диаметра ячей. Внутри корпуса статора 2 выполнены осесимметричные кольцевые полости 16, 17 и 18 (фиг.1 и 2), сообщающиеся между собой несколькими каналами 19, 20, а каналами 21 с ячеистой рабочей полостью 13 устройства. Внутри полостей 17 и 18 установлены теплообменные элементы 22 и 23, один из которых - 22 выполняет роль охладителя пастеризованного продукта. Полость 16 выполняет роль выдерживателя в заявляемом устройстве.The device for pasteurization of liquid products consists of a stator 2 located on the racks 1, the housing of which has covers 3 and 4 with gaskets 5 and 6, a conical rotor 7 mounted in bearings 8 and connected by means of a coupling 9 to the drive motor 10 of the device. The conical rotor 7 is installed in the same conical cavity of the stator housing 2 with a gap, forming a hydrodynamic heater, and the sides facing each other in the joint (the outer rotor and the inner stator) have cells 11 and 12, forming a cellular working cavity 13 of the device and conical rotor-stator located in rows in the sectional planes of the device along the gap. Moreover, the diameter of these cells gradually increases from a smaller to a larger diameter cone. Cells in the conical rotor 7 and the stator housing 2 can be made in the form of cavities of hemispherical or semiconical shapes 14, 15 (Fig. 3), for example, after drilling with cylindrical or conical drills and reamers in the contact gap of the conical rotor 7 and stator 2 with a certain step, large cell diameter. Inside the stator housing 2, axisymmetric annular cavities 16, 17 and 18 (FIGS. 1 and 2) are made, communicating with each other by several channels 19, 20, and channels 21 with a mesh working cavity 13 of the device. Heat exchanging elements 22 and 23 are installed inside the cavities 17 and 18, one of which - 22 acts as a cooler of the pasteurized product. The cavity 16 acts as a curing agent in the inventive device.

Теплообменные элементы 22 и 23 могут выполняться: в виде замкнутых полостей, как изображено на фиг.1; кольцевой вставки (фиг.4) из трубки 24 с патрубками 25 и 26 подачи и выхода жидкости (охлаждающей воды или подогреваемого в регенераторе подаваемого на пастеризацию продукта); а также в виде пакета 27 (фиг.5) кольцевых гофрированных пластин 28, установленных с образованием между ними полостей 29 и 30 для охлаждающей жидкости и пастеризованного продукта (после регенерации) в теплообменном элементе 22, а в теплообменном элементе 23 соответственно для подогреваемого перед пастеризацией продукта и этого же жидкого горячего продукта после выхода из выдерживателя (полости 16).Heat exchange elements 22 and 23 can be performed: in the form of closed cavities, as shown in figure 1; an annular insert (Fig. 4) from a tube 24 with nozzles 25 and 26 for supplying and exiting a liquid (cooling water or a product supplied for pasteurization heated in a regenerator); and also in the form of a packet 27 (figure 5) of the annular corrugated plates 28 installed with the formation of cavities 29 and 30 between the coolant and the pasteurized product (after regeneration) between them in the heat exchange element 22, and in the heat exchange element 23, respectively, for being heated before pasteurization product and the same liquid hot product after exiting the incubator (cavity 16).

Во внутреннюю полость теплообменного элемента 22 подается охлаждающая жидкость (например, вода) по патрубку 31 с выходом ее из этого элемента по патрубку 32, на котором установлен кран 33 (фиг.1).Coolant (for example, water) is supplied into the internal cavity of the heat exchange element 22 through a pipe 31 with its outlet from this element through a pipe 32 on which a valve 33 is installed (Fig. 1).

Во внутреннюю полость теплообменного элемента 23 подается пастеризуемый жидкий продукт (например, молоко) из емкости 34 по патрубку 35 с выходом через канал 36 в корпусе статора 2 устройства в ячеистую рабочую полость 13 этого устройства.A pasteurized liquid product (for example, milk) is supplied into the internal cavity of the heat-exchange element 23 from the tank 34 through the pipe 35 with the output through the channel 36 in the stator housing 2 of the device into the cellular working cavity 13 of this device.

