Московский государственный агроинженерный 
университет им. В.П. Горячкина

На правах рукописи

Кравченко Владимир Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ 

ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ

Специальность
05.20.01 -  Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация 
на соискание ученой степени 
кандидата технических наук

Научный руководитель: 
доктор технических наук, 
профессор Кирсанов В.В.

Москва 2007

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и 

приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, 

9 приложений. Список использованной литературы включает 136 наименований, 

из них 10 на иностранных языках.

Ключевые 
слова: 
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
МОДУЛИ,

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
СЕКЦИИ, 
БЛОКИ, 
ПАСТЕРИЗАЦИОННО 
-  

ОХЛАДИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ, 

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

В диссертации дан анализ существующих пастеризационно-охладительных 

установок, применения термоэлектрических модулей и на их основе предложен 

эффективный способ нагрева и охлаждения жидкости, в частности молока до 

конечных температур.

Дан анализ проведенных исследований процессов нагрева и охлаждения 

термоэлектрических блоков. В результате теоретического анализа получены 

выражения для определения нагреваемого и охлаждаемого расхода жидкости, 

пропускной способности устройства и мощности, потребной на выполнение 

процессов.

Получены математические модели и экспериментальные зависимости 

качественных показателей процессов от конструктивно-режимных параметров 

установки. Обоснованы её оптимальные параметры. Разработана методика 

расчета 
производительности 
пастеризационно-охладительной 
установки 
на 

термоэлектрических модулях.

Результаты исследований внедрены в организациях ЗАО «Импульс», РГАУ- 

МСХА им. К.А. Тимирязева г. Москвы. Годовой экономический эффект от 

внедряемой установки составляет 29100 рублей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДНИЕ............................................................................................  
 
 
5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВНИЯ.............. 
8

1.1 Анализ способов и технических средств для тепловой обработки

молока на фермах................................................................ 
 
 
 
8

1.2 Анализ теплообменных систем с термоэлектрическим охлаждением 
 
21

1.2.1 
Конструкции термоэлектрических преобразователей и их

применение в устройствах различного назначения......................................................  
22

1.2.2 
Методы интенсификации теплопередачи в теплообменных 

аппаратах с термоэлектрическими модулями............................................................. 
30

1.3 Перспектива применения термоэлектрических модулей в 

технологических аппаратах и процессах для охлаждения и нагрева молока... 
36

2 Теоретические исследования режимов работы пастеризационно­

охладительной установки на термомодулях 
 
.......................................................  
39

2.1 Существующие методы расчета термоэлектрических устройств 
 
39

2.2 Обоснование 
энергетической 
целесообразности 
применения

термоэлектрических 
устройств 
в 
современных 
пастеризационно­

охладительных установках 
 
 
46

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................................. 
69

3.1 Программа, методика и объекты исследования...............................................  
69

3.2 Лабораторная установка для проведения экспериментальных 

исследований............................................................................................................ 
 
69

3.3 Методика проведения эксперимента..................................................................  
71

3.4 Методика планирования экспериментальных исследований.

Определение оптимальных, конструктивных и режимных параметров ПОУ на 

термоэлектрических модулях........................................................ 
 
 
 
77

РЕЗУЛЬТАТЫ 
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ 
ИССЛЕДОВАНИЙ 
И 

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ............................................................ 
81

4.1 Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки 

для определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева

и охлаждения......................................................................................................................  
81

4.2 Результаты многофакторного планирования эксперимента 

термоэлектрической батареи пастеризационно - охладительной установки 
 
86

4.3 Производственные испытания пастеризационно-охладительной 

установки на термомодулях..................................../...................... 
 
97

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ 
 
100

5.1 Технико-экономическое обоснование эффективности ПОУ ТЭМ 
 
100

5.2 Оценка экономической эффективности от повышения надежности

ПОУ ТЭМ......................................... 
 
 
 
 
104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................. 
 
111

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
 
...................  
 
 
 
 
113

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................  
125

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в 

частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения 

прогрессивных 
форм 
хозяйствования, 
наукоемких 
технологий 
и 

высокоэффективной 
элементной 
базы, 
позволяющих 
существенно 
снизить 

издержки производства и повысить его рентабельность.

