Теоретическое обоснование процесса термизации молока

ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

УДК 637.1.023

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЗАЦИИ МОЛОКА

О.А. Герасимова, С.В. Соловьев, Е.А. Соловьева, А.С. Чесноков O.A. Gerasimova, S.V. Solovyev, Ye.A. Solovyeva, A.S. Chesnokov

THEORETICAL SUBSTANTIATION OF MILK THERMIZATION PROCESS

Ключевые слова: животное, молоко, пастбищный комплекс, технология, первичная обработка, качество, термизация.

Одним из наиболее важных и перспективных направлений сельскохозяйственного производства является молочное животноводство, так как только оно сможет в сложившихся экономически сложных условиях импортозамещения обеспечить потребности населения в незаменимом продукте питания отечественного производства. При этом самым перспективным направлением, на наш взгляд, является использование пастбищного содержания коров в летний период для условий северо-запада Российской Федерации. Однако при использовании технологии стойлово-пастбищного содержания коров в данных экологических условиях особо важным нерешенным вопросом остается получение высококачественного молока, отвечающего современным требованиям к показателям качества продукта. В связи с ухудшением экологической обстановки в целом молоко, получаемое от животных, зачастую является уже бактериально обсемененным. И основная задача при его получении будет заключаться в снижении воздействия вредных микроорганизмов именно в парном молоке. Из известных способов снижения бактериальной обсемененности наиболее эффективным при сохранении свойств сырого молока является нагревание молока до 63...65°С с выдержкой до 30 с и последующим охлаждением до температуры хранения 4°С. Применение такой термизации, как операции в составе технологического процесса первичной обработки, позволяет сельхозпроизводителям решить проблему качества молока-сырья, связанную с высокой бактериальной загрязнённостью, и повысить сортность молока-сырья. На основании последнего заключения нами была разработана технологическая схема первичной обработки молока, включающая термизацию молока с последующим охлаждени-

ем. В качестве установки для термизации использован термизатор с рекуператором. В целях дальнейшего проектирования установки был произведен расчет змеевикового теплообменника с рекуператором.

Keywords: animal, milk, pasture complex, technology, primary treatment, quality, thermiza-tion.

Dairy cattle breeding is an important and promising farming branch as it may provide the country's population with adequate amounts of indispensable domestic food stuffs under the current difficult economic conditions of import substitution. We believe camp-grazing system in summer is the most promising trend in dairy cattle farming under the conditions of the North-Western Region of the Russian Federation. However, the camp-grazing system under the environmental conditions of the region poses a problem of milk quality. Due to general environmental deterioration, the obtained milk is very often contaminated with bacteria. Thus, the main task in milk production is to decrease the influence of harmful microorganisms at the stage of the milk fresh from the cow. The most effective method to decrease the level of bacterial insemination in fresh milk is to heat milk up to 63...65°C with holding up to 30 s, and cooling it to the storage temperature of 4°C. Ther-mization as a technological stage of primary treatment makes it possible to solve fresh milk quality problem caused by high bacterial insemination, and increase fresh milk quality rating. In this regard, we have developed a technological flow chart of fresh milk treatment that consists of milk thermization and its further cooling. Thermizer equipped with a wasteheat exchanger is suggested to be used to decrease the level of harmful microorganisms. Design calculation of a coiled heat exchanger equipped with recuperator has been performed.

Герасимова Ольга Александровна, к.т.н., преп., каф. «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве», Великолукская государственная сельскохозяйственная академия. E-mail: olga-gerasimova@ rambler.ru.

Соловьев Сергей Викторович, к.т.н., преп., каф. «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве», Великолукская государственная сельскохозяйственная академия. E-mail: mavrsol@yandex.ru. Соловьева Елена Александровна, к.с.-х.н., преп., филиал Псковского государственного университета г. Великие Луки. E-mail: mavrsol@yandex.ru. Чесноков Антон Сергеевич, аспирант, Великолукская государственная сельскохозяйственная академия. E-mail: olga-gerasimova@rambler.ru.

