Сравнительный анализ

Выбор температуры охлаждающей воды на молокоперерабатывающих предприятиях существенно влияет на эффективность процессов, качество продукции, энергопотребление и экономическую эффективность. В данной работе сравниваются режимы охлаждения холодной водой температурой 2 °C и ледяной водой температурой около 0,5 °C. Термодинамическая эффективность, скорость охлаждения, микробиологическая безопасность, качество продукции и эксплуатационные расходы зависят от используемой температуры охлаждения. Анализ показывает, что ледяная вода с температурой около 0,5 °C благодаря большему перепаду температур в теплообменнике позволяет на 30–50 % быстрее охлаждать молоко с 32 °C до 4 °C и лучше достигать заданной температуры. Более быстрое охлаждение значительно сокращает время генерации мезофильных и психротропных бактерий, снижает общее количество микроорганизмов на 15–25 % и продлевает срок хранения на 20–30 %. Современные системы с падающей пленкой ледяной воды при температурах испарения T₀ ≈ −2 °C достигают более высоких значений COP (4,5–5,5), чем традиционные системы с холодной водой при 2 °C (COP 3,5–4,2), и снижают удельное энергопотребление до 20 %. Несмотря на 15–25 % более высокие инвестиционные затраты, системы при температуре 0 °C ледяной водой окупаются экономически в течение 4–6 лет за счёт меньших затрат энергии, меньших потерь продукта и более высокой производительности.

В современной молокоперерабатывающей промышленности быстрое и точное охлаждение сырого молока с температуры около 32–35 °C до максимум 4 °C в течение четырех часов после доения имеет решающее значение для микробиологической безопасности, срока хранения и качества продукта ^[3][4][7]. Обычные системы охлаждения с температурой подачи 2 °C широко распространены, однако часто достигают конечной температуры молока всего 5–6 °C из-за недостаточного перепада температур в пластинчатом теплообменнике ^[8][9].

Системы с ледяной водой с температурой подачи около 0,5 °C позволяют осуществлять более глубокое и быстрое охлаждение до 2–4 °C, что дает преимущества с точки зрения микробиологической безопасности и качества ^[1][2][10]. Современные охладители с падающей пленкой работают при более высоких температурах испарения (T₀ ≈ −2 °C), чем традиционные системы, и благодаря этому достигают более высокой энергоэффективности ^[1][2][6].

Целью данной работы является систематическое сравнение обеих концепций охлаждения с учетом скорости теплопередачи, времени охлаждения, микробиологических эффектов, качества продукта, энергопотребления и общей экономической эффективности.

Передаваемая тепловая мощность Q [Вт] в противоточном пластинчатом теплообменнике описывается следующим образом:

$\dot{Q}=U\cdot A\cdot \mathrm{\Delta }{T}_{\text{log} }$

где U – общий коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)], A – площадь теплообменника [м²] и ΔT log – логарифмическая средняя разность температур [К] ^[11].

Логарифмическая средняя разность температур рассчитывается по формуле

$\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_1-\mathrm{\Delta }{T}_2}{\mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{\Delta }{T}_1/\mathrm{\Delta }{T}_2) }$

где ΔT₁ и ΔT₂ – разности температур на обоих концах теплообменника.

Таблица 1: Сравнение охлаждения молока с 32 °C до заданной температуры

При одинаковом коэффициенте теплопередачи U и одинаковой площади A получается:

$\frac{{\dot{Q}}_{\text{Eis}}}{{\dot{Q}}_{\text{Kalt}}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Eis}}}{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Kalt}}}=\frac{\mathrm{12,8}}{\mathrm{11,2}}=\mathrm{1,14}$

Ледяная вода обеспечивает на 14 % более высокую тепловую мощность при одинаковых размерах теплообменника или достигает той же холодопроизводительности при меньшей площади ^[1][2].

2.2 Температура приближения (Approach Temperature)

Температура приближения описывает наименьшую достижимую разницу между температурой молока на выходе и температурой охлаждающей воды на входе в теплообменник. В эффективных пластинчатых теплообменниках она составляет 1-2 K ^[9][12].

Таблица 2: Достижимые конечные температуры молока при различных температурах охлаждающей воды

Только ледяная вода с температурой 0,5 °C позволяет надежно охладить молоко до 2– –3 °C, что дает значительные преимущества с точки зрения микробиологии и качества ^[1][2][3].

2.3 Удельная теплоемкость молока

Удельная теплоемкость цельного молока (3,5 % жира) составляет

$c_p=\mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}$

Для обезжиренного молока c_p составляет около 3,97 кДж/(кг·K) ^[13].

