B.B. Кирсанов 

В.Н. Кравченко 

Р.Ф. Филонов

ПРИМЕНЕНИЕ

терм о эл ек три ч еск и х м одулей

В ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВКАХ ДОЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ 

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Монография

'ш д щ ш т ш я Ш
 щ Ш

Федеральное государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«М осковский государственный агроинженерный 
университет имени В.П. Горячкина»

В.В. Кирсанов, В.Н. Кравченко, Р.Ф. Филонов

ПРИМЕНЕНИЕ 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 

В ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВКАХ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ 

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Монография

М осква

2011

УДК637.1/.3 
ББК  36.95 
К  435

Рецензенты: 
член-корреспондент Россельхозакадемии, 
доктор технических наук, профессор 
Ю.А. Цой

доктор технических наук, профессор 
ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -  
МСХА имени К.А. Тимирязева»
Ю.Г. Иванов

Кирсанов В.В., Кравченко В.Н., Филонов Р.Ф.
Применение термоэлектрических модулей в пастеризационно-охла­
дительных установках для обработки жидких пищевых продуктов: моно­
графия. -  М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. -  88 с.
ISBN 978-5-86785-273-3

В монографии представлен анализ процессов и оборудования для тепловой 
обработки молока. Даны теоретические аспекты энергетического применения 
термоэлектрических явлений в оборудовании для охлаждения и нагрева пищевых 

продуктов; приведены результаты экспериментальных исследований и производ­
ственных испытаний пастеризационно-охладительных установок.
Предназначена для специалистов и инженеров молочной отрасли.

УДК637.1/.3 
ББК 36.95

О ригинал-м акет является собственностью  Ф ГО У  В П О  МГАУ 
и его воспр оизвед ен ие в лю бом  виде (включая электронный) 
б е з согласия издателя запрещ ено.

©ФГОУ ВПО МГАУ, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в 
частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения про­
грессивных форм хозяйствования, наукоемких технологий и высокоэффектив­
ной элементной базы, позволяющих существенно снизить издержки производ­
ства и повысить его рентабельность.
В приоритетном национальном проекте по развитию АПК в качестве ос­
новных направлений развития агропромышленного комплекса определены ус­
коренное развитие животноводства и стимулирование малых форм хозяйство­
вания. 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 до 51 
% мяса и 55 % молока. А это ведет к необходимости создания компактных ми- 
ни-цехов по первичной обработке продукции, в частности по переработке мо­
лока, что существенно повышает рентабельность производства.
Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими 
на качество молока, а также на энергоемкость его производства являются про­
цессы тепловой обработки (охлаждение и пастеризация), на долю которых при­
ходится более 40 % всех энергозатрат.
Наличие современных технологий и технических средств по первичной об­
работке и переработке молока у фермеров резко повышает их конкурентоспо­
собность. Поэтому создание компактных малогабаритных недорогих и высоко­
эффективных технологических установок является важной составляющей в ре­
шении общей проблемы обеспечения продовольственной безопасности страны.
Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии 
уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и тех­
нологических решений.
Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепло­
вой обработки молока является использование полупроводниковых термоэлек­
трических модулей (ТЭМ), обеспечивающих построение малогабаритных, вы­
сокоэффективных комплектов пастеризационно-охладительного оборудования, 
исключающих применение бойлерного паро-водогрейного и фреонового холо­
дильного оборудования.
Теория термоэлектрических явлений, обобщенная в результате известных 
работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [56, 57], открыла широкие воз­
можности для использования полупроводниковых термоэлектрических уст­
ройств. За последние десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, 
поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные устрой­
ства для понижения и повышения температуры, обеспечивать процессы тепло­
передачи в конструкциях теплообменных аппаратов.
Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффектив­
ности 
применения 
термоэлектрических 
устройств 
в 
пастеризационно­
охладительных установках в качестве тепловых насосов.

1. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА 
НА ФЕРМАХ И ЛИНИЯХ МИНИ-МОЛОКОЦЕХОВ

1.1. Анализ существующих способов и технических средств 
для тепловой обработки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером -  французским ученым, 
основоположником современной микробиологии и иммунологии.
Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванного жизнедеятельно­
стью микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пасте­
ром, стала называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен 
на тепловую обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [93].
Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой 
обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал тео­
ретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.
Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при 
определенных комбинациях численных значений температуры и времени и та­
ким образом достигается положительный результат в отношении пищевой 
безопасности молока.
Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные изменения ком­
понентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потреби­
тельских свойств.
С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени 
основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в 
области пастеризации молока являются:
разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко теп­
ловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззара­
живания и сохранения его качеств;
создание новых конструкций пастеризаторов, обеспечивающих энергоэф­
фективное воплощение процесса пастеризации, удобных и надежных в экс­
плуатации.
Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными 
аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастериза­
ции, выдерживатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение двух и более 
технологических операций, таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, се­
парирование, нормализация и др.
По источнику использования энергии современные пастеризаторы можно 
подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омиче­
ским нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы 
(ультразвуковые), а также фрикционные с механическим нагревом и ультра­
фиолетовым воздействием [84].
Схема изменения температуры представлена на рис. 1.1. Заштрихованная 
область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для кото­
рых Т > 60 являются пастеризующими.

Рис. 1.1. Изменение температуры молока в пастеризаторе:
Гр -  температура подогрева в рекуператоре; Г60 -  температура начала 
проявления пастеризационного эффекта; Г„ -  температура пастеризации

Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эф­
фекта, выше теоретического из-за неравномерного распределения скоростей и 
температур по сечению молочного потока.
Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей, в 
нем не должно быть воздушных пузырьков, желательна минимальная бактери­
альная 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, 93,94,127].
При длительной пастеризации (температура 63 °С, выдержка 30 мин) вы­
деляется до 5 % от общего количества альбумина, наблюдается небольшое 
ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает умень­
шение кислотности молока на (0,5... 1) °Т.
При температуре 75 °С начинается денатурация альбумина, который не 
осаждается, а переходит в свертывающуюся форму от воздействия кислот сер­
нокислого магния.
При нагревании молока до 85 °С в течение 1 мин большая часть альбумина 
денатурируется, а при 95 °С денатурируется весь альбумин, кроме того частич­
но изменяется казеин.
При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли 
переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорно­
кислых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных 
поверхностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»).
Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции теп­
ловых аппаратов, которые отличаются друг от друга не только источниками

использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуа­
тационными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

Односекционные
Многосекционные
Плоские
~Ж-

Открытые
оросительные

Закрытые
проточные

Под напором и с 
использованием 
вакуума

Использование 
собственной 
массы продукта

По числу секций
По форме

КЛАСС ОХЛАДИТЕЛЕН

По характеру 
соприкосновения с 
окружающим воздухом

По воздействиям, 
вызывающим 
продвижение продукта

По профилю 
рабочей 
поверхности

По конструкции

По относительному направлению движения 
теплообменивающихся сред

Прямоточные
Прогивоточные
С параллельным 
движением сред

Круглые

Трубчатые

Пластинчатые

Однорядные

Многорядные
(пакетные)

С переносным 
движением сред

Рис. 1.2. Классификация применяемых 
пастеризационно-охладительных установок

Наибольшее распространение для пастеризации молока получили пла­
стинчатые пастеризационно-охладительные установки с электронагревом, ко­
торые по сравнению с другими типами тепловых обменных аппаратов имеют 
ряд преимуществ:
малые габариты аппарата; 
минимальные тепловые потери;
существенная экономия до 80 % тепла в секциях регенерации; 
существенно меньший расход энергии в пластинчатых аппаратах (в 2...3 
раза), чем в трубчатых;
возможность изменения числа пластин и производительности; 
возможность безразборной циркуляционной мойки оборудования.

