Основные закономерности пастеризации молока с помощью гидродинамического нагревателя

Введение. Вопросы заготовки молока от населения и ферм небольших хозяйств в последние годы стали весьма актуальными. Здесь производится значительная часть молока, и для приёма его молочные заводы организуют специальные сельские молокоприёмные пункты. Это вызывает необходимость более тщательной его обработки, включая пастеризацию на месте производства до сдачи на молзавод или для торговой реализации [1, 2, 3].

Тепловая обработка молока и ряда других молочных продуктов путём пастеризации распространена во всех странах мира. Этим повышают сроки хранения их перед реализацией потребителю. Процессы же пастеризации с использованием серийных пастеризационных установок осуществляются косвенным нагревом молока промежуточными носителями тепла, такими как нагретые жидкости или их пары. В аппаратах и устройствах прямого теплового воздействия на молочные продукты большой интерес для малых ферм представляют пастеризационные установки с тепловым воздей- ствием на молоко с помощью гидродинамических нагревателей (ГДН). Установки такого типа имеют меньшие габариты, они более компактны и просты в диссипации энергии вращения ротора в тепловую при нагреве молока до температуры пастеризации, имея сравнительно высокий тепловой КПД [4, 5].

Экспериментальные установки и методы исследований. На рисунке 1 представлена общая схема установки для пастеризации молока с помощью ГДН. Кроме нагревателя гидродинамического типа 1 в её составе находятся выдерживатель 4, пластинчатый теплообменник, насос 7 в линии подачи молока на тепловую обработку и насос 12 для охлаждающей воды.

1 – нагреватель; 2, 3 и 5 – краны; 4 – молочный выдерживатель; 6 – бак приёма молока; 7 и 12 – насосы; 8 – автоклапан; 9 и 10 – регенератор и охладитель молока; 11 – бак для воды; 13 – ёмкость для пастеризованного молока Рисунок 1 – Схемное решение пастеризационной установки на базе ГДН

На рисунке 2 представлена схема нагревателя молока [6] в составе исследуемой пастеризационной установки, в основу которого положен принцип гидродинамического воздействия на него. Конструкция его предусматривает установку в корпусе 4 с определённым зазором ротора 5. В зазоре между ними с необходимым шагом сделан ряд сквозных отверстий 3 с образованием своеобразных полуячеек на внутренней поверхности корпуса и наружной ротора. Со- седние полуячейки изготовлены с образованием между ними перегородок в виде своеобразных лопаток, а сами ячейки 3 соединены сверлениями 7 с расточкой 1 в роторе. С боков нагреватель закрывают крышки, причём в одной имеется отверстие 9 для ввода молока в ГДН и патрубок 8 в районе ячей для вывода нагретого до температуры пастеризации молока, а в другой – выходное отверстие для вала 6 привода ГДН.

1 – расточка ротора; 2 – теплоизоляционный слой; 3 – ячейка; 4 и 5 – корпус и ротор ГДН; 6 – вал приводной; 7 – канал радиальный; 8 и 9 – отверстие для подачи молока и выводной патрубок

Рисунок 2 – Нагреватель гидродинамический

На работающей установке насосом 7 молоко подаётся из бака 6 сначала в регенератор 9, где оно подвергается подогреву в контакте с потоком горячего молока, подаваемого после выдерживателя 4 установки. Предварительно подогретое таким образом молоко по каналам 7 поступает (рисунок 2) непосредственно в ячейки 3 ротора 5 ГДН. Вращаясь, ротор производит на молоко в ячеях механическое воздействие лопатками, вызывая турбулизацию его потока. Благодаря внутреннему трению динамическая энергия ротора преобразуется при этом в энергию тепла для нагрева молока. Из ГДН нагретое молоко под напором поступает далее в выдер-живатель 4, некоторое время выдерживается в нём и подаётся, наконец, на охлаждение в регенератор 9 с помощью холодного молока и артезианской воды.

Анализ результатов исследований . С учётом разности температуры пастеризации t п молока и начальной его температуры t н расход тепла в нагревателе будет определяться зависимостью

Q = G ⋅ c ⋅ (t n - t н ) ⋅ (1 - ε ) , (1) где G – производительность ГДН, кг/с;

с – теплоемкость (удельная) молока, Дж/(кг ⋅ К);

ε – доля регенерации тепла в исследуемой установке.

По этой зависимости теплопроизводи-тельность исследуемого нагревателя снижается по мере повышения коэффициента ε, характеризующего регенерацию тепла в установке для пастеризации молока. Это вызывает, с одной стороны, уменьшение материальных затрат на ГДН, но значительное повышение затрат, с другой стороны, по регенерации тепла.

По полученным Э.С. Ашуралиевым данным теплопроизводительность ГДН (секундная) находится в функции диаметра D и частоты вращения ω ротора:

Q t = (b - a • t ) • p- D ⁵ • < y ³, (2) где b и а – константы варьирования коэффициента мощности в пределах температур t молока (в °С), для расчётов рекомендовано b = 0,01, а а = 0,00008.

