Для изменения температуры жидких и вязких пищевых продуктов достаточно часто применяют кожухотрубный подогреватель, который состоит из двух трубных решеток 1 (рис. 6.1) с завальцованными в них 66 трубками диаметром 34/32 мм и длиной 1986 мм. Общая площадь поверхности нагрева аппарата составляет около 13 м2.
Решетки с трубками 2 заключены в металлический кожух 3 цилиндрической формы, с торцов закрытый крышками 4, которые прикреплены к кожуху при помощи откидных болтов. Герметичность соединения обеспечивает уплотняющая прокладка. Между крышкой и трубной решеткой 1 имеются перегородки 5, образующие четыре камеры, которые объединяют один или два пучка трубок. Таким образом, пучки трубок (по 16 в каждом) последовательно соединены между собой. Пар подается в пространство между кожухом и трубками и омывает их снаружи. Конденсат отводится через патрубок 6, расположенный в нижней части кожуха. Давление пара поддерживается на уровне 0,1 Г..0,15 МПа.
Рис. В.1. Кожухотрубный подогреватель:
1 — трубные решетки; 2 — трубки; 3 — кожух; 4 — крышки; 5 — перегородки; В — патрубок
Нагреваемый продукт насосом последовательно перекачивается через все четыре пучка трубок. Направление движения продукта изменяется благодаря наличию камер в крышках. Путь продукта, проходящего через подогреватель, равен длине одной трубки в пучке, умноженной на число ходов. При значительной длине подогревателя, когда возможна температурная деформация деталей из-за возникающих напряжений, устанавливают устройства, компенсирующие тепловое расширение трубок.
Трубчатый подогреватель молока выполнен на базе унифицированного теплообменного цилиндра, применяемого в пастеризационных установках аналогичного типа. Он состоит из одноцилиндрового теплообменного аппарата, узла отвода конденсата, парового вентиля, насоса для подачи молока и измерительных приборов. В процессе нагревания молоко с помощью насоса подается в цилиндр и последовательно проходит по 24 трубкам длиной 1,2 м каждая с внутренним диаметром 27 мм. Молоко нагревается паром, подаваемым в межтрубное пространство цилиндра.
Пластинчатые установки для нагрева молока почти не отличаются от пастеризаторов молока подобного типа. В связи с тем что разность начальной и конечной температур обрабатываемого продукта сравнительно невелика (25...45 °С), общая поверхность теплопередачи пластинчатых нагревателей молока обычно в 1,5—2 раза меньше, чем у пастеризационных установок при одинаковой производительности. Это достигается в основном уменьшением числа пластин в аппарате.
Для пастеризации молока и молочных продуктов предназначены пастеризационные установки резервуарного и трубчатого типов, а также пастеризационно-охладительные установки пластинчатого типа. К оборудованию для пастеризации молока резервуарного типа относятся емкости для производства кисломолочных продуктов, ванны длительной пастеризации и универсальные ванны.
Нагревание молока в ваннах длительной пастеризации или универсальных тепловых аппаратах осуществляется путем подачи в теплообменную рубашку резервуара горячей воды или пропускания через воду, находящуюся в рубашке, пара.
Резервуар для приготовления кисломолочных продуктов (рис. 6.2) состоит из внутреннего корпуса цилиндрической формы, теплообменной рубашки, теплоизоляции и наружного корпуса. Для заполнения и опорожнения резервуара служит патрубок. Внутри резервуара находится мешалка рамного типа. В нижней его части имеется патрубок для удаления из теплообменной рубашки тепло- или хла-доносителя. Люк для осмотра и ремонта рабочей поверхности расположен в средней части.
Моющее устройство, находящееся в верхней части резервуара, представляет собой реактивную вертушку. Молоко или сливки, предварительно нагретые до температуры сквашивания, а также закваска подаются в резервуар через нижний патрубок насосом. По мере необходимости молоко (а впоследствии продукт) перемешивается мешалкой.
