3. Обоснование параметров и режимов аппаратов для пастеризации молока

Основными показателями работы пластинчатых теплообменных аппаратов являются их производительность, поверхности теплопередачи секций пастеризации, регенерации и охлаждения, эффективность регенерации тепла, которая характеризуется коэффициентом регенерации.

Эти показатели могут быть определены из основных уравнений теплового баланса и теплопередачи расчетным путем.

Количество теплоты Q_m (Дж), необходимое для нагревания определенной массы молока от начальной температуры t_H до температуры пастеризации t_П определяется

(14.1)

Эту теплоту передает молоку через стенки пластин горячая вода, поступающая противотоком в секцию пастеризации с температурой t_Г. и выходящая из секции с температурой t_H. Количество теплоты, передаваемое водой молоку:

(14.2)

где М – масса молока, проходящего через пастеризатор в единицу времени (или производительность), кг/с;

В – расход воды на пастеризацию этого молока, кг/с;

с_М и с_В – соответственно теплоемкость молока и воды, Дж/кг °С.

В установившемся процессе в аппаратах непрерывного действия тепловые потери в окружающую среду минимальны, и ими в практических расчетах можно пренебречь. При этом уравнение теплового баланса имеет вид

Q_М = Q_B или М·с_М·(t_П – t_H) = В·с_В·(t_Г – t_В). (14.3)

Расход горячей воды берется кратным массе молока: В = n·М,

где n – коэффициент кратности или водное число, равное от 3 до 7.

Тепловая производительность пастеризатора, как и всякого другого теплообменника, зависит от величины его поверхности нагрева F (м²), коэффициента теплопередачи k (Вт/м²·°С) и средней логарифмической разности температур Δt_CP (°C) между водой и молоком в процессе теплообмена

Q = F·k·Δt_CP или М·с_М·(t_П – t_H) = F·k·Δt_CP (14.4)

Средняя логарифмическая разность температур определяется как

(14.5)

где Δt_max = t_В – t_H и Δt_min = t_Г – t_П – соответственно максимальная и минимальная разность температур между горячей водой и молоком в начале и в конце процесса, (см. график теплообмена на рисунке 14.11). Температуры молока t_H и t_П заданы технологическим процессом. Температуру воды t_Г на входе в секцию пастеризации принимают на 2...18°С выше t_П, a температуру воды на выходе определяют из уравнения теплового баланса (14.3), задаваясь водным числом n.

Рисунок 14.11 – График теплообмена между молоком и горячей водой в пастеризаторе непрерывного действия

Из уравнения теплопередачи (14.4) определяются:

1) Поверхность нагрева F (м²) для заданной производительности М (кг/с) пастеризатора при определенных температурных режимах

(14.6)

2) Производительность пастеризатора М (кг/с) по заданной поверхности нагрева при изменении режимов пастеризации (если, например, молоко идет на пастеризацию не парное, а охлажденное, или температуру пастеризации необходимо повысить до 90...97°С).

(14.7)

Для практических расчетов можно принять: теплоемкость молока с_М = 3900 Дж/кг°С; значения коэффициентов теплопередачи k (Вт/м²°С) по таблице 14.3.

Расчет пластинчатого охладителя или секции охлаждения пастеризационно-охладительной установки проводится аналогично, но с учетом, что молоко при охлаждении отдает тепло, а вода или рассол его отбирают (см. графики на рисунке 14.10).

Уравнение теплового баланса при охлаждении будет иметь вид

М·с_М·(t_H – t_К) = В·с_В·(t_В – t₀). (14.8)

где t_H и t_К – соответственно начальная и конечная температуры молока, °С;

t₀ и t_В – температуры воды соответственно на входе в секцию охлаждения и на выходе из секции, °С.

Средняя логарифмическая разность температур подсчитывается с учетом графика теплообмена при охлаждении (рисунок 14.11) по формуле (14.5).

С целью экономии теплоты (энергии) пастеризационно-охладительные установки оснащают секциями регенерации или рекуперации. Эффективность регенерации тепла характеризуется коэффициентом регенерации Е – отношением количества теплоты Q_P, отданной горячим молоком или принятой холодным (сырым), к общему количеству теплоты Q_n для нагревания молока от начальной температуры до температуры пастеризации

(14.9)

при допущении, что с_М = const; Δt_CP = const, а потери теплоты в окружающую среду незначительны, и ими можно пренебречь, тогда

(14.10)

где t_H – температура сырого молока, поступающего в секцию регенерации, °С;

t_Р – температура подогретого молока на выходе из секции регенерации, °С;

t_П – температура пастеризации, °С.

Уравнение (14.10) может использоваться для определения температур жидкостей при заданном значении коэффициента регенерации Е.

