Анализ и проблемы процесса нагрева мезги в теплообменных аппаратах

УДК 664

АНАЛИЗ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА НАГРЕВА МЕЗГИ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

Е.В. Давыдова, Е.А. Ганков

Рассматриваются анализ и проблемы процесса нагрева мезги в теплообмен-ных аппаратах при производстве концентрата фруктового сока.

Ключевые слова: нагрев мезги, производство концентрата фруктового сока, теплообменники, теплообменные аппараты.

На сегодняшний день во всем мире, в том числе и в России, возросло потребление соков, особенно в летний период. Фруктовые соки являются источником витаминов, минеральных солей и других полезных веществ.

Основной компонент всех фруктов - вода, которая является идеальной средой для развития микроорганизмов. Поэтому длительное хранение и транспортировка фруктов на дальние расстояния исключены из-за того, что большая их часть при этих процессах портится.

Решение данной проблемы стало возможно с помощью процесса концентрирования. Производство соков, из концентратов получило широкое развитие во всем мире.

Концентраты сока имеют целый ряд особенностей по сравнению с натуральным фруктовым соком. Во-первых, возможность длительного хранения концентратов без потери полезных свойств фруктов, обусловленная повышением содержания сахаров и кислот, угнетающе действующих на жизнедеятельность микроорганизмов. Это позволяет не только транспортировать концентраты соков на большие расстояния, но и производить соки круглый год, а также создавать резерв на годы с низким урожаем плодов. Во-вторых, за счет меньшего объема транспортирование концентрата позволяет значительно экономить тару, погрузочно-разгрузочные и транспортные средства. Это обусловлено тем, что путем концентрирования содержание растворимых сухих веществ в соках можно повысить до 70...75 % и тем самым уменьшить их объём по сравнению с натуральными в 5 - 6 раз [1].

Технологический процесс получения концентратов - сложный процесс, зависящий от свойств фруктов, от производительности технологического оборудования, от степени концентрирования сока.

Получение концентрата - многоэтапное производство, состоящее из целого ряда операций, таких, как мойка и измельчение фруктов, нагрев полученной мезги и ее прессование.

Одной из главных операций процесса получения концентрата фруктовых соков является нагрев мезги. В процессе нагрева коагулируются и обезвоживаются белки протоплазмы, что приводит к увеличению клеточ-

203

ной проницаемости, которая не только повышает выход сока, но и оказывает другие воздействия на мезгу: инактивирует ферменты, снижает слизи-стость и вязкость, способствует переходу красящих веществ из кожицы и мякоти плодов в сок.

Для экономии времени эта фаза технологического процесса проводится при повышенной температуре, что достигается применением теплообменников (трубчатых, спиральных, теплообменников с вращающимися лопастями), использующих в качестве теплоносителя, как правило, пар. Общим в конструкции таких теплообменников является передача тепла через нагревательную поверхность, отделяющую продукт от теплоносителя (непрямой нагрев). Это вызывает образование на поверхности теплообмена плёнки жидкости, уменьшающей теплопередачу [2].

КПД теплообменников при этом в значительной степени зависит от того, в какой мере удается предотвращать образование жидкостной плёнки и формировать турбулентный поток. На практике для этого имеются две возможности: высокая скорость потока и применение средств для механического разрушения потока.

К теплообменникам для нагревания мезги предъявляются следующие требования: непрерывность работы, возможно большая турбулентность потока, возможность быстрой сборки и разборки аппарата (для его очистки), а также малые габариты [3].

В аппаратах для нагревания пищевые среды доводятся до определенной температуры. К ним относятся аппараты, в которых практически отсутствует процесс кипения и поддерживается постоянная температура полуфабриката (выше температуры окружающей среды) [4].

Конструкции теплообменников весьма разнообразны в зависимости от назначения аппарата и условий проведения процессов. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Проведенные исследования показали, что для нагрева мезги лучше использовать рекуперативные теплообменники типа «труба в трубе» и ко-жухотрубные. Это обусловлено тем, что в этих теплообменниках возможно создать большую турбулентность потока, они обладают возможностью быстрой сборки и разборки аппарата и непрерывностью работы.

Теплообменник типа «труба в трубе» представлен на рис.1. В кожу-ховую трубу 2 подают теплоноситель, а в теплообменную трубу 1 - мезгу. Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой калачами 3 [5].

В теплообменниках типа «труба в трубе» вследствие того, что трубы имеют сравнительно большой диаметр, мезга прогревается не равномерно, возникает необходимость после теплообменника устанавливать дополнительное оборудование, в частности, мешалки.

Теплоноситель

Нагретая мезга

Рис. 1. Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 - труба теплообменная; 2 - труба кожуховая; 3 - калач

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками показан на рис. 2. Мезгу подают в трубное пространство через днище 2, а теплоноситель в межтрубное пространство - через патрубок 1. Проходя по трубкам 3, которые снаружи омываются теплоносителем, мезга нагревается. Интенсивность теплообмена увеличивается за счет создания турбулентного потока.

Нагретая мезга

Конденсат

Холодная мезга

Рис. 2. Схема вертикального одноходового кожухотрубного теплообменника: 1 - патрубок; 2 - днище; 3 - греющие трубки

Перемешивающее оборудование в производстве концентрата соков используется после операции нагрева в теплообменниках типа «труба в трубе», а также в танках хранения с целью равномерного распределения

205

тепла в нагретой мезге. В пищевой промышленности в подавляющем большинстве применяются машины и аппараты с механическим перемешиванием. Их можно разделить на 3 группы: лопастные, турбинные и пропеллерные.