Готовый продукт охлаждается ледяной водой или рассолом. Хла-доноситель орошает внешнюю поверхность внутреннего корпуса, вытекая из перфорированной трубы, расположенной по периметру теплообменной рубашки в ее верхней части. Охлаждение продукта осуществляется при его непрерывном перемешивании. Готовый продукт удаляется из резервуара через патрубок и насосом подается на расфасовку
Рис. 6.2. Резервуар для приготовления кисломолочных продуктов:
1 — мешалка; 2 — теплоизоляция;
3 — теплообменная рубашка;
4 — внутренний корпус;
5 — наружный корпус;
В — пульт управления; 7 — ножки;
8 — патрубок заполнения-опорожнения;
9 — пробоотборный кран;
10 — люк; 11 — привод мешалки
Ванны длительной пастеризации В1-ВД2-П, Г6-0ПА-600 и Г6-ОПБ-ЮОО вместимостью соответственно 0,35; 0,6 и 1 м3 несущественно отличаются от описанного резервуара. В них отсутствует орошающая перфорированная труба для подачи хладоносителя. Теплообменная рубашка имеет переливную трубу и парораспределительную головку, к которой через трубопровод подается пар. Для охлаждения продукта, находящегося в ванне, в теплообменную рубашку подается холодная вода, а для нагревания и пастеризации продукта — пар. Ванны оборудованы мешалкой пропеллерного типа.
Резервуары универсального типа, как и ванны длительной пастеризации, позволяют как нагревать, так и охлаждать молоко или продукт его переработки.
Пастеризационная установка трубчатого типа состоит из двух центробежных насосов (рис. 6.3), трубчатого аппарата, возвратного клапана, конденсатоотводчиков и пульта управления с приборами контроля и регулирования технологического процесса.
Основной элемент установки — двухцилиндровый теплообменный аппарат — состоит из верхнего и нижнего цилиндров, соединенных между собой трубопроводами. В торцы цилиндров вварены трубные решетки, в которых развальцовано по 24 трубы диаметром 30 мм.
Трубные решетки из нержавеющей стали имеют выфрезерованные короткие каналы, соединяющие последовательно концы труб. Таким образом образуется непрерывный змеевик общей длиной около 30 м. Торцы цилиндров закрыты крышками с резиновыми уплотнениями, что обеспечивает герметичность аппарата и изолирование коротких каналов друг от друга.
Рис. 6.3. Трубчатая пастеризационная установка:
1 — центробежные насосы для молока; 2 — конденсатоотводчики; 3, 4 — патрубки для отвода конденсата; 5...8 — молокопроводы; 9 — возвратный клапан; 10 — регулирующий клапан подачи пара; 11 — предохранительные клапаны; 12 — паропровод; 13 —манометры для пара; 14 — патрубок для выхода пастеризованного молока; 15 — манометр для молока; 16 — пульт управления; 17 — верхний барабан; 18 — нижний барабан; 19 — рама
Пар подается в межтрубное пространство каждого цилиндра. Отработавший пар в виде конденсата выводится с помощью термодинамических конденсатоотводчиков. Нагреваемое молоко движется во внутритрубном пространстве последовательно через нижний и верхний цилиндры. На входе пара установлен регулирующий клапан подачи пара, а на выходе молока из аппарата — возвратный клапан, с помощью которого недопастеризованное молоко автоматически направляется на повторную пастеризацию. Возвратный клапан связан через регулятор температуры с термодатчиком, также расположенным на выходе молока из аппарата. Установка снабжена манометрами для контроля за давлением пара и молока.
Обрабатываемый продукт из накопительной емкости с помощью первого центробежного насоса подается в нижний цилиндр теплообменного аппарата, где нагревается паром до температуры 50...60 °С и переходит в верхний цилиндр. Здесь он пастеризуется при температуре 80...90 °С.
Второй насос предназначен для подачи молока из первого цилиндра во второй. В трубчатых пастеризационных установках скорость движения различных продуктов неодинакова. В установке для пастеризации сливок скорость их перемещения в трубах теплообменного аппарата — 1,2 м/с. В процессе теплообмена сливки поступают в цилиндры пастеризатора с помощью одного центробежного насоса. Скорость перемещения молока за счет применения двух насосов больше и составляет 2,4 м/с.
К преимуществам трубчатых пастеризационных установок по сравнению с пластинчатыми относятся значительно меньшие число и размеры уплотнительных прокладок, а к недостаткам — большие габаритные размеры и высокая металлоемкость. Кроме того, для чистки и мойки этих установок требуется свободное пространство со стороны торцов цилиндров теплообменного аппарата.
