Назначение, устройство и принцип действия пастеризатора молока типа «труба в трубе»

1. Назначение, устройство и принцип действия пастеризатора молока типа «труба в трубе»

1.1 Основные требования к молоку и назначение пастеризатора

Основная цель пастеризации – уничтожение вегетативных форм микроорганизмов, находящихся в молоке (возбудителей кишечных заболеваний, бруцеллеза, туберкулеза, ящура и др.), сохраняя при этом его биологическую, питательную ценность и качество.

Эффективность действия пастеризации зависит от двух основных параметров: температуры, до которой нагревают молоко, и выдержки его при данной температуре. В зависимости от этого различают пастеризацию молока с выдержкой и без выдержки.

Техническая реализация процесса выдержки осуществляется в специальных устройствах (выдерживателях) в пастеризационно-охладительных установках. По конструкции выдерживатель представляет собой камеру, через которую непрерывным потоком проходит молоко в практически изотермических условиях. Камера выдерживателя может быть выполнена в виде трубы большого диаметра определенной длины, цилиндрической емкости с рубашкой, трубчатого змеевика и др. Кроме температуры и продолжительности выдержки на эффективность пастеризации существенно влияют степень очистки, кислотность, общая обсемененность микроорганизмами, вспениваемость молока и другие факторы.

Пастеризуемое молоко должно быть предварительно очищено на фильтрах или сепараторах-молокоочистителях. При пастеризации неочищенного молока загрязняется теплопередающая поверхность аппаратов (особенно пластинчатых) и снижается эффективность действия температуры.

Для пастеризации можно использовать молоко кислотностью не более 22°Т, так как при большей кислотности белки молока при нагревании свертываются и их часть осаждается на теплопередающей поверхности аппаратов, образуя слой пригара. Молоко кислотностью более 27°Т не подлежит пастеризации, поскольку оно полностью свертывается под действием высокой температуры. В молоке с высокой начальной бактериальной обсемененностью и после пастеризации остается большое количество микроорганизмов. Обсемененность молока перед пастеризацией должна быть 10⁶ клеток в 1 см³.

Наличие пены в молоке также отрицательно влияет на эффективность пастеризации. Это связано с тем, что теплопроводность пены значительно ниже теплопроводности молока. Поэтому при организации подачи молока на пастеризацию необходимо исключить возможность вспенивания.

В зависимости от схемы организации процесса пастеризации, особенностей технологии молочных продуктов и аппаратурного оформления в молочной отрасли применяют следующие виды пастеризации: длительную пастеризацию при температуре 74-78°С с выдержкой 30 мин, при температуре 90–99°С с выдержкой от 2–15 мин до 5 ч; кратковременную пастеризацию при температуре 80, 85–87 или 90–95°С без выдержки; высокотемпературную пастеризацию при температуре 105–107°С без выдержки. В зависимости от принятых в технологической инструкции режимных параметров процесса пастеризации молока и молочных продуктов применяют соответствующее оборудование. Для длительной пастеризации используют емкости периодического действия, а для кратковременной и моментальной пастеризации – пластинчатые, трубчатые и другие пастеризационные аппараты.

1.2 Устройство пастеризатора молока типа «Трубе в трубе»

В состав установки входят центробежный насос для молока 1, центробежный насос для воды (не показан), молокопроводы 2 и 3, водопроводы 6 и 7, патрубки для отвода воды 5 и пастеризованного молока 4, трубчатая рама 8 (лист ТОЖПП 65.ХХ.02.001 ВО).

Трубчатый теплообменный аппарат представляет собой 20 рабочих цилиндров, смонтированных на раме. Рабочие цилиндры смонтированы в два ряда, по десять цилиндров в каждом ряду. Внутри рабочего цилиндра находится трубка внутренним диаметром 13 мм. Внутренний диаметр рабочих цилиндров равен 28 мм.

