книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

Расход острого пара согласно рис. 66, а определяют из следу­ ющего теплового баланса:

а

при этом конденсата tK принимают равной температуре греюще­ го пара /п; точнее tK= tn— (2ч-3°С).

Расход глухого пара определяют из теплового баланса, ана­ логичного балансу (150а):

Gd1 -f- Di = G"t0 -j- GKcKtK4- Qrl.

120

Приняв GK— D и tK= t n, получим формулу для определения расхода глухого пара D (кг/с)

Gcjt2— ^i) -f- Qп

D =

i ск t п

ИЛИ

Gc it2 — tx) х

(152>

i cK t n

Из формул (151) и (152) следует, что расход глухого пара всегда больше расхода острого пара, так как tn> t 2.

Применение перегретого пара для нагревания нецелесооб­ разно из-за низкого коэффициента теплоотдачи и возможного пригорания продукта.

Для отвода конденсата глухого пара из теплообменников применяют конденсатоотводчики, которые, кроме автоматическо­ го и непрерывного отвода конденсата, не выпускают из устрой­ ства греющий пар.

Н а г р е в а н и е г о р я ч е й в о д о й применяют значительно реже, чем водяным паром. Как правило, для этой цели исполь­ зуют отходящую горячую воду или конденсат пара.

Н а г р е в а н и е д ым о в ы м и г а з а м и возможно до 200— —300°С. Дымовые газы, отходящие из котельных установок (или полученные в результате сжигания твердого, жидкого или га­ зообразного топлива в специально предназначенных для этой це­ ли топках), применяют для сушки жома и дробины барды, на­ гревания воздуха, поступающего в сушильные установки для пищевых продуктов и др. Достоинством этого способа нагрева является возможность форсирования процесса и получения вы­ соких температур при атмосферном давлении, а недостатками — низкая теплоемкость газов и низкий коэффициент теплоотдачи,, из-за чего для достижения необходимой степени нагрева прихо­ дится пропускать большие объемы газов. Наряду с этим при обо­ греве дымовыми газами затруднено регулирование процесса, возможны перегрев и пригорание продукта, а при содержании в газах SO2, образующего с водяными парами H2SO3, наблюда­ ется быстрый износ стальных аппаратов вследствие усиленной коррозии.

Н а г р е в а н и е г о р я ч и м в о з д у х о м широко применяют в сушильных установках, например при получении сухого мо­ лока, сухарей, сахара, сухого солода и др. Для этого воздух, предварительно очищенный от взвешенных примесей, нагрева­

леднее время все большее применение в пищевой промышленно­ сти и в особенности на предприятиях общественного питания. В технике широкое применение получило нагревание сопротив­

121!

лением, т.е. пропусканием электрического тока через специаль­ ные нагревательные элементы, от которых тепло передается на­ греваемому телу путем лучеиспускания и конвекции. При этом на слой изоляции вокруг обогреваемого аппарата наматывают проволоку из нихрома (сплав, содержащий 20% Сг, 30—80% Ni и 0,5—50% Fe) диаметром 1—6 мм, через которую пропускают электрический ток. С наружной стороны электронагреватели по­ крывают слоем изоляции, уменьшающим потери тепла в окружа­ ющую среду. Нагревательные элементы, изготовленные из лен­ ты нихрома (тены), вставляются через стенку аппарата для не­ посредственного нагревания жидкости..-

Нагревание электрическим током обеспечивает равномерный и быстрый нагрев до 1000° С, легкое регулирование степени на­ грева путем изменения напряжения электрического тока или включения и выключения части нагревательных элементов, од­ нако этот способ нагрева еще дорогой.

2. ОХЛАЖДЕНИЕ

Для охлаждения продуктов широко применяют холодную речную и артезианскую воду, лед, смесь льда с солью, сухой лед, охлажденные рассолы NaCl и СаСЬ, сжиженные аммиак, фреоны и др.

Холодная вода как наиболее доступный и недорогой хладоиоситель широко используется в холодильниках, конденсаторах и других устройствах. В зависимости от времени года и климати­ ческих условий температура воды из водоемов составляет 12— 25° С, а из артезианских скважин — 6—12° С.

