Обоснование параметров конструктивных элементов индукционного нагревателя для пастеризации молока в потоке

Обоснование параметров конструктивных элементов индукционного нагревателя для пастеризации молока в потоке

С.В. Соловьёв, к.т.н., В.В. Морозов, д.т.н., профессор, Е.В. Радкевич, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА; Л.П. Карташов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; З.В. Макаровская, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Московский ГППУ

Тепловая обработка молока проводится с целью бактериального обеззараживания при максимально возможном сохранении свойств в специальных пастеризационных установках.

Пастеризацию осуществляют при температурах от 63°С с выдержкой времени до 95°С — без выдержки. Температурно-временные комбинации режима тепловой обработки выбираются в зависимости от обрабатываемого продукта и технологического оборудования. Пастеризация может проводиться в ваннах длительной пастеризации при температуре 63—70°С и выдержке времени до 20 мин или в проточных нагревателях и теплообенниках при t = 80—95°С и выдержке времени 0—15 сек. В любом случае пастеризация должна обеспечивать бактерицидный эффект (не менее 99,98%) и максимальное сохранение витаминов, белков, пищевой и биологической ценности продукта [1].

При тепловой обработке молока используют аппараты прямого и косвенного нагрева с применением промежуточных теплоносителей. В настоящее время наиболее распространёнными промежуточными теплоносителями в технологических установках пастеризации молока являются пар и горячая вода.

Паровые пастеризаторы производительностью 500—1000 кг/ч молока энергетически не эффективны, так как их использование сопряжено с дополнительными затратами на установку и обслуживание паровых котлов-парообразователей, вспомогательного оборудования, со сложной системой автоматизации поддержания технологических параметров, пажаро-взрывоопасностью [2].

Пастеризаторы косвенного нагрева затрачивают часть энергии на транспортировку промежуточного теплоносителя и компенсацию тепловых потерь через поверхности трубопроводов. Это приводит к снижению коэффициента полезного действия и ограничивает возможность плавной регулировки нагрева и изменения режимов работы.

При применении в качестве источника теплоты в пастеризаторах косвенного нагрева индукционного нагревателя промежуточный теплоноситель не требуется, что открывает возможности для повышения тепловой эффективности таких установок.

Процесс пастеризации молока с помощью индукционных нагревателей осуществляется следующим образом. В металлическом изделии, по-

мещённом в переменное электромагнитное поле, протекают вихревые токи, вызывающие нагрев. Такой способ нагрева обычно используют при термообработке металлов. При индукционном нагреве тепловая энергия выделяется в самих нагреваемых металлических телах, что способствует получению высокого термического коэффициента полезного действия.

По сравнению с ТЭНовыми или гидродинамическими нагревательными устройствами индукционные имеют следующие преимущества:

— пожаробезопасность — достигается за счёт того, что греющаяся часть имеет температуру на 10—15°С выше температуры нагреваемой жидкости;

— низкая разность температур, снижение интенсивности образования накипи или отложения молочного камня;

— индукционные нагреватели не имеют подвижных частей и, как следствие, более надёжны и просты по сравнению с гидродинамическими нагревателями;

— рабочий ресурс индукционного нагревателя ограничивается сроком службы изоляции обмотки и составляет 50 тыс. час, ресурс класса элементных нагревателей составляет 9 тыс. час [3].

Материал и методы исследования. В настоящее время индукционные нагреватели не нашли применения в качестве пастеризаторов, несмотря на явные преимущества по сравнению с нагревателями иного типа. Это объясняется отсутствием теоретической и практической базы применения индукционных нагревателей в составе пастеризационных установок. Использовать существующие конструкции индукционных нагревателей воды в целях пастеризации молока в потоке не представляется возможным в связи с неравномерным нагревом молока по сечению нагревателя. При ламинарном течении слои молока, прилегающие к греющейся части устройства, будут иметь значительно более высокую температуру, чем предполагает технологический процесс пастеризации, и одновременно с этим могут иметься слои с температурой, недостаточной для гарантированного уничтожения бактерий.