Использование уравнений (1) и (2) обеспечивает определение основных рабочих параметров ГДН необходимой теплопроизводитель-ности установки.

В рассматриваемом нагревателе поток тепла к молоку в ячее распространяется к корпусу (к периферии) и нагревает его менее интенсивно, чем молоко, что существенно отличает его от серийных паровых пастеризаторов [7, 8] (рисунок 3).

В ячейке ГДН, где образовано турбулентное ядро, молоко нагревается до установленной температуры пастеризации его t п . При этом поток тепла распространяется через пограничный пристенный у ячейки слой толщиной δ , стенку в корпусе ГДН, имеющем толщину Δ , в наружный окружающий воздух, нагревая его до температуры t в . Допустив с ошибкой до 1% [4], что температуры на внутренней t 2 и внешней t 1 сторонах корпуса нагревателя примерно равны t 2 = t 1 = t ст , получим для:

Рисунок 3 – Схема к расчёту теплопередачи через стенку корпуса ГДН

– теплопотерь в окружающий воздух

Q = F α ( t - t ) ⋅ z; 1 ст     в

– передачи тепла к корпусу от горячего молока

стенки корпуса в нагревателе Δ / λ к (где λ сл и λ к – теплопроводности указанных слоя и корпуса). Поэтому для границы контакта турбулентного

Q = F a ₂( t n - t cm ) • z ,       (4)

где F – площадь внутренней поверхности ГДН, омываемой молоком м² ;

α 1 и α 2 – коэффициенты, учитывающие отдачу тепла от корпуса ГДН в воздух и от пристенного слоя молока в его корпус;

ядра с пограничным слоем

1 δ 1

=+, αλα

2        сл        гр

z – затраты времени на пастеризацию моло-

ка, с .

Приравняв (3) к (4), получим формулу для определения температуры нагрева наружной поверхности корпуса ГДН:

t ст

αt +αt

1в    2п

α +α

По этому выражению температура поверхности корпуса ГДН достаточно высока и может уменьшиться в сравнении с температурой пастеризации молока только на 6–9 градусов. Пристенный (пограничный) слой, имея толщину δ , обладает тепловым сопротивлением δ / λ сл , которое в разы превышает сопротивление

где α гр – величина коэффициента отдачи тепла от ядра к рассматриваемому пристенному слою.

По выражению (6) с повышением скорости потока молока толщина его слоя у стенки корпуса снижается, а температура корпуса, наоборот, повышается, что способствует лучшему нагреву молока в этом слое и созданию достаточных условий для подавления вредной микрофлоры. Характерным недостатком при этом является увеличение потерь тепла в воздух, из-за чего возникает необходимость теплоизоляции ГДН. Для расчёта этих потерь тепла получено уравнение

Q в

= F ^{α 1 α 2} (t

α +α

- t ). в .

Следовательно, тепловой КПД нагрева-

теля определится выражением

η _т

(b - at) ρ D⁵ ω ³ - F( αα ⋅ k)(t - t )

(b - at) ρ D⁵ ω ³

в котором k =          .

α +α

По нашим исследованиям [9, 10] тепловой КПД гидродинамического нагревателя в составе пастеризационной установки на 0,95 ниже, что

значительно превышает КПД в серийных паровых пастеризационных установках [8].

Для оценки полноты завершенности пастеризации молока используется в науке и практике критерий Pa Пастера [7]. Он безразмерен и представляется отношением времени действительного воздействия температуры Т ф

на молоко при пастеризации к достаточному Т п для завершения этого процесса:

На рисунке 4 дан график изменения температуры молока в различных аппаратах установки для тепловой обработки молока. По этому графику молоко подаётся при её работе в регенератор (III зона), и его температура увеличивается до t р , после чего оно нагревается в ГДН (I зона) до температуры пастеризации t п , выдерживается (II зона) при ней за время T выд и горячим входит в пластинчатый регенератор (снова III зона). В регенераторе оно подвергается охлаждению в контакте с потоками встречного холодного молока до t к, а затем холодной воды в охладителе.

Возможная для пастеризации минимальная температура нагрева молока t min обозначена на рисунке прямой AD, зона выше неё представляет область уверенного подавления микробов. В эффекте пастеризации участвуют аппараты установки, в пределах зон с температурой от t min до t п и далее до точки D графика по рисунку 4. Зоны аппаратов ниже пунктирной прямой AD не имеют отношения к расчёту величины критерия Ра и никакого участия в уничтожении микробов в молоке не принимают. Поэтому для установки с использованием ГДН условием полной пастеризации молока будет:

Ра = Ра I + Ра II + Ра III ≥ 1 , (10) где Ра I , Ра II и Ра III – эффекты частичной пастеризации молока в ГДН, выдерживателе и регенераторе пастеризационной установки.