Количество тепла, которое необходимо отвести при охлаждении 1 000 кг цельного молока с 32 °C до 4 °C , составляет

$Q=m\cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=1.000 \mathrm{ }\text{kg}\cdot \mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}\cdot (32-4) \mathrm{ }\text{K}=110.040 \mathrm{ }\text{kJ}\approx \mathrm{30,6} \mathrm{ }\text{kWh}$

Скорость роста бактерий в молоке сильно зависит от температуры. Мезофильные бактерии (оптимальная температура 25–37 °C) уже при 10 °C демонстрируют значительно сниженный рост, в то время как психротропные бактерии (Pseudomonas spp.) могут расти даже при 4–7 °C ^{[3][4][5][14]}.

Таблица 3: Время поколения различных групп бактерий в молоке ^[3][4][14]

Критический временной интервал: первые 4 часа после доения имеют решающее значение, так как в это время заканчивается фаза латентности бактерий и начинается экспоненциальный рост ^[3][4][7]. Чем быстрее молоко охлаждается до температуры ниже 4 °C, тем ниже общее количество микроорганизмов.

3.2 Сравнение динамики количества микроорганизмов

Сценарий: 10 000 литров сырого молока, начальное количество микроорганизмов 10 000 КОЕ/мл (КОЕ = колониеобразующая единица)

Система с холодной водой 2 °C:

• Охлаждение с 32 °C до 5,5 °C за 45 минут
• Хранение при 5,5 °C в течение 48 часов
• Конечное количество микроорганизмов: ок. 35 000–45 000 КОЕ/мл ^[4][5]

Система с ледяной водой 0,5 °C:

• Охлаждение от 32 °C до 3,0 °C за 30 минут
• Хранение при 3,0 °C в течение 48 часов
• Конечное количество микроорганизмов: ок. 25 000–32 000 КОЕ/мл ^[4][5]

Снижение количества микроорганизмов на 20–30 % за счет охлаждения ледяной водой, что напрямую увеличивает срок хранения и безопасность продукта ^[3][4][5].

3.3 Улучшение качества продукции

Более низкие температуры хранения снижают:

• липолиз (расщепление жиров бактериальными липазами) → улучшение вкуса ^[4][15]
• протеолиза (разрушения белков) → более длительный срок хранения сыра и йогурта ^[4][15]
• Сенсорные дефекты (прогорклость, горечь) ^[4][5]

Исследования показывают, что у молока « », хранящегося при температуре 2 °C, сенсорное качество через 5 дней остается превосходным, в то время как у молока, хранящегося при температуре 6 °C, уже через 3 дня наблюдается ухудшение качества ^[4][5][15].

Коэффициент производительности (COP) холодильной машины описывает соотношение холодопроизводительности к потребляемой электрической мощности:

$\text{COP}=\frac{{\dot{Q}}_0}{P_{\text{el} }}$

Коэффициент COP увеличивается с повышением температуры испарения T₀. Современные системы с падающей пленкой ледяной воды достигают при T₀ ≈ −2 °C для ледяной воды 0,5 °C более высоких значений COP, чем традиционные системы с более низкими температурами испарения ^[1][2][6].

Таблица 4: Сравнение значений COP различных систем

Системы с падающей пленкой и ледяной водой достигают на 20–30 % более высоких значений COP за счет оптимизированных температур испарения ^[1][2][6].

4.2 Расчетный пример: энергопотребление для охлаждения 10 000 литров молока

Экономия электроэнергии составляет 16,7 % несмотря на конечную температуру, которая на 2,5 К ниже [1][2][6].Исходные данные:

• Объем молока: 10 000 литров (≈ 10 300 кг, плотность 1,03 кг/ л)
• Охлаждение от 32 °C до заданной температуры
• Удельная теплоемкость: 3,93 кДж/(кг·К)

Система с холодной водой 2 °C (целевая температура 5,5 °C):

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{5,5})=1.071.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{297,5} \mathrm{ }\text{kWh}$

При COP = 3,8:

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{297,5}}{\mathrm{3,8}}=\mathrm{78,3} \mathrm{ }\text{kWh}$

Система с ледяной водой 0,5 °C (целевая температура 3,0 °C):

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{3,0})=1.174.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{326,1} \mathrm{ }\text{kWh}$

При COP = 5,0:

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{326,1}}{\mathrm{5,0}}=\mathrm{65,2} \mathrm{ }\text{kWh}$

Экономия энергии несмотря на более низкую температуру охлаждения:

$\text{Экономия}=\mathrm{78,3}-\mathrm{65,2}=\mathrm{13,1} \mathrm{ }\text{kWh} \mathrm{ }(\mathrm{16,7} \mathrm{ }\mathrm{\%})$

Экономия электроэнергии составляет 16,7 % несмотря на конечную температуру, которая на 2,5 К ниже ^[1][2][6].

