Лекция 9. Разработка структурных схем
ПТЛ первичной обработки молока
Определение требуемой производительности ПТЛ первичной обработки молока.
Структурно-технологические схемы первичной обработки молока
Подбор и расчет оборудования для очистки молока
Особенности подбора и расчета оборудования для охлаждения молока. Выбор холодильной установки.
Особенности подбора и расчета оборудования для пастеризации молока.
Регенерация теплоты и ее значение в теплообменных аппаратах.
1.
Для выбора оборудования для первичной обработки молока необходимо знать, сколько молока в час может поступить с доильной установки для того, чтобы обеспечить обработку молока в непрерывном потоке.
Производительность поточных линий доения и первичной обработки молока:
, кг/ч,
где М – поголовье коров на ферме;
qг – среднегодовой удой на 1 фуражную корову, кг/год, принимается 3000-3500 кг/год;
kc – коэффициент, учитывающий количество сухостойных коров в стаде (0,8…0,9);
kн – коэффициент неравномерности удоя в течение года (1,2…1,5);
φ – число доек за день;
Т – продолжительность одного разового доения стада коров, час.
, час.
2.
В зависимости от числа и размера ферм, поголовья дойных коров, применяемых доильных установок в хозяйствах создают специальные подразделения (молочные), которые оборудуются машинами и аппаратами для очистки молока от механических примесей, охлаждения молока и его хранения.
В случаях необходимости часть молока может подвергаться пастеризации, сепарированию, нормализации.
В зависимости от требований, предъявляемых к обработке молока, могут быть приняты следующие структурно-технологические схемы его обработки.
| Наименование технологической операции | Состав структурно-технологических схем | |||
| Очистка | Фильтр грубой очистки | Сепаратор - молокоочиститель |  Сепаратор - молокоочиститель
| Сепаратор - молокоочиститель |
| Сепарирование | 
| 
| }сепаратор – сливкоотделитель - нормализатор | |
| Нормализация | ||||
| Пастеризация | Пластинчатый пастеризатор (с вытеснит. барабаном) | Пастеризатор для сливок и нормализованного молока | ||
| Охлаждение | Охладитель емкостной
| Теплообменник непрерывного действия (пластинч) | Охладитель
| Охладитель
|
| Хранение | -//-//- | Резервуары - термосы | Резервуар - термос | Резервуар - термос |
Для подбора оборудования согласно указанных выше схем необходимо знать количество продукта, которое проходит или хранится в каждой единице оборудования, а для этого необходимо знать, как меняется масса молока при его обработке.
Из указанных выше схем можно сделать вывод, что изменение массы продукта происходит при сепарировании и при нормализации. Следовательно, встает необходимость расчета этих технологических операций.
Рассмотрим еще одну технологию охлаждения молока. Для данного процесса применяется тепловой насос. Тепловой насос – это универсальное устройство, которое можно использовать одновременно для нагрева и охлаждения. Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно. Затраты энергии на работу теплового насоса в несколько раз меньше той энергии, которую он производит [1].
Теплоноситель, проходя через испаритель теплового насоса, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур заполнен хладоагентом, который имеет низкую температуру кипения. Хладоагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор всасывает газообразный хладоагент и выполняет его сжатие. За счет увеличения давления происходит повышение температуры. Хладоагент направляется в конденсатор, в котором он отдает тепло в систему отопления и переходит в жидкое состояние. С помощью расширительного клапана производится снижение остаточного давления, и цикл повторяется.
Рис. 1 – Принцип действия теплового насоса
Сама технологическая схема имеет вид:
Рисунок 2 - Схема применения теплового насоса
Вода, забираемая из артезианской скважины температурой 80С, поступает на тепловой насос для охлаждения до температуры 2…40С, которая затем поступает в охладитель для охлаждения молока до указанной температуры. Вода, выходя из охладителя, поступает в тепловой насос, где догревается до температуры 35…450С.
3.
Для очистки молока в молочных, где обрабатывается небольшое количество молока (менее 500 кг/ч) рекомендуется применять фильтры грубой очистки, которые подбираются по их пропускной способности. Пропускная способность зависит от общей площади фильтра и скорости протекания молока через него.
, кг/ч
где F – общая площадь фильтра, м2;
V – скорость протекания молока через фильтр, м/ч;
ρ – плотность молока, кг/м3.
, м/с,
где μ – коэффициент истечения молока, μ=0,8;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
h – высота столба жидкости над фильтром, м.
При включении в состав ПТЛ для первичной обработки молока сепараторов – молокоочистителей необходимо знать время его непрерывной работы.
, час,
где Vгр – объем грязевого пространства барабана сепаратора – молокоочистителя, л;
р – процент отложения сепараторной слизи от общего объема пропускаемого молока (принимается 0,3…0,6%);
L – производительность сепаратора – молокоочистителя, л/ч.
, см3,
где Rmax и Rmin – максимальные и минимальные радиусы грязевого пространства барабана сепаратора – молокоочистителя, см;
Н – высота пакета тарелок барабана, см.
4.
При составлении ПТЛ первичной обработки молока и при включении в них теплообменников непрерывного действия необходимо учитывать, что они подбираются не по производительности, а по требуемой площади теплообмена.
Соответственно, при выборе охладителей непрерывного действия необходимо определить поверхность теплообмена между теплым молоком и холодным хладоносителем.
Определение поверхности теплообмена проводится из уравнения теплового баланса.
При передаче тепла от молока к хладоносителю количество тепла может быть выражено уравнением.
,
,
, Вт/м2×0С,
где α1 – коэффициент теплоотдачи от холодной воды к стенке;
α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к молоку;
δст – толщина теплообменной пластины;
λ – коэффициент теплопроводности материала.
,
где Δtmax, Δtmin – разность температур теплоносителя и среды на входе и на выходе из аппарата.
Для охлаждения молока требуется определенное количество хладоносителя (ледяная, холодная вода, рассол), количество которого составляет в несколько раз больше, чем масса охлаждаемого молока.
Величина, равная отношению Мхл к Мм, является коэффициентом кратности аппарата (n).
При охлаждении водой nв = 
рассолом: nр = 
Для подготовки хладоносителя необходимо дополнительное оборудование: холодильные установки. Выбор которых осуществляется либо по сменной хладопроизводительности, либо по часовой.
Сменная хладопроизводительность определяется исходя из количества тепла, которое необходимо отвести от молока в течение смены.
Если в технической характеристике указана часовая хладопроизводительность, то она определяется:
где τ – время отведения тепла.
5.
Аппараты для пастеризации (обработки молока при высоких положительных температурах: от 65 до 950С) выбираются также как и для охлаждения: по поверхности нагрева или теплообмена.
где G – количество тепла, необходимое для нагрева продукта до определенной температуры;
C – теплоемкость продукта4
tк и tн - конечная и начальная температура нагреваемого продукта;
k – коэффициент теплопередачи;
Δtср – средняя разность температур.
Основным теплоносителем (прямым или промежуточным) при нагревании молока является пар, часовой расход которого определяется по формуле:
, кг/ч,
где Gч – часовая производительность аппарата по нагреваемой среде;
i – теплосодержание пара, Дж/кг;
λ – теплосодержание конденсата;
η – тепловой КПД пастеризатора.
6.
В целях экономии тепла и расхода теплоносителя в большинстве теплообменных аппаратов используют