Анализ процесса пастеризации молока в установке с гидродинамическим нагревателем

г МЕХАНИЗАЦИЯ

И ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ

ЖИВОТНОВОДСТВА,

РАСТЕНИЕВОДСТВА

УДК 637.125

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА В УСТАНОВКЕ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ

© 2010 г. И.Н. Краснов, А.Ю. Краснова, Д.А. Лебедько

Получены зависимости для определения критерия пастеризации молока в тепловых аппаратах пастеризационной установки с гидродинамическим (ГД) нагревателем, продолжительности тепловой обработки молока и коэффициента регенерации. Рассмотрен баланс тепла в установке с ГД нагревателем.

Ключевые слова: молоко, пастеризационная установка, критерии пастеризации, баланс тепла, коэффициент регенерации, тепловая обработка.

The authors received data for criteria detection of pasteurization of milk inside the thermal unit of installation of thermal generators, thermal processing time and regeneration coefficient. Heat balance is studied inside the installation of thermal generators.

Key words: milk, pasteurization installation, criteria for pasteurization, balance heat, regeneration coefficient, heat treatment.

Пастеризационная установка с гидродинамическим (ГД) нагревателем молока содержит, кроме нагревателя, выдержива-тель и регенератор тепла. Основа установки

- гидродинамический нагреватель. Здесь предварительно подогретое в регенераторе молоко подвергается гидродинамическому воздействию лопаток ротора (смежные перегородки между соседними отверстиями) и статора. За счёт сильной турбулизации потока и трения слоёв жидкости энергия вращения ротора преобразуется в тепловую энергию молока и оно нагревается до установленной температуры пастеризации.

Горячее молоко выводится в выдер-живатель, выдерживается в нём некоторое время и поступает в регенератор. В нём оно охлаждается встречным потоком холодного молока по пути в гидродинамический нагреватель. Далее пастеризованное молоко переходит в следующую секцию

регенератора, в которой происходит окончательное охлаждение его холодной водой.

Эффективность пастеризации молока в такой установке зависит от температуры нагрева его и продолжительности воздействия этой температуры. Известно [5, 6], что температура 60 и выше градусов Цельсия может подавлять микрофлору молока. До этой температуры любой аппарат выполняет функции лишь нагрева молока. При температурах выше 60 °С происходит пастеризация, для завершения которой требуется определённое время, зависящее от температуры нагрева молока.

Степень завершенности пастеризации определяется критерием Пастера Ра [5]. Величина его безразмерна и выражает отношение фактического времени воздействия на молоко температуры пастеризации Тф ко времени Тп её действия, доста-

точного для успешного завершения пастеризации (для подавления микрофлоры):

Т.

На рисунке 1 представлен упрощённый график изменения температуры молока в отдельных аппаратах пастеризационной установки. По этому рисунку молоко поступает сначала в противоточный реге-

нератор (зона III), нагревается до температуры регенерации р далее постепенно нагревается в гидродинамическом нагревателе (зона I) до температуры пастеризации Іп, выдерживается (зона II) при этой температуре в течение времени Теыд и идёт на вход регенератора (зона III), где охлаждается потоком встречного молока до температуры Ік. Далее оно охлаждается водой в водяной секции охладителя.

и °С

А \п

і к . 1К N. 1 Ш • і зона ; |

I зона С *1 1 п зона У

і" V Ч і Ч Т гп

нагрева

Т

выдержки

регенерации

Рис. 1. Температурная схема пастеризации молока в установке с гидродинамическим нагревателем

При минимально допустимой температуре пастеризации їтіп (прямая АО рисунка) зона температур выше её является зоной подавления микрофлоры. Интегральный эффект температурного поля пастеризации находится в пределах от їтіп до їп и далее до точки О кривой температур в регенераторе. Зоны ниже линии АО в определении критерия Ра не участвуют и существенной роли в подавлении микрофлоры молока не играют.

Условием достаточной пастеризации молока в такой установке будет:

Ра = Раї + Ран + Раш >1,

где Раї, Раїї и Раїїї - частные эффекты пастеризации в ГД нагревателе, выдержива-теле и регенераторе.