Для устранения этих недостатков необходимо разработать индукционный нагреватель молока и учесть в конструкции требования, предъявляемые к процессу пастеризации.

Предметом теоретического расчёта установки для пастеризации молока с индукционным нагревателем является разработка конструкции нагревателя для обеспечения равномерности нагрева молока при его движении в потоке.

Задачей теоретического расчёта является выявление математической зависимости конструкционных параметров индукционного сердечника от требуемой для обеспечения процесса пастеризации тепловой мощности при исключении неравномерности нагрева молока в потоке.

Результаты исследования. Бесконечно длинная цилиндрическая труба имеет внутренний радиус г1, наружный радиус г2, постоянный коэффициент теплопроводности X и неравномерно распределённые по объёму цилиндрической трубы источники тепла производительностью Теплообмен с окружающей средой осуществляется как с наружной, так и с внутренней поверхности. Поверхность теплообмена торцов трубы ввиду её малой площади в расчёте не учитывается.

Источником теплоты выступают вихревые токи, протекающие по замкнутому контуру в объёме металлической трубы нагревателя. Распределение плотности тока по сечению трубы неравномерно и уменьшается в направлении от внешней поверхности к внутренней. Примерное распределение температур по сечению стенки трубы нагревателя представлено на рисунке 1а. На радиусе г0 в слое с максимальной температурой ?тах находится изотермическая поверхность, разделяющая тепловые потоки на два направления — к внутренней поверхности трубы д1 и к наружной д2. Введём понятие среднего тепловыделения в единице объёма для наружного дг1 и внутреннего слоя дг2. Для упрощения модели примем, что 9у1=еоп81 в интервале г1_г0, а 9У2=еош1 в интервале г0...г2.

Тогда средняя тепловая производительность будет определяться по выражениям: — для внутреннего слоя:

Г чА

ч* = --,

г - г

где 9у1 — средняя по внутреннему слою тепловая производительность, Вт/м3;

— тепловая производительность на радиусе г, Вт/м3;

г0 — изотермический радиус, м; г1 — радиус внутренней поверхности трубы, м; — для наружного слоя:

Ч, 2

Г ЧА

где дг2 — средняя по наружному слою тепловая производительность, Вт/м3; г2 — радиус наружной поверхности трубы, м. Для определения неизвестной величины г0 решим уравнение, описывающее процесс теплопроводности в нагревателе [4]:

А t 1 & а

—2 +--+ — = О,

ёг г ёг X

где ? — температура в точке с радиусом г, °С; X — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-К).

Г 2 = 'о

Ч Г2 + Ч,1Г12

Ч,1 + кЧ,2

к = 92/91.

Величина к определяется экспериментально для цилиндрических труб разной толщины и диаметров. Для того чтобы определить величину к, мы замеряли разность температур молока на входах и выходах из кольцевых зазоров.

Для снижения трудозатрат на изготовление нагревателя трубу, которая является источником теплоты, целесообразно принимать из стандартного ряда типоразмеров стального проката. Тогда расчёт параметров нагревателя сводится к определению внутреннего радиуса корпуса, вытеснителя и длины нагревателя.

Для схемы, приведённой на рисунке 2, тепловые мощности РПТ1 и РПТ2, получаемые потоками жидкости в кольцевых зазорах, находятся из выражений:

Г(Г

П

— / ^ /

01 * /

/

а)

б)

Рис. 1 - Схема к расчёту параметров сердечника индукционного нагревателя:

а) распределение температуры по сечению трубы; б) продольное сечение нагревателя

Г2 " Г0

РПТ1 qT iFT W1C '

= Vк-c

РПТ2 = qT 1FT + qKFK = W3C

Як =

I12 л

V

r2-

2Ят iril

V  C  t - ti)'

