4. Автоматизация установок очистки, пастеризации и охлаждения молока
К первичной обработке молока относятся охлаждение, пастеризация, очистка и удаление механических и частично бактериальных примесей. Для охлаждения молока применяются специальные аппараты – молочные охладители. По конструкции они могут быть открытые и закрытые, противоточные и параллельноточные, трубчатые и пластинчатые. В качестве хладагента применяются вода и рассол. Противоточные охладители рассчитаны на охлаждение молока до температуры, превышающей на 3 ºС начальную температуру охлаждающей жидкости.
При пастеризации молоко нагревают до 63–93 ºС. Для длительной пастеризации применяют ванны длительной пастеризации типа ВДП различной вместимости. Кратковременную пастеризацию проводят в паровых пастеризаторах с вытеснительным барабаном и в пластинчатых аппаратах с обогревом горячей водой.
Пластинчатые пастеризаторы не имеют движущихся деталей. В них теплообмен происходит между потоками горячей воды и молока, разделенными тонкими пластинами из нержавеющей стали. Между пластинами протекают в противоположном направлении вода и молоко. Водяной и молочный насосы создают необходимый для движения напор.
В автоматизированных установках ОПФ-1, ОПУ-ЗМ, ОПУ-5М применяют комбинированные пастеризатор, теплообменник-регенератор и охладитель, собранные из одинаковых по конструкции пластин на одной станине.
Для удаления механических примесей применяется сепаратор-молокоочиститель, приводимый в движение от электродвигателя.
Автоматизированные установки первичной обработки молока состоят из центробежного молокоочистителя, пластинчатых пастеризатора, теплообменника-регенератора и охладителя.
Качество первичной обработки молока определяется точностью выполнения режима пастеризации и охлаждения молока. Технологические требования относительно температурного режима предусматривают допустимое отклонение температуры нагрева и охлаждения до ±2 ºC, а погрешность регистрации температуры 1 ºC. Динамическое отклонение температуры нагрева и охлаждения молока от заданных значений во время работы автоматических систем регулирования должно быть в пределах ±2 ºC. Превышение температуры над заданной при выходе установки на режим не должно быть более 5 ºC.
Рабочий процесс первичной обработки молока на установке ОПФ-1 рассмотрим по схеме автоматизации, показанной на рис. 2.27.
Рис.2.27. Схема автоматизации установки ОПФ-1
Из молокосборника молоко поступает в уравнительный бак 7. Из бака I насос II подает молоко в первую секцию III пластинчатого аппарата (секцию регенерации), где молоко за счет теплообмена нагревается до 37–40 ºС. Из первой секции регенерации молоко поступает в молокоочиститель IV, очищается, подается во вторую секцию регенерации и переходит в секцию пастеризации, где за счет теплообмена с горячей водой нагревается до температуры +76 ºС (в установке ОПФ-1-20) или до +90 ºС (в установке ОПФ-1-300). Пастеризованное молоко через выдерживатель V проходит в секции регенерации, и его температура снижается до +20…25 ºС. Затем молоко проходит секции охлаждения, где его температура снижается до +5…8 ºС. Холодное молоко поступает в танки.
Горячая вода готовится в бойлере VI, где нагревается паром через инжектор паропровода от котельной установки.
Дополнительная выдержка молока в течение 20 с в выдерживателе установки ОПФ-1-20 и 300 с в выдерживателе установки ОПФ-1-300 перед охлаждением способствует уменьшению бактериальных загрязнений.
Контроль температуры молока после пастеризационной секции осуществляется первичным преобразователем 1, сигнал которого подается на регулятор 2, формирующий сигнал исполнительному механизму 3 трехходового клапана, который при низкой температуре молока перепускает его обратно в уравнительный бак.
Температура молока после выдерживателя контролируется преобразователем 5, сигнал которого подается на регулятор 6. Исполнительный механизм 4 управляет вентилем подачи пара в бойлер для изменения температуры воды.
Для выбора наиболее рациональных схем автоматического управления установкой проводят ее исследование с целью получения математического описания установки как объекта автоматизации. Определение статических и динамических характеристик позволяет выбрать наиболее эффективные регуляторы и параметры их настройки.