Gerasimova Olga Aleksandrovna, Cand. Tech. Sci., Asst. Prof., Chair of Farming Mechanization and Electrical Power Use in Farming, Velikiye Luki State Agricultural Academy. E-mail: olga-gerasimova@ rambler.ru.

Solovyev Sergey Viktorovich, Cand. Tech. Sci., Asst. Prof., Chair of Farming Mechanization and Electrical Power Use in Farming, Velikiye Luki State Agricultural Academy. E-mail: mavrsol@yandex.ru. Solovyeva Yelena Aleksandrovna, Cand. Agr. Sci., Asst. Prof., Branch of Pskov State University in Velikiye Luki. E-mail: mavrsol@yandex.ru. Chesnokov Anton Sergeyevich, post-graduate student, Velikiye Luki State Agricultural Academy. E-mail: olga-gerasimova@rambler.ru.

Введение

Трубчатые аппараты изготовляют на основе унифицированных теплообменных цилиндров. Основной частью в этих цилиндрах являются трубки, ввальцованные или вваренные в трубные решетки, которые вставлены в теплоизолированный цилиндр, закрытый кожухом. Тепло- или хладоноситель подают в межтрубное пространство, а продукт — в трубки.

Трубчатые аппараты имеют ряд преимуществ: небольшое число уплотнитель-ных резиновых уплотнений и, как следствие, их высокую надежность; возможность нагрева продукта в потоке. Недостатком теплообменников трубчатого типа является их относительно высокие габаритные размеры.

Проточные установки выгодно отличаются. Они обеспечивают высокую скорость теплообмена, исключают перенагрев и переохлаждение молока.

Для условий пастбищного доения целесообразно подбирать оборудование для первичной обработки молока таким образом, чтобы иметь гарантии качественного выполнения данного процесса, т.е. простота конструкции и доступность в управлении процессом для обслуживающего персонала.

Цель исследования — повышение качества молока-сырья, производимого на пастбищных комплексах, за счёт снижения бактериальной загрязнённости путём совершенствования средств механизации линии доения и первичной обработки молока, а также оптимизации ее параметров и ре-

жимов работы для достижения высших мировых стандартов по качеству продукции.

Задача исследования — рассчитать рациональные конструктивно-технологические параметры и режимы работы термизатора молока с рекуператором, входящим в состав линии первичной обработки молока на пастбищных доильных площадках.

Объекты и методы

Объектами исследования являются технология пастбищного содержания коров и рабочий процесс технических средств для повышения качества молока-сырья [5].

Теоретические исследования проводились на основе математического анализа и рабочих процессов машин с использованием методов теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления, и численных методов.

Результаты и их обсуждение

На основе экспериментальных данных [7] молоко после термизации с температурой 63...65°С в тепловом аппарате должно быть охлаждено до конечной температуры 38...40°С (1кон_ терм = 38 °С) в пластинчатом

теплообменнике-охладителе. Охладитель состоит из двух секций: к — секция рекуперации, где термизированное молоко подогревает идущее на термизацию после дойки и очистки молоко с начальной температурой около 36°С (гмларН = 36 °С).

Отдавшее свое тепло в к термизирован-ное молоко поступает во II секцию, где охлаждается в противотоке до конечной

температуры г//скон = 38...40°С. Принимаем

подачу молока 0,5 м3/ч.

По I секции требуется установить:

1) конечную температуру горячего потока термизированного молока перед рекуперацией г™ = 63...65°С;

2) конечную температуру холодного по-

жон ГЭО/"4

тока молока гмтп = 53°С после рекуперации;

3) установить необходимое количество пакетов в секции, пластин. Составить схему комплектования потоков горячего и холодного молока;

4) определить гидравлическое сопротивление в I с.

По II секции требуется определить:

1) технологические параметры по горячему молоку при начальной его температуре гнОрм = 53 °С (объем, подача и т.д.),

принимаем гКО^м = 38...40 °С, после охлаждения противотоком.

2) количество пластин, пакетов, комплектование пакетов;

3) гидравлическое сопротивление. Определяем разность температур в

начале и конце секции рекуперации при установившемся процессе.