Якl +

qKl2 + V VO2 - ti)2r2 + +2V  c  (t2 - ti)qTl  r2

V  c

Длина трубы равна:

I =

где РПТ1 — тепловая мощность в зазоре, ограниченном радиусами гВ и г1, Вт; РПТ2 — тепловая мощность в зазоре, ограниченном радиусами г2 и гК, Вт; дт1 — тепловой поток с поверхности трубы, Вт/м2;

рн — площади поверхности трубы нагревателя, м2;

V — скорость движения молока через кольцевые зазоры, м/с;

с — теплоёмкость молока, Дж/(кг-К);

— тепловой поток, создаваемый обмоткой индуктора, Вт/м2.

-,

+ ад)

где РТ — тепловая мощность, которая выделяется в трубе нагревателя, Вт.

Согласно приведённым выше теоретическим расчётам и для их подтверждения в лаборатории Великолукской ГСХА была разработана экспериментальная установка пастеризации молока индукционным нагревом [5]. Изготовление экспериментальной установки было произведено на базе ПМР-02-ВТ с модернизацией нагревателя. Штатный гидродинамический нагреватель был заменён на экспериментальный индукционный (рис. 3) [6].

Рис. 2 - Поперечное сечение индукционного нагревателя молока:

1 - наружный зазор; 2 - внутренний зазор; 3 - труба; 4 - вытеснитель; 5 - корпус; 6 - обмотка индуктора

Тепловой поток, создаваемый при протекании электрического тока через обмотку индуктора, определяется по выражению:

Рк 2% гк  1К где Роб — мощность, выделяющаяся в индукторе

при работе, Вт;

РК — часть площади корпуса, участвующая в теплообмене с молоком, м2; 11 — сила тока обмотки индуктора, А; Я — сопротивление переменному току обмотки индуктора, Ом; 1К — длина корпуса, м. Из системы уравнений (6) найдем гК и гВ:

Рис. 3 - Общий вид разработанной установки для пастеризации молока с индукционным нагревателем:

1 - индукционный нагреватель; 2 - теплообменник; 3 - молочный насос; 4 - приёмный молочный бак

Определены следующие технические характеристики установки для пастеризации молока с индукционным нагревателем: полная мощность однофазного нагревателя — 5,4 кВА; тепловая мощность нагревателя — 5,0 кВт; коэффициент мощности — 0,86; расчётная удельная мощность 11,0—11,2 Вт/л; расчётная производительность (для температуры пастеризации 78—80°С) 430—450 л/ч [6]. При этом конструктивные размеры нагревателя составили: г2 = 21 мм; г1 — 17 мм; г0 — 19,3 мм; гк — 25 мм; гв — 10 мм; длина нагревателя 1—1,1 м.

Выводы. Представленный алгоритм расчёта применим при определении параметров и режима работы индукционного нагревателя молока при производительности и мощности, определяемой требованиями выполняемого технологического процесса.

Выявлено, что тепловая энергия, обеспечиваемая индукционным нагревателем, зависит от диаметров и толщины стенок корпуса, сердечника и вытеснителя, получено соответствующее выражение.

гк =

Установлено, что на интенсификацию процесса тепловой обработки молока в большей степени оказывают влияние внутренний радиус корпуса и вытеснителя.

Литература

1. Крусь Н.А. Технология производства молока и молочных продуктов. М.: Колос, 2004. 386 с.

2. Ведищев С.М., Милованов А.В. Технологии и механизация первичной обработки молока. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 152 с.

3. Немков В.С., Демидович В.Б. Теория и расчёт устройств индукционного нагрева. Л.: Энероатомиздат, 1988. 280 с.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. 440 с.

5. Макарова Г.В., Соловьев С.В. Теоретическое обоснование тепловой мощности в индукционном нагревателе // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: матер. междунар. науч.-практич. конф. СПб., 2012. С. 314-317.

