Научное обоснование, разработка и совершенствование емкостного оборудования для вязких пищевых продуктов

УДК 653.093

Раздел 2. ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Научное обоснование, разработка и совершенствование емкостного оборудования для вязких пищевых продуктов

Канд. техн. наук, Б.Л. НИКОЛАЕВ СПбГУНиІІТ

The peculiarities of hydrodynamic and thermal processes in the capadtive equipment while treating food products having an anomaly in viscosity are considered. The calculation relationships for the heat transfer and the determination of power consumption in the capacitive equipment with the mixing devices of the gate and scraper type have been proposed. The designs of the capacitance equipment, ensuring accelerated going of thermal processes are described.

Среди различного оборудования, применяемого в пищевой промышленности, сравнительно большая доля приходится на емкостное оборудование, используемое при производстве продуктов различной вязкости во многих отраслях пищевой промышленности.

В зависимости от назначения различают емкости для биохимических, физико-химических и тепловых процессов. Все они применяются, например, в молочной промышленности. Так, емкости для биохимических процессов входят в состав линий, производящих кисломолочные продукты — кефиры, простокваши, ацидофильное молоко, ацидофилин, йогурт, кисломолочные напитки, закваски и другие продукты повышенной кислотности.

Емкостное оборудование молочной промышленности для физико-химических процессов включает в себя емкости, в которых происходят созревание сливок перед сбиванием их в масло, нормализация высокожирных сливок при получении масла, кристаллизация сахара при выработке сгущенного молока. К этому виду емкостного оборудования относятся ванны для созревания сливок; резервуары вертикального типа для созревания сливок; ванны-кристаллизаторы-охладители для сгущенного молока с сахаром вертикального и горизонтального типов; ванны для нормализации высокожирных сливок.

Емкостное оборудование молочной промышленности для тепловых процессов — это универсальные ванны и ванны длительной пастеризации: цилиндрические и прямоугольные.

Емкостное оборудование находит широкое применение и в ряде других отраслей пищевой промышленности, где при протекании биохимических, физико-химических и тепловых процессов необходимо подогревать, пастеризовать или охлаждать продукт.

Среди отмеченных процессов тепловая обработка вязких пищевых продуктов является серьезной проблемой,

что объясняется сравнительно большой продолжительностью тепловых процессов. Их длительность обусловлена низкой теплопроводностью вязких пищевых продуктов, наличием на теплообменной поверхности пристенного слоя сравнительно большой толщины, медленным теплообменом между пристенным слоем и основной массой продукта в емкости. Кроме того, при нагревании или охлаждении в емкостном оборудовании вязких пищевых продуктов может иметь место образование на теплопередающей поверхности оборудования пригара или застывшего слоя продукта.

Среди причин, обусловливающих значительную продолжительность тепловых процессов в емкостном оборудовании при обработке в них вязких пищевых продуктов, одним из самых значимых параметров является наличие пристенного слоя продукта. По мере возрастания его толщины наряду с увеличением термического сопротивления протекайию тепловых процессов создаются предпосылки для значительного перегревания или переохлаждения продукта. В результате на теплообменной поверхности образуется соответственно пригоревший или замерзший слой, что приводит к ухудшению вкусовых качеств продукта, а также снижает производительность оборудования.

Многие вязкие пищевые продукты, в особенности жиросодержащие, обладают аномалией вязкости, значение которой в зависимости от градиента скорости сдвига и температуры продукта изменяется в десятки, сотни и более раз. Поэтому при разработке и совершенствовании емкостного оборудования расчет гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в нем, необходимо увязывать с особенностями и реологическими характеристиками обрабатываемого продукта.