Допуская изменение температуры в пластинах регенератора линейным изменению площади охлаждения и исключая

потери тепла в окружающую среду, можно записать для него:

/ — t

¥1

р

і — і п ШІП

¥„

где 1 - текущая температура охлаждения молока в регенераторе в пределах до їтіп

¥р - площадь поверхности регенератора, в которой температура молока снижается от Іп до Ґ;

¥р - то же в пределах температур от іп

до Ітіп•

Время пребывания молока в регенераторе также пропорционально ¥:

і п — і

і — і-

т

р

т.

где Тр и Тор — продолжительности пастеризации, соответствующие ¥р1 и ¥р.

Отсюда ёТ = —

&

і — і

п ШІП

По [5] известно, что время выдержки Тп для полного подавления микрофлоры в молоке при температуре I его нагрева имеет вид 1п Тп = а —

Тогда Тп = е

- „а—рі

ут = е-а+р.

Интегральное значение Ра для регенератора будет:

с ёТ Т -

Ра = Г- р - ор 1 1иш J

-а+/Зі\

ёТ

ор

і — і

п ШІП

р

Отсюда для Раш = 1 получим время пастеризации молока только за счёт регенератора:

Тор = (іп — іШІП )Р •

Следовательно

1

—а+Рі

і — і рп ________ _п_______ШІП

ги ш =

і — і

п к

Для определения времени пребывания молока в выдерживателе известно выражение [1, 7]: Гов = ва—^.

Тогда для выдерживателя Т.

Т

Рагг = еыд

еыд

Т Ра—р іп '

оеыд е

где Теыд - искомое время пребывания молока в выдерживателе.

Определим долю Ра, приходящуюся на гидродинамический нагреватель молока. Известная зависимость для определения секундной теплопроизводительности дисковых гидродинамических аппаратов [2, 3, 4] применительно к нагревателю с широким ротором нашей установки может быть приведена к виду

Ъ,

д = хм рБ о3

0,04

где Хм - коэффициент мощности нагревателя;

Д Ьр и со - диаметр (м), ширина (м) и частота вращения ротора; р - плотность молока.

Коэффициент мощности зависит от кинематической вязкости молока, а следовательно, и от его температуры. Предположим, что Хн = Ъ — аі, тогда уравнение теплового баланса нагревателя будет:

а

п

е

Мс& + ё¥к (іп — ів) = (Ъ — аі) рёВ,

где М и с - масса и теплоёмкость нагреваемого молока;

4 - температура воздуха;

¥ и к - площадь поверхности и коэффициент теплоотдачи нагревателя;

В = В5 а3.

В пастеризации молока участвует не вся мощность нагревателя, а только часть

его В0 в пределах температур от 60 оС до їп, тогда

Мецт _ &

ёТ =

ВоР

•Т

Ъ — аі

Используя это выражение, можно определить критерий пастеризации нагревателя

&і

Т

Т о

Заменяя Ь-аї = у, а затем вводя новую -Ъ/

ВоР

60о

Ъ — аі

переменную X = уа • У, получим

где А =

1 2 е

Ра, = А Топ - Г -

п *

Мс1т ВоР

а

РЪ

X

^ Ъ (Ъ — а • 600);

а

Ъ /7 ч

*2 =---(Ъ — аіп ).

а

Разложением в ряд интегрального выражения (12) при Раї =1 найдём продолжительность пастеризации молока в нагревателе

—а+

е

1пЬ - а60

Ь - at„

Т =

В соответствии с зависимостью (2) при расчёте критерия Ра всей пастеризационной установки сначала, исходя из заданной её производительности, определяют доли Ра, приходящиеся на нагреватель и регенератор. Затем необходимо определить время выдержки молока в выдерживателе:

Твыд > (1 - РаІ - РаШ )е

с.

Vвыд >

МТ

По нему принимается и вместимость выдерживателя

,

3600

где М - производительность пастеризационной установки, м3/ч.

Анализ полученных зависимостей для определения критерия пастеризации показывает, что процесс работы нагревателя пастеризационной установки сопровождается постоянным смешиванием подаваемого в него молока с находящимся в нём горячим молоком. Это существенно отличает его от известных прямоточных и про-тивоточных пастеризаторов с промежуточным теплоносителем. Поэтому в нём практически невозможно выделить зону с подогревом молока до температуры 60 оС для начала уничтожения микрофлоры.

