Анализ ступенчатого и импульсного способов подвода теплоты при вакуумном концентрировании молочных продуктов

При сравнении ступенчатого и импульсного способа подвода теплоты (качественных показателей молока, молочной сыворотки, массовой доли сухих веществ, продолжительности процесса концентрирования, кинетики, энергозатрат) изменялся только сам способ, а режимные и технологические параметры были постоянны. Это условие являлось необходимым для получения объективных результатов при сравнении двух способов подвода теплоты. На рис. 1 представлена схема вакуум-выпарной установки, на которой проводились исследования.

Рис. 1. Схема вакуум-выпарной установки: 1 – холодильная машина; 1.1 – конденсатор; 1.2 – ресивер;

1.3 – десублиматор; 1.4 – отделитель жидкости; 1.5 – терморегулирующий вентиль; 1.6 – компрессор;

2 – вакуумная установка; 2.1 – вакуумная камера; 2.2, 2.3 – вакуумные насосы; 2.4 – вакуумметр

В качестве источников теплоты использовались инфракрасные ламповые нагреватели КГТ 1000-220, технические характеристики которых приведены в табл. 1 [3].

Таблица 1

Технические характеристики инфракрасных ламповых нагревателей марки КГТ 1000-220

Из табл. 1 следует, что инфракрасные ламповые нагреватели марки КГТ 1000-220 обладают достаточной надежностью при эксплуатации, на что указывает средняя продолжительность горения. Исследования проводили при рациональных режимных и технологических параметрах, соответствующих определенному виду жидкого молочного продукта, при остаточном давлении 2–3 кПа [1, 2].

На рис. 2–3 представлены графики изменения тепловой нагрузки, температуры, относительной массы в процессе концентрирования молочной сыворотки при ступенчатом и импульсном способе подвода теплоты. Концентрирование молочной сыворотки производили до массовой доли сухих веществ 58–60 %.

В течение 15 мин теплота от нагревателей не подводилась, пока установка не вышла на требуемый режим по остаточному давлению (2–3 кПа). При концентрировании молочной сыворотки рациональная тепловая нагрузка 9,2 кВт/м2 действовала в течение 15–20 мин при ступенчатом и импульсном способе подвода теплоты.

При достижении рациональной температуры концентрирования 80°С производили уменьшение тепловой нагрузки при ступенчатом способе подвода теплоты, при импульсном нагреватели выключали.

При ступенчатом способе подвода теплоты поддержание рациональной температуры концентрирования производили плавным уменьшением тепловой нагрузки (рис. 2, а ). При импульсном способе поддержание рациональной температуры концентрирования осуществляли включением и выключением нагревателей (рис. 2, а ). В момент включения нагревателей тепловая нагрузка была равной рациональной.

В процессе концентрирования температура в камере была равна рациональной, а температура продукта – температуре насыщения (18–22°С) при остаточном давлении 2–3 кПа.

б

в

Рис. 2. Кривые концентрирования молочной сыворотки при ступенчатом способе подвода теплоты: а – плотность теплового потока; б – температура в камере и молочной сыворотки;

в – относительная масса

0    18   36   54   72   90   108   126  144  162  180  198  216  234  252  270

Время, мин

б

Рис. 3. Кривые концентрирования молочной сыворотки при импульсном способе подвода теплоты: а – плотность теплового потока; б – температура в камере и молочной сыворотки;

в – относительная масса

Относительная масса молочной сыворотки в процессе концентрирования уменьшилась в 2,70–2,63 раза. На рис. 4 приведены графики скорости концентрирования жидких молочных продуктов при ступенчатом и импульсном способе подвода теплоты.

Рис. 4. Скорость концентрирования жидких молочных продуктов при ступенчатом и импульсном способах подвода теплоты

Удельные затраты теплоты при вакуумном концентрировании жидких молочных продуктов в зависимости от способа энергоподвода приведены в табл. 2.

Таблица 2

Удельные затраты теплоты в зависимости от способа энергоподвода, кВт/кг удаленной влаги

Продукт	Способ подвода теплоты
	Ступенчатый	Импульсный
Молоко 3 %	0,8-1,2	0,6-0,7
Молочная сыворотка	0,8-1,2	0,4-0,7

Физико-химические показатели концентрированных жидких молочных продуктов в зависимости от способа подвода теплоты приведены в табл. 3.

Физико-химические показатели концентрированных жидких молочных продуктов в зависимости от способа подвода теплоты

Таблица 3

Продукт	Способ подвода теплоты
	Ступенчатый					Импульсный
	Массовая доля
	сухих веществ	белка	лактозы	жира	золы	сухих веществ	белка	лактозы	жира	золы
Молоко 3 %	48	22,8	6,4	15,9	2,9	49	23,5	6,5	16,1	2,9
Молочная сыворотка	58	48,2	5,9	1,4	2,5	60	50,1	5,9	1,4	2,6

Заключение . Способ подвода теплоты не влияет на качественные показатели концентрированных молочных продуктов, однако он влияет на продолжительность процесса концентрирования, скорость концентрирования и энергозатраты.

Использование импульсного способа подвода теплоты приводит к сокращению процесса концентрирования. Скорость концентрирования жидких молочных продуктов при импульсном способе подвода теплоты выше на 0,5–0,6 %/мин, чем при ступенчатом. Снижение удельных затрат теплоты при импульсном способе энергоподвода по сравнению со ступенчатым происходит на 0,1–0,5 кВт/кг удаленной влаги. На основании того, что при импульсном способе подвода теплоты продолжительность процесса концентрирования сокращается, скорость концентрирования увеличивается, сокращаются удельные затраты теплоты, можно сделать вывод, что импульсный способ подвода теплоты можно использовать для интенсификации процесса вакуумного концентрирования.