6. Пат. на полезную модель Яи 137709 и1. Индукционный нагреватель жидкости с выдерживателем / Г.В. Макарова, С.В. Соловьёв, В.А. Шилин; заявл. 10.07.2013, опублик. 27.02.2014. Бюл. № 6.

Разработка конвейерной СВЧ-установки для отделения пуха от шкур кроликов

Е.А. Шамин, к.э.н, М.В. Белова, д.т.н., профессор, О.В. Михайлова, д.т.н., профессор, Г.В. Новикова, д.т.н., профессор, ГБОУ ВО Нижегородский ГИЭУ

Повысить рентабельность производства продукции кролиководства в фермерских хозяйствах можно как за счёт повышения продуктивности и сокращения затрат на корма, так и за счёт реализации пухового сырья, собранного со шкур кроликов. Использование волосяного покрова не только снижает себестоимость мясной продукции, но и даёт для фетровой промышленности дополнительные источники сырья. Но в настоящее время для сбора пуха со шкур кроликов используют только стригальные машины. Анализ результатов исследований, выполненных многими авторами [1-3], по реализации электрофизических методов воздействия на многокомпонентное сырьё, в том числе на шкуры животных и зверей, позволяет выделить приоритетную микроволновую технологию первичной обработки шкур кроликов. Поэтому разработка технологии и технических средств с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) для отделения обеззараженного пухового сырья от шкур кроликов актуальна.

Целью работы является разработка установки, реализующей процесс сбора пуха со шкур кроликов, мездра которых пропитана опарой для ослабления силы удерживаемости в разрушенных волосяных луковицах и эпидермисе при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты в непрерывном режиме.

В ходе исследования решались следующие основные научные задачи:

1. Разработка микроволновой технологии отделения волосяного покрова от кожи шкур кроликов и конструкционной схемы установки с источниками — ЭМПСВЧ и резонатором, обеспечивающими при непрерывном режиме работы электромагнитную безопасность;

2. Оценить возможность реализации основных критериев проектирования СВЧ-установок при использовании коаксиального резонатора.

Материал и методы исследования. Методика реализации технологии отделения и сбора волосяного покрова от шкур кроликов включала:

- вымачивание с мездровой стороны шкур рассолом определённой концентрации или специальной опарой (гомогенизированной сброженной смесью ржаной муки, воды, дрожжей, горчичного порошка и соли);

- тепловая обработка многокомпонентного сырья (волосяной покров, кожа, мездровая ткань, луковица волос, эпидермис, рассол или опара) в ЭМПСВЧ в процессе передвижения через резонатор с помощью диэлектрического перфорированного барабана с колками;

— ослабление силы удерживаемости волосяного покрова в луковицах за счёт избирательного эндогенного нагрева, обеззараживание пухового сырья в электрическом поле высокой напряжённости и сбор с помощью вычёсывающих узлов и пневмонасоса;

— ограничение излучения электромагнитных волн сантиметрового диапазона до предельно допустимого уровня из отверстий, предназначенных для подачи сырья и выгрузки пуха из резонатора за счёт использования запредельных волноводов и неферромагнитных ведущего и прижимного валиков из неферромагнитного материала.

Результаты исследования. Процесс удаления со шкуры волоса называется обезволашиванием. Сущность процесса заключается в ослаблении луковиц волос и разрушении эпидермиса, который после этого вместе с волосом легко отделяется от дермы.

В домашних условиях обезволашивание проводится следующим способом. Шкуры укладывают на стол волосом вниз, и на кожевенную часть щеткой наносят раствор для обезволашивания, приготовленный согласно технологии. Он включает в себя воду, сернистый натрий, гашёную известь. Промазанные шкуры складывают по хребту волосом внутрь, сворачивают в валик, укладывают на созревание в течение 5—8 часов.

Известно, что для чесания шкур применяется машина ЧМЗ-600. Она содержит барабан, иголь-