Принимаем систему противотока. Для противоточных аппаратов между £ (ко-

I | \ _,нач 1_нач

эффициент р^у^р^ии^ 1терМ, г^м И

средним температурным напором ществует зависимость

0

сУ-

0 = (1 -e)(f,

и.нач терм

¿пан \ _

хол.м /

= (1 - 0,8)(65 - 38) = 5,8

ЭС

Нагреваемая и охлаждаемые среды — молоко, его удельная теплоемкость зависят от температуры, поэтому линии холодной и горячей сред будут параллельными прямыми (рис. 1), следовательно,

кшю = нач +0 = з6 + 5,8 = 41,8 °с;

нагр м.хол ' ' С;

начь = нач _0 = 53_5,8 = 47,2°С.

терм терм ' '

Средние температуры холодной и горячей сред:

гММхол = 0,5(36 + 47,2) = 41,6 °С; (1Рм = 0,5(65 + 41,8) = 53,4 °С.

Из литературных источников [4] находим значения теплофизических констант для

указанных температур и заносим в таблицу.

Рис. 1. Температурный график первой секции

Таблица

Теплофизические константы для молока [4]

Показатели Теплоемкость, ср ' кДж/(кгК) Динамическая вязкость, Ц ,Па с Плотность Р м , кг/м1 Теплопроводность, А,, Вт/(мК) Темпера- туро-провод-ность а , м2/с Кинематическая вязкость, V , м2/с

Поток холодного молока 3,65 13,1 -10-4 1035 0,51 0,13 -10-6 1,25

Поток горячего молока 3,67 8,0 -10-4 1029 0,67 0,166-10-6 0,81

Определяем числа подобия, характеризующие процесс теплообмена холодной и горячей сред.

Рекомендуемая скорость течения сред жидкостей с вязкостью, близкой к воде и для каналов, образованных пластинами сет-чато-поточного типа и = 0,25-0,8 м/с [1].

Принимаем пластину ПР-0,3 (пластина рифленая 0,3 м2), материал — сталь

1Х18Н9Т [ Лс = 16,3Вт/(мК) ]; поверхность

теплообмена Гпл = 0,3м ; эквивалентный

диаметр ёэкв = 0,008 м

4/ 4 ёк

(а =-=-= 2к); площадь попереч-

П 2Ь

ного сечения канала / = 0,0011 м2; приведенная длина одного канала I = 1,12 м;

толщина стенки (пластины) Ъсп = 0,001 м.

При числе параллельных каналов в одном ходе (пакете), равном 3, принимаем среднюю скорость движения подогреваемого молока им м , м/с, в рекуператоре будет

М 0,0003

и.

= 0,084,

мтерм 3 / 3 • 0,0011 где М — производительность рекуператора, М = 0,0003 м3/с.

Число Рейнольдса с учетом этой скорости

Яе =

Р и а 1035 • 0 84 • 0 008

~ хол м. терм экв А \s\s\j

V х

13,110"

= 551,4;

„ Ртермим. термёэкв 1029 • 0,84 • 0,008

Яетерм =--- =-^77^4- = 902, 9 1

Цтерм 8 '10

Число Прандтля

РГ = ихол _

хол т

хол

и

Рг =

терм ^

терм

1,25 -106 0,125 -10"

0,81 • 10"

= 10,0;

= 4,88.

0,166-10"

терм

Переход от ламинарного к турбулентному режиму для каналов пластин марки

ПР-0,3 соответствует = 200. Расчет

критериев Яе

хол и Яегор

показывает, что

режим течения холодного и горячего потоков турбулентный.

Рассчитываем число Нуссельта, используя уравнение подобия в пластинчатом аппарате

Ми = 0,135Яе0'73 Рг0'43 (Рг /Рг )0 5.

ж 5 ж ж \ ж / ст /

Влияние направления теплового потока учитываем в первом приближении

) = 0,5(52,2 + 64,8) = 58,5 °С.