Широко распространенный способ интенсификации гидродинамических и тепловых процессов путем перемешивания обрабатываемого продукта специальными уст-

ройствами требует более глубокой проработки, особенно в тех случаях, когда рассматривается вопрос о тепловой обработке структурированных вязких пищевых продуктов, значительная часть которых обладает аномалией вязкости и имеет свойства псевдопластичной среды. Кроме того, при произэодстве вязких пищевых продуктов с псевдо-пластичными свойствами, решая вопросы интенсификации , также необходимо уделять должное внимание максимальному сохранению структуры продуктов.

Анализ емкостного оборудования, применяемого для выработки пищевых продуктов различной вязкости с учетом особенностей протекания в этом оборудовании гидродинамических и тепловых процессов позволяет считать наиболее перспективным емкостное оборудование с перемешивающими устройствами шиберного и скребкового типов, так как они в процессе работы в значительной степени разрушают пристенные слои. При этом перемешивающие устройства шиберного типа создают наиболее интенсивные потоки продукта в непосредственной близости от пристенного слоя, что обусловливает разрушение значительной его части посредством гидродинамического воздействия. В емкостном же оборудовании с перемешивающими устройствами скребкового типа интенсификация тепловых процессов осуществляется механическим способом посредством непрерывного счишения скребками пристенных слоев с последующим перемешиванием счищенных слоев с основной массой продукта.

Рассматривая вопросы интенсификации тепловых процессов на стороне продукта, необходимо иметь в виду, что при увеличении коэффициента теплоотдачи помимо сокращения продолжительности тепловой обработки продукта происходит уменьшение удельных расходов тепло-и хладоносителей.

Для проведения исследований гидродинамических и тепловых процессов в емкостном оборудовании с перемешивающими устройствами скребкового типа с целью определения потребляемой мощности и коэффициента теплоотдачи автором была разработана пилотная установка [3]. Коэффициент теплоотдачи определялся по формуле

а=Та~Т~у

где а - коэффициент теплоотдачи исследуемой среды, Вт/(м2К);

q - тепловая мощность, передаваемая хладоносите-лю от исследуемой среды через стенку аппарата, Вт;

— активная часть теплопередающей поверхности, ометаемая перемешивающими устройствами шиберного или скребкового типов, м2;

- средняя температура перемешиваемой среды, °С; /ст— средняя температура стенки, °С.

Значение д определяли по уравнению

с„т(/г-<,) ч ,

т

где с* — удельная теплоемкость хладоносителя, Дж/( кг- К); т — масса хладоносителя, прошедшего через рубашку за время опыта, кг;

/2 — температура хладоносителя на выходе из рубашки, вС;

температура хладоносителя на входе в рубашку,

°С;

т - время опыта, с.

Вопросы расчета потребляемой мощности в резервуарах с мешалками освещены в ряде работ [1,8 и др.). Вместе с тем создание новых видов, а также модернизация существующего емкостного оборудования обусловливает необходимость введения зависимостей д ля определения потребляемой мощности, отражающих специфику оборудования и обрабатываемых в нем продуктов.

Автором предложен общий вид критериального уравнения для определения расходуемой энергии при обработке вязких продуктов с псевдопластичными свойствами в емкостном оборудовании с очищающими перемешивающими устройствами скребкового типа при отсутствии образования воронки в емкости в процессе перемешивания. Уравнение учитывает конструктивные особенности рассматриваемого емкостного оборудования, а также специфику пищевых продуктов, обладающих аномалией вязкости:

К„=АКет0, N

где К„ =

— критерий мощности;

N- мощность, расходуемая на перемешивание, Вт;

р — плотность продукта, кг/м3;

п — частота вращения перемешивающего устройства,

с"1;

<4 - диаметр перемешивающего устройства по его наружным кромкам, м;

Ь - длина перемешивающего устройства, м;

А — коэффициент уравнения;

р<42

Ке0 = —- - обобщенный центробежный критерий

йзф

Рейнольдса;

Иэф - эффективная вязкость продукта, Па с;

т — показатель степени.

