Как эффективно охлаждать пластиковые бутылки объемом 1 л на компактной линии по производству напитков

Эффективное охлаждение напитков - важнейший этап в современных линиях розлива и производства напитков. Сохранение качества продукции, обеспечение безопасности пищевых продуктов и достижение производственных показателей - все это зависит от эффективной системы охлаждения. Недавно один из тайских клиентов столкнулся с проблемой охлаждения 1-литровых пластиковых бутылок с 75 до 65 °C на высокоскоростной производственной линии производительностью 7 000 бутылок в час. Доступный туннель для охлаждения имел размеры 5,8 метра в длину, 2,2 метра в ширину и 1,7 метра в высоту, а площадь производственного помещения была ограничена всего 6 на 4 метра. Кроме того, клиент хотел использовать воду для распылительного охлаждения без добавления каких-либо антифризов, поскольку продукт был предназначен для употребления в качестве напитка. В этом блоге мы расскажем о соображениях, проблемах и решениях для достижения этой цели, в том числе о нормативном регулировании хладагентов в Таиланде.

Понимание проблемы охлаждения

Первым шагом в оценке процесса охлаждения является расчет количества тепла, которое необходимо отвести от напитка. Каждая пластиковая бутылка объемом 1 литр содержит примерно 1 килограмм жидкости, при этом предполагается, что удельная теплоемкость жидкости аналогична теплоемкости воды - примерно 4,18 кДж/кг-°C. Чтобы охладить жидкость с 75°C до 65°C, необходимый отвод тепла можно рассчитать по формуле:

Q=m⋅c⋅ΔT

Где:

• m - массовый расход (кг/с)
• c - удельная теплота (кДж/кг°C)𝑇
• ΔT - изменение температуры (°C)

Масса жидкости в одной бутылке: 1 л ≈ 1 кг

Начальная температура жидкости: 75°C → Конечная температура: 65°C

Производственная мощность: 7 000 бутылок в час

Удельная теплоемкость воды: 𝑐 c = 4,18 кДж/кг\cdotp°C

Пересчет времени: 7 000 бутылок в час → Бутылки в секунду:

7000/3600 ≈ 1,944 бутылок/с ≈ 1,944 кг/с

Q_{в секунду}=1,944⋅4,18⋅10≈81,3 кДж/с=81,3 кВт

При производительности 7 000 бутылок в час (≈1,944 кг/с) необходимая мощность охлаждения составляет примерно 81 кВт. Этот расчет представляет собой идеальный отвод тепла, необходимый в идеальных условиях.

Ограничения: Пространство и длина туннеля

В данном случае площадь помещения была ограничена размерами 6 × 4 метра, а длина охлаждающего туннеля не могла быть увеличена более 5,8 метра. Небольшая длина туннеля создавала проблему: при скорости конвейера, соответствующей 7 000 бутылок в час, приблизительное время пребывания каждой бутылки в туннеле составляет около 30 секунд.

Учитывая ограниченное время экспозиции, при проектировании системы охлаждения необходимо было сосредоточиться на максимизации эффективности теплообмена. Традиционные подходы, такие как простое увеличение длины туннеля или замедление производственной линии, были нецелесообразны из-за пространственных и эксплуатационных ограничений.

Ограничения при использовании воды температурой 25°C

Предварительно можно было бы использовать в качестве охлаждающей среды водопроводную воду с температурой 25°C. Однако расчеты и опыт показывают, что использование воды такой температуры приведет лишь к частичному снижению температуры. При времени пребывания 30 секунд и эффективности теплопередачи 40% температура жидкости может снизиться только на 5-7°C. Это приведет к снижению температуры жидкости 75°C примерно до 68-70°C - недостаточно для достижения целевого значения 65°C.

Переход к низкотемпературному охлаждению

Чтобы достичь желаемого снижения температуры на 10 °C при ограниченной длине туннеля, было решено использовать низкотемпературную воду с температурой 3-5 °C. При значительном снижении температуры воды увеличивается тепловой градиент между жидкостью и охлаждающей водой, что напрямую повышает скорость теплопередачи.

Эмпирические данные и расчеты теплопередачи показывают, что для воды температурой 3-5°C достаточно 30 секунд пребывания в туннеле, чтобы снизить температуру жидкости с 75°C до целевых 65°C. Это обеспечивает безопасное охлаждение напитка без удлинения туннеля или замедления производственной линии.

Учет особенностей циркуляции холодной воды

Использование воды при таких низких температурах влечет за собой дополнительные сложности:

1. Предотвращение замерзания: Прямое использование воды при 0°C может привести к образованию льда в системе распыления. Поскольку напиток не переносит противоморозных добавок, температуру воды следует поддерживать на уровне 3-5°C, чтобы предотвратить замерзание и при этом обеспечить эффективное охлаждение.
2. Эффективность распыления: Очень важны высокоэффективные насадки, например, мелкодисперсного тумана или веерного типа. Они обеспечивают максимальный охват поверхности и достаточное охлаждение каждой бутылки.
3. Достаточный поток воды: Система циркуляции должна обеспечивать расход, в 3-5 раз превышающий расход жидкости, что гарантирует стабильную температуру холодной воды во время работы.
4. Контроль температуры: Система управления на базе ПЛК с датчиками температуры отслеживает температуру воды и регулирует скорость насоса или мощность охлаждения для поддержания постоянного диапазона 3-5°C.