Расход воды на охлаждение определяют из теплового балан­ са, по которому тепло, выделенное при охлаждении G (в кг/с) продукта с теплоемкостью с [в Дж/кг-К)] от температуры t\ до ii воспринимается W (в кг/с) воды, которая при этом нагрева­ ется от L до L . Приняв теплоемкость воды св[в Дж/ (кг-К)]

НК

и коэффициент х =0,95-^0,97, учитывающий потери тепла в ок­ ружающую среду при охлаждении, запишем тепловой баланс:

0 Д ^ 2)* = « Ч ( 'Вк- 'в н)’

откуда расход воды на охлаждение W (в кг/с)

w = Gc(tj — t2)x

(153)

св(<вк — *вн)

При использовании льда можно получить температуру про­ дукта, близкую к нулю. Если добавить ко льду или снегу крис­ таллическую поваренную соль, то температура таяния этой сме­ си будет ниже нуля и величина ее определяется количеством за­ даваемой в смесь соли. Наиболее низкую температуру смеси (—21,2° С) можно получить при содержании в смеси 29% соли;

122

при этом практически удается снизить температуру воздуха в помещении до минус 13° С. Такой способ охлаждения трудоем­ кий и требует много льда и соли. Кроме того, при этом трудно поддерживать в холодильной камере равномерную температуру и влажность воздуха, что особенно важно при длительном хра­ нении пищевых продуктов.

При охлаждении продуктов твердой углекислотой (сухим льдом) в результате испарения ее температура среды понижает­ ся до минус 75—78° С и каждый килограмм ее при этом погло­ щает до 628 кДж тепла. Кроме охлаждающего действия, сухой лед, испаряясь, образует углекислый газ, в результате чего ат­ мосфера в холодильной камере обедняется кислородом и бакте­ риологические процессы, связанные с порчей пищевых продук­ тов, значительно замедляются.

Более совершенным является машинное охлаждение, осно­ ванное на свойствах сжиженных аммиака, фреонов и других га­ зов при испарении поглощать из окружающей среды большое количество тепла.

Для охлаждения холодильных камер используют и проме­ жуточные хладоносители, например рассолы NaCl или СаСЬ, которые после охлаждения другим хладоносителем (например, испаряющимся жидким аммиаком) циркулируют по трубам в холодильных камерах и охлаждают их. Подробно машинное охлаждение описано в главе XIII.

3. ОСНОВЫ ПАСТЕРИЗАЦИИ И СТЕРИЛИЗАЦИИ

Ряд пищевых продуктов (молоко и жидкие молочные про­ дукты, фруктовые и овощные соки, овощные и мясные консер­ вы, пиво и др.) и полупродуктов биохимических производств являются хорошей питательной средой для многих микроорга­ низмов, в том числе и для патогенных (болезнетворных), спо­ собных вызвать инфекционные заболевания.

Тепловая обработка (пастеризация и стерилизация) таких продуктов и сред играет большую роль в обезвреживании их от микроорганизмов, что очень важно для последующего сохране­ ния высоких пищевых качеств продуктов или проведения техно­ логических процессов в биологически чистых средах.

Под пастеризацией понимают такую тепловую обработку продукта, в результате которой погибают лишь вегетативные болезнетворные формы микроорганизмов, ее проводят при тем­ пературах ниже 100° С для продуктов, качество которых зна­ чительно снижается при нагревании их выше 100° С.

Для подавления микроорганизмов в продуктах питания и производственных средах применяется стерилизация — способ обезвреживания, аналогичный пастеризации, но осуществляе­ мый при температурах выше 100° С в течение определенного времени.

123

Основоположником пастеризации является Л. Пастер. Боль­ шой вклад в теорию и практику этого процесса внес Г. А. Кук, впервые создавший теорию пастеризации жидких сред в поточ­ ных теплообменных аппаратах.

Тепловой способ обезвреживания пищевых продуктов и сред до сих пор является решающим -в промышленности, несмотря на то что в последнее время имеется ряд конкурирующих с ним, но пока еще дорогостоящих способов. Среди них представляют интерес следующие: обработка пищевых сред токами высокой частоты и ультразвуковыми колебаниями, облучение их ультра­ фиолетовыми, инфракрасными и другими лучами, выделение микроорганизмов в поле действия центробежных сил и др.

Рассмотрим теоретические основы высокотемпературной об­ работки сред. Эффективность действия пастеризации определя­ ется степенью подавления патогенной микрофлоры (непатоген­ ная микрофлора при этом подавляется попутно). Установлено, что степень подавления микрофлоры зависит от температуры и времени теплового воздействия.

Зависимость необходимого времени пастеризации т от тем­ пературы t в большинстве случаев выражается следующим ло­ гарифмическим законом:

том полного уничтожения патогенной микрофлоры, с одной сто­ роны, и предотвращения физико-химических изменений в про­ дукте, вызываемых временным температурным воздействием,— с другой.

должительностью т до полного уничтожения микроорганизмов для любого продукта определяют опытным путем. Например,

Из приведенных данных видно, что чем ниже температура пастеризации, тем больше времени потребуется для достиже­ ния нужного эффекта. В соответствии с этим пастеризацию мо­ лока обычно проводят при (п=72^-75°С в течение 21—24 с.