г,

сп ст

г" = 0,5(г + г

ст 5 V м.хол терм

При этой температуре находим свойства и вычисляем

__9,8-11,2-10"4

ра

РГ =^ = ^ = -

ст а ра 1070 • 0,154-10"

= 6,68.

/г,- Л°,25 Гти. Л°,25

Рг

терм

Рг

\ ст у

= 0,95 ;

Рг

РГ

V ст у

= 1,05 .

Критерий Нуссельта

Михол = 0,135 • 551,40,73 • 100,431,05 = 33,28;

Митерм = 0,135 • 902,20,73 • 4,880,430,95 = 31,7 . Коэффициент теплообмена (теплообме-

на)

а = Ыы ^^ =

хол хол 7

экв

= 33,28-051 = 2121,6 0,008

Вт/(м2-К);

6

6

а = Ыы

терм терм ^

терм

/-Г-1

= 31,7-°-= 2654,8

0,008

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м2-К).

К =

1

а..

а

ст гор

Вт/(м2-К).

1

1

0,001

1

= 1111,1

2121,6 16,3 2654,8

Тепловой поток из уравнения теплового баланса

П — Мп г /+нач _. кон I _

О = м ' ртермсртерм( 1терм 1терм/ =

= 0,0003 -1035 • 3,65^ 66 _ 42) = = 27,2 кВт = 27200 Вт.

Общая теплопередающая поверхность аппарата

О 27000 „ 2 К = =-= 4,08 м2.

рек к-е 1111,1-6

Компоновка I секции. Принимаем в одном ходе (пакете) 3 параллельных канала, каждый из которых ограничен двумя пластинами 0,3 м2 каждая.

Тогда поверхность одного хода составит К = 3 • 2 • 0,3 = 1,8 м2;

число ходов в секции

К

4,08

= 2,26 .

х К 1,8

Округляем в большую сторону, тогда

п„ = 3 .

Составляем схему компоновки ск

К 3 + 3 + 3 поток теплоотдающего молока к 3 + 3 + 3 поток нагреваемого молока

Итого 19 пластин в I секции в виде трех пакетов, их них 2 пластины поворотные (рис. 2).

Гидравлическое сопротивление одного хода аппарата определяем по уравнению подобия [6]

Еи = 1350 Re_0,25; Еитл = 1350 • 551,4_0,25 = 278,58 ; Еи = 1350 • 902,9_0,25 = 246,35.

терм ? ?

Потери давления в одном ходе на стороне холодного и горячего потока составят

Ар' = Еи р и2 = 278,58 -1035 • 0,0942 =

ЛТ хо л хол~ хол 5 5

и2 =

= 2113 Па = 2,113 кПа; Ар" = Еи р

± терм термг терм

= 246,35-1029 • 0,0842 = = 1858 Па = 1,858 кПа.

Г

г л№

Рис. 2. Схема движения горячего и холодного потоков молока в противотоке в I секции рекуперации

Потери давления в аппарате на стороне холодного и горячего потоков (полная потеря давления при трех пакетах):

Лрхол =Ьрхол • 3 = 2,113• 3 = 6,34 кПа;

^ртерм = ^терм •3 = 1858 •3 = 5,57 кПа (сравнить давлением (напором) на выходе из термизатора).

Общая схема аппарата приведена на рисунке 3. II секция.

Исходные данные — охлаждение во второй секции охлаждения.

Молоко поступает из I секции на дальнейшее охлаждение гмн = 420 С , конечная температура после охлаждения

гмк ~ 400 С, начальная температура холод-

ного молока г = 360 С. Принимаем конечную температуру = 400 С .

Рис. 3. Температурный график общей схемы аппарата

Теплоотдающая среда — молоко и теп-лопринимающая среда — молоко холодное отличаются по своим свойствам, поэтому принимаем подчинение их графиков зависимостей логарифмическому закону. Принимаем также противоток.

0 =

\ мн мк / \ мк р-н }

2,3!в

н )

('

н )

2,3!в

= 2,850С

( 40 " 36 ) Тепловая нагрузка II секции

0 = ММСМ ( "к

где М'м — скорость потока молока (производительность пластинчатого охладителя) принимаем из расчета I секции

Мм = 1 м3/ч = 0,28 кг/с.