Для вывода пастеризованного продукта после его охлаждения устройство оборудовано сливным патрубком 37 подачи продукта в емкость 38. Патрубки подачи продукта 35 и вывода 37 его из устройства оборудованы кранами 39 и 40.To withdraw the pasteurized product after cooling, the device is equipped with a drain pipe 37 for supplying the product to the container 38. The pipes for feeding the product 35 and its output 37 from the device are equipped with taps 39 and 40.

В регенераторе (полость 17) и охладителе (полость 18) могут устанавливаться теплообменные элементы 22 и 23, выполненные в виде трубчатых спиралей, каждая из которых представляет собой витую вставку из трубки 24 (фиг.4) с патрубками 25 и 26 для подачи жидкости в нее и вывоза ее после теплообмена с пастеризуемым продуктом после его обработки в ячеистой рабочей полоски 13 (фиг.1) гидродинамического нагревателя и выдерживателя в полости 16. Эту же цель может выполнять и теплообменный элемент в виде пакета 27 (фиг.5) кольцевых гофрированных пластин 28, по одной стороне которых протекает охлаждаемый пастеризованный продукт, а по другой охлаждающая жидкость.In the regenerator (cavity 17) and cooler (cavity 18) can be installed heat exchange elements 22 and 23, made in the form of tubular spirals, each of which is a twisted insert from the tube 24 (figure 4) with nozzles 25 and 26 for supplying fluid to it and its removal after heat exchange with the pasteurized product after its processing in the mesh working strip 13 (Fig. 1) of a hydrodynamic heater and a holder in the cavity 16. The heat-exchange element in the form of a packet 27 (Fig. 5) of annular corrugated plates can also perform this 28, one at a time the side of which flows the cooled pasteurized product, and on the other is the coolant.

Ячейки 11 и 12 (фиг.1) в корпусе и роторе выполняются в виде сквозных отверстий по длине зазора конический ротор 7 - корпус статора 2 в зоне их контакта, например, сверлением цилиндрическим или коническим сверлами вдоль зазора с образованием полуцилиндрических или полуконических полостей 15 и 14 (фиг.3).Cells 11 and 12 (Fig. 1) in the housing and rotor are made as through holes along the gap length; the conical rotor 7 is the stator housing 2 in the contact zone, for example, by drilling with cylindrical or conical drills along the gap with the formation of semicylindrical or semiconical cavities 15 and 14 (FIG. 3).

Зазор в сочленении конический ротор 7 - корпус статора 2 гидродинамического нагревателя может быть регулируемым, например, изменением толщины и набора прокладок 5 и 6 между корпусом 2 и крышками 4 и 3.The gap in the joint conical rotor 7 - the stator housing 2 of the hydrodynamic heater can be adjustable, for example, by changing the thickness and a set of gaskets 5 and 6 between the housing 2 and the covers 4 and 3.

Работает устройство для пастеризации жидких продуктов следующим образом.A device for pasteurization of liquid products as follows.

Подаваемый по патрубку 35 из емкости 34 жидкий продукт поступает во внутреннюю полость теплообменного элемента 23 и, омываясь потоком поступающего из выдерживателя (полость 16 в статоре 2) через каналы 19 потока горячего пастеризованного молока, подогревается. Далее он через канал 36 в корпусе статора 2 устройства поступает в ячеистую рабочую полость 13. Поток подогретого жидкого продукта (например, молока) заполняет ячейки 11 и 12 корпуса статора 2 и конического ротора 7, а также зазор между ними. При вращении конического ротора 7 жидкий продукт захватывается ячейками 11 и 12 и перегородками между ними, как лопастями насоса, при периодическом закрытии и раскрытии ячеек 11 и 12 подвергается интенсивному гидродинамическому воздействию: центробежному разгону, резкому торможению, интенсивному вихреобразованию потока, трению слоев жидкого продукта между собой и о поверхности корпуса статора 2 и конического ротора 7, повышению и падению давления, а также кавитационным воздействиям. В связи с этим вся энергия привода (за исключением затрат на холостой ход) диссипируется в виде тепла и поглощается продуктом, нагревая его за время течения в ячеистом зазоре конический ротор 7-корпус статора 2 до температуры пастеризации, после чего он через каналы 21 поступает в полость 16 статора 2, выполняющую роль выдерживателя.The liquid product supplied through the pipe 35 from the tank 34 enters the internal cavity of the heat exchange element 23 and, being washed by the stream coming from the holder (cavity 16 in the stator 2) through the channels 19 of the flow of hot pasteurized milk, is heated. Then it passes through the channel 36 in the stator housing 2 of the device into the cellular working cavity 13. A stream of heated liquid product (for example, milk) fills the cells 11 and 12 of the stator housing 2 and the conical rotor 7, as well as the gap between them. When the conical rotor 7 rotates, the liquid product is captured by the cells 11 and 12 and the partitions between them, like pump blades, when periodically closing and opening the cells 11 and 12, it is subjected to intense hydrodynamic effects: centrifugal acceleration, sharp braking, intense vortex formation, friction of the layers of the liquid product between themselves and the surface of the housing of the stator 2 and the conical rotor 7, the increase and decrease in pressure, as well as cavitation influences. In this regard, all the drive energy (with the exception of idling costs) is dissipated in the form of heat and absorbed by the product, heating it during the flow in the mesh gap of the conical rotor 7 of the stator housing 2 to the pasteurization temperature, after which it enters the channels 21 the cavity 16 of the stator 2, acting as a cupper.

