Обладнання, в якому використовується теплова дія електричного струму промислової частоти.

Для нагрівання харчових продуктів використовують два типи електронагрівання: прямий та непрямий.

При прямому нагріванні продукт включається безпосередньо в електричний ланцюг. При цьому користуються струмом змінної частоти для запобігання небажаного явища електролізу.

Електроконтактне нагрівання використовують для розмороження (дефростації) напівфабрикатів, нагрівання водяно-борошняних виробів та випікання безскоринкових виробів.

Для оброблення плодів, ягід, овочів перед пресуванням, бурякової стружки перед екстракцією використовують електроплазмоліз, який руйнує оболонку клітини паренхімної тканини. Іншими словами, відбувається денатурація білка протоплазми клітини, в результаті якої цілісність клітковихстінок порушується. Це покращує виділення соку при пресуванні та дозволяє швидше дифундувати розчиненим речовинам з клітинного соку в екстрагент.

В умовах непрямого нагрівання теплота, виділена нагрівальним елементом, передається продукту шляхом теплопровідності, конвекцією або випромінюванням. Для ведення процесу використовують спеціальні електротермічні установки. Наприклад, в хлібопекарній та кондитерській промисловості використовують печі з електронагріванням, установча потужність яких досягає 150 кВт і більше. У виноробній промисловості установки з електричним нагріванням застосовуються для пастеризації.

Нагрівані бувають відкриті рамкові - ніхромовий провід, натягнутий між ізоляторами, або закриті - спіраль прикріплена до трубки або керамічного стержня. Більш зручні трубчасті єлектронагрівачі.

Електронагрівачі серії ТЕН виготовляють різної конфігурації, їх споживча потужність від 0,4 до 5 кВт. ТЕНи використовують для нагрівання повітря в печах, олії та харчових жирів до температури 250-300°С. Електронагрівачі серійНВСтаНВСЖ використовують для нагрівання повітря в печах, сушильних шафах, калориферах тощо до температури 400 - 600°С.

У даний час досить перспективним є використання високотемпературних кварцових випромінювачів інфрачервоного нагрівання.

Наведені приклади нагрівачів та охолод жувачів не охоплюють всього різноманіття теплообмінників, що використовуються в харчовій промисловості. При необхідності, з конструкціями інших теплообмінних апаратів можна ознойомитись в підручниках технологічного обладнання відповідних галузей харчової промисловості.

7. Обладнання для випарювання, згущення та кристалізації харчових продуктів

Суть процесу випарювання полягає в фазовому переході розчинника під час кипіння із рідкого стану в паровий.

У харчовій промисловості розрізняють різні методи випарювання. Перший - це випарювання з одноразовим використанням тепла: під тиском, під вакуумом, періодичної та напівперіодичної дії в одиничному апараті. Другий - це випарювання з багаторазовим використанням теплоти: з ступінчастим використанням теплота, з термокомпресором.

За способом підведення теплоти процеси випарювання поділяють на дві групи:

• випарювання при передаванні теплоти від теплоносія через стінку. У цьому разі теплоносієм може бути гарячий газ або водяна пара;

• випарювання при безпосередньому контакті теплоносія з випарюваним розчином. У цьому випадку можна застосовувати метод заглибленого горіння, коли горючі гази спалюють безпосередньо в рідині, в яку занурюють газові пальники.

В окремих випадках під час випарювання розчинів в концентрованому розчині генеруються та нарощуються кристали розчиненої речовини (сіль, цукор). Таке випарювання називається випарюванням з кристалізацією.

Процес пароутворення до настання моменту кипіння називається випаровуванням.

Процес утворення пари під час кипіння називається випарюванням. Самовипаровування - це процес, що від бувається зарахуноктеплоги, яка міститься в самій рідині. Якщо гаряча рідина певної температури надходить в простір, де тиск такий, за якого рідина кипить при нижчій температурі, то надлишкова теплота рідини витратиться на її випаровування.

