Пластинчастий охолодник молока

2.2 Пластинчастий охолодник молока

Загальна площа поверхні пластин охолодника, м²,

де Q_т.л — продуктивність технологічної лінії, кг/год; с = 3,86...3,96 — теплоємність молока, кДж/(кг^.К); k = 1745...2326 - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(кг^.К); t₁ = 32...35 — початкова температура молока, яке подається в охолодник, °С; t₂ = 8...15 — кінцева температура молока після охолодження, °С; Δt_ср — середня логарифмічна різниця температур, °С:

де Δt_max = t₁ - t_o.p — різниця температур між молоком і охолоджувальною рідиною на початку процесу, °С; Δt_min = t₂ -t_o.p — різниця температур між молоком і охолоджувальною рідиною в кінці процесу, °С; t_o.p — початкова температура охолоджувальної рідини, °С (для води t_o.p = 4...12).

Визначення параметрів охолодника. Кількість пластин охолодника, шт.,

де S — площа поверхні пластин охолодника, м²; b, h — відповідно ширина і висота пластини, м; f = 0,0043 — площа робочої поверхні пластини, м².

Зазор між пластинами, м,

де Re — число Рейнольдса (для води Re > 10 000); μ — динамічна в'язкість рідини, Па^.с; g — прискорення вільного падіння, м/с²; v — швидкість руху рідини, м/с (для води v = 0,3...1,5); р — густина рідини, кг/м³ (для води р = 998...1000). Витрати охолоджувальної рідини, кг/год,

де k_B — коефіцієнт кратності витрати рідини (для води k_B= 3...5).

Кількість холоду, потрібна для охолодження молока, Вт,

де с = 3,86...3,96 — питома теплоємність молока, кДж/(кг^.К); t₁, t₂ — відповідно початкова і кінцева температура молока, °С.

3. Обладнання для теплової обробки молока

Обладнання для теплової обробки молока і рідких молочних продуктів забезпечує процеси підігрівання, пастеризації, стерилізації тощо.

У більшості апаратів відбувається теплообмін між гарячими і холодними середовищами, розділеними перегородками.

Для економії тепла і холоду, а отже, і зниження собівартості продукту при пастеризації та охолодженні застосовують регенератори. Розрізняють регенератори прямо-потокові, проти-потокові та з проміжним агентом.

Найширше застосовують пластинчасті апарати з гофрованими поверхнями (пластинами), водяним обігріванням у секції пастеризації і повною автоматизацією процесу.

Комбіновані (універсальні) пластинчасті установки бувають чотири-, п'яти- і шестисекційними. Кожна секція складається з пакетів пластин. Молоко, надходячи в ту чи іншу секцію, послідовно проходить пакет за пакетом і по всіх пластинах. Комбіновані апарати мають витримувачі.

Під час виробництва деяких молочних продуктів (згущеного молока без цукру, стерилізованого незбираного молока і вершків) для повного знищення мікроорганізмів проводять стерилізацію. Найпростішими стерилізаторами є автоклави.

3.1 Пастеризатори

Пастеризатори поділяють: за способом теплової обробки — на термічні та холодні; за джерелом використання енергії — на парові, електричні з нагрівом, інфрачервоною радіацією, ультрафіолетовим опроміненням і високочастотні вібратори; за характером виконання процесу — безперервної та періодичної дії. За термічними режимами найпоширенішими є тривала, короткотривала та миттєва пастеризації молока.

Ефективність пастеризації залежить від температури нагрівання молока і тривалості витримування його за цієї температури. Досягають її тільки тоді, коли продукт перебуває за певної температури впродовж достатнього і необхідного часу:

де τ — час перебування продукту за певної температури пастеризації, необхідний для завершення пастеризації, с; t - задана температура молока,°С.

Пастеризацію вважають завершеною, якщо τ дорівнює дійсному часу τ_д перебування продукту за заданої температури. Для оцінювання завершеності процесу застосовують критерій Пастера:

Ефективність пастеризації залежить також від кількісного і якісного складу мікрофлори сирого молока.

При заданих режимах залежність ефективності пастеризації від кількості мікроорганізмів оцінюється коефіцієнтом швидкості їхньої загибелі:

де N₀ — початкова кількість бактерій у 1 мл молока; N_K — кінцева кількість бактерій у 1 мл молока.