В связи с этим необходимо сделать вывод о целесообразности подачи в нагреватель предварительно нагретого в регенераторе молока до температуры не ниже 60 оС. В этом случае пастеризация молока в нагревателе будет происходить за время пребывания его в нём. Соотношение выдержки его в нагревателе и регенераторе может оказаться достаточным для завершения процесса пастеризации молока без применения выдерживателя, что может способствовать упрощению конструкции пастеризационной установки.

Габаритные размеры нагревателя определяются исходя из часовой объёмной производительности М пастеризационной установки, от неё же зависит и объём внутренних полостей нагревателя Упол. В состав

1п X + X Л-------------1--------ъ...

4 18

этих полостей входят объёмы ячеек корпуса и ротора Уяч, радиального Урз и боковых Убз зазоров, радиальных подающих каналов Укчн и объём полости сбора и вывода нагретого молока Увыв:

У пол = V*« + Vрз + Vбз + Vкан + Vвыв.

Объём ячеек зависит от ширины ротора Ьр, диаметра й и количества ячеек в нём г:

К. =— Ь.г.

Внутренние объёмы полостей нагревателя, образованные радиальным и боковыми зазорами, будут:

Урз =жDSpb р;

Убз =|(В2 - Д2)Яб,

где Д - диаметр ротора по впадинам лопаточных каналов в нём.

Объём подающих радиальных каналов нагревателя составляет:

2

У =

кан

4

где ёк и 1к - диаметр и длина подающего канала;

тк - количество подающих каналов. Выводная полость выполняется обычно в виде проточки в корпусе определённой ширины, не превышающей ширины ротора. Определение её объёма не представляет сложностей.

Так как секундная объёмная подача молока в нагреватель составляет:

ц = М/3600, л/с,

60

а время одного оборота ротора ^об =—,

п

то весь объём внутренних полостей нагревателя освободится от порции находящегося в нём молока за следующее число оборотов ротора:

„ _60УпоП

М

1

X

п

а

е

X

60

Всё это время порция молока подвергается гидродинамическому воздействию в нагревателе и приобретает на выходе заданную температуру пастеризации. Продолжительность обработки молока от входа его в нагреватель до выхода из него составит:

К =

У

У

= 3600^°-, с. (23) д М

По этой зависимости время обработки молока в ГД нагревателе и долю его в общем критерии пастеризации Ра в одной и той же конструкции его можно регулировать лишь за счёт изменения подачи молока. При этом возможны два варианта регулировки подачи молока: на входе или выходе из него. Варианты эти не равнозначны и подлежат дополнительным исследованиям.

Значительный интерес представляет анализ баланса тепла в пастеризационной установке с гидродинамическим нагревателем.

Подвод тепла О к пастеризационной установке осуществляется от электродвигателя привода гидродинамического нагревателя мощностью N. Часть этой мощности электродвигателя в виде тепла (рис. 2) теряется в приводе ГД нагревателя на холостой ход, а часть - потерями 0ос в окружающую среду через наружные нагретые поверхности нагревателя, выдерживателя и регенератора. Значительную часть её (от О) составляют потери с охлаждающей водой 0ов. Остальное тепло, подводимое к ГД нагревателю, представляет полезную часть 0п, затрачиваемую на нагрев молока от температуры регенерации (на выходе из него) до температуры пастеризации молока іп.

О

Оп

Охх Оос Оов

Рис. 2. Баланс тепла в пастеризационной установке с гидродинамическим нагревателем

На рисунке 3 представлен упрощённый график изменения температуры молока во всех аппаратах исследуемой пастеризационной установки с ГД нагревателем.

Т, с

Рис. 3. График изменения температуры молока за время (Т) течения его в тепловых аппаратах пастеризационной установки с ГД нагревателем

Уравнение теплового баланса ГД нагревателя без учёта затрат на холостой ход О

будет:

5 3

МсСі = Ек (і п - і в )СТ + (Ь - аіп) рО а

где Т - текущее время нагрева молока.