При стерилизации консервов расчет процесса часто ведут по так называемому методу тепловых чисел. Тепловым числом ус­ ловно принято называть ту часть площади (рис. 67), ограничен­ ной кривой прогрева, которая расположена под изотермой t =

124

соков.

Следует иметь в виду, что продолжительное нагревание и охлаждение среды, особенно при высоких температурах, вредно

химических изменений в среде.

Особенно нежелателен продолжительный период нагрева и ох­ лаждения сред из-за неблагоприятного соотношения указанных скоростей при пониженных температурах. Продолжительность нагрева тн и охлаждения тох в непрерывном процессе должны

Одним из основных требований, предъявляемых к высоко­ температурной обработке пищевых сред, является быстрое про­ ведение процесса в тонком слое без доступа кислорода с после­ дующим быстрым охлаждением.

Наиболее эффективно этот процесс протекает в пластинча­ том теплообменнике.

В последнее время для стерилизации молока, сливок, тома­ та-пасты, морковных и других пюре применяют пароконтактные стерилизаторы. В них нагрев осуществляется при непосредствен­ ном контакте продукта с чистым паром (полученным из дистил­ лированной воды), а последующее' охлаждение продукта и ис­ парение конденсата пара производятся в вакуумной камере. Та­ кая обработка продуктов улучшает их вкусовые качества бла­ годаря тому, что при испарении конденсата вместе1с водяным паром уходят летучие кислоты и другие примеси, придававшие продуктам нежелательный привкус и запах.

125

Наряду с описанной выше термической стерилизацией в про­ мышленности применяют стерилизацию сред токами высокой и сверхвысокой частоты, облучением ультрафиолетовыми лучами,, обработкой химическими веществами, в поле действия центро­ бежных сил и др.

Так как почти все пищевые среды и продукты являются ди­ электриками, при действии на них высокочастотного электриче­ ского поля в результате колебательного движения их молекул они способны быстро и равномерно нагреваться. При частоте электрического поля около 10 млн. колебаний в секунду и на­ пряженности поля не опасной для электрической прочности про­ дуктов, они нагреваются от 30 до 120° С в течение одной мину­ ты и для их стерилизации требуется около 100—140 с. Стерили­ зация токами высокой частоты по сравнению с термической особенно эффективна для таких сыпучих материалов как отруби, мука и др., имеющих низкую теплоемкость и теплопроводность. Установлено, что ультразвук частотой 10 000 Гц и выше облада­ ет эффективными бактерицидными свойствами.

Ультрафиолетовое облучение применяют для стерилизации воздуха, используемого в бродильных производствах, питьевой и минеральной воды и др. Вирусы, находящиеся в этих средах, очень быстро инактивируются под влиянием ультрафиолетовых лучей с длиной волн 260—300 мкм. Так как ультрафиолетовые лучи имеют малую проникающую способность в оптически плот­ ных средах, эффективность применения их зависит от интен­ сивности и времени облучения и свойств облучаемого продукта.

Практический интерес представляет способ обезвреживания жидкостей путем обработки их в поле действия центробежных сил. При этом выделение микроорганизмов происходит благода­ ря разности плотностей среды и микроорганизмов и зависит от их размеров и формы. Например, с помощью тарельчатых сепа­ раторов удалось выделить из молока до 99,9% микроорганиз­ мов. Это по сравнению с пастеризацией весьма заманчиво, так как процесс протекает без физико-химических превращений в продукте и в нем не остаются погибшие микроорганизмы.

В качестве химических стерилизующих средств применяют хлорную известь, формалин, серную и соляную кислоты, а в по­ следнее время рекомендуется (3-пропиолактон, отличающийся высоким стерилизующим эффектом в обычных условиях, малой токсичностью и простотой применения.

Несмотря на большое разнообразие химических стерилизую­ щих веществ, ни одно из них не является универсальным из-за специфичности и разнообразия стерилизуемых продуктов. Вы­ сокая эффективность обезвреживания сред обычно достигается комбинированными способами обработки их.

Например, высокий выход кормовых дрожжей из мелассы обеспечивается таким способом обезвреживания: в мелассу вво­ дят раствор хлорной извести (из расчета 0,1—0,15% хлорной

126

извести по массе мелассы), затем ее подкисляют серной или со­ ляной кислотой до PH 2,0—2,5 и после выдерживания в течение 10—12 ч стерилизуют при 100° С в течение 1—2 мин в непрерыв­ ном потоке, выдерживают в течение 30 мин и после быстрого охлаждения направляют в производство.

4.УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Взависимости от конструктивного выполнения поверхност­ ные теплообменники подразделяют на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и с оребренной по­ верхностью.

Рис. 68. Кожухотрубные теплообменники:

а — одноходовой, б — размещение отверстий на трубных решетках для труб, в — теплообменник с U-образными трубами, г и д — многоходовые теплообменники с пере­ городками в трубном и межтрубном пространствах.

