1. Очистка молока пассивная.

Пропускная способность фильтра, кг/ч:

(4.161)

где F – общая площадь фильтра, м²;

 – скорость протекания через фильтр, м/ч;

 – плотность молока. (=1027…1029 кг/м³).

Общая площадь фильтра:

(4.162)

где F_о – площадь сечения одного отверстия фильтра, м²;

n – число отверстий.

Скорость протекания молока через фильтр, м/ч:

(4.163)

где  – коэффициент истечения молока ( = 0,8);

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

h – высота столба продукта над фильтром, м.

Площадь фильтрующей ткани, необходимой для фильтрации молока

(4.164)

где М_ф – количество молока, подлежащего фильтрации, л;

q – количество молока, проходящего через 1 м² фильтрующей ткани, л/м².

2. Очистка молока активная осуществляется на сепараторах-очистителях и центрифугах очистителей-охладителей. При очистке молока с использованием сепаратора-очистителя определяют время непрерывной работы по формуле

(4.165)

где V_гр – объем грязевого пространства барабана, л;

P – процент отложения сепараторной слизи от общего объема пропускаемого молока (P = 0,03…0,06%);

Q – производительность очистителя, л/ч.

Вместимость грязевого пространства барабана сепаратора-очистителя, л:

(4.166)

где R_max и R_min – максимальный и минимальный радиусы грязевого пространства, см;

Н – высота пакета тарелок барабана, см.

3. Охлаждение молока. В условиях различных хозяйств оборудуют холодильные камеры, предназначенные для кратковременного хранения как молочных, так и других продуктов. В этих камерах холод расходуется:

 на теплопередачу Q₁ через внешние ограждения камеры (стены, пол, потолок);

 охлаждение продукта с тарой Q₂;

 охлаждение приточного воздуха при использовании вентиляции для камеры Q₃;

 потери холода при открывании дверей и нахождении в ней людей Q₄.

Расход холода в камере за сутки, Дж/сут, определяется суммой

Q_сут = Q₁ +Q₂ + Q₃ + Q₄. (4.167)

Расход холода на теплопередачу через внешние ограждения камеры, Дж/сут:

Q₁ = F·k(t_н– t_в)·24, (4.168)

где F – площадь поверхности стен, пола и потолка камеры, м²;

k – коэффициент теплопередачи стен, пола потолка, Вт/(м²·С);

t_н  наружная температура воздуха, С;

t_в – внутренняя температура воздуха камеры, ^оС (t_в = 2…4С).

Наружная температура воздуха, С:

t_н = 0,4t_см + 0,6t_max, (4.169)

где t_см и t_max – среднемесячная и максимальная суточная температура самого жаркого месяца, С.

Расход холода на охлаждение продукта и тары в камере

Q₂ = (G·c + G_т·с_т) (t₁ – t₂), (4.170)

где G и G_т – масса продуктов и тары, поступающих на охлаждение, кг/сут;

с и с_т – теплоемкость продукта и тары, Дж/(кг·С);

t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры продукта и тары, С.

Расход холода на охлаждение приточного воздуха при использовании вентиляции в камере

Q₃ = ·V·_в·(_н  _к), (4.171)

где  – кратность смены воздуха в сутки ( = 2);

_в  плотность воздуха камеры, кг/м³;

V – вместимость камеры, м³;

_н и _к – теплосодержание наружного воздуха и камеры при его соответствующей влажности, Дж/кг.

Расход холода при открывании дверей и на пребывание людей в камере и другие потери приближенно определяют из выражения

Q₄ = (0,2…0,4)·Q₁, (4.172)

В практике общее суточное количество холода Q_сут при кратковременном хранении продуктов в камере подают от холодильной установки периодически, но с перерывами, не превышающими 3…5 ч. Для выбора холодильного агрегата, предназначенного только для охлаждения камеры, задаются числом часов его работы в сутки и определяют необходимую часовую холодильную мощность, Дж/ч:

(4.173)

где t – принятое число часов работы установки в сутки.