Таблица 14.3 – Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи k аппаратов для тепловой обработки молока (по Н.В.Барановскому)

Условия теплообмена	k, Вт/м2·оС
Охлаждение
Молоко в ушатах, флягах и ваннах	120...180
Молоко в ваннах с качающейся мешалкой	480...600
Молоко на оросительных трубчатых охладителях: для секций водяного охлаждения для секций охлаждения ледяной водой	1200...1450 840...1100
Молоко в современных пластинчатых аппаратах при поперечном обтекании рифлей: для секций водяного охлаждения для секций охлаждения ледяной водой	1800...2400 1400... 1800
Молоко в трубчатых закрытых охладителях: для секций водяного охлаждения для секций охлаждения ледяной водой	1200... 1400 840... 1100
Нагревание
Молоко в ушатах и в ваннах длительной пастеризации при работе мешалок	250...350
Холодное молоко, нагреваемое горячим молоком на оросительных прямоточных и противоточных рекуператорах	1100...1400
Холодное молоко в рекуперативных секциях современных пластинчатых аппаратов при поперечном обтекании рифлей горячим молоком	2400...3000
Молоко в пастеризационных секциях современных пластинчатых пастеризаторов при поперечном обтекании рифлей горячей водой или паром	3000...3600
Молоко в пастеризаторах с вытеснительным барабаном при нагревании паром : от 5 до 40 °С от 5 до 85 °С от 40 до 85 °С	2400 3000 3600
Молоко в трубчатых пастеризаторах при нагревании паром от 5 до 85°С	1400

При расчете пастеризационных установок (рисунке 14.12) следует принимать следующие параметры:

- заданный температурный режим пастеризации и охлаждения молока;

- температура сырого молока на входе в секцию регенерации 1-й ступени может быть в пределах от 10 до 35 °С;

- сепаратор-молокоочиститель установки обеспечивает качественную очистку молока, выходящего из секции регенерации 1-й ступени при температурах 37...45 °С;

- температуру горячей воды на входе в секцию пастеризации устанавливают на 2...18 °С выше температуры пастеризации молока с учетом точки кипения;

- молоко охлаждают до температуры 4...10 °С с учетом времени года и местных условий;

- при расчете установки в зависимости от режима пастеризации, охлаждения молока и климатических условий температура охлаждающих жидкостей может быть: артезианской воды – 4...10 °С; водопроводной воды – 5...16 °С; ледяной воды –1...4 °С; рассола – 0…–5 °С.

Рисунок 14.12 – Схема движения потоков молока, горячей, холодной и ледяной воды

Расчет параметров теплообменных секций

Определение рабочей поверхности секций пастеризации F_П проводится решением уравнения (14.4) относительно F

(14.11)

Значения t₉, t₄ берутся из таблицы 14.4 в соответствии с вариантом задания.

Среднюю логарифмическую разность температур Δt_СР между нагревающей водой и пастеризуемым молоком находим по формуле (14.5) в соответствии с графиком теплообмена (рисунок 14.11), где Δt_max = t_В – t_H = t₁₀ – t₃ и Δt_min = t_Г – t_П = t₉ – t₄.

Из уравнения (14.5) определяем значение температуры молока t₃ на входе в секцию пастеризации по заданному коэффициенту регенерации Е.

Из уравнения баланса теплоты (14.8) определяем значение температуры воды t₁₀ на выходе из секции пастеризации.

С учетом принятых обозначений уравнение будет иметь вид:

V·c_V·(t₄ – t₃) = D·c_D·(t₉ – t₁₀)/

Принимая В = М·n и решая уравнение, получим:

.

Определяем значение средней логарифмической разности температур Δt_cp между водой и молоком по формуле (14.5).

Определяем количество теплоты, необходимой для пастеризации молока, решая уравнение: Q_n = М·с_М·(t₄ – t₃).

Определяем рабочую поверхность секции пастеризации:

(14.12)

Определяем количество пластин:

, (14.13)

где f – рабочая поверхность одной пластины, м².

Определение суммарной рабочей поверхности и количества пластин секций регенерации первой и второй ступеней.

Для заданного температурного режима строится график теплообмена между сырым и пастеризованным молоком в секциях регенерации (рисунок 14.13).

Рисунок 14.13 – График теплообмена между сырым (1) и пастеризованным (2) молоком

Из уравнения (14.9) находим расчетную формулу для определения суммарной площади секций регенерации F_P. Для этого в уравнение

подставляем значение t₄ = t₃ + Δt_СР и значение теплоты Q = k·F·Δt_СР = М·с_М·(t₃ – t₁).

После преобразований расчетная формула для определения рабочей площади теплообмена, м², будет иметь вид:

(14.14)

Находим количество пластин в секциях регенерации:

Z = F_P/f. (14.15)

Из уравнения (14.3), по заданному значению количества пластин и коэффициента регенерации, могут быть определены температуры рабочей жидкости (пастеризованного молока) на выходе из секции регенерации.

Определение поверхности теплообмена секции водяного охлаждения.