Рис. 6.4. Схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки типа ОПФ-1:
1 — пластинчатый аппарат; 2 — сепаратор-молокоочиститель; 3 — молочный насос;
4 — уравнительный бак; 5 — пульт управления; В — выдерживатель; 7 — водяной насос;
8 — конвекционный бак; 9 — инжектор; 10 — клапан, регулирующий подачу пара;
11 — перепускной электрогидравлический клапан; I, II — секции регенерации; III — секция пастеризации; IV — секция охлаждения холодной водой; V— секция охлаждения ледяной водой
Трубчатые установки эффективны, если последующий процесс обработки молока проводится при температуре, мало отличающейся от температуры пастеризации.
Пастеризационно-охладительная установка (рис. 6.4), применяемая при производстве питьевого молока, включает в себя уравнительный бак, центробежный насос для молока, пластинчатый аппарат, сепаратор-молокоочиститель, выдерживатель, возвратный клапан, центробежный насос для горячей воды, пароконтактный нагреватель и шкаф управления.
Пластинчатый аппарат имеет главную переднюю стойку (рис. 6.5, а) и вспомогательную заднюю стойку, в которые закреплены концы верхней и нижней горизонтальных штанг. Верхняя предназначена для подвески теплообменных пластин. По периферии каждой пластины в специальной канавке уложена большая резиновая прокладка, герметично уплотняющая канал.
3 4 5 6 7 8 1 2345678 92 10
Рис. В.5. Пластинчатые аппараты с различным расположением секций: а — с односторонним расположением: 1,2, 11, 12 — штуцера: 3 — передняя стойка:
4 — верхнее угловое отверстие: 5 — малая кольцевая резиновая прокладка: В — граничная пластина: 7 — штанга: 8 — нажимная плита: 9 — задняя стойка: 10 — винт: 13 — большая резиновая прокладка: 14 — нижнее угловое отверстие: 15 — теплообменная пластина:6 — с двусторонним расположением: 1 — зажимное устройство: 2 — нажимные плиты: 3 — первая секция регенерации: 4 — штуцер для выхода молока из секции регенерации и подачи его к сепаратору-молокоочистителю: 5 — вторая секция регенерации: В — штуцер для подачи молока в секцию регенерации после выдерживателя: 7 — секция пастеризации: 8 — главная стойка:
9 — секция водяного и рассольного охлаждения: 10 — штуцер для подачи пастеризованного молока: 11 — распорка: 12 — ножка: 13 — штуцер для выхода рассола: 14 — штуцер для выпуска пастеризованного молока из секции пастеризации и подачи его в выдерживатель:
15 — штуцер для входа молока в секцию регенерации после сепаратора-молокоочистителя:
16 — штуцер для выпуска горячей воды; 17 — штуцер для выхода холодной воды:
18 — штуцер для подачи рассола: 19 — штуцер для подачи пастеризованного молока в секцию водяного охлаждения: 20 — разделительные плиты: 21 — штуцер для подачи сырого молока
Пластины имеют угловые отверстия с небольшими кольцевыми резиновыми прокладками. После сборки пластин в аппарате образуются две изолированные системы каналов, по которым перемещаются молоко и охлаждающая жидкость.
Пластинчатый аппарат снабжен теплообменными пластинами из нержавеющей стали, разбитыми на пять секций: первая и вторая ступени регенерации, пастеризации, охлаждения артезианской водой и охлаждения ледяной водой. Некоторые пластинчатые аппараты имеют одну секцию регенерации. Секции отделены друг от друга специальными промежуточными плитами, имеющими по углам штуцера для подвода и отвода жидкостей. На пластине выбиты порядковые номера, которые указаны на схеме компоновки пластин.
Пластины прижаты к стойке с помощью плиты и нажимных устройств. Степень сжатия тепловых секций определяется по таблице со шкалой, установленной на верхней и нижней распорках. Нулевое деление устанавливается по оси болта вертикальной распорки и соответствует минимальному сжатию аппарата, обеспечивающему герметичность.
Пластинчатые аппараты с двусторонним расположением секций по отношению к главной стойке (рис. 6.5, б) применяют в установках большой производительности.