Поверх цилиндров можно предусмотреть термоизоляцию.

Соединение труб и патрубков осуществляется с помощью накидных гаек.

1.3 Принцип работы пастеризатора

Молоко температурой 50°С центробежным насосом 1 по молокопроводу 2 подается в трубку первого нижнего рабочего цилиндра. Пройдя по этой трубке, молоко попадает в следующую трубку. Пройдя по всем трубкам рабочих цилиндров, выводятся по выходной трубке 4.

Вода по водопроводам 6 и 7 подается в межтрубное пространство рабочих цилиндров.

Молоко во время пастеризации проходит последовательно по 20 трубкам рабочих цилиндров и нагреваются водой, которая поступает в межтрубное пространство цилиндров, до температуры пастеризации, т.е. до 75°С.

Вода из межтрубного пространства цилиндров автоматически удаляется по патрубку для отвода воды 5.

На выходе молока из пастеризатора установлен возвратный клапан (не показан), с помощью которого в случае недогрева молока до требуемой температуры, направляются на повторную пастеризацию.

2. Механизм действия процесса пастеризации

Процесс пастеризации молока заключается в нагреве молока в теплообменнике типа «труба в трубе», в котором теплопередача тепла осуществляется от нагретой воды при температуре 75°С к нагреваемому молоку через разделяющую стенку. Молоко движется по трубному пространству, а нагретая вода подается в межтрубное пространство.

Тепловой поток прямо пропорционален площади теплопередачи f, коэффициенту теплопередачи к и средней движущей силе процесса теплопередачи, которой является средний температурный напор ∆t_cp,

Q=k*f*∆t_cp. (2.1)

Рисунок 1. Схема изменения температур теплоносителей при противотоке

На рисунке 1 представлена схема изменения температур теплоносителей при противотоке. Средний температурный напор определяется по формуле

∆t_cp =(∆t_max-∆t_min)/ln(∆t_max/∆t_min), (2.2)

где ∆t_max – разность конечной температуры воды и начальной температуры молока, °С;

∆t_min– разность начальной температуры воды и конечной температуры молока, °С.

∆t_max=t_в.к.-t_м.н.; (2.3)

∆t_min=t_в.н.-t_м.к., (2.4)

где t_в.н. – начальная температура воды, °С;

t_в.к. – конечная температура воды, °С;

t_м.н. – начальная температура молока, °С;

t_м.к. – конечная температура молока, °С.

Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплоотдачи от молока к стенке трубки б_м, коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки б_в, термического сопротивления трубки и термического сопротивления накипи в межтрубном пространстве и определяется по формуле

k=1/((1/б_м)+(1/б_в)+(д_тр /л_ст)+(д_н /л_н)), (2.5)

где д_тр – толщина стенки трубки, м;

л_ст – теплопроводность стенки, Вт/(м*°С);

д_н – толщина накипи в межтрубном пространстве, м;

л_н – теплопроводность накипи, Вт/(м*°С).

Коэффициент теплоотдачи от молока к стенке трубки равен

б_м=Nu_м*л_м/l₁, (2.6)

где Nu_м – критерий Нуссельта для молока;

л_м – коэффициент теплопроводности молока, Вт/(м*°С);

l₁ – характерный линейный размер, равный для круглых трубок d_вн;

d_вн – внутренний диаметр трубки, м.

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубки равен

б_в=Nu_в*л_в/l₂, (2.7)

где Nu_в – критерий Нуссельта для воды;

л_в – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м*°С);

l₂ – характерный линейный размер, равный для кольцевого сечения межтрубного пространства

l₂=4*F_сеч/П_сеч, (2.8)

где F_сеч – площадь сечения межтрубного пространства, м²;

П_сеч – смоченный периметр, м

П_сеч=*(D_вн+d_н), (2.9)

где D_вн – внутренний диаметр рабочего цилиндра, м;

d_н – наружный диаметр трубки, м.