Основні вимоги до випарних апаратів аналогічні до тих, що наведені для теплообмінників.

Для інтенсивного теплообміну в випарних апаратах необхідно створити якомога більшу швидкість циркуляції, забезпечити надійний відвід конденсату і несковденсованих парів з нагрівної камери, а також рівномірний розподіл теплоносія в нагрівній камері і оптимальний рівень киплячої рідини та надійний відвід вторинної пари.

Одиничні випарні апарати періодичної і напівперіодичної дії використовуються в кондитерський, консервній та інших галузях харчової промисловості. У цукровій промисловості використовуються вакуум- апарати періодичної дії для уварювання цукрових утфелів.

Випарні апарати безперервної дії використовуються як поодинокі так і в складі багатокорпусних випарних установок. Серед поодиноких прикладом може служити уніфікований змійовиковий вакуум-апарат 33-А (рис. 7.19), призначений для безперервного уварювання карамельної маси. Він має нагрівну частину І та випарювальну вакуум-камеру II. Змійовикова поверхня теплообміну нагрівної частини апарату змонтована всередині корпусу 1 з привареним дном 8 та кришкою 2 і виконана у вигляді двох змійовиків З, розташованих один всередині другого і з'єднаних послідовно за допомогою труби 9. Зовнішня поверхня змійовиків обмивається нагрівною парою. Карамельна маса рухається всередині змійовика знизу вгору і нагрівається до кипіння. Далі кипляча маса через сопло 20 подається у випарювальну вакуум-камеру і збирається в конічному збірнику 17. Вторинна пара через патрубок 19 відводиться через сепаратор-ловушку (на рисунку не зображена) до конденсатора. Якщо уварювання карамельної маси відбувається безперервно, то вивантаження апарату здійснюється періодично. Для цього нижній збірник 12 з'єднують з вакуум-лінією, вирівнюють тиск у нижньому і верхньому збірниках. Після цього клапан 13 відкривають і карамельна маса перетікає в нижній збірник. Після повного спорожнення верхнього збірника клапан 13 закривають, з'єднують нижній збірник з атмосферою і відкривають розвантажувальний клапан 10. Дно конічних збірників підігрівається змійовиком 16 тарубашкою 11.

У цукровій промисловості багатокорпусні випарні установки оснащені випарними апаратами безперервної дії, які можуть бути циркуляційними, однопрохідними та прямотечійно-плівковими.

Уніфіковані циркуляційні апарати типу ПВВ мають площу поверхні нагрівання 1000,11800,1500,1800,2120 і2360м². Апарат ПВВ-2360(рис. 720) являє собою стальний циліндричний корпус 27 до якого кріпиться сферична кришка 32 та дно 22. Парова камера розташована в нижній частині апарату, обмежена плоскими горизонтальними трубними решітками 29 і 3 8 привареними до корпусу, завальцьованими трубками 3 7 діаметром 33 х 1,5 мм.

У центрі парової камери розміщена циркуляційна труба 26. Патрубки 5 і 15 призначені для підводу нагрівної пари, 2,17 і 21 для відведення конденсату в загальний колектор 3 з вихідним патрубком 1, вказувачем 16 рівня конденсату, два патрубки 24 - для відведення важких несконденсованих газів і два патрубки 28 для відведення легких несконденсованих газів.

Для забезпечення роботи апарату під тиском чи при розрідженні надсокова камера має кільця жорсткості 31.

У верхній частині надсокової камери закріплений сепаратор 35 для відокремлення від вторинної пари крапель соку, які відводяться із сепаратора по трубі 36 в циркуляційну трубу. Для візуального спостереження рівня соку в апараті встановлені оглядові стікла 10 та похилий патрубок 30 з вмонтованою лампою для освітлення надсокового простору. Контроль рівня соку здійснюється пристроєм 7. Апарат має сигнальні запобіжні клапани 4 на паровій і 9 на надсоковій камерах, а також термометри 6 і 11 та манометри 8 для контролю за температурою і тиском у цих камерах.

