4.2 Нагрівання, охолодження, пастерізація й стерізація

Основи пастеризації і стерилізації

Для пригнічення мікроорганізмів в продуктах харчування і виробничих середовищах застосовується стерилізація – спосіб знешкодження, аналогічний пастеризації, але здійснюваний при температурах вище 100°С впродовж певного часу.

Основоположником пастеризації є Л. Пастер. Великий вклад в теорію і практику цього процесу вніс Г.А. Кук, що уперше створив теорію пастеризації рідких середовищ в потокових теплообмінних апаратах.

Тепловий спосіб знешкодження харчових продуктів і середовищ досі є вирішальним в промисловості, попри те, що останнім часом є ряд тих, що конкурують з ним, але доки ще дорогих способів. Серед них представляють інтерес наступні: обробка харчових середовищ струмами високої частоти і ультразвуковими коливаннями, опромінення їх ультрафіолетовими, інфрачервоними і іншими променями, виділення мікроорганізмів в полі дії відцентрових сил та ін.

Останнім часом для стерилізації застосовують пароконтактные пристрої, спосіб знешкодження рідин шляхом обробки їх в поле дії відцентрових сил, хімічні стерилізуючі засоби.

Теплові труби

Особливе місце займає передача тепла за допомогою теплових труб. Теплова труба (мал. 4.3) є герметично закритою трубою діаметром від 15 до 100 мм і завдовжки від 2 до 6 м, частково заповнену рідким теплоносієм.

П

Малюнок 4.3 Принцип дії теплової труби

ри виборі теплоносія для теплової труби доцільно брати рідини з високою теплотою пароутворення і теплопровідністю, з низькою в'язкістю в

рідкому і пароподібному станах, з великим поверхневим натягненням, хорошою змочуваністю металу труби і, нарешті, з необхідною температурою кипіння. Такими рідинами є вода, спирт, фреони та ін.

У частині труби (зоні нагріву або випару), що нагрівається, рідкий теплоносій випаровується, потім отримана пара переноситься в охолоджувану частину труби, де він конденсується за рахунок відведення тепла через стінку труби до охолоджувального середовища. Нарешті, отриманий в зоні охолодження конденсат повертається в зону випару і процес повторюється.

Рух пари із зони випару в зону конденсації відбувається за рахунок різниці тисків насиченої пари в цих зонах. Повернення конденсату в зону випару в зображеній на мал. 4.3, а трубі Перкинса здійснюється за рахунок сили тяжіння, а в сучасних теплових трубах – під дією капілярного тиску, що виникає в капілярно-пористому матеріалі – гніті (викладеному на внутрішній поверхні труби) (мал. 4.3, б) під дією сил поверхневого натягнення.

Теплові труби можна застосовувати як для нагрівання так і для відведення тепла.

Розрахунок теплообмінників

Для теплообмінників проводить проектний і перевірочний розрахунки. Конструктивний розрахунок роблять при проектуванні нового теплообмінника, коли відомі або задані кількість продукту, що нагрівається або охолоджуваного, і його параметри на вході в теплообмінник і на виході з нього. При цьому визначають не¬обходжену поверхню теплообміну, витрату теплоносія або холодагенту, геометричні розміри теплообмінника заданої конструкції, його гідравлічний опір і механічну міцність.

Перевірочні розрахунки виконують для того, щоб визначити, чи можна використати наявний теплообмінник для тих або інших цілей, визначуваних технологічними вимогами. При цьому дуже важливо правильно вибрати оптимальні швидкості руху потоків, оскільки це має вирішальне значення при конструюванні і експлуатації теплообмінника.

Зі збільшенням швидкості w потоків збільшується коефіцієнт теплопередачі K, а отже, зменшується необхідна поверхня теплопередачі, що у свою чергу веде до зменшення габаритних розмірів теплообмінника і його вартості. Крім того, зі збільшенням швидкості зменшується можливість утворення нагари і інших забруднень на поверхні нагріву. Проте при надмірному підвищенні швидкості руху потьоку збільшується гідравлічний опір теплообмінника, що призводить до вібрації труб і гідравлічних ударів.

Оптимальна швидкість визначається з умов досягнення бажаної міри турбулентності потоку Re > 10 000.

Гідравлічний розрахунок теплообмінник апаратів. Мета гідравлічного розрахунку полягає у визначенні опору, що створюється теплообмінником, і потужності, необхідної для переміщення рідини через нього. При цьому гідравлічний розрахунок може вказати на непридатність цієї конструкції з точки зору створюваного нею опору або на необхідність зменшення швидкостей руху середовищ, збільшення перерізів для їх руху і вжиття інших заходів для істотного зниження опору.

З іншого боку, якщо опір теплообмінника невеликий, то можна приймати більш високі швидкості середовищ і завдяки збільшенню коефіцієнта теплопередачі отримувати ефективніші і компактніші пристрої.

Конденсатоотводчики

Для відведення конденсату гріючої пари з поверхневих теплообмінників і випарних апаратів застосовують конденсатоотводчики, які окрім автоматичного і

Малюнок 4.4 Схема дії термодинамічного конденсатоотводчика

безперервного відведення конденсату не випускають з апарату гріюча пара.