Для расчета задаемся начальными и конечными температурами охлаждаемого молока t₆ и t₇, холодной воды t₁₁ и t₁₂ и коэффициентом теплопередачи k при охлаждении (таблицы 14.3 и 14.4).

Из графика теплообмена при противоточном режиме (рисунок 14.14, а) определяем по формуле (14.5) среднюю логарифмическую разность температур.

Определяем поверхность теплообмена F_B секции водяного охлаждения, м²

(14.16)

Аналогично определяем производительность секции рассольного охлаждения. Однако с целью предотвращения примерзания молока к пластинам охладителя при использовании рассола следует применять прямоточный режим охлаждения.

Рисунок 14.14 – График теплообмена между молоком и водой в секции охлаждения при: а – прямоточном; б – противоточном режимах

Кратность циркуляции рассола или холодной воды определяется по формуле

(14.17)

где М – производительность аппарата, кг/с;

W – расход рассола или холодной воды, кг/с;

с_М и с_Р – удельная теплоемкость молока и рассола, Дж/кг·°С.

Для расчета можно принять теплоемкость рассола (20% раствор NaCl) при температуре 5°С: с_Р = 3400 Дж/кг·°С. Расход рассола при выбранной кратности n_Р определяется по формуле: W = М n_Р.

Определение производительности секции пастеризации проводится путем решения уравнения (14.3) Для расчета удельную теплоемкость молока можно принять с_М = 3938 Дж/кг·°С.

Таблица 14.4– Температурные режимы установки Б6-ОП2-Ф-1

Показатели	Варианты
	1	2	3	4	5	6
t1 – температура сырого молока на входе в секцию регенерации 1 ступени, °С	15	20	25	30	30	35
t2 – температура молока на выходе из секции регенерации 1 ступени и на входе в секцию регенерации 2-й ступени, °С	35	40	40	45	45	40
t3 – температура подогретого молока на выходе из секции регенерации 2 ступени и на входе в секцию пастеризации, °С	–	–	–	–	–	–
t4 - температура пастеризации, °С	75	75	80	85	90	95
t5 – температура молока на выходе из секции регенерации 2-ой ступени и на входе в секцию регенерации 1 ступени, °С	60	65	65	70	75	80
t6 – температура молока на выходе из секции регенерации 1 ступени и на входе в секцию водяного охлаждения, °С	40	35	40	40	45	45
t7 - температура молока на выходе из секции водяного охлаждения и входе в секцию рассольного охлаждения, °С	18	20	20	18	20	20
t8 – температура охлажденного молока на выходе из секции рассольного охлаждения	5	5	5	5	5	5
t9 – температура горячей воды на входе в секцию пастеризации, °С	80	80	85	90	95	97
t10 – температура горячей воды на выходе из секции пастеризации, °С	–	–	–	–	–	–
t11 – температура холодной воды на входе в секцию водяного охлаждения, °С	11	12	12	11	10	12
t12 – температура холодной воды на выходе из секции водяного охлаждения, °С	14	15	15	13	15	15
t13 – температура ледяной воды на входе в секцию рассольного охлаждения, °С	–5	–5	–5	–5	–5	–5
t14 – температура ледяной воды на выходе из секции рассольного охлаждения, °С	–1	–1	–1	–1	–1	–1
М – производительность (расчетная) установки Б6-ОП2-Ф-1, кг/ч	850	900	950	100	105	110
E – коэффициент регенерации	0,65	0,70	0,75	0,8	0,7	0,85
n – кратность теплоносителя (циркуляции нагревающей и охлаждающей жидкости)	3	4	5	6	7	7

Порядок выполнения работы

1. Изучить самостоятельно устройство, порядок работы, технические характеристики и правила эксплуатации пастеризаторов.

2. Включить в работу лабораторную установку и записать в журнал опытные данные: объем перекаченной жидкости и продолжительность опыта, расход молока и воды, температуру в секциях горячей, холодной воды и молока, площадь нагрева и охлаждения.

3. Определить параметры установки расчетным путем, используя опытные данные. Если установка не подключена к источникам энергии, молока и воды, то для проведения расчетов следует взять в соответствии с заданием необходимые показатели из таблицы 14.4.

4. По результатам расчетов, их соответствию технической характеристике установки и опытным данным делается вывод о работоспособности пастеризатора и верности теоретических расчетов.

5. Оформить отчет по работе. В него включается: название, цель, технические характеристики пастеризаторов, схемы движения потоков жидкостей (рисунки 4, 7, 8 и 12), график процесса теплообмена между молоком и горячей водой, методика и результаты расчетов, выводы.

Вопросы для контроля

1. Назовите назначение и режимы пастеризации молока.

2. Какие типы пастеризаторов и пастеризационно-охладительных установок применяют на животноводческих предприятиях и молочных заводах?

3. Что такое регенерация теплоты в процессе пастеризации молока и зачем ее проводят?

4. Как определить коэффициент регенерации?

5. Как определить количество пластин пастеризатора по заданным технологическим параметрам?