Министерством сельского хозяйства разработан приоритетный национальный 

проект «Развития АПК». В нем в качестве основных направлений развития 

агропромышленного комплекса определены ускоренное развитие животноводства 

и 
стимулирование 
развития 
малых 
форм 
хозяйствования. 
Актуальность 

выбранных направлений определяется вкладом животноводства в общий объем 

сельхозпроизводства. При этом анализ структуры животноводческой продукции 

показывает, что на долю личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйств 

(ЛПХ и КФХ) в последние годы приходятся значительные объемы производства 

51% мяса и 55% молока. А это ведет к необходимости создания компактных 

миницехов по первичной обработке продукции, в частности переработки молока, 

что существенно повышает рентабельность производства.

Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими на 

качество молока, а так же на энергоемкость его производства являются процессы 

тепловой обработки (охлаждение и пастеризация) на долю которых приходиться 

более 40 % всех энергозатрат.

Наличие современных технологий и технических средств по первичной 

обработке 
и 
переработке 
молока 
у 
фермеров, 
резко 
повышает 
их 

конкурентоспособность. 
Поэтому 
создание 
компактных 
малогабаритных 

недорогих и высокоэффективных технологических установок является важной 

народно-хозяйственной проблемой, решаемой в рамках национального проекта по 

развитию малых форм хозяйствования в животноводстве.

Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии 

уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и 

технологических решений.

Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепловой 

обработки 
молока 
является 
использование 
полупроводниковых 

термоэлектрических 
модулей 
(ТЭМ), 
обеспечивающих 
построение 

малогабаритных, 
высокоэффективных 
комплектов 
пастеризационно­

охладительного 
оборудования, 
исключающим применение бойлерного паро­

водогрейного и фреонового холодильного оборудования.

Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная 

в результате известных работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [48, 49], 

открыла 
широкие 
возможности 
для 
использования 
полупроводниковых 

термоэлектрических охлаждающих и нагреваемых устройств. За последние 

десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, поскольку появилась 

реальная возможность создавать малогабаритные устройства для понижения и 

повышения температуры, обеспечивать процессы теплопередачи в конструкциях 

теплообменных аппаратов.

Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффективности 

применения термоэлектрических устройств в пастеризационно -  охладительных 

установках.

Научная новизна

-  разработаны математические модели расчета термоэлектрических блоков 

пастеризации и охлаждения молока на блочно-модульной основе.

- 
разработана обобщенная 
структурно-технологическая 
схема новой 

пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях.

- обоснованы энергетические циклы работы установки с расширенной зоной 

рекуперативных 
теплообменных 
процессов, 
повышающих 
общий 
к.п.д. 

установки.

Практическая ценность. Обоснована целесообразность и эффективность 

применения высокотехнологических тепловых насосов (термоэлектрических

модулей) 
для 
одновременного 
охлаждения 
и 
нагревания 
молока 
в 

пастеризационно-охладительных установках.

Предложена новая конструкция теплообменных пластин со встроенными 

термоэлектрическими модулями. Получено положительное решение о выдаче 

патента на изобретение № 2002117059/13(018071).

На защиту выносятся:

функционально 
-  
технологическая 
схема 
пастеризациионно 

охладительной установки на термоэлектрических модулях.

математические модели и методы расчёта основных параметров 

термоэлектрических блоков нагрева и охлаждения молока;

- 
результаты экспериментальных исследований и производственных 

испытаний предлагаемой установки;

оценка экономической эффективности данной установки.

Реализация 
результатов 
работы. 
По 
результатам 
исследований 

выполнено два Госконтракта с МСХ РФ в 2001 и 2005 г.г. По теме «Проведение 

исследований и разработка макета пастеризационно-охладительной установки на 

термоэлектрических модулях». Разработана конструкторская документация и 

опытные образцы термоэлектрических блоков охлаждения и нагрева молока.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации 

доложены на заседаниях секций 5 - й  международной научно -  практической 

конференции «Концепция механизации и автоматизации животнаводства в 21 

веке» (апрель 2002г.-2003, г. Подольск), международному симпозиумому по 

машинному доению г. Казань в 2002 г., на научно-практической конференции 

МГАУ 2002-2005 гг..

По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе имеется 

положительное решение на выдачу патента России.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВА]

1.1 Анализ существующих способов и технических средств для тепловой об­
работки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером - французским ученым, осно­

воположником современной микробиологии и иммунологии.

Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванную жизнедеятельностью 

микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала 

называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен на тепловую 

обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [88].

Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой об­

работки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теорети­

ческие основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.

Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при опре­

деленных комбинациях численных значений температуры и времени и, таким об­

разом, достигается положительный результат в отношении пищевой безопасно­

сти молока.

Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные факты изменения 

компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потреби­

тельских свойств.

С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени ос­

новными направлениями научных исследований и конструкторских работ в облас­

ти пастеризации молока являются:

разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко теп­

ловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обез­

зараживания и сохранения его качеств;

создание конструкций пастеризаторов, обеспечивающих четкое и эффек­

тивное исполнение процесса пастеризации, удобных и надежных в экс­

плуатации.

Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными аппара­

тами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдер- 

живатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение 2-х и более технологических 

операций обработки молока таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепари­

рование, нормализация и др.

По источнику использования энергии на нагрев и обеззараживание молока совре­

менные пастеризаторы можно подразделить на паровые и электрические: с индукци­

онным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочас­

тотные вибраторы (ультразвуковые), а так же фрикционные с механическим нагре­

вом и ультрафиолетовым воздействием.

Схема изменения температуры молока в таком аппарате представлена на рисунке 

1.1. Заштрихованная область соответствует области пастеризации, т.е. все части ап­

парата, для которых t > 60 являются пастеризующими. Остальные части аппарата 

для определения критерия Ра не имеют значения.

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ 
РЕКУПЕРАТОР

Рисунок 1.1- Изменение температуры молока в пастеризаторе

тр - температура подогрева в рекуператоре;

Тбо - температура начала проявления пастеризационного эффекта; 

тп - температура пастеризации

Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эф­

фекта, выше теоретического ввиду ряда обстоятельств, в частотности из-за не­

равномерности полей скоростей и температур по сечению потока, из-за пастери­

зации молока низкого качества или не подготовленного соответствующим обра­

зом.

Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей. В 

молоке не должно быть воздушных пузырьков. Желательна минимальная бакте­

риальная обсемененность пастеризуемого молока.

При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит 

изменение физико-химических свойств молока.

Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурно­

временных режимов и типа аппарата [44, 88, 89, 127].

При длительной пастеризации (температура 63 °С, выдержка 30 мин.) выде­

ляется до 5% от общего количества альбумина, наблюдается небольшое ухуд­

шение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение 

кислотности молока на (0,5-1 )°Т.

При температуре 75°С начинается денатурация альбумина, который не 

осаждается, а переходит в форму свертывающегося от воздействия кислот, сер­

нокислого магния.

Продолжительное нагревание при 75°С или увеличение температуры уси­

ливает денатурацию альбумина, но его свертывание наступает только при под- 

кислении молока.

При нагревании молока до 85°С в течение 1 мин большая часть альбумина 

денатурируется, а при 95°С денатурируется весь альбумин.

При нагревании до температуры выше 85°С, кроме альбумина, частично 

изменяется казеин.

При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли 

переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокис­

лых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных поверх­

ностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»).

Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции теп­

ловых аппаратов, которые резко отличаются друг от друга не только источниками 

использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуата­

ционными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

Рисунок 
1.2 
- 
Классификация 
применяемых 
пастеризационно­

охладительных установок

Наибольшее распространение для пастеризации молока, получили пластин­

чатые пастеризационно-охладительные установки с электронагревом, которые по 

сравнению с другими типами тепловых обменных аппаратов имеют ряд преиму­

ществ:

малый объем аппарата;

минимальные теплоперетоки и потери тепла и холода;

существенная экономия (80-90 %) тепла в секциях регенерации;

удельный расход энергии в пластинчатых аппаратах в 2-3 раза ниже, чем 

в трубчатых;

возможность менять число пластин;

возможность безразборной циркуляционной мойки аппаратуры.

молоко 
пар 
горячая вода 
холодная вода 
ледяная
вода

Рисунок 
1.3, а - Принципиальная схема пластинчатой пастеризационно­

охладительной установки: 1 - уравнительный бак; 2 - насос для молока; 3 - ро- 

таметрический регулятор; 4 - пластинчатый теплообменный аппарат; 5 - се- 

паратор-молокоочистителъ; 6 - пароконтактный нагреватель воды; 7 - бачок- 

аккумулятор; 8 - насос горячей воды; 9 - выдерживателъ; I  - первая секция реку­

перации; II - вторая секция рекуперации; III - секция пастеризации; IV - секция 

охлаждения холодной воды; V - секция охлаждения ледяной водой

Горячая вода для нагрева молока подается в секцию пастеризации водяным 

центробежным насосом 16 из бачка-аккумулятора 17. Охлажденная вода из