Для учета специфических особенностей рассматриваемого емкостного оборудования, влияющих на расходуемую мощность, в критериальное уравнение (3) введены симплекс геометрического подобия 5, учитывающий влияние ширины скребка, и безразмерное выражение ?, учитывающее число скребков. Тогда

К„= А Яе" Б* г*,

где 5=/*//> — симплекс геометрического подобия;

И - ширина скребка перемешивающего устройства, м; В—диаметр резервуара, м;

I — число скребков;

р, е - показатели степени.

После подстановки критериев и симплексов в уравнение (4) получим

N

р

= А

рпсГ?

где ^баз— базовое число скребков перемешивающего устройства.

Весьма важными при разработке и совершенствовании емкостного оборудования с перемешивающими устройствами являются исследования тепловых процессов, протекающих в нем при обработке пищевых продуктов. Теплообмен в емкостном оборудовании при перемешивании скребковыми мешалками отражен в работах (2, 8 и др.].

Для определения коэффициента теплоотдачи при обработке вязких продуктов с псевдопластичными свойствами в емкостном оборудовании с перемешивающими устройствами скребкового типа, с учетом специфики этого оборудования, автором предложено уравнение вида

ки = вке:1?т;\ы/ы„у3,

где Яе = - обобщенный критерий Рейнольдса для

И*

рассматриваемого оборудования;

Рго = — обобщенный критерий Прандтля для

X

рассматриваемого оборудования;

Шф - эффективная вязкость продукта, Па с;

Шф ст—эффективная вязкость продукта при температуре стенки резервуара, Пас; х\,х2, хЗ — показатели степени уравнения.

В обобщенном уравнении теплообмена (6) при обработке вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами в емкостном оборудовании более полно учитываются геометрические и конструктивные особенности этого оборудования, а также реологические свойства обрабатываемого продукта.

Уравнение (6) преобразуем к виду

/ , V1/ \*2/ V3

т=в — Ж — • <7>

где Ыи = — —критерий Нуссельтадля резервуаров с очи-

К

щаемой поверхностью;

В — коэффициент уравнения;

/С=7с В/г — расстояние между периферийными кромками скребков, м;

/)- внутренний диаметр резервуара, м;

X — теплопроводность продукта, Вт/(м К);

н'— окружная скорость по периферийным кромкам

скребков, м/с;

с - удельная теплоемкость продукта, ДжДкг- К).

Одной из особенностей рассматриваемого емкостного

оборудования является широкий перечень обрабатываемых в нем пищевых продуктов, включающий жиры, томатные пасты, сгущенное молоко, соусы, сиропы, сливки различной жирности, смеси мороженого, эмульсии, майонезы различного состава, кефиры, простокваши, ацидофильное молоко, йогурт, ацидофилин, закваски, кисломолочные напитки и другие вязкие пищевые продукты. При этом вязкость перечисленных продуктов существенно различается. Это обусловливает соответствующие требования к устройству резервуаров, конструкции перемешивающих устройств и к их кинематическим параметрам.

Другая особенность состоит в том, что на различных стадиях технологического процесса вязкость одного и того же продукта существенно меняется, и это оказывает большое влияние на потребляемую мощность.

Следующей отличительной стороной емкостного оборудования с перемешивающими устройствами скребкового типа является то, что интенсификация тепловых процессов в них на стороне продукта в значительной степени происходит посредством механического обновления пристенных слоев счищающими устройствами. При этом значение коэффициента теплоотдачи на стороне продукта в значительной степени определяется отрезком времени между последовательным прохождением скребков перемешивающего устройства по теплообменной поверхности. Уменьшение промежутка времени между последовательным прохождением скребков (при одинаковой частоте вращения), а следовательно, увеличение коэффициента теплоотдачи может бьггь достигнуто посредством увеличения числа скребков перемешивающего устройства.

