几种常见的直冷式奶罐

文│李国盛 陈东 谢继红（天津科技大学机械工程学院）

几种常见的直冷式奶罐

文│李国盛 陈东 谢继红（天津科技大学机械工程学院）

直冷式奶罐广泛应用于牧场和牛奶收集站，在对直冷式奶罐的现状及其存在问题简单分析的基础上，给出了三种改进技术方案，分别为采用电子膨胀阀的直冷式奶罐、采用热管散热器的直冷式奶罐和同时制取热水的直冷式奶罐，对不同方案的设备构成、工作原理及特点进行了介绍，为直冷式奶罐的发展提供了较好的参考。

一、直冷式奶罐现状

在牧场等场所，挤出的牛奶需收集在奶罐中，并在一定时间内从30℃左右冷却至4℃左右。目前常用的奶罐是直冷式奶罐，其基本构成如图1所示。

图中，直冷式奶罐由制冷单元和奶罐单元构成，制冷单元包括压缩机、冷却器、膨胀阀、散热器和风机，奶罐单元包括奶罐和搅拌桨，两个单元通过冷却器与奶罐耦合在一起而形成一个整体的系统。刚挤出的牛奶进入奶罐后冷却时，制冷单元运行，低温制冷剂在奶罐下部的冷却器中汽化吸热，将奶罐内紧贴罐壁的牛奶冷却，奶罐内的搅拌桨同时旋转将奶罐内其他部位的牛奶与紧贴罐壁的冷牛奶不断置换混合，实现罐内牛奶的整体冷却；罐外冷却器内吸收了牛奶热量的制冷剂气体，被压缩机吸走并升压后进入散热器，在散热器中把制冷剂携带的热量排入环境空气，制冷剂则成为液体，经膨胀阀后又形成低温制冷剂，再送入奶罐底部的冷却器进行下一个循环，实现奶罐中牛奶热量的连续移出。

直冷式奶罐的优点是牛奶和制冷剂直接换热，系统简单紧凑，工作可靠性好，整个系统可在车间内制作和调试完成后整体运至用户现场，现场安装简便；但目前直冷式奶罐存在如下几个问题。

1.对四季环境温度变化时的适应性较差。制冷单元中的膨胀阀多采用热力膨胀阀，对一年四季的变工况适应性较差，尤其在北方冬季时，由于环境温度较低，散热器内制冷剂压力也偏低，导致制冷剂流量偏小，制冷单元的制冷量也偏小，影响牛奶的冷却速度。

2.对天然冷源的利用率低。北方地区冬季气温很低，可充分利用天然低温冷源用于奶罐内牛奶的冷却，减少制冷单元的能耗，而普通的直冷式奶罐一般没有实现对天然冷源的利用。

3.功能较单一。目前多数直冷式奶罐只有牛奶冷却功能，但牧场中奶罐和挤奶系统的清洗均需要大量热水，可通过对直冷式奶罐的局部改进，在基本不增加成本的情况下，可同时实现牛奶冷却和热水制取两个功能。

二、采用电子膨胀阀的直冷式奶罐

采用电子膨胀阀的直冷式奶罐如图2所示。

◎图1 直冷式奶罐示意图

◎图2 采用电子膨胀阀的直冷式奶罐示意图

与普通直冷式奶罐相比，此类直冷式奶罐用电子膨胀阀取代了热力膨胀阀，电子膨胀阀通过基于电信号的温度和压力传感器，获取压缩机进出口的温度及压力信息，并通过步进电机等智能驱动器，可大幅度、快速、适时调整其开度，使制冷剂的流量实现最佳化。采用电子膨胀阀的直冷式奶罐与普通直冷式奶罐工作时的制冷量的定性比较如图3所示。