4.3 Годовые эксплуатационные расходы

Допущения:

• Молокозавод перерабатывает 50 000 литров в день = 18,25 млн литров в год
• Стоимость электроэнергии: 0,13 евро/кВт·ч
• Работа 350 дней в год

Таблица 5: Годовые затраты на электроэнергию для охлаждения молока (50 000 л/день)

Ежегодная экономия затрат на энергию: 3 120 евро (16,8 %) ^[1][2][6].

Таблица 6: Сравнение инвестиционных затрат для холодопроизводительности 200 кВт

Дополнительные инвестиции в систему охлаждения: 47 300 евро (36 %) ^[2][6][17].

5.2 Сравнение эксплуатационных расходов (ежегодно)

Таблица 7: Годовые эксплуатационные расходы

Дополнительные затраты на ледяную воду: 2 600 евро/год (без учета преимуществ в качестве) ^[6][16].

5.3 Преимущества в плане качества и производительности

Сокращение потерь продукции:

• Система 2 °C: 1,5 % потерь из-за сокращения срока хранения и снижения качества
• Система 0,5 °C: 0,8 % потерь
• При 18,25 млн литров/год по цене 0,72 евро/литр стоимости сырья:

$\mathrm{Э}\mathrm{к}\mathrm{о}\mathrm{н}\mathrm{о}\mathrm{м}\mathrm{и}\mathrm{я}=(\mathrm{1,5}\mathrm{\%}-\mathrm{0,8}\mathrm{\%})\cdot 18.250.000\cdot \mathrm{0,72}=\text{EUR 92.000/}\text{год}$

Более высокое качество продукции позволяет устанавливать цены премиум-класса:

При 20 % производства (3,65 млн л) с 2 %-ной надбавкой к цене:

$\text{Дополнительный доход}=3.650.000\cdot \mathrm{0,72}\cdot \mathrm{0,02}=\text{EUR 52.600/Jahr}$

Более быстрое охлаждение увеличивает пропускную способность:

На 30 % более быстрые циклы охлаждения → возможна на 10 % более высокая суточная производительность → дополнительный вклад в прибыль 16 500 евро/год (консервативная оценка) ^[2][6].

5.4 Общая экономическая оценка

Таблица 8: Общий экономический баланс в год

Срок окупаемости:

$\text{Payback}=\frac{\mathrm{Б}\mathrm{о}\mathrm{л}\mathrm{е}\mathrm{е} \mathrm{ }\mathrm{в}\mathrm{ы}\mathrm{г}\mathrm{о}\mathrm{д}\mathrm{н}\mathrm{а}\mathrm{я} \mathrm{ }\mathrm{и}\mathrm{н}\mathrm{в}\mathrm{е}\mathrm{с}\mathrm{т}\mathrm{и}\mathrm{ц}\mathrm{и}\mathrm{я}}{\mathrm{Ч}\mathrm{и}\mathrm{с}\mathrm{т}\mathrm{а}\mathrm{я} \mathrm{ }\mathrm{в}\mathrm{ы}\mathrm{г}\mathrm{о}\mathrm{д}\mathrm{а}/\mathrm{г}\mathrm{о}\mathrm{д}}=\frac{47.300}{158.500}=\mathrm{0,30} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{3,6} \mathrm{ }\mathrm{м}\mathrm{е}\mathrm{с}\mathrm{я}\mathrm{ц}\mathrm{а}$

Даже при консервативных расчетах с учетом преимуществ в качестве, но без учета дополнительной прибыли от премиум-класса и преимущества в производительности:

${\text{Payback}}_{\text{консервативный}}=\frac{47.300}{92.000-2.600}=\mathrm{0,53} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{6,4} \mathrm{ }\mathrm{м}\mathrm{е}\mathrm{с}\mathrm{я}\mathrm{ц}\mathrm{а}$

На практике срок окупаемости обычно составляет 4–6 лет для предприятий среднего размера без значительных преимуществ в качестве ^[2][6].

Современные системы охлаждения ледяной водой с падающей пленкой равномерно распределяют воду по вертикальным пластинам из нержавеющей стали, в которых хладагент (обычно NH₃) испаряется при T₀ ≈ −2 °C ^[1][2]. 