После выдержки в нем горячий продукт через каналы 19 поступает в полость 17 регенератора и омывает установленный в нем теплообменный элемент 23 с протекающим по нему холодным жидким продуктом, поступающим из емкости 34 по патрубку 35 на пастеризацию.After exposure to it, the hot product through the channels 19 enters the cavity 17 of the regenerator and washes the heat-exchange element 23 installed in it with the cold liquid product flowing through it, coming from the tank 34 through the pipe 35 for pasteurization.

Отдав часть тепла ему, пастеризованный жидкий продукт через каналы 20 поступает далее в полость 18 охладителя, где охлаждается до температуры хранения потоком холодной воды или рассола в теплообменном элементе 22, причем нагретая вода выводится из этого теплообменного элемента 22 охладителя 18 через патрубок 33, а охлажденный продукт - через сливной патрубок 37 в емкость 38.After giving part of the heat to it, the pasteurized liquid product passes through the channels 20 further into the cooler cavity 18, where it is cooled to the storage temperature by a stream of cold water or brine in the heat exchange element 22, and the heated water is removed from this heat exchange element 22 of the cooler 18 through the pipe 33, and the cooled the product through the drain pipe 37 into the container 38.

Расход пастеризуемого жидкого продукта регулируется с помощью кранов 39 и 40, а охлаждающей жидкости - краном 32.The flow rate of the pasteurized liquid product is regulated using taps 39 and 40, and the coolant is regulated by a valve 32.

Claims

1. A device for pasteurization of liquid products having a hydrodynamic heater and containing a stator with a conical rotor installed in it to form a gap, a set of cells arranged in rows along a helical line is made on the outer surface of the rotor, similar cells located on the inner surface of the stator are also located along the helical lines, but with a different step of the rows of cells, in the stator housing, an axisymmetric annular cavity corresponding to the rotor length is made, communicating with the cellular working part of the devices and an opening in the zone of heating the product to pasteurization temperature, characterized in that the cells of the conical surfaces of the rotor and stator are made hemispherical in shape, the diameter of which gradually increases from smaller to larger cones, and axisymmetric annular cavities corresponding to the rotor length are made for the regenerator and cooler with heat-exchange elements installed in them and communicating in series with the restraint, and the cavities of these heat-exchange elements are connected at the regene operators with an input device and pasteurized product yield in the working gap of the hydrodynamic heater, while cooling - with coolant inlet and outlet on its drain.

2. The device according to claim 1, characterized in that the cells of the conical rotor and stator in the place of their articulation with a gap are made in the form of through holes in the zone of their contact and have a semicylindrical or semiconical shape.

3. The device according to claim 2, characterized in that the cells of the conical rotor and stator are made at an angle with the formation of helical blades between them.

4. The device according to claim 1, characterized in that the clearance of the conical rotor - the housing in the place of their articulation is made adjustable, for example, the thickness and number of gaskets between the housing and its covers.

5. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchange elements of the regenerator and cooler are made in the form of tubular spirals installed in axisymmetric cavities of the housing.

6. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchange elements of the regenerator and cooler are made in the form of packets of annular corrugated plates.