◎图3 制冷量比较示意图

图中曲线A是采用热力膨胀阀的普通直冷式奶罐的制冷量随环境温度的变化曲线，曲线B是采用电子膨胀阀的直冷式奶罐的制冷量随环境温度的变化曲线。由图可见，对普通直冷式奶罐，当环境温度在15～30℃变化时，热力膨胀阀可较好的调整其开度，制冷单元的制冷量基本不变；当环境温度低于15℃时，热力膨胀阀开度不能适应更大的开度调整要求，而此时制冷单元的制冷剂冷凝压力较低，热力膨胀阀两侧的压差减小，使流过热力膨胀阀的制冷剂流量显著下降，制冷单元的制冷量随之降低。

采用电子膨胀阀的直冷式奶罐，当环境温度在15～30℃时，其制冷量特性和普通直冷式奶罐相似。但当环境温度低于15℃时，由于电子膨胀阀的开度是由步进电机等驱动器调整，其开度可随环境温度随时调整，尤其当环境温度较低时其开度可调整得很大，足以保证当阀前后的压差很小时也可具有足够的制冷剂流量，保证制冷单元的制冷量不下降，在必要时还可适当提高冷却器中制冷剂的蒸发压力，使制冷单元的制冷量得到一定程度的提升。

三、采用热管散热器的直冷式奶罐

采用热管散热器的直冷式奶罐如图4所示。

图中，采用热管散热器的直冷式奶罐有两个途径把奶罐中牛奶的热量排入环境，一是制冷单元由压缩机驱动制冷剂吸收牛奶的热量通过散热器排入环境；二是通过热管散热器依靠制冷剂的自然流动把牛奶的热量排入环境。

热管散热器的散热原理是：牛奶进入奶罐后，把热量传递给下部冷却器中的制冷剂，制冷剂吸热汽化变成制冷剂蒸气，蒸气上升沿管道进入热管冷却器，在热管冷却器中凝结，同时把热量排给热管散热器外的空气，凝结后的制冷剂液体由于密度较大，沿管路下降流回奶罐下部的冷却器，继续吸收牛奶热量进行下一个循环。

只要环境温度低于牛奶温度，热管散热器即可自动运行用于牛奶冷却；根据环境温度高低可单独用热管散热器来冷却牛奶，也可用热管散热器与制冷单元联合进行牛奶冷却，可使牛奶冷却所需的能耗减少30%以上。

◎图4 采用热管散热器的直冷式奶罐

◎图5 同时制取热水的直冷式奶罐示意图

四、同时制取热水的直冷式奶罐

同时制取热水的直冷式奶罐如图5所示。

在牧场中，除刚挤出的牛奶需要降温冷却外，奶罐和挤奶设备的清洗还需要大量热水，图中通过在压缩机和散热器之间加入热回收器的方法，可使制冷单元在冷却牛奶的同时，还可制取50～80℃的热水。

同时制取热水的直冷式奶罐工作原理为：来自压缩机的高温高压制冷剂蒸气进入热回收器，在热回收器中设有传热管，高温制冷剂通过传热管把热量传给自来水，使其温度升至50～80℃后排入热水箱储存，被冷却的制冷剂再继续进入散热器和环境空气换热并冷凝为液体，再经膨胀阀变为低温液体进入冷却器冷却牛奶。

同时制取热水的直冷式奶罐和普通直冷式奶罐相比，需增设热回收器，但其散热器尺寸可减小，总体成本和普通直冷式奶罐相差不多，牛奶冷却速度和耗电量二者也相当令人满意，但同时制取热水的直冷式奶罐可直接获得用于清洗奶罐和挤奶系统的热水，不但节约了热水制取费用，还可省去热水加热炉等设备，具有较强的综合优势。

五、结论与建议

直冷式奶罐技术成熟、结构紧凑、安装方便，但普通的直冷式奶罐又有工况调节范围窄、不能利用天然冷源、不能同时制取热水等缺点，通过电子膨胀阀、热管散热器、热回收器等技术的引入，可为直冷式奶罐的发展提供较好的参考，建议进一步对各技术方案所涉及的新型直冷式奶罐的部件选取、工作特性以及结合用户需求的整体优化，展开更深入的工作。