Тогда при линейной закономерности нагрева молока по времени будем иметь для продолжительности нагрева его в нагревателе:

Тн =

Мс

ь ''

где ь = Ек(іп - ів) + (Ь - аіп)рБ5 а3

0,04

С учётом затрат мощности на холостой ход и потерь тепла от нагревателя в окружающую среду через тепловой его КПД г]т, получим

Т =

Мс(іп - ір )Лт  0,04

где А =

(Ь - аіп )рБ а Ь ЛтМе  0,04

= А-

і — і

п р

Ь - аі„

рБ а Ь р

По этой зависимости, чем меньше разность температур (іп-ір) в одном и том же нагревателе, тем меньше мощность на его привод. Это возможно лишь за счёт повышения степени подогрева пастеризуемого молока в регенераторе при увеличении площади пластин в нём.

При Ір < 60 оС это время подразделяется на промежуток времени Тпр подогрева поступающего от регенератора молока до 60 оС и времени его пастеризации Ті в нагревателе до температуры Іп:

Тн =Тпр+Т1.

Отсюда время пастеризации молока в нагревателе

Ґ

Т = в

іп - ір V Ь - аІпр

л

60"

Ь - аі„

где Хпр и ¿пн - средние температуры молока в указанных промежутках нагрева его в ГД нагревателе:

2

і — іб

п______6

2

0,04

-сІТ,

Тепловая производительность нагре-

вателя составит:

Онаг = Мс(іп - ір ) = МсТ

нагр?

где тнагр - перепад температур молока на выходе и входе нагревателя.

Введём новый показатель использования нагревателя - коэффициент нагрева молока в ГД нагревателе:

= і -

Тогда

Онаг = Мс(іп - ін )(1 -£н )'

С учётом потерь в окружающую сре-

ду и на холостой ход:

0*наг

Мс(і„ - ін )(1 - £, ) Лт

Уменьшение коэффициента нагрева молока нежелательно, так как это ведёт к повышению затрат мощности на нагреватель, а повышение его сокращает затраты, но ведёт к росту затрат на регенератор.

Регенератор пастеризационной установки представляет собой противоточный пластинчатый аппарат, в который поступает нагретое пастеризованное молоко, охлаждаемое поступающим в пастеризационную установку холодным молоком. На рисунке 4 представлен график изменения температур молока в таком регенераторе в функции времени.

Так как массы молока в регенераторе одни и те же, теплоёмкость его также постоянная, то можно принять:

Тн Тк Т

Тогда коэффициент регенерации (отношение возвращенного тепла при регенерации к общему теплу на пастеризацию молока) будет:

і — і Т

¿ = -1______________- = 1 Т

і — і і — і„

Ь

Ь

Т

Рис. 4. График температур молока в противоточном регенераторе

к

Так как і = ія —т, то

т =

Площадь теплоотдачи в регенераторе ¥р определяется из уравнения теплового баланса в нём:

<2р = Мс(ір-ін) = ЕРkрТ,

где кр - коэффициент теплопередачи через пластины регенератора от горячего молока к холодному, Вт/(м К).

Так как % — р р

Fp к р + Мс

то

- _ Мс

F — .

р кр

Обозначим Мс — В г

К

и примем во

внимание, что для одной и той же пастеризационной установки Вр = const, тогда

%

¥р Вр 1 -%

— В  а.

Анализ этого выражения показывает, что с увеличением коэффициента регенерации площадь поверхности нагрева молока в регенераторе интенсивно растёт (рис. 5). Зона доступных значений £ в промышленных регенераторах не превышает

0,85.

Рис. 5. График зависимости коэффициента регенерации от площади поверхности нагрева молока в регенераторе

Далее £ = 0,85 рост ¥р столь значителен, что его габариты и стоимость становятся неэффективными. Из этого следует, что

- во-первых, увеличение площади регенератора позволяет экономить мощность на привод нагревателя, снижая затраты на него, но при этом существенно растут затраты на регенератор. Очевидно, нужны технико-экономические методы обоснования допустимых соотношений их и оптимального значения коэффициента регенерации;

- во-вторых, наружные поверхности регенератора необходимо теплоизолировать от окружающей среды (промышленные регенераторы не имеют такой тепло-

изоляции), так как потери тепла в нём снижают коэффициент регенерации и повышают затраты мощности на привод ГД нагревателя.