О = 0,28 • 3,94(42 " 40) = 2,2 кВт. Количество рассола

О

с

р \ рк р-н У 2,2

0,13 кг/с.

4,18

Среднюю температуру молока и холодного молока во II секции при совпадении объемов (подаче) определим как среднее арифметическое

гр = 0,5(г^ + грк) = 0,5(36  30) = 33 °с; гм = 0,5(гмн + гмк) = 0,5(42 " 40) = 41 °С.

Средняя скорость рассола во II секции при числе параллельных ходов, равном (п = 4),

/п

и =-р-

р /

J п

площадь поперечного сечения кана-

ла, / = 0,0011 м2.

0,28

0,28

и р =

/ 1100 • 4 • 0,0011

= 0,058 м/с.

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны холодного молока при

г^тах = 40°С, физическая характеристика холодного молока будет V р = 1,95'10-6 м2/с;

-р = 0,554 Вт/(мК); Рг = 0,13.

Критерий Рейнольдса по холодному молоку

0,058 • 0,008

и _ Яе =_Р_Эв

1,95 40"

= 238,

где

эквивалентный диаметр проход-

ного сечения, _экв = 0,008 м.

Переход от ламинарного к турбулентному режиму для каналов пластин сетчато-пластинчатого типа марки ПР-0,3 соответствует Ие = 200 . Таким образом, имеем

турбулентный режим. При этом уравнение подобия

МиР = ^Ке^РгГ (Ргр/Ргст)0 25 ,

Рг - число Прандтля для стенки.

Пока температуру стенки можно считать неизвестной. В первом приближении ее можно определить как среднюю арифметическую из средней температуры молока и холодного молока, направленного теплового потока

гст = 0,5(гр + гм ) = 0,5(33 + 41) = 37 °С.

9,8 11,2 40"

4

РГ ^ = «Е =

ст а ра 1070 • 0,154 40

= 6,68.

ра

\ 1

РГр^ Рг

V ст у

0,25

13 6,68

= 1,18.

Тогда Ыир = 0,021 • 2380,8 •130,431,18 = 5,9 .

Коэффициент теплоотдачи со стороны холодного молока

а , = Мы Р(Л

- 0 554

= 5,9054 = 410 Вт/(м2К).

0,008

Скорость молока во II секции с 4 потоками исходя из первоначально установленной производительности 1 м3/ч: М 1

_м

/п

0,0011 • 4 • 3600

= 0,063 м/с.

(

6

Коэффициент теплоотдачи со стороны молока при г^тах=39,6°С имеем

Vм =1,26-10-6 м2/с; Хм = 0,47 Вт/(мК).

0,063 - 0,008

Яе = —-= 2280

м 0,221-10_6

турбулентное движение).

(развитое

Расчет критериев Яехол и Яегор показы-

вает, что режим течения холодного и горячего потоков турбулентный:

Рг =_м = _

м а 0,125 -10_6

Арг Л

м 0,25

Рг

V ст У

10 V6,68,

= 10,0;

= 1,1.

Ыим =0,021Кем8РгЖ0;43 (Рг^ Рг„„ )0 25 = = 0,021- 22800'8 -10043 (1^6,68)0,25 = 30,1 '

а = Ыи = 30Д-047 = 1771 Вт/

Коэффициент теплопередачи

К =-

1

1

0,001

1

= 327,8 Вт/(м2-К).

1771 16,3 410 Общая теплопередающая поверхность аппарата

К = -О- = 37876 = 13,75 м2. рек К-е 327,9 - 8,4

Компоновка II секции. Тогда поверхность одного хода составит

К = 4 - 2 - 0,3 = 2,4 м2.

Число ходов в секции

К 13,75 ^ „„ = 5,73 .

х К 2,4 Округляем в большую сторону, тогда

Пх = 6.

Составляем схему компоновки сК

4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4

с'К =

(48 пластин, в

4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 том числе 5 поворотных).