Сепаратор-молокоочиститель служит для очистки молока. При использовании очистителя с центробежной выгрузкой осадка устанавливают один сепаратор, с ручной — два.
Выдерживатель — один из основных элементов пастеризационно-охладительных установок. В нем молоко выдерживается при температуре пастеризации в течение определенного времени (20 или 300 с), необходимого для завершения бактерицидного действия температуры. Выдерживатель состоит из одного или четырех цилиндров, которые закреплены на трубчатых опорах. В некоторых установках выдерживатель выполнен в виде четырех секций, каждая из которых представляет собой спираль, изготовленную из трубы диаметром 60 мм. При обработке молока, полученного от здоровых животных, в работе участвует одна секция. В случае обработки молока, полученного от больных животных, оно пропускается последовательно через все четыре секции выдерживателя. Таким образом, время выдержки молока, полученного при прочих равных условиях зависит от объема выдерживателя.
Возвратный, или перепускной, электрогидравлический клапан служит для автоматического переключения потока молока на повторную пастеризацию при снижении его температуры в секции пастеризации.
Система нагрева промежуточного теплоносителя пастеризационно-охладительной установки состоит из конвекционного бака, насоса горячей воды, инжектора, регулирующего клапана подачи пара и трубопроводов. Бак служит для сбора, выравнивания температуры и отвода излишков воды. Инжектор предназначен для смешивания пара с водой, циркулирующей между конвекционным баком и секцией пастеризации установки. Количество пара, поступающего в инжектор, регулируется клапаном в зависимости от заданной температуры пастеризации молока.
Для циркуляции горячей воды в системе «инжектор — пластинчатый аппарат — конвекционный бак» применяют центробежный насос 2К20/18 или 2К 20/30.
В пастеризационно-охладительных установках с электронагревом промежуточного теплоносителя вместо конвекционного бака с инжектором применяют электрический водонагреватель. Он представляет собой цилиндрический резервуар вместимостью около 40 л, на крышке которого размещены электронагревательные элементы. Для подпитки и поддержания постоянного уровня воды имеется уравнительный бак, смонтированный на корпусе резервуара. Избыток воды из водонагревателя удаляют с помощью переливной трубы. Уровень воды в резервуаре контролируется измерителем уровня, который отключает нагревательные элементы при падении его ниже нормы.
Работа пастеризационно-охладительной установки при производстве питьевого молока заключается в следующем. Молоко из танка (см. рис. 6.4) направляется самотеком или под напором в уравнительный бак, откуда насосом подается в первую секцию регенерации пластинчатого аппарата. Подогретое до 37...40 °С, оно поступает в молокоочиститель для очистки от механических примесей и идет на дальнейший подогрев во вторую секцию регенерации и секцию пастеризации, где нагревается до 90 °С. Из секции пастеризации молоко через электрогидравлический перепускной клапан направляется в выдерживатель, находится там в течение 300 с, далее поступает в секции регенерации для отдачи тепла встречному потоку молока, поступающему в аппарат. После этого оно попадает последовательно в секции охлаждения водой и рассолом, где охлаждается до 8 °С, и выходит из установки.
Для охлаждения молока используется артезианская и ледяная вода (рассол) от холодильной установки. Охлаждение молока до температуры не выше 8 °С возможно только при нормальной кратности подачи воды и рассола в секции охлаждения. Весь процесс пастеризации регулируется автоматически.
Требуемая температура пастеризации поддерживается электронным мостом. Регулировка плавная. Температура пастеризации записывается на диаграммной ленте контрольного прибора. Звуковая и световая сигнализация срабатывает при падении температуры пастеризации ниже 90 °С.
Наряду с косвенным обогревом продукта, когда молоко обрабатывается горячей водой, подогретой паром или электронагревателями, в некоторых пастеризаторах в качестве источника прямого нагрева пищевых продуктов применяются инфракрасные нагреватели.