Три патрубки 20 призначені для подачі соку в апарат. На шляху входу соку стоять відбійні щитки 39 для запобігання змішуванню соків, які поступають і виходять з апарата. З цією метою патрубок 41 відведення соку з апарата, входить верхнім краєм в циркуляційну трубу. Патрубки 33 призначені для виходу вторинної пари, 34 - для виходу повітря, 23 і 42 - для зливання соку при спорожненні апарату, 18 - для підводу реагентів при хімічному очищенні кип'ятильних трубок і води при гідравлічному випробуванні апарата.

Апарат має лаз 19, опорні лапи 25. Для гасіння піни передбачена масельниця 14 з трубками 13 і 12, які відповідно з'єднані з паровою і соковою камерами. У чотирьох отворах фланцевого з'єднання дна установлені стержні 40 з різьбою для зручного і безпечного зняття днища.

Сік подається в апарат по патрубках 2 в підтрубний простір. За рахунок

різниці густини надсокової суміші в кип'ятильних трубках і соку в циркуляційній трубі, він циркулює. Вторинна пара з апарату виходить патрубком 33, пройшовши сепаратор 35.

На рис. 7.21 та 7.22 показані схеми однопрохідних

довготрубних випарних апаратів А2-ПВД-1,8 та А2- ПВД-4,5, які створені КТІХПом (УДУХТ) разом зі Смілянською філією УкрНДІхарчомаша.

Однопрохідні випарні апарати мають на 8 -10% вищий коефіцієнт теплопередачі в порівнянні з випарними апаратами з багаторазовою циркуляцією. Робоча довжина труб 8,8 м, діаметр 33x1,5 мм, площа поверхні нагрівання в апараті А2-ПРДВ-1,8 -1800 м ₂, в А2-ПДВ-4,5 - 4500 м ₂ • Час перебування соку в цих апаратах не перевищує 5 хвилин.

Прямотечійний плівковийапарат ВАПП - 1250 (рис. 7.23), розроблений ВНДІЦП, має вищі теплотехнічні показники в порівнянні з апаратами природної циркуляції.

Випарні апарати плівкового типу застосовуються і в інших галузях харчової

промисловості, наприклад, ними оснащені випарні установки для отримання згущеного молока.

На рис. 7.24 представлено плівковий вакуум-апарат з виносним калоризатором та нижнім розташуванням сепаратора. Калоризатор має пучок вертикальних трубок по їх внутрішній поверхні яких рухається продукт у вигляді стікаючої плівки. Утворена вторинна пара рухається в центральній частині трубок.

Плівковий режим течії забезпечує високі показники інтенсивності теплообміну.

Багатокорпусні випарні установки. Вторинна пара, що

утворюється у випарному апараті, за вмістом теплоти майже рівноцінна гріючій парі вищого тиску. При значних змінах тиску, наприклад, від 0,02 МПа до 0,5 МПа, тобто в 25 разів, повний тепловміст змінюється лише на 5,4%, а прихована теплота випарювання на 10,6%. Це й привело до ідеї вторинного використання пари і створення багатокорпусних випарних установок. У харчовій промисловості такі установки широко використовуються для випарювання цукрових розчинів, для згущення молока, томатного концентрату, отримання глюкозних сиропів тощо.