В охладителе снимается остаток тепла в пастеризованном молоке после выхода из регенератора. Это тепло теряется с холодной водой, используемой для охлаждения молока. Эти потери определяются по выражению:

бов = Мс(ікр - іохл X

где їохл - заданная температура охлаждения пастеризованного молока.

Таким образом, уравнение баланса тепла в пастеризационной установке с ГД нагревателем будет:

О, = бхх + бос + бов + бп = Мс(ікр - іохл ) +

Мс(іп - ін )(1 -£н) _ Лт

Составляющие этой зависимости примерно равны, если в пастеризационной установке свести к минимуму потери тепла в нагревателе, выдерживателе и регенераторе.

Выводы

1. В пастеризации молока принимает участие не только гидродинамический нагреватель, но и выдерживатель с регенератором. Доля их участия характеризуется критерием пастеризации Ра, величина которого в исследуемой установке определяется по зависимостям (6), (7) и (12).

2. Вместимость выдерживателя увеличивается с ростом времени выдержки молока в нём и производительности пастеризационной установки (зависимость 15). При температурах подогрева молока в регенераторе более 60 оС необходимость вы-держивателя в пастеризационной установке с ГД нагревателем может быть исключена.

3. Площадь пластин регенератора определяется зависимостью (35) и увеличивается с ростом производительности пастеризационной установки и коэффициента регенерации молока. Увеличение площади

регенератора позволяет экономить затраты энергии на привод ГД нагревателя и средств на него. Рациональное соотношение затрат на ГД нагреватель и регенератор должно быть обосновано дальнейшими технико-экономическими исследованиями.

4. Коэффициент регенерации молока при равенстве перепадов температур на входах и выходах всех тепловых аппаратов пастеризационной установки равен или близок к коэффициенту нагрева молока в ГД нагревателе. Зона доступных значений его ограничена затратами на регенератор и в современных конструкциях не превышает 0,85.

5. Все потери тепла в тепловых аппаратах пастеризационной установки увеличивают мощность её привода, в связи с чем ГД нагреватель, выдерживатель и регенератор должны быть утеплены.

6. При достаточном утеплении тепловых аппаратов пастеризационной установки потери тепла в охладителе с холодной водой равнозначны тепловой производительности ГД нагревателя и определяются зависимостью (36).

Литература

1. А. с. № 1324620 СССР, МКИ4 А23 С 3/033 Устройство для нагрева жидкости / В.Е. Заушицин, В.И. Фомин, Ю.А. Фаянс, Г.И. Проценко, Л.Н. Кривцов, М.И. Мучник. -3857459/30-13; зявл. 28.02.85; опубл. 23.07.87. Бюл. № 27. - С. 7.

2. Алексопольский, Д.Я. Гидродинамические передачи / Д.Я. Алексопольский. -Москва: Машгиз, 1963. - 271 с.

3. Ашуралиев, Э.С. Обоснование параметров и повышение эффективности функционирования гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения: дис.... канд. техн. наук / Э.С. Ашуралиев. - Ростов-на-Дону, 2002. - 164 с.

4. Гавриленко, Б.А. Гидродинамические муфты / Б.А. Гавриленко, В.А. Минин. -Оборонгиз, 1959. - 338 с.

5. Кук, Г.А. Пастеризация молока / Г.А. Кук. - Москва: Пищепромиздат, 1951. - 239 с.

6. Кук, Г.А. Процессы и аппараты молочной промышленности. Т. I / Г.А. Кук. -Москва: Пищепромиздат, 1955. - 472 с.

7. Чучков, А. Выдерживатели фермских пластинчатых установок для пастеризации молока: дис.... канд. техн. наук / А. Чучков. - Москва, 1959.

Сведения об авторах

Краснов Иван Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Механизация и технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 43-1-71.

Краснова Александра Юрьевна - канд. техн. наук кафедры «Технологии конструкционных материалов» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии

(г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-2-44.

Лебедько Денис Андреевич - студент Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-1-71.

Information about the authors

Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of mechanization and technology for production and processing of agricultural products, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-1-71.

Krasnova Aleksandra Yurievna - Сandidate of Technical Sciences, of the department of constructional materials technique, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-2-44.

Lebedko Denis Andreevich - student, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-1-71.