Трубчатые теплообменники в свою очередь делятся на кожу­ хотрубные, типа «труба в трубе», оросительные и змеевиковые.

К о ж у х о т р у б н ы е т е п л о о б м е н н и к и получили в промышленности наибольшее применение благодаря своей

127

компактности, простоте в изготовлении и надежности в ра­

боте.

Простейший одноходовой кожухотрубный теплообменник с жестко закрепленными трубными решетками показан на рис.

Эти отверстия расположены на трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов или по кон­ центрическим окружностям. Трубы 3 в отверстиях решетки плотно закрепляют при помощи вальцовки или сварки. Жесткое крепление труб с обеих сторон допустимо при перепаде темпе­ ратур между средами не более 50° С, когда линейные удлинения труб и кожуха небольшие и не вызывают значительных напря­ жений в местах крепления. Чтобы предотвратить возможные де­ формаций при большем перепаде температур, кожух теплооб­ менника выполняют с линзовым компенсатором (рис. 68,5) или делают теплообменник с U-образными трубами (рис. 68, в). С обеих сторон кожух закрывают крышками 4, образующими верхнюю и нижнюю камеры. Таким образом, в теплообменнике имеется межтрубное пространство, ограниченное кожухом, дву­ мя трубными решетками и наружной поверхностью труб, и труб­ ное пространство, соединяющее обе камеры.

Одна из сред (обычно более чистая) проходит в межтрубном пространстве, а другая хреда движется из одной камеры в дру­ гую по трубам и в данном случае делает один ход; скорость движения ее при этом небольшая и коэффициент теплоотдачи относительно мал. Для подвода и отвода сред теплообменник имеет соответствующие патрубки, а при обогреве его паром, кроме того, еще и патрубок для отвода неконденсирующихся газов из межтрубного пространства. Лапы 5 предназначены для установки теплообменника.

Для того чтобы повысить коэффициент теплопередачи, при­ меняют многоходовые теплообменники. Например, в двухходо­ вом (по трубному пространству) теплообменнике (рис. 68, г) перегородкой, установленной в верхней камере, все трубы раз­ делены на два хода (пучка), по которым среда I проходит по­ следовательно. При этом соответственно числу ходов увеличива­ ется скорость движения среды, а следовательно, и коэффициент теплоотдачи, уменьшается потребная поверхность теплообмена и геометрические размеры теплообменника. Число ходов в теп­ лообменнике, как правило, делают четным и не более 10—12, так как при большем числе ходов резко возрастает гидравличе­ ское сопротивление теплообменника.

Для повышения скорости среды II и эффективного исполь­ зования поверхности теплопередачи устанавливают поперечные или продольные перегородки и в межтрубном пространстве

(рис. 68, в, г, д ).

В кожухотрубных теплообменниках в основном используются

128

медные и латунные трубы диаметром 20—90 мм и стальные бес­ шовные трубы диаметром 25—75 мм.

Т е п л о о б м е н н и к т и п а « т р у б а в т р у б е » (рис. 69, а} состоит из нескольких элементов, расположенных один над дру­ гим. Каждый элемент состоит из наружной трубы 1 и концен­ трически расположенной в ней трубы 2\ уплотнение между ни­ ми достигается установкой сальников или сваркой. Внутренние трубы элементов соединены последовательно переходными ко­

ник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, однако он громоздкий и по сравнению с кожухотрубным — металлоем­ кий. Иногда в одном элементе такого теплообменника разме­ щают не одну трубу, а 3—5 труб.

О р о с и т е л ь н ы й т е п л о о б м е н н и к (рис. 69,6) при­ меняется в основном для охлаждения жидкостей и конденсации паров. Он состоит из ряда труб 1, расположенных одна над дру­ гой и соединенных коленами 2. Охлаждающая вода из желоба 3 с зубчатыми краями равномерно подается на поверхность верхней трубы, с которой стекает на нижерасположенные трубы и отводится через корыто 4; охлаждаемая жидкость при этом движется по трубе снизу вверх, а если приходится конденсиро­ вать пар, то его направляют в трубу сверху вниз.

Этот теплообменник прост по устройству, но громоздкий, име­ ет невысокий коэффициент теплопередачи, а при установке его в помещении значительно повышается влажность воздуха в нем за счет испарения части воды.

З м е е в и к о в ы й т е п л о о б м е н н и к (рис. 6 6 ,6 )— наибо­ лее простой из теплообменников; он применяется как для конден­ сации паров, так и для нагревания и охлаждения жидкостей. В зависимости от длины труб для змеевика, его располагают в аппарате в один или два ряда. Коэффициент теплопередачи для него невысок из-за свободной конвекции у поверхности труб.