Выбор подходящего чиллера

Мы обсудили ряд требований заказчика с нашим поставщиком холодильных установок и пришли к выводу, что чиллер с воздушным охлаждением мощностью 30 л.с. может удовлетворить наши требования. Поставщик подтвердил, что его 30-сильный чиллер с воздушным охлаждением рассчитан на холодопроизводительность 83 кВт при стандартных условиях эксплуатации. Кроме того, конструкция нашей системы имеет несколько важных преимуществ:

• Большой водный буфер: Встроенный резервуар объемом 10 м³ действует как тепловой буфер, поглощая тепло и сглаживая колебания во время непрерывной работы.
• Непрерывная циркуляция: Вода постоянно циркулирует между охладителем, системой распыления и резервуаром, обеспечивая постоянный тепловой обмен.
• Низкая температура воды на входе: Благодаря поддержанию температуры воды на уровне 3-5°C тепловой градиент максимально увеличивается, что повышает эффективность охлаждения в течение короткого 30-секундного времени пребывания.
• Эффективная компоновка: Занимая площадь всего 2,4 × 2 м, чиллер легко вписывается в свободное пространство объекта размером 6 × 4 м.

В совокупности эти конструктивные решения позволяют системе обеспечить требуемую производительность охлаждения на практике. Хотя теоретическая оценка нагрузки обеспечивает запас прочности, номинальной мощности поставщика в 83 кВт в сочетании с тепловым буфером и оптимизированной эффективностью распыления достаточно для надежного охлаждения 7000 однолитровых бутылок в час с 75°C до 65°C.

Нормативно-правовое регулирование хладагентов в Таиланде

Поскольку клиент находится в Таиланде, важно учитывать местные правила, касающиеся использования хладагентов, таких как R-22, R-134a или других ГФУ/ГХФУ:

• Поэтапный отказ от R-22:Таиланд следует графику поэтапного отказа от использования озоноразрушающих веществ, таких как R-22, согласно Монреальскому протоколу. Использование нового оборудования с R-22 ограничено, а обслуживание оборудования с R-22 может быть ограничено.
• Альтернативы ГФУ:В большинстве современных чиллеров для промышленного применения используются ГФУ, такие как R-134a, R-410A, или природные хладагенты, такие как R-290 (пропан) или R-717 (аммиак). Как правило, они разрешены, но может потребоваться местная регистрация и сертификация.
• Соответствие:При выборе охладителей для тайских производственных линий важно уточнить у поставщика, что хладагент разрешенные законом и соответствующие экологическим нормам. Использование соответствующего требованиям хладагента обеспечивает длительную эксплуатацию, позволяет избежать штрафов, а также облегчает техническое обслуживание и доступность запасных частей.

На практике для линий по производству напитков большинство охладителей с ветровым охлаждением, работающих при температуре 3-5°C, используют ГФУ, такие как R-134a, которые в целом приемлемы в Таиланде, но необходимо согласование с поставщиком и местными властями.

Рекомендации по проектированию системы

Для компактных линий по производству напитков с аналогичными ограничениями рекомендуется использовать следующие элементы конструкции:

• Низкотемпературный охладитель с ветровым охлаждением: Поддерживайте температуру воды 3-5°C, чтобы избежать замерзания, без добавления антифризов.
• Большой буферный резервуар для воды: Бак объемом 10 м³ или аналогичный обеспечивает тепловую инерцию для стабилизации температуры воды во время работы на высокой скорости.
• Высокоэффективные распылительные форсунки: Обеспечивают полное покрытие бутылок для максимальной теплопередачи в течение короткого времени пребывания.
• Контроль температуры на базе ПЛК: Автоматический контроль и регулирование температуры воды, расхода и работы чиллера.
• Достаточный циркуляционный поток: расход холодной воды должен быть как минимум в 3-5 раз больше расхода жидкости, чтобы предотвратить быстрый рост температуры в резервуаре.
• Соответствие нормативным требованиям: Убедитесь, что хладагент для чиллера одобрен для использования в Таиланде и соответствует местным нормам экологии и безопасности.
• Компактная компоновка: Убедитесь, что чиллер, резервуар и туннель вписываются в имеющееся пространство объекта без ущерба для рабочего процесса.

Заключение

Охлаждение напитков в высокоскоростных линиях розлива в условиях ограниченного пространства и длины туннеля - задача сложная, но вполне выполнимая при правильном проектировании системы. Основные выводы из этого проекта включают:

• Для высокоскоростного охлаждения недостаточно использовать стандартную воду с температурой 25°C; необходима низкотемпературная вода с температурой 3-5°C.
• Ветроохлаждаемые чиллеры с большими буферными емкостями могут удовлетворять высоким тепловым нагрузкам без риска замерзания, даже если мощность чиллера кажется скромной.
• Эффективность распыления, расход воды и точный контроль температуры имеют не меньшее значение, чем мощность чиллера, для достижения желаемых результатов охлаждения.
• Компактные, хорошо продуманные системы обеспечивают высокую пропускную способность, не требуя больших туннелей или увеличенной площади.
• Для клиентов в Таиланде соответствие требованиям по хладагенту является решающим фактором; современные охладители на основе ГФУ, такие как R-134a, обычно приемлемы.

Таким образом, для производителей напитков, имеющих ограниченное пространство и высокую скорость производства, сочетание низкотемпературная вода, эффективное распылительное охлаждение, правильно подобранный чиллер с ветровым охлаждением и буферным резервуаром, а также хладагенты, соответствующие нормативным требованиям является оптимальным решением для точного охлаждения 1-литровых пластиковых бутылок с 75 до 65°C. Такой подход обеспечивает качество продукции, поддерживает безопасность и вписывается в жесткие ограничения предприятия, соблюдая при этом местные экологические нормы.