В связи с тем что тепловая обработка вязких продуктов связана со значительными затратами энергии, имеются все основания считать оборудование для производства таких продуктов энергоемким, и эффективность его работы является одной из значимых характеристик оборудования. Наиболее эффективным считается такое оборудование, которое при прочих равных условиях обеспечивает требуемый технологический процесс с наименьшими затратами энергии. Другими словами, оптимальным емкостным оборудованием с очищаемой поверхностью теплообмена, применяемым для обработки вязких пищевых продуктов, является такое оборудование, в котором осуществляется передача максимального количества тепла или холода при минимальных затратах энергии на вращение перемешивающего устройства.

Для реализации изложенных в статье положений с целью интенсификации гидродинамических и тепловых процессов, а также максимального сохранения структуры обрабатываемого продукта при обработке вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами в емкостном оборудовании с перемешивающими устройствами скребкового и шиберного типов автором предложены конструкции [4 - 7), на которые Роспатент выдал патенты и авторские свидетельства на изобретения. Приводим краткое описание некоторых из них.

Емкости с многоконтактным очищающим устройством |4]. На валу установлены лопасти, размещенные по тра-

ектории винтовой линии, и многоконтактная скребковая мешалка рамного типа, состоящая из каркаса и скребковых пластин, изготовленных из упругого и эластичного материала. Скребковые пластины имеют вид загнутых назад лопастей. Такая конструкция перемешивающего устройства не только обеспечивает быстрое охлаждение или нагревание продукта, но и осуществляет счищение пристенных слоев продукта даже с тех участков теплопередающей поверхности емкости, которые могут быть деформированы. Задача актуальна в связи с тем, что обеспечить ровную поверхность в резервуарах диаметром 2... 3 м и более весьма затруднительно. Кроме того, предложенная конструкция скребковых пластин полностью исключает возможные механические повреждения теплообменной поверхности емкости.

Резервуар с механогидродинамическим перемешивающим устройством [5]. В центре резервуара на валу установлено механогидродинамическое устройство, состоящее из верхней и нижней траверс, размещенных на кронштейнах. На траверсах установлены оси для скребков и направляющие лопасти. Периферийные участки направляющих лопастей имеют форму полуокружностей, в которых размещаются торцевые части скребков. В процессе работы счищенные пристенные слои движутся по внутренней поверхности скребков, затем плавно переходят на внутреннюю поверхность направляющих лопастей и попадают в центральную часть резервуара, перемешиваясь с находящимся там продуктом. Такая конструкция резервуара нужна, например, при производстве кисломолочных продуктов, так как одновременно обеспечивает интенсивное охлаждение и максимальное сохранение структуры продукта. Это исключает отделение сыворотки от сгустка.

Список литературы

1. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.Н. Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1984.

2. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Павлушенко И. С. О теплообмене в аппаратах со скребковыми мешалками // ЖПХ. 1964. Г. 37, № 9.

3. Николаев Б.Л. Пилотная установка по исследованию тепловых и гидродинамических процессов в резервуарах с очищаемой поверхностью теплообмена // Межвузовский сб. науч. трудов СПбТЭИ, 2002.

4. Патент РФ № 30062. Емкость с многоконтактным очищающим устройством / Б.Л.Николаев. Опубл. 20.06. 2003, Бюл. №17.

5. Патент РФ № 43439. Резервуар с механогидродинамическим перемешивающим устройством / Б.Л.Николаев. Опубл. 27.01.2005, Бюл. №3.

6. Патент РФ № 44233. Резервуар с центральными конусовидными направляющими каналами / Б.Л.Николаев. Опубл. 10.03.2005, Бюл. №7.

7. Патент РФ № 44234. Емкость со шнеково-скребковым перемешивающим устройством / Б.Л.Николаев. Опубл. 10.03.2005, Бюл. №7.

8. Регер Р.О., Лацер И. О расходе энергии, теплообмене и времени пребывания в реакторах со скребковыми мешалками в области ламинарного течения // Теоретические основы химической технологии. 1981. Г. 15, № 1.