Если же одну и ту же холодильную установку используют для охлаждения молочных продуктов в охладителе и камере, то холодильная мощность установки определяется суммой

(4.174)

При кратковременной работе охладителя (3…4 раза в сутки по 1…1,5 ч) подбирают установку по наибольшему часовому потреблению холода и используют ее поочередно.

Обычно в холодильных камерах для их охлаждения устанавливают рассольные батареи и батареи непосредственного испарения. Для таких агрегатов батареи выполняют из стальных гладких труб в виде змеевиков диаметром 56 мм. Концы труб соединяют двойными чугунными отводами или сваркой. Хладоновые батареи непосредственного испарения изготовляют из медных труб диаметром 16…18 мм, а для увеличения площади теплопередачи трубы оборудуют ребрами. По расположению в батареях труб они бывают горизонтальные и вертикальные, а по устройству – одно- и двухрядные.

Общая площадь батареи, м², для заданных условий определяется отношением

(4.175)

где Q – тепловая нагрузка батарей, установленных в камере, Дж/ч;

k – коэффициент теплопередачи, Дж/(м²·С);

t – разность температур воздуха камеры и циркулирующего рассола или испаряющегося хладона, С.

Зная общую площадь поверхности батареи, задаются диаметром труб, определяют их длину и с учетом размеров камеры подбирают длину батареи и число труб в ряду.

Технологический расчет охладителей. В охладителях молока теплообмен происходит через стенки из-за разности температур между охлаждаемой и охлаждающей жидкостями.

В односекционном охладителе при охлаждении молока вода с начальной температурой t_н вступает в теплообмен с молоком уже на входе в охладитель, в остальной части охладителя оно, проходя противотоком навстречу движению молока, нагревается до конечной температуры t_к. Молоко постепенно отдает свою теплоту через стенки воде и охлаждается в пределах температур t_н → t_к. В начальный период процесс теплоотдачи происходит интенсивно, а в конце затухает. Выравнивание температур t_к и t_н не наступает ввиду ограниченных размеров охладителя. В конце процесса конечная разность температур

t_к – t_н = _к = 2…5С. (4.176)

Следовательно, в односекционном охладителе при начальной температуре воды t_н = 10С молоко можно охладить до t_к = 12…15С.

В двухсекционном охладителе характер теплообмена такой же, как и в односекционном, но весь процесс состоит из двух периодов. В первый период (водяная секция) водой уносится большая часть теплоты молока, а во втором периоде (рассольная секция) благодаря более низкой начальной температуре рассола t_н молоко охлаждается до температуры t_к = 2…5 С в зависимости от величины t_н.

По значению конечной разности температур _к = t_к – t_н, _к = t_к – t_н судят о качестве охладителя. Чем меньше значение _к, тем лучше охладитель.

В процессе охлаждения молоко отдает воде или рассолу количество теплоты, Дж:

Q = M·C·(t_н – t_к), (4.177)

где М – количество охлаждаемого молока, кг;

С – теплоемкость молока, С = 3,89·10³, Дж/(кг·С);

t_н и t_к – начальная и конечная температуры молока, С.

Для охлаждения молока требуется определенное количество воды или рассола, которое находят по коэффициенту кратности расхода воды (водяное число) n_в или рассола n_р из выражения

(4.178)

(4.179)

где B_в и B_р – количество воды и рассола, проходящих через охладитель, л/ч;

M – пропускная способность охладителя, л/ч.

При работе охладителя имеет место тепловой баланс: для односекционного охладителя при охлаждении водой

Q_м = Q_в = М·C·(t_н  t_к) = n_в·М·C_в·(t_к – t_н); (4.180)

при охлаждении рассолом

Q_м = Q_р = М·C·(t_р  t_к) = n_р·М·C_в·(t_к – t_н); (4.181)

для двухсекционного охладителя:

на водяной секции

Q_м = Q_в = М·C·(t_н  t_о) = n_р·М·C_в·(t_к– t_н); (4.182)

на рассольной секции

Q = Q_р = М·C·(t_о – t_к) = n_р·M·C_в·(t_к– t_н); (4.183)

где C_р и С_в – теплоемкость рассола и воды, Дж/(кг·С);

t_о – температура молока в конце водяной секции, принимаемая равной t_о = t_н + _к при _к= 2…5С.