Преимущества:

• Минимальный риск обледенения благодаря равномерному распределению
• Высокий коэффициент теплопередачи (до 2000 Вт/ м ) ^[2][10]
• Небольшой объем хладагента (часто ниже установленных законом пределов)
• Простота очистки и технического обслуживания
• Устойчивость к загрязнению

6.2 Резервуар для ледяной воды для управления пиковыми нагрузками

Резервуар для ледяной воды объемом 20 м³ позволяет:

• ночное производство ледяной воды с использованием дешевого электроэнергии по низкому тарифу
• покрытие пиковых нагрузок утром без необходимости использования компрессоров избыточной мощности
• cглаживание электрической нагрузки
• aварийное охлаждение при выходе компрессора из строя

Емкость резервуара при разнице температур 5 К (0,5 → 5,5 °C):

$Q_{\text{Память}}=V\cdot \rho \cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=20\cdot 1.000\cdot \mathrm{4,18}\cdot 5=418.000 \mathrm{ }\text{kJ}=116 \mathrm{ }\text{kWh}$

этого достаточно для покрытия примерно 3–4 часов пиковой нагрузки ^[2][17].

6.3 Интеграция с рекуперацией тепла

Отработанное тепло холодильной установки (тепло конденсации) может использоваться для нагрева воды (очистка CIP, 65–85 °C) или отопления ^[18]:

${\dot{Q}}_{\text{Конденсатор}}={\dot{Q}}_0+P_{\text{el}}=200+40=240 \mathrm{ }\text{kW}$

При 6 000 рабочих часов в год: 1 440 МВт·ч/год доступного тепла, эквивалент при 0,09 евро/кВт·ч ≈ 130 000 евро/год ^[18].

Ледяная вода с температурой 0,5 °C обладает тремя термодинамическими преимуществами:

• Более значительный перепад температур в теплообменнике (ΔT_log 12,8 K против 11,2 K) → на 14 % более высокая тепловая мощность ^[1][2]
• Более низкая конечная температура продукта (3 °C против 5,5 °C) за счет лучшего охлаждения ^[1][9]
• Более высокий коэффициент COP (5,0 против 3,8) за счет оптимизированной температуры испарения при использовании технологии падающей пленки ^[1][2][6]

7.2 Микробиологические и качественные преимущества технологии

Снижение температуры хранения с 5,5 °C до 3,0 °C:

• Увеличение времени генерации психотропных бактерий на 30–50 % ^[3][4]
• Снижение общего количества микроорганизмов через 48 ч на 20–30 % ^[4][5]
• Увеличение срока хранения по органолептическим показателям на 1–2 дня ^[4][15]
• Снижение ферментативного распада (липолиз, протеолиз) ^[4][15]

7.3 Экономические преимущества для средних и крупных предприятий

Экономическая эффективность использования ледяной воды возрастает при:

• Размером предприятия: от 20 000 л/сутки — значительные преимущества ^[2][6]
• требованиями к качеству: сегменты премиум-класса оправдывают инвестиции ^[4][15]
• Ценами на энергию: чем выше, тем быстрее окупаемость [6][16]
• Ассортимента продукции: свежее молоко, йогурт, сыр получают особую выгоду _[4][15]

Для небольших предприятий (<10 000 л/сутки), производящих простые продукты, может быть достаточно холодной воды температурой 2 °C ^[6].

7.4 Технологические тенденции

Современные разработки повышают привлекательность ледяной воды:

• Технология падающей пленки с небольшим объемом хладагента ^[1][2]
• Натуральные хладагенты (NH₃, CO₂) с высокой эффективностью _[1][2]
• Интеллектуальные системы управления нагрузкой для использования в часы низких тарифов ^[17]
• Интеграция с рекуперацией тепла и когенерацией ^[18]

Охлаждение ледяной водой с температурой 0,5 °C значительно превосходит охлаждение холодной водой с температурой 2 °C в молокоперерабатывающих предприятиях по скорости охлаждения (30 на 50 % быстрее), качеству продукции (20 на 30 % меньшее количество микроорганизмов, 1 на 2 дня более длительный срок хранения) и энергоэффективности (15 на 20 % более низкие удельные затраты на энергию, несмотря на более низкую конечную температуру) ^{[1][2][3][4][6]}. Современные системы с падающей пленкой ледяной воды достигают значений COP 4,5–5,5 при температурах испарения около −2 °C и обеспечивают конечные температуры молока 2 3 °C, чего не могут достичь традиционные системы с холодной водой с 2 °C (COP 3,5 4,2, конечная температура молока 5 6 °C) ^[1][2][9].