Рисунок 4 – Схемное представление пастеризации молока

Обычно температура молока линейно за- где Tр и Tор – продолжительности процесса па- висит от площади пластин регенератора, тогда:

t -t

п

секции охлаждения

t -t п     min

F' ^р

F^{, р}

где t и t min – текущая и минимальная t min (не более 60 ° C) температуры молока в регенераторе;

F р ′ и F р – площади пластин регенератора c

изменением температуры молока соответственно от t п до t и от t п до t min .

Время нахождения молока в таком реге-

стеризации молока в соответствии с площадями F р ′ и F р .

Отсюда     dT _p = - ^dt ⋅ T _ор .

п    min

При температуре t нагрева молока длительность его выдержки T п для полного уничтожения в нём микрофлоры в соответствии с [8] должна быть lnT = α - β t. По нему T = e ^{α - β t}, а ¹   = e ^{- α + β t} .

п

нераторе тоже пропорционально указанным площадям F :

t

п

-

t

t — Л ■ п    min

T р

, ор

Тогда регенератор вносит в критерий па-
стеризации молока: dT    T р          ор	e - α + β t t п
PaIII = ∫       =         ⋅ dT   t - t    β ор      п     min
	t min

Решением этого выражения для Ра III = 1 получим зависимость времени тепловой обра-

ботки молока при пастеризации за счёт только

регенератора:

T_ор = (t_п

-

^tmin^{)β ⋅}

e

- α + β t ^tп t min

,   (12)

а

Ра III

п     min t -t пк

Длительность выдержки молока получим, используя ранее известное выражение [7, 8]:

Т

ов

α - β t

= e

Тогда доля, вносимая в критерий Ра вы-держивателем за время Т выд , будет:

TT

Pa = ^выд = ^выд .       (15)

II                  α-β tп овыд

Далее можно определить и вносимую ГДН долю в критерий Ра, представив теплопро-изводительность его аналогично известным гидродинамическим дисковым устройствам [6]: b

Q = λρ D⁵ ω ^{3  р} ,     (16)

t N         0,04

где λ N и b р – коэффициент мощности и ширина ротора в м .

По выражению (2) коэффициент мощности ГДН λ N имеет прямую зависимость от вязкости и температуры молока λ = b - at , и тепловой баланс ГДН можно представить в виде дифференциального уравнения

Mcdt + dFk( t - t ) = (b - at) ρ dB,

где М и с – масса и теплоёмкость (удельная) молока;

t в – температура окружающего воздуха;

F и k – площадь поверхности и коэффициент отдачи тепла от нагревателя в этот воздух;

В = D⁵ ω ³ .

Но в пастеризации молока участвует только часть В0 общей мощности ГДН в соот- ветствии с температурами пастеризации от 60 °С до tп, что представлено следующим уравнением:

Mc η dT =       ^т ⋅ T        .

B ρ     b - at

По нему определена и доля, вносимая

ГДН в критерий Ра :

Ра = ^dT = ^{Mc η т I  ∫ T} 0     ^B 0 ^ρ

Заменой b-at = y , а затем введением но- x = ^b ⋅ y

tп

T f е оп

-

α+βt  dt b - at

.

вой переменной ГДН в Ра :

получим для доли

1 z2 exdx PaI = ATоп  ∫ ax z1

,

где

Mc η A =      ^т ⋅ e

^B0 ^ρ

-

β b

α +

a

; z₁ =

-—( b - a • 60 °) ; z₂ = - —(b - a • t_n ). aa

Далее для длительности процесса пастеризации лишь за счёт ГДН (при Ра I =1 ) разложением в ряд выражения (20) получим:

T

оп

_ln b - at₆₀ b - at п

⋅

-

e

β b α +

a

23 xx ln x + x +   +   + ..

4  18

xп

.

^x 60

Определение доли Ра , приходящейся на ГДН и регенератор, позволяет найти далее необходимую длительность пребывания молока непосредственно в выдерживателе установки:

Т ≥ (1 - Ра - Ра  )e ^{α - β t} , с.

выд                   I          III             ,

По ней вместимость выдерживателя бу- дет равна:

_{V ≥} МТ выд ^выд 3600 ^,

где М – проектная подача молока в установку для его пастеризации, м³/ч.

Это позволяет производить необходимые расчеты основных параметров проектируемых устойств для пастеризации молока.

Выводы. Получен ряд зависимостей, описывающих технологию пастеризации молока в установке на основе гидродинамического нагревателя. По данным их анализа работа ГДН пастеризационной установки происходит в условиях постоянного смешивания подаваемого на тепловую обработку молока с находящимся в ГДН нагретым до температуры пастеризации молоком при высоком тепловом КПД. Это представляет одно из существенных отличий его от известных прямоточных и противоточных установок с промежуточным теплоносителем.