Обычно значения t_н, t_к и t_н бывают известны или заданы, а конечную температуру воды t_к и рассола t_к рассчитывают из уравнения теплового баланса.

Охладители выбирают по следующим основным показателям:

площади рабочей поверхности F, м²;

исходя из заданной производительности М, кг/ч;

виду хладоносителя (вода, рассол, вода и лед, вода и рассол), значению их начальных температур t_н и t_н и принятых коэффициентов кратности расхода воды n_в и рассола n_р.

Рабочей поверхностью охладителя называется та часть его поверхности, которая с одной стороны омывается молоком, а с другой – хладоносителем.

Для плоских трубчатых охладителей площадь рабочей поверхности

F = (·d – 2a)·l·n, (4.184)

где d – диаметр труб, м;

a – ширина пропайки между трубами, м;

l – рабочая длина труб, м;

n – число труб.

Площадь рабочей поверхности цилиндрических охладителей приближенно определяют из выражения

F = F₁·n + F₂, (4.185)

где F₁ – площадь поверхности одного (среднего) витка, м;

n – число витков;

F₂ – площадь поверхности нижней цилиндрической части при средней высоте (Н + h)/2, м²;

Н и h – наибольшая и наименьшая высота цилиндрической части охладителя, м.

Тогда

(4.186)

где D и d – наружный и внутренний диаметры витка, м;

S – длина контура витка, м.

Найдем

(4.187)

Более точно площадь охладителя определяют из уравнения теплового баланса

Q = F·k·t_ср = М·С·(t_н – t_к), (4.188)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·С);

t_ср – средняя логарифмическая разность температур, С.

Среднюю логарифмическую разность температур определяют по формуле Грасгофа

(4.189)

где t_max и t_min – разность температур между теплообменивающимися средами в начале и конце процесса.

Из уравнения теплового баланса можно определить рабочую поверхность охладителя при заданных значениях величин М, С, t_н, t_к и после определения значений k и t_ср.

Для односекционного охладителя

(4.190)

для водяной секции двухсекционного охладителя

(4.191)

для рассольной секции

(4.192)

Количество рабочих элементов охладителя (трубки, пластины и т.п.) определяют по зависимости

(4.193)

где f – площадь одного рабочего элемента, м². Для пластинчатых охладителей f = 0,043 м².

4. Расчет пастеризаторов молока. Расход теплоты, Вт, пастеризатора определяют по уравнению теплового баланса

Q = F·k·t_ср = М·С·(t_к – t_н), (4.194)

где F – площадь рабочей поверхности пастеризатора, м²;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·С);

t_ср – средне логарифмическая разность температур между паром в рубашке и продуктом, С;

М – массовая производительность, кг/ч;

t_к и t_н – конечная и начальная температуры продукта, С.

Расход теплоты для одного и того же пастеризатора может изменяться в больших пределах в зависимости от температурных условий. В некоторых пределах может варьировать и массовая производительность пастеризатора. Это говорит о необходимости выбора пастеризатора для заданных условий расчетным путем.

Преобразуя основную формулу теплового балланса пастеризатора (4.194), можно расчётным путём определить основные его параметры, т.е.

(4.195)

(4.196)

(4.197)

При расчете среднелогарифмической разности температур для паровых пастеризаторов необходимо иметь в виду, что температура нагревающей стенки будет одинаковой как в начале, так и в конце процесса.

Следовательно, при нагреве паром

(4.198)

где t_max и t_min – разность температур между греющей поверхностью и молоком в начале и конце процесса, С;

t_п – температура греющей поверхности, равная температуре пара, С;

t_н и t_к – начальная и конечная температуры молока, С.

Расход пара на работу пастеризатора определяют из уравнения теплового баланса

М·С·(t_к – t_н) = П·(i_п – i_к), (4.199)

Откуда часовой расход пара, кг/ч, определится по зависимости

(4.200)

где i_к, i_н – энтальпии пара и конденсата, Дж/кг;

_т – тепловой к.п.д. пастеризатора.