Схема трьохкорпусної плівкової вакуум-випарної установки для згущення цільного та знежиреного молока подана на рис.7.25. Принцип дії полягає в тому, що молоко насосом 31 подається через лічильник 30 в двохсекційний трубчатий підігрівач першого ступеня 11, перша секція якого нагрівається вторинною парою, якапоступає із сепаратора 12, друга секція - вторинною парою, якапоступає із сепаратора 18 другого корпусу. Підігріте молоко виходить з підігрівана першого ступеня і направляється на молокоочищувач 32, потім в двохсекційний підігрівач 40 другого ступеня.Перша секція цього підігрівана нагрівається вторинною парою, яка поступає із сепаратора 24, друга - інжектованою парою. Нагріте молоко надходить в калоризатор 22, у міжтрубний простір якого направляється пара інжекторів 20 і 21. Рух нагрівної пари і продукту в калоризаторі прямотечійний. У калоризаторі всіх корпусів продукт подається через форсунки 13. Молоко рівномірно розподіляється по трубках калоризатора завдяки перфорованим перегородкам у верхній частині калоризаторів. Киплячий продукт тонким шаром стікає в нижню частину калоризатора і переходить в сепаратор 24. Звідси продукт насосом 25 направляється в калоризатор 19, де нагрівається вторинною парою, що поступає із сепаратора 24. Із міжтрубного простору калоризатора 19 частина вторинної пари забирається на інжектори 20 і 21.

Із калоризатора 19 молоко переходить у сепаратор 18 і насосом 26 направляється в підігрівач 17, який нагрівається вторинною парою, утвореною в сепараторі 24.

Після підігрівана 17, молоко спочатку надходить в калоризатор 14, а потім в сепаратор 12. Готовий згущений продукт із сепаратора 12 відводиться безперервно насосом 29, на нагнітаючому патрубку якого розміщено дроселюючий вентиль 34 для повернення частини або всього згущеного молока в підігрівач 17.

Конденсат з калоризатору 22 надходить в калоризатор 19, а потім в калоризатор 14, звідки через повітровідділювач 16 відводиться насосом 28. На шляху конденсату встановлені підпірні шайби 9,23, які виконують роль

конденсатовідвідника. Підпірні шайби 15, 27 розташовані також на повітровідділювачі 16 та нагнітаючому патрубку насосу 28.Із повітровідділювача повітря і несконденсовані гази надходять у конденсатор змішування 8, а звідти відсмоктуються ежектором 6, пароповітряна суміш із якого надходить в проміжний конденсатор 5. Звідси вона відсмоктується ежектором 4 у зовнішнє середовище.

Охолоджуюча вода подається послідовно в конденсатори через вентиль

3. проходячи спочатку по трубах 5, а потім в розбризкуючі пристрої конденсатора 8.

Ежектор 7 є пусковим і під час роботи вимикається. В усі ежектори і інжектори гостра пара потрапляє із паророзподілювача 2, перед яким встановлений уловлювач води 1.

У кондитерській промисловості застосовують вакуум-апарат для уварювання начинки ємністю 50 л (рис. 7.26) з мішалкою. Він складається з внутрішньої мідної чаші 12, стальної парової оболонки 11, мідного ковшика 4. Нагрівна пара подається в оболонку згори, а конденсат відводиться знизу. На відводі нагрівної пари 10 встановлено манометр 9 та запобіжний клапан. Видалення повітря з оболонки і її продувка здійснюється через кран 1. Для контролю тиску і температури всередині апарату служать вакуум метр 7 та термометр 5. Вторинна пара відводиться через патрубок 6. Мішалка 13 приводиться в рух від електродвигуна 2 через редуктор 3. Апарат має кран 18 для завантаження продукту та патрубок 14 з затвором 15 для розвантаження продукту, оглядове вікно 17.

У цукровій промисловості використовують вакуум-апарати періодичної дії, процес випарювання супроводжується кристалізацією цукру.

Вакуум-апарат з механічним циркулятором А2-ПВР (рис.7.27) являє собою

апарат періодичної дії з підсиленою циркуляцією утфелю за допомогою механічного циркулятора.