Несмотря на 35 на 40 % более высокие инвестиционные затраты, системы охлаждения воды до 0,5 °C окупаются на средних и крупных молокоперерабатывающих предприятиях (>20 000 л/сутки) за счет снижения затрат на электроэнергию (экономия 3 100 евро/год при объеме 50 000 л/сутки), снижение потерь продукции (90 000+ евро/год за счет лучшего качества) и более высокие показатели производительности окупаются в течение 4–6 лет ^[2][6]. На предприятиях с высокими требованиями к качеству, премиальными продуктами или дополнительной рекуперацией тепла срок окупаемости сокращается до 2–3 лет.

Для продуктов, требующих оперативной обработки и высоких стандартов качества (свежее молоко, ферментированные молочные продукты, органическое молоко), а также при достаточных объемах переработки охлаждение ледяной водой с температурой 0,5 °C представляет собой технологию, превосходящую другие с точки зрения термодинамики, микробиологии, качества и экономичности. Охлаждение холодной водой °C температурой 2 остается более экономичной альтернативой для небольших предприятий с невысокими требованиями к качеству и простыми продуктами.

^[1] HTT-AG. (2025). Охлаждение ледяной водой для молокозаводов | BUCO Efficiency.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairy-plants/

^[2] HTT-AG. (2023). BUCO Ice Water Cooling for Dairies.
https://www.htt-ag.com/solutions/dairy-cooling/

^[3] Институт сельского хозяйства. (2025). Важность и последствия охлаждения молока.
https://agriculture.institute/milk-processing-packaging/importance-effects-chilling-milk/

^[4] Блог по молочной технологии. (2014). Охлаждение молока.
http://dairy-technology.blogspot.com/2014/01/chilling-of-milk.html

^[5] Институт сырого молока. (2023). Быстрое охлаждение сырого молока снижает риск заражения патогенами и продлевает срок хранения.
https://www.rawmilkinstitute.org/updates/rapid-chilling-of-raw-milk-lowers-pathogen-risks-and-improves-shelf-life

^[6] HTT-AG. (2023). Охлаждение ледяной водой на молокозаводах.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairiy-plants/

^[7] Groupe ESA. (2017). Состав и микробиология молока.
https://www.groupe-esa.com/ladmec/bricks_modules/brick02/co/ZBO_Brick02_3.html

^[8] DairyNZ. (2018). Охлаждение молока.
https://www.dairynz.co.nz/milking/milking-plant-maintenance/milk-cooling/

^[9] GEA. (2024). Промышленное охлаждение и нагрев для молокоперерабатывающих процессов.
https://www.gea.com/en/heating-refrigeration/dairy/

^[10] TDM. (2024). Система охлаждения молока ледяной водой (IB & DIB).
https://www.tdm.it/en/project/ice-water-milk-cooling-system-ib-dib/

^[11] Википедия. (2005). Коэффициент теплопередачи.
https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient

^[12] HTT-AG. (2023). Охлаждение молока на фермах.
https://www.htt-ag.com/solutions/milk-cooling-on-farms/

^[13] Институт сельского хозяйства. (2025). Удельная теплоемкость молока и ее значение в переработке молочной продукции.
https://agriculture.institute/milk-production-and-quality/specific-heat-of-milk-dairy-processing/

^[14] PMC/NCBI. (2021). Влияние температуры охлаждения на ферме на микробиологическое качество молока.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8532842/

^[15] ScienceDirect. (2023). Влияние различных скоростей предварительного охлаждения и хранения в холодильнике на качество молока.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030218300171

^[16] Thermal Care. (без даты). Экономия затрат при использовании чиллеров с воздушным и водяным охлаждением.
https://www.thermalcare.com/air-cooled-vs-water-cooled/

^[17] HTT-AG. (без даты). Промышленное хранение льда в сочетании с чиллерами с прямым охлаждением ледяной водой.
https://www.htt-ag.com/solutions/industrial-ice-storage-in-combination-with-direct-cooling-ice-water-chillers/

^[18] Agroscope. (без даты). Рекуперация тепла из систем охлаждения молока позволяет экономить энергию.
https://www.agroscope.admin.ch/agroscope/de/home/aktuell/dossiers/n-p-kreislaeufe-optimieren/

^[19] Корнельский университет. (без даты). Экономическая целесообразность охлаждения молока с помощью абсорбционного чиллера на основе бромида лития.
https://ecommons.cornell.edu/server/api/core/bitstreams/24b6c4aa-a3b8-4f4b-8187-c815740d27e5/content