У пастеризаторах із безпосереднім паровим обігрівом визначають витрату пари, кг/с,

де Q — продуктивність пастеризатора, м³/с; с_п — питома теплоємність продукту, Дж/(кг^.К); р_п — густина продукту, кг/м³; t_n — температура пастеризації продукту, °С; t_K — температура продукту після пастеризації, °С; і — питома ентальпія пари, Дж/кг; с_к — питома теплоємність конденсату, Дж/(кг^.К).

Коефіцієнт регенерації

де t_p — температура сирого молока після нагрівання його пастеризованим (температура регенерації), °С.

Кількість теплоти, що витрачається на пастеризацію молока, попередньо нагрітого в регенераторі, Дж,

де W₁ — кількість теплоти, яка потрібна для пастеризації продукту без використання регенераторів, Дж.

Кількість холоду, яка потрібна для охолодження пастеризованого молока після регенерації, Дж,

де W₁^` — кількість холоду, яка потрібна для охолодження пастеризованого, але не регенерованого молока, Дж; t_пр — температура пастеризованого молока після регенерації, °С; t₀ - температура охолодження пастеризованого молока, °С.

Економію тепла і холоду в процесі регенерації оцінюють за показниками економічності витрати теплоти Е_т і холоду Е_х, %:

При проведенні багатьох технологічних процесів пастеризацію, регенерацію та охолодження здійснюють послідовно на різних апаратах (як мінімум на трьох), а також на комбінованих (трубчастих і пластинчастих).

Вихідне молоко надходить у секцію регенерації, звідки воно спочатку спрямовується у молокоочисник, а потім у секцію пастеризації (за наявності двох секцій пастеризації молоко проходить їх послідовно). Після цього молоко надходить у витримувач, звідки через зворотний клапан направляється в секцію регенерації. Із секції регенерації молоко потрапляє в секцію охолодження водою і секцію охолодження розсолом або крижаною водою. Оскільки молоко послідовно проходить усі секції універсального апарата, продуктивність кожної з них має бути однаковою.

Пластинчастий пастеризатор. Продуктивність кожної секції пластинчастого пастеризатора визначають за формулою

де S — площа поверхні охолодження, м²; a = 2907...3372 — коефіцієнт тепловіддачі, кВт/(м^2.К); t₂, t₁ — відповідно вища та нижча температура молока, °С.

Тепловий баланс для кожної секції пластинчастого пастеризатора

де Q_Г — витрата нагрівальної чи охолоджувальної рідини, м³/с; с_г — питома теплоємність нагрівальної чи охолоджувальної рідини, Дж/(кг-К); р_г — густина нагрівальної чи охолоджувальної рідини, кг/м³; t_1г, t_2r — вища та нижча температура нагрівальної чи охолоджувальної рідини, °С.

Для універсальних апаратів, у яких продукт нагрівається в секції пастеризації паром, рівняння теплового балансу має вигляд

де W_П — витрата пари, кг/с; і_п — питома ентальпія пари, кДж/кг; с_к— питома теплоємність конденсату, Дж/(кг^.К); t_K — температура конденсату, °С.

Площа поверхні нагрівання кожної секції, м²,

де S_p — площа поверхні одного рифля з одного боку, м²; т — кількість пластин у секції; f — площа поверхні пластини з одного боку, м²; z_p — кількість рифлів на пластині, шт.; l_p — довжина одного рифля по вертикалі, м; b_р — ширина одного рифля по горизонталі, м.

Коефіцієнт теплопередачі в пластинчастих апаратах можна визначити за формулою

де a₁ — коефіцієнт тепловіддачі від гарячої рідини до стінки, Вт/(м^2.К); а₂ - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холоднішої рідини, Вт/(м²-К);  термічний опір стінки, м^2.К/Вт.

Якщо рідина рухається по обидва боки пластини, то природа а₁ та а₂ є цілком однаковою, критерій Нуссельта дорівнює

де А — експериментальний коефіцієнт; Re — критерій Рейнольдса; Рr — критерій Прандтля для середньої температури рідини; Рr_г.ш — критерій Прандтля для температури граничного шару; п, т, р — показники степеня.