Він складається з корпусу 5 з верхнім і нижнім конічним днищем та кришкою. У верхній частині розташований сепаратор 7, парова камера З знаходиться в нижній частині корпусу. До днища апарату прикріплено пристрій 1 для вивантаження утфелю з апарату, який керується двома пневмоциліндрами. До дна апарату прикріплено кільцевий колектор 17 з патрубками для рівномірної подачі продукту в апарат. У верхній частині апарату розташований затвор 14, через який відводиться вторинна пара. Керування затвором здійснюється за допомогою пневмоциліндра.

Всередині апарату знаходиться механічний циркулятор, виконаний у вигляді лопатевого мішального пристрою. Він складається із мішалки 2, розташованої на валу 4. Мішалка має знімні лопаті, які прикріплені до

ступиці за допомогою стяжних кришок.

Вал 4 закріплений у підшипниках ковзання і за допомогою муфти 6 з'єднується з валом приводу 11. Вал 11 закріплений в корпусі роликового радіально-упорного підшипника через сальникові ущільнення.

Привід має електродвигун 8 потужністю 22 кВт, клинопасову передачу 9 і циліндричний двоступеневий редуктор 10. Частота обертання валу циркулятора 8,1 с _-1.

Для обслуговування приводу і верхнього підшипника передбачена площадка 13 з огородженням 12. До площадки кріпляться сходинки 15.

Апарат має патрубки 16, для подачі продукту; 17 - для відводення пари в нагрівну камеру; 18 - для відведення конденсату; 19 - для відведення несконденсованих газів.

Апарат комплектується засобами автоматичного контролю та управління процесом.

Прикладом безперервнодіючого випарного апарату, в якому випарювання супроводжується кристалізацією, може служити вакуум- апарат безперервної дії для уварювання і кристалізації цукрових утфелів системи КТІХП (рис. 7.28).

На основі досліджень, проведених в КТІХП, розроблена конструкція вакуум-апарату безперервної дії (ВАНД), яка складається із трьох структурних елементів: концентратора (КЦ), кристалогенератора (КГ) та камери росту кристалів (КРК).

Апарат являє собою вертикальний циліндричний корпус, в якому змонтовано концентратор 4, виконаний у вигляді кільцевого сегменту з трубчастою поверхнею нагрівання. Він герметично відокремлений від інших камер апарату, що дозволяє підтримувати в ньому тиск, незалежно від тиску в інших частинах апарату.

Кристалогенератор 7 також виконаний у вигляді кільцевого сегменту з трубчастою поверхнею нагрівання і своєю верхньою відкритою частиною з'єднаний з надутфельним простором КРК. Вилучення утфелю з КГ здійснюється через зливну трубу 8, положення якої по висоті регулюється пристроєм 6. Для повного спорожнення КГ в нижній його частині змонтована засувка.

Камера росту кристалів виконана у вигляді циліндричної ємності з трубчастою поверхнею нагрівання. За допомогою циліндричної 3 і радіальних 13 перегородок вона розділена на чотири секції: 1, II, III, IV. Киплячий утфель рухається послідовно по секціях і з останньої секції IV відводиться з апарату через розвантажувальний пристрій 12.

За сталого режиму апарат працює таким чином: цукровий розчин із збірника двома потоками § і § надходить в КЦ і КРК. В КЦ , завдяки підвищеному тиску, розчин згущується при температурі, яка перевищує температуру кристалоутворення на 10 -15°С,і по трубі 7 надходить в КГ.

В КГ розчин закипає, внаслідок зниження температури і вилучення частини розчинника самовипаровуванням, коефіцієнт пересичення його різко зростає, в камері КГ відбувається інтенсивне кристалоутворення. Необхідний вміст кристалів в утфелі в КГ регулюється числом циклів рециркуляції та часом перебування суспензії в камері КГ за рахунок перегріву розчину в КЦ та введеням пари в КГ.

Утфель із КГ безперервно надходить в І секцію КРК, куди також безперервно по трубі 5 надходить частина другого потоку цукрового розчину. Утфель переміщується із секції в секцію, уварюється і через

розвантажувальний пристрій 12 виходить із апарата. Управління роботою апарата автоматизоване.