Останніми роками замість поплавцевих конденсатоотводчиков отримують широке застосування термодинамічні конденсатоотводчики як ефективніші. Принцип дії термодинамічного конденсатоотводчика грунтований на використанні явища аеродинамічного ефекту. Суть цього явища полягає в тому, що якщо з отвору 4 в стінці 1 (мал. 4.4, а), над якою вільно в тих, що направляють 3 встановлена пластина 2, виходить з великою швидкістю повітря або пара, то його потік не віддалить пластину від стінки, а, навпаки, наблизить до неї.

Це пояснюється тим, що при певних співвідношеннях діаметрів D пластини і d отвору між стінкою і пластиною внаслідок великої швидкості потоку утворюється розрідження, завдяки якому пластина переміщатиметься назустріч набігаючому потоку, зменшуючи тим самим величину потоку повітря або пари.

Конденсат може бути видалений з апарату і за допомогою простого пристрою – гідравлічного затвора (мал. 4.5, а і б) і гідравлічної колонки з циркуляційним контуром (мал. 4.5, в).

Малюнок 4.5 Пристрої для відведення конденсату

Теплове устаткування

Класифікація хлібопекарських і кондитерських печей

Хлібопекарські печі за призначенням, системі обігріву і конструктивним особливостям дуже різноманітні і можуть бути класифіковані за декількома ознаками:

1) по технологічному призначенню: печі універсальні – для випічки широкого асортименту формового хліба і хлібобулочних виробів і спеціалізовані – для випічки бубличних, борошняних кондитерських і національних виробів;

2) по продуктивності: печі малої продуктивності площею череня до 8 м², середній продуктивності – до 25 м² і великій продуктивності з площею понад 25 м²;

3) по мірі механізації: печі із стаціонарним черенем, висувним черенем, з ланцюговим люлечно-подиковым конвеєром, із стрічковим сітчастим або суцільним металевим черенем, з кільцевим черенем, карусельні, расстойно-печные агрегати. Якщо усі операції робляться вручну (посадка і вивантаження виробів, управління тепловим і вологістю режимами пекарної камери), то такі печі є немеханізованими. Печі з використанням прогресивних видів палива – напівавтомати.

Расстойно-пічні агрегати є автоматизованими, оскільки усі процеси здійснюються автоматично з пульта управління;

4) по ширині череня: печі: з малою шириною череня – 850...1400 мм, з середньою шириною – 1500...2100 мм і печі з великою шириною череня – 2100...3100 мм;

5) за способом обігріву пекарної камери: печі жаровые, печі з канальним обігрівом, з рециркуляцією продуктів згорання, печі з пароводяним обігрівом (трубки Перкинса), печі із спалюванням газу в пекарній камері (кондитерські печі), печі з електрообігрівом (ТЕНі, світлі випромінювачі, струми високої частоти), печі з комбінованим обігрівом (канали і пароводяні трубки);

6) по конструктивних особливостях: печі тупикові і наскрізні (прохідні або тунельні).

Тепловий баланс хлібопекарської і кондитерської печі

При створенні нових або реконструкції діючих печей виникає необхідність перевірки їх теплової характеристики. Незалежно від конструктивних особливостей печей теплова характеристика їх визначається тепловим балансом.

Рівняння теплового балансу хлібопекарської печі може бути виражене в загальному вигляді формулою

Q_п = Q_к.п + Q_вт.п (4.21)

де Q_п – кількість тепла, що поступає в піч, Вт;

Q_к.п – кількість тепла, корисно використаного піччю, Вт;

Q_вт.п – кількість тепла, втраченого піччю, Вт.

Ліва частина рівняння є кількістю, тепла, що поступає в піч, а права - суму корисно використаного тепла(на випічку хлібних виробів і утилізацію тепла з газами, що відходять) і витрат(втрат) тепла в довкілля(на випар води і перегрівання пари, на зволоження середовища пекарної камери, на нагрів повітря, що проходить через пекарну камеру, на нагрів конвеєрів, люльок, сітки череня, форм, листів; втрати від зовнішніх поверхонь обмурування і фундаменту та ін.).

Щоб встановити загальний тепловий баланс печі, необхідно визначити теплові баланси по кожному елементу печі.

Тепловий баланс пекарної камери печі визначається на 1 кг гарячих виробів по формулі

Q_п.к = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ + q₇ + q₈ (4.22)

де Q_п.к – кількість тепла, що передається в пекарну камеру на 1 кг гарячої продукції, кДж/кг;

q₁ – теоретична витрата тепла на випічку (корисно використане тепло), кДж/кг;

q₂ – втрати тепла на перегрів пари, кДж/кг;

q₃ – втрати тепла з вентиляційним повітрям, кДж/кг;

q₄ – втрати тепла в навколишнє середовище транспортними пристроями й пристосуваннями, кДж/кг;

q₅ – втрати тепла в навколишнє середовище через огородження пекарної камери, кДж/кг;

q₆ – втрати тепла фундаментом, кДж/кг;

q₇ – втрати тепла випромінюванням через отвори пекарної камери в навколишнє середовище, кДж/кг;

q₈ – тепло, затрачуване на акумуляцію або одержуване внаслідок акумуляції в конвеєрних печах, кДж/кг; q₈ = 0.

Основним регульованим параметром процесу нагрівання (охолодження) є кінцева температура продукту, яка залежить від продуктивності установки, параметрів теплоносія (холодагенту), коефіцієнта теплопередачі і конструктивних особливостей пристрою.