С учетом I секции имеем общее количество пластин: Побщ = п1с + п11с = I9 + 48 = 67.

Гидравлическое сопротивление рассчитывается по аналогии с предыдущим расчетом (I секции).

Конечная тепловая схема, характеризующая взаимодействие элементов, участвующих в термизации и последующем охлаждении молока в условиях пастбищного животноводства, представлена на рисунке 5. В рекуператоре и термизаторе указаны температурные этапы нагрева и охлаждения. В термизаторе продолжительность этапа нагрева до 50.55, 55.63, 63...65°С - 5 с.

6

0,25

Рис. 5. Тепловая схема взаимодействия элементов систем термизации и охлаждения молока

Выводы

Произведенный нами расчет позволяет определить энергетическую эффективность тепловой схемы взаимодействия элементов систем термизации и охлаждения молока для последующего создания экспериментальной установки. С целью определения оптимальных показателей предложенного технологического и конструктивного решения, обеспечивающего получение высококачественного молока на пастбищных комплексах.

Библиографический список

1. Кук Г.А. Процессы и аппараты молочной промышленности. — М.: Пищепро-миздат, 1955. - 472 с.

2. Резервуар для термизации молока в условиях пастбищ: пат. на изобретение № 2536968 Рос. Федерация: А23С3/02 / Шилин В.А., Герасимова О.А.; заявитель и патентообладатель Великолукская гос. с.-х. академия. - № 2012119777/10; заявл. 14.05.2012; опубл. 27.12.2014.

3. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2015139163 Резервуар для термизации молока Рос. Федерация: А23С3/02 / Шилин В.А., Герасимова О.А., Чесноков А.С.; заявитель и патентообладатель Великолукская гос. с. -х. академия. - № 2015139163; заявл. 14.09.2015; опубл. 10.10.2016.

4. Тепел А. Химия и физика молока / пер. с немец. языка С.А. Фильчакова. — СПб.: Профессия, 2012. - 832 с.

5. Тихомиров И.А., Тихомирова Г.С. Рекомендации по повышению качества молока. - Орел: Изд-во ОГАУ, 2009. - 15 с.

6. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 с.

7. Герасимова О.А. Первичная обработка молока на пастбищных комплексах // Вестник Бурятской ГСХА. - 2015. - № 3.

References

1. Kuk G.A. Protsessy i apparaty mo-lochnoy promyshlennosti. — M.: Pishchepromizdat, 1955. — 472 s.

2. Rezervuar dlya termizatsii moloka v usloviyakh pastbishch: patent na izobretenie № 2536968 Ros. Federatsiya: A23S3/02 / V.A. Shilin, O.A. Gerasimova; zayavitel' i pa-tentoobladatel' Velikolukskaya gos. s.-kh. akademiya. — № 2012119777/10; zayavl. 14.05.2012; opubl. 27.12.2014.

3. Reshenie o vydache patenta na poleznuyu model' po zayavke № 2015139163 Rezervuar dlya termizatsii moloka Ros. Federatsiya: A23S3/02 / Shilin V.A., Gerasimova O.A., Chesnokov A.S.; zayavitel' i paten-toobladatel' Velikolukskaya gos. s.-kh. akademiya. — № 2015139163; zayavl. 14.09.2015; opubl. 10.10.2016.

4. Tepel A. Khimiya i fizika moloka / perevod s nemetskogo yazyka. S.A. Fil'cha-kova. — SPb.: Professiya, 2012. — 832 s.

5. Tikhomirov I.A., Tikhomirova G.S. Rek-omendatsii po povysheniyu kachestva moloka. — Orel: Izdatel'stvo OGAU, 2009. — 15 s.

6. Kutateladze S.S. Teploperedacha i gidrodinamicheskoe soprotivlenie. — M.: En-ergoatomizdat, 1990. — 367 s.

7. Gerasimova O.A. Pervichnaya obrabot-ka moloka na pastbishchnykh kompleksakh // Vestnik Buryatskoy GSKhA. — 2015. — № 3.

+ + +