Для охолодження утфелів у цукровому виробництві застосовують як горизонтальні, так і вертикальні кристалізатори з різними конструкціями поверхонь теплообміну.

Горизонтальний кристалізатор ПМК - 45 (рис.7.13) має обертову поверхню теплообміну у вигляді тонких дисків. Кристалізатор має горизонтальний коритоподібний корпус 14, в якому в передньому 2 та задньому 8 підшипниках з частотою 0,011с (0,64 об/хв) обертається пустотілий вал 16. На кінцях валу всередині стоять заглушки 4 та 11. На валу закріплені дві перемішуючі лопаті 17 і 6 та дванадцять дискових елементів теплообміну 15 загальною площею поверхні 70 м .На дисках 15 закріплені перемішуючі лопаті 13. Диски з'єднані між собою зовнішніми перехідними патрубками 12 так, що вода проходить через них послідовно. Диски мають секторні вирізи і кожний наступний диск повернутий своїм вирізом на 180° по відношенню до попереднього. Це забезпечує прохід утфелю вздовж кристалізатора. У кінці кристалізатора, по ходу утфеля, змонтована перегородка 5, яка утворює випускову секцію. У ній, в боковій стінці корпусу, передбачено виріз, де монтується жолоб для переходу утфелю з одного кристалізатора в інший. Для остаточного спорожнення кристалізатора від утфелю, в нижній частині правої торцевої стінки встановлено шиберний розвантажувальний пристрій 10 з ручним рейковим механізмом 9.

Охолоджуюча вода рухається в напрямку зворотному руху утфеля, тиск 0,15 МПа (1,5 кгс/см ). Вона по патрубку 7 надходить у правий кінець валу. Перед заглушкою 11 у валі є отвір, з якого вода по перехідній трубі 12 надходить в перший диск. Перетікаючи по таких трубках із диску в диск, вода через отвір перед заглушкою 4 надходить в протилежний кінець валу і через патрубок 1 виходить із кристалізатора.

Привід кристалізатора має електродвигун 20, потужністю 7,5 кВт, редуктор 19, черв'як 21 і черв'ячне колесо 22. За відсутності електроенергії черв'як може провертатися вручну за допомогою механізму 18. Мастило для змащення підшипників надходить з мастильниць 3.

На рис. 7.14 наведено вертикальний кристалізатор для кристалізації цукру охолодженням цукрових утфелів останнього продукту, який включає циліндричний корпус 1, оснащений патрубками 5 і 12 для подачі та виходу утфелю. Всередині корпусу змонтовано перемішуючий пристрій, який складається з трубовалу 3, на якому закріплені спіральні теплообмінні елементи 2, 4, 8. Трубовал змонтовано з можливим його реверсивним обертанням за допомогою гідропривода 6. Корпус кристалізатора і трубовал складається із окремих модулів, герметично з'єднаних між собою. Трубовал має перехідні камери 10 з патрубками для підведення і виходу охолоджувальної води у спіральні елементи теплообміну. На трубовалі змонтовано нижній 11 і верхній 7 вузли для подачі і виходу охолоджуючої води.

Для надійної експлуатації апаратів необхідно систематично очищати поверхню теплообміну від накипу та виробничих залишків. Спосіб очистки залежить від виду та ступеня забруднення, а також від конструкції апарату.

Існує декілька способів очистки теплообмінних поверхонь:

механічний - для очищення використовують шарошки, волосяні щітки, щітки з латунної проволоки, металеві йорші тощо;

хімічний - апарати виварюють 5% розчином каустичної соди, розчином хлорного вапна, 3 - 5% розчином соляної кислоти, 3 - 5% розчином

гідрооксида натрію;

гідравлічний - за допомогою струменю води або потоку води з великою швидкістю;

термічний - шляхом прогрівання трубок парою з наступним обприскуванням холодною водою.