молоко 
пар 
горячи воде 
холодная вода 
ледяная
вода

Рис. 1.3а. Принципиальная схема пластинчатой 
пастеризационно-охладительной установки:
1 — уравнительный бак; 2 — насос для молока; 3 — ротаметрический 
регулятор; 4 — пластинчатый теплообменный аппарат;
5 -  сепаратор-молокоочиститель; 6 — насос горячей воды;
7 -  бачок-аккумулятор; 8 -  пароконтактный нагреватель воды;
9 -  выдерживатель; I — первая секция рекуперации; I I -вторая секция 
рекуперации; I I I — секция пастеризации; I V -  секция охлаждения холодной 
воды; V — секция охлаждения ледяной водой

Горячая вода для нагрева молока (рис. 1.3а) подается в секцию пастериза­
ции водяным центробежным насосом 6 из бачка-аккумулятора 7. Охлажденная 
вода из секции пастеризации возвращается в бачок, предварительно нагреваясь 
в парокантактом нагревателе 8, установленном на трубопроводе возврата воды.
Вместо пароконтактного нагревателя также используются электрические 
нагреватели воды.

На рис. 1.36 представлена базовая технологическая схема пластинчатой 
пастеризационно-охладительной установки, разработанной НПК «Прогрессив­
ные технологии».

Рис. 1.36. Технологическая схема пластинчатой пастеризационно­
охладительной установки НПК «Прогрессивные технологии»:
1 -  пластинчатый теплообменный аппарат; 2 -  возвратный клапан;
3 -  уравнительный бак; 4 -  насос продуктовый; 5 -  гомогенизатор;
6 -  пластинчатый теплообменник для нагрева воды; 7 -  выдерживатель;
8 -  насос для подачи воды в теплообменник

НПК «Прогрессивные технологии» также разработаны и изготавливаются 
пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОКЛ.
В табл. 1.1 приводятся технические характеристики установок различной 
производительности.
Таблица 1.1
Базовая номенклатура и технические характеристики 
________________пастеризационно-охладительных установок ______________
Основные параметры
ОКЛ-1.25-М
ОКЛ-2.5-М
ОКЛ-5-М
1
2
3
4
Производительность, л/ч
1250
2500
5000
Количество секций
4
4
4
Поверхность теплообмена пла­
стины, м2
0,2
0,2
0,55

Количество пластин
120
155
98
Начальная температура, °С
40...45
40...45
40...45
Температура гомогенизации, °С
80...85
80...85
80...85
Температура пастеризации, °С
85 ± 2
85 ± 2
85 ±2

2
3
4
Время выдержки, с
25...40
25...40
25...40
Температура на выходе из уста­
новки, °С
4 6 8
4 6 8
4 6 8

Начальная температура во­
ды/рассола, °С
12...15/-5...-7
12...15/-5...-7
12...15/-5...-7

Расход пара, кг/ч
100
150
215
Масса установки, кг
1500
2000
2500
Габаритные размеры модуля,
Длина
2000
3000
3000
Ширина
2000
2000
2500
Высота
2500
2500
2500

Наиболее высокими технологическими показателями среди отечественных 
теплообменных аппаратов обладают модульные автоматизированные пастери­
зационно-охладительные установки Поток Терм 500/1000/3000, выпускаемые 
АО «Альфа Лаваль Поток» (бывший Болшевский машиностроительный завод, 
г. Королёв Московской области).
Эти установки имеют высокий коэффициент рекуперации тепла (0,9), сис­
тему подготовки горячей воды с электронагревом и четырехсекционный пла­
стинчатый теплообменник (две секции регенерации, секция пастеризации и 
секция охлаждения). В теплообменнике резиновые прокладки соединяются с 
пластинами специальными зажимами (клипсами) без помощи клея. Техниче­
ская характеристика установок данного типа приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.2
Техническая характеристика пастеризационно-охладительных 
 
_______________установок «Поток Тера»_________ ________________
Показатели
ПТ-500
ПТ-1000
ПТ-3000
1
2
3
4
Производительность, л/ч
500
1000
3000
Температура молока 
на входе в аппарат, °С 
на нагрев (пастеризация) 
на охлаждение

5...10
76...80 
2...6

5...10
76...80 
2...6

5...10
76...80 
2...6
Коэффициент рекупера­
ции не менее
0,85
0,9
0,9

Время выдержки молока 
при температуре пастери­
зации, с
25
25
25

Температура
хладоносителя
0...1
0...1
0...1