Процесс пастеризации и охлаждения молока можно представить структурными схемами, показанными на рис. 2.28. Входная величина секции пастеризации – расход пара Gп, а выходная – температура молока мп. Возмущениями являются непостоянство расхода молока Gм, его температура, изменение коэффициента теплопередачи пастеризатора вследствие отложения белка на теплопроводящих поверхностях. Входная величина секции охлаждения – расход хладоносителя Gхл, а выходная – температура холодного молока мх. Основными возмущениями в охладителях молока являются колебания температуры хладоносителя, изменение давления хладоносителя рхл, расхода молока Gм и др.
Рис. 2.28. Структурные схемы:
а – пастеризация молока; б – охлаждение молока
Температуру нагревания молока можно изменять при помощи позиционного и непрерывного регулирования. В пластинчатых пастеризационно-охладительных установках применяются ПИ-регуляторы, обеспечивающие высокую точность регулирования температуры. В установках ОПФ-1 для регулирования температуры воды используется электронный регулятор ЭР-СС-63 с термометром сопротивления. Исполнительным механизмом в системе регулирования является электрогидравлический клапан. Он снабжен электромагнитом для управления клапаном пропуска воды, которая под давлением действует на мембрану, соединенную штоком с золотником, перекрывающим канал впуска пара через инжектор в систему циркуляции горячей воды.
В установках ОПУ-ЗМ, ОПУ-5М для контроля и регулирования температуры нагревания и охлаждения молока применяются самопишущие мосты типа МСР1-05 с пределами измерения от 0 до 100 ºС. Первичные преобразователи – термометры сопротивления типа ТСП-864. Мосты снабжены реостатными задатчиками, которые совместно с балансными реле типа БР-3 и реостатами обратной связи электрических исполнительных механизмов типа ПР-М регулирующих клапанов реализуют пропорциональный закон регулирования.
В установке ОПФ-1 температура охлажденного молока контролируется логометром с термометром сопротивления типа ТСМ 8.
Температура молока в пастеризационной секции контролируется и регистрируется самопишущим мостом типа МСР 1-01 с термометром сопротивления типа ТСП. Мост имеет контакты, которые при снижении температуры молока ниже заданной замыкаются и в цепи исполнительного механизма трехходового клапана подается напряжение. При этом клапан входа воды в гидрореле закрыт и мембрана с ее клапанным устройством находится в верхнем положении, перекрывая выход молока в выдерживатель и направляя его обратно в уравнительный бак. Когда температура молока достигает заданной, контакты моста размыкаются, ток в катушке электромагнита прерывается и под действием пружины шток опускается и открывает доступ воде в гидрокамеру клапана. Вода под давлением действует на мембрану и перемещает клапанный механизм в нижнее положение. При этом молоко поступает из пастеризатора в камеру выдерживания.
Управление двигателями насосов и центрифуги ручное, при помощи кнопок и магнитных пускателей. Аппаратура управления, регулирования и контроля расположена в шкафу управления. На переднюю панель шкафа вынесены приборы и ключи управления, электронный мост, регулятор, логометр и сигнальные лампы.
В ручном режиме установку ОПФ-1 запускает оператор. Перед пуском он проверяет состояние пакета пластин, соединения, направление вращения барабана сепаратора. Затем в уравнительный бак заливает содовый раствор и включает насосы в работу. Включает пар и в течение 15 мин промывает систему. После этого заливает холодную воду для вытеснения содового раствора и в течение 30 мин промывает систему горячей водой. После стерилизации системы переключает ее в автоматический режим. Сначала подает молоко в уравнительный бак, включает сепаратор и после установления рабочей частоты вращения включает насосы подачи молока и горячей воды. После срабатывания перепускного клапана установка переходит в рабочий режим. Через 2,5–3,0 ч работы установку останавливают для удаления грязи из сепаратора-очистителя. Остановку осуществляет оператор в ручном режиме, выполняя необходимые операции в требуемой последовательности, определяемой инструкцией.