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из корпуса, двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу (рис. 3, а). Основные достоинства таких мешалок — простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика.

Мезга

Мезга

1

П

I Выгрузка Т мезги

Мезга

I Выгрузка Т мезги

а б в

Рис. 3. Мешалки с механическим перемешиванием: а - лопастная; б - пропеллерная; в - турбинная;

1 - вал; 2 - корпус; 3 - мешалка

Рабочей частью пропеллерной мешалки (рис.3, б) является пропеллер - устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки, который может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя

206

жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рей-нольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов. К достоинствам пропеллерных мешалок следует отнести также относительно высокую частоту вращения и возможность непосредственного присоединения мешалки к электродвигателю, что приводит к уменьшению механических потерь.

Турбинные мешалки (рис. 3, в) имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу. В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможны возникновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших значениях отношения высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки.

Анализ участка нагрева мезги, включающего теплообменник и мешалку, показал, что в теплообменниках «труба в трубе» мезга нагревается неравномерно, что требует установки после данного вида теплообменников дополнительного оборудования - мешалок.

С целью интенсификации процесса нагрева мезги следует применять одноходовой кожухотрубный теплообменник. Его применение позволяет сэкономить время этой фазы технологического процесса и тем самым увеличить выход сока из мезги при прессовании. Кроме этого, такие теплообменники обладают высокой теплопередачей и компактностью. Использование кожухотрубных теплообменников, характеризуемых равномерностью нагрева мезги, исключает необходимость применения мешалок для распределения тепла по всему продукту.

С целью выбора наиболее оптимальной конструкции теплообменника и устранения недостатков известных аппаратов для нагрева рассмотрим наиболее распространенные кожухотрубные теплообменники (рис. 4).

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис. 4, а). Холодную мезгу подают через патрубок в днище, откуда он попадает в греющие трубы.

В противоток мезге по межтрубному пространству подают через патрубок греющий пар, который нагревает греющие трубки и мезгу благодаря создаваемому турбулентному движению мезги. Нагретая мезга и сконденсировавшийся пар выводятся через специальные патрубки.

Рис. 4. Кожухотрубные теплообменники: а - вертикальный одноходовой, б, в - многоходовые по трубному и межтрубному пространству, г - с линзовым компенсатором, г) - с V-образными трубами: 1,8- патрубки отвода мезги и газов; 2 - днища; 3 - греющие трубки; 4 - патрубок отвода конденсата; 5, 6 - патрубки подвода мезги и греющего пара; 7 - перегородки; 9 - линзовый компенсатор

В многоходовом теплообменнике (рис. 4, б) теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, у которого термическое сопротивление выше.

Секционировать можно и межтрубное пространство путем установки направляющих перегородок (рис. 4, в).

Приведенные на рис. 4, а, б, в кожухотрубные теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25...30 °С. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. В связи с этим при больших разностях температур применяют теплообменники, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений - линзовый компенсатор (рис. 4, г), который устанавливают в корпусе теплообменника. Он компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с и-образными греющими трубами (рис. 4, д) снабжены одной трубной решеткой, на которой закреплены оба конца и-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Таким образом, кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между конденсирующимся паром и мезгой. Мезгу пропускают по трубам, а пар - в межтрубном пространстве. Преимущества кожу-хотрубных теплообменников заключаются в высокой степени теплопередачи, в возможности эксплуатации при высоких значениях давлений и температур; в компактности, невысоком расходе металла, лёгкости очистки труб изнутри. Недостатки этих теплообменников: трудность очистки межтрубного пространства, а также осмотра и ремонта.

Из приведенного анализа кожухотрубных теплообменников для нагревания мезги наилучшим образом подойдет одноходовой теплообменник, так как уменьшение числа ходов позволит сократить потерю продукта и уменьшит нагревание мезги. Применение линзового компенсатора позволяет компенсировать температурные удлинения, возникающие из-за высокой разности температур между трубным и межтрубным пространством.

С целью эффективности ферментативного гидролиза пектина и повышения выхода сока при прессовании необходимо проводить кратковременное нагревание мезги при температуре 70 оС. Для подбора оптимальных режимов нагрева мезги необходимо выполнить расчет кожухотрубно-

го теплообменника, который включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям.

Список литературы

1. Фруктовые и овощные соки. Технология, химия, микробиология, экспертиза, значение и нормативное регулирование / А. Аскар [и др.]. СПб.: Профессия, 2004. 640 с.

2. Кавецкий Г. Д., Касьяненко В.П. Процессы и аппараты пищевой технологи: учеб. пособие, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2008. 591 с.

3. Дипломное проектирование по механизации переработки сельскохозяйственной продукции: учеб. пособие / А.А. Курочкин [и др.]. М.: КолосС, 2006. 424 с.

4. Машины и аппараты пищевых производств: учеб. для вузов / С.Т. Антипов [и др.]. М.: Высш. школа, 2001. 680 с.

5. Самсонова А.Н. Технология и оборудование сокового производства. М.: Пищевая промышленность, 2002. 180 с.

Давыдова Елена Викторовна, канд. техн. наук, доц., elen-davidova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ганков Евгений Александрович, магистр, gankov82@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS AND PROBLEMS OF HEA TING PULP INHEA TEXCHANGERS

E.V. Davidova, E.A. Gankov

The analysis of the problems and the process of heating the pulp in the heat exchangers in the production offruit juice concentrate is considered.

Key words: heating the pulp, the production offruit juice concentrate, heat exchangers, heat exchangers.

Davidova Elena Viktorovnа, candidate of technical sciences, docent, elen-davidova@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gankov Evgeny Alexandrovich, masters, gankov82@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University