Коефіцієнт А та показники степеня п, т, р для кожного типу пластин визначають експериментально. У більшості випадків для сучасних типів комбінованих пластинчастих апаратів відношення Рr/Рr_гш = 1. Тому в технічних розрахунках ним можна знехтувати. Критерій Нуссельта

де а — коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м^2.К); d_EKB — еквівалентний діаметр, м:

h — відстань між пластинами, м; λ — коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м^.К).

Критерій Прандтля

де с — питома теплоємність продукту, Дж/(кг^.К); μ — кінематична в'язкість, м²/с; р — густина продукту, кг/м³.

Швидкість руху рідини в зазорі між пластинами, м/с,

де z — кількість зазорів між пластинами, в яких рухається рідина; ; т — кількість пластин; z_n — кількість пакетів у секції.

Важливим показником роботи пластинчастого пастеризатора є тривалість перебування молока в кожній секції, с,

де L — довжина шляху руху молока в секції, м.

При послідовному переході молока з одного пакета пластин в інший L є добутком довжини шляху руху по одній пластині на кількість пакетів:

Тривалість перебування продукту в секції витримування, с,

де L_B — довжина витримувача, м; d_B — діаметр витримувача (якщо витримувач круглотрубчастий), м; v_в — швидкість руху продукту у витримувачі, м/с.

Ефект пастеризації можна гарантувати за умови

Потрібно також, щоб критерій Ра становив не менше ніж одиниця.

Щоб установити бактерицидну ефективність пластинчастого пастеризатора, треба визначити загальний критерій Пастера Ра_заг, тобто для секцій регенерації, пастеризації і витримування,

де Ра_р1, Ра_р2 — відповідно критерії Пастера в секції пастеризації на лінії холодного молока і на лінії пастеризованого молока; Ра_п, Ра_в — критерій Пастера відповідно в секції пастеризації й у витримувачі.

У загальному вигляді для секцій регенерації та пастеризації:

Для секцій регенерації і пастеризації критерій Ра визначити дуже важко, тому на практиці обмежуються розрахунком Ра_в.

Сумарні, або загальні, гідравлічні опори руху продукту в універсальному апараті, м,

де Н_р, Н_р1 — гідравлічний опір на лінії холодного і гарячого продукту в секції регенерації, м; Н_п - гідравлічні опори в секції пастеризації, м; Н_ов, Н_ор - гідравлічні опори в секціях охолодження відповідно водою і розсолом, м;Н_в - гідравлічні опори у витримувачі, м; Н_т - гідравлічні опори в трубопроводах установки, м.

Гідравлічні опори в кожній секції Н_с можна визначити за формулою

У суму коефіцієнтів місцевих опорів входять усі коефіцієнти, зумовлені поворотами рідини в зазорі між двома пластинами і між пакетами однієї секції. Коефіцієнт опору ξ_оп у рифлених пластинах, незважаючи на невелике значення критерію Re, визначають, як для турбулентного режиму. Це пояснюється тим, що за рахунок рифлів, які є штучними турбулізаторами, критичне число Re_Kp у зазорах між пластинами становить не більше ніж 150...300.

Пастеризатор молока миттєвої дії. Площа нагрівання пастеризатора, м³,

де Q — продуктивність пастеризатора, кг/год; с = 3,86...3,96 — теплоємність молока, кДж/(кг^.К); a = 2,90...3,37 — коефіцієнт тепловіддачі, кВт/(м^2.К); t_к= 85 — кінцева температура молока, °С;

t_п — початкова температура молока, °С (з ємкості — t_п = 5, після доїння — t_п = 37); Δе_ср — середня логарифмічна різниця температур, °С:

Визначення діаметра і висоти пастеризатора. Діаметр пастеризатора визначають із залежності D/h_n = 0,9...1,2, звідки

Годинну витрату пари на роботу пастеризатора обчислюють з виразу балансу теплообміну:

де W_п — витрата пари, кг/год:

і_п = 2679 — питома ентальпія пари, кДж/кг; і_к= 376 — питома ентальпія конденсату, кДж/кг; η_м- 0,85...0,90 — тепловий ККД пастеризатора.

Теплова продуктивність пастеризатора, Вт/год,

Частота обертання витіснювального барабана, хв^-1,

де Н— висота підйому молока витіснювальним барабаном, мм; r_л —радіус лопатей барабана, мм: r_д =D/2 + (50...60).