Пастеризационная установка УОМ-ИК-1 (рис. 6.6) кроме секции инфракрасного электронагрева включает в себя выдерживатель и пластинчатый теплообменный аппарат
Рис. Б.В. Схема пастеризационно-охладительной установки УОМ-ИК-1:
1 — секция инфракрасного электронагрева; 2 — выдерживатель; 3,15 — термометры;
4 — смотровой участок; 5,6 — трехходовые краны; 7 — секция охлаждения ледяной водой Iрассолом1; 8 — секция охлаждения водой; 9 — секция регенерации; 10 — манометр; 11 — пластинчатый теплообменник; 12, 13 — вентили; 14 — перепускной клапан; 16 — термометр сопротивления; 17 — кран; 18 — уравнительный бак; 19 — насос; 20 — моечный трубопровод; 21 — емкость для хранения молока
Секция инфракрасного нагрева состоит из трубок кварцевого стекла (/-образной формы с отражателями из анодированного алюминия. В секции 16 трубок (10 основных, 4 регулирующих режим нагрева и 2 дополнительных), на которые навита спираль из нихрома. Трубки включены в сеть параллельно.
Выдерживатель состоит из двух последовательно соединенных труб из нержавеющей стали. В пластинчатом теплообменнике имеются секция регенерации и две секции охлаждения.
Молоко поступает в уравнительный бак, из него насосом последовательно подается в секции регенерации, инфракрасного нагрева и выдерживатель. После выдерживателя пастеризованное молоко проходит секцию регенерации, отдавая теплоту холодному молоку, и затем последовательно — секции охлаждения водой и рассолом.
Пластинчатые пастеризационно-охладительные установки по сравнению с другими типами тепловых аппаратов имеют следующие преимущества:
• малый рабочий объем аппарата, что позволяет приборам автоматики более точно отслеживать ход технологического процесса (у пластинчатого теплообменика рабочий объем для продукта и теплоносителя в 3 раза меньше, чем у трубчатого такой же производительности);
• способность работать достаточно эффективно при минимальном тепловом напоре;
• минимальные теплопритоки и потери тепла и холода (тепловая изоляция обычно не требуется);
• существенная экономия (80...90%) тепла в секциях регенерации (удельный расход пара в пластинчатых аппаратах в 2—3 раза ниже, чем в трубчатых, и в 4—5 раз меньше, чем в резервуарных теплообменниках);
• малая установочная площадь (пластинчатый теплообменник занимает примерно в 4 раза меньшую поверхность пола, чем трубчатый аналогичной производительности);
• возможность менять число пластин в каждой секции, что позволяет адаптировать теплообменный аппарат к конкретному технологическому процессу;
• возможность безразборной циркуляционной мойки аппаратуры. Наиболее высокими технологическими показателями среди отечественных тепловых аппаратов обладают модульные автоматизированные пастеризационно-охладительные установки с электронагревом «Поток Терм 500/1000/3000».
К особенностям этих установок относятся высокий коэффициент регенерации тепла (0,9), система подготовки горячей воды с электронагревом и четырехсекционный пластинчатый теплообменник (две секции регенерации, секция пастеризации и секция охлаждения). В последнем резиновые прокладки выполнены из патентованного материала и соединены с пластинами специальными зажимами, т.е. без помощи клея. Основные технические данные пластинчатых пастеризационно-охладительных установок для молока приведены в табл. 6.1.
Кроме автоматизированных выпускаются также модульные полуавтоматические пастеризационно-охладительные установки «Поток Терм 3000/5000/10000», в которых нагрев продукта до температуры пастеризации осуществляется паром давлением 300 кПа. Расход пара в этих установках составляет 60, 100 и 173 кг/ч соответственно.
Одним из перспективных направлений совершенствования пастеризационных установок является применение в них роторных нагревателей, специальная конструкция которых позволяет за счет молекулярного трения частиц обрабатываемого продукта нагревать последний до заданной температуры. Температура тепловой обработки продукта зависит от времени его нахождения в роторном нагревателе и может регулироваться в широких пределах. Одновременно с этим продукт подвергается гомогенизации.
Высокотемпературный пастеризатор молока с роторным нагревателем ПМР-0,2 ВТ (рис. 6.7) предназначен для пастеризации, выдержки, фильтрации и охлаждения молока. Его можно использовать совместно с доильной установкой или автономно. При необходимости пастеризатор настраивают на режим стерилизации молока.
Рис. Б.7. Технологическая схема пастеризатора ПМР-0,2 ВТ:
1 — пульт управления; 2 — термометр сопротивления; 3 — автоматический клапан возврата; 4 — вход молока; 5 — приемный бак; Б — молочный насос; 7 — фильтр; 8 — пластинчатый теплообменный аппарат; 9 — выход молока; 10 — выдерживатель; 11 — кран проходной; 12 — роторный нагреватель
Удельные затраты электроэнергии в сравнении с электрическими и паровыми пастеризаторами в данном аппарате снижены 2,5—3 раза, а площадь, занимаемая им, не превышает 1,5 м2.
Молоко из емкости для хранения резервуара поступает в приемный бак и с помощью молочного насоса подается в фильтр и пластинчатый теплообменный аппарат. В секции регенерации аппарата молоко подогревается за счет теплоты продукта, поступающего из выдерживателя, и подается в роторный нагреватель. Температура обработки молока в нагревателе измеряется термометром сопротивления и отображается с помощью цифрового индикатора на пульте управления. В случае нарушения заданного режима пастеризации молоко с помощью автоматического клапана возврата направляется на повторную обработку. Нагретое до нужной температуры молоко подается в выдерживатель, где находится в течение 15...20 с, а затем последовательно перемещается через секции регенерации и охлаждения пластинчатого теплообменного аппарата.
Пастеризатор оснащен электронным управлением, с помощью которого осуществляют непрерывный контроль за рабочими параметрами.
Установки для стерилизации трубчатого и пластинчатого типов имеют много общего с оборудованием аналогичного типа, применяемого для пастеризации пищевых продуктов. Основные их отличия связаны с теплообменным аппаратом, наличием гомогенизатора и температурой применяемого пара. Например, в автоматизированной установке для стерилизации молока А1-ОПЖ пластинчатый аппарат состоит из семи секций: трех секций регенерации, секций пастеризации и стерилизации и двух секций охлаждения.
До выхода из выдерживателя технологический процесс этой установки полностью соответствует работе пастеризационно-охладительной установки. В стерилизационной установке продукт после нахождения в выдерживателе поступает в двухступенчатый гомогенизатор, которым молоко с температурой 83...85 °С проталкивается через третью секцию регенерации и поступает в секцию стерилизации. При входе в секцию стерилизации продукт имеет температуру 120... 123 °С, а на выходе — 135 °С. Достигается это подачей в секцию стерилизации пара, нагретого до 145 °С. Далее простерилизованное молоко последовательно перемещается через три секции регенерации и две секции охлаждения.
Применение трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратов при стерилизации молока оправдано тем, что при косвенном нагреве продукта значительно снижается расход энергии (в основном за счет регенерации тепла). Однако продолжительность термообработки в таких аппаратах довольно велика, так как в них невозможно быстро охладить продукт. Молоко и молочные продукты более чувствительны к продолжительности их термообработки, чем к температурному режиму, поэтому в настоящее время считается целесообразным совершенствование технологического оборудования для стерилизации молока, работающего как по принципу косвенного нагрева, так и в режиме прямой термообработки.
Стерилизационная установка фирмы «Альфа-Лаваль» (Швеция) (рис. 6.8) представляет один из вариантов оборудования для пароконтактного нагрева молока. Предназначенный для нагревания продукт через патрубок подается в кольцевой канал нагревателя и направляется в камеру. Сюда же через патрубок и канал поступает очищенный острый пар. Пар смешивается с молоком, конденсируется в нем и нагревает продукт до 135... 140 °С.
В более совершенной конструкции стерилизатора молоко с помощью специального тефлонового диска разделяется на множество мелких потоков, которые в течение 1,5...2 с нагреваются паром до 125 °С.
Тепловую обработку консервов в аппаратах, предназначенных для стерилизации, проводят в основном двумя способами: острым насыщенным паром без противодавления (для консервов в жестяной таре объемом до 500 см3) и водой, подогреваемой паром, с противодавлением (для консервов в стеклянной таре и в жестяных банках больших объемов)
Рис. Б.8. Пароконтактный нагреватель молока:
Стерилизованное молоко
7 — нижняя часть корпуса; 2 — отверстие для молока; 3 — уплотнительное кольцо;
4 — кольцевой канал для молока; 5 — верхняя часть корпуса; В — патрубок для ввода молока;
7 — центральный стержень; 8 — регулировочная гайка; 9 — патрубок для входа пара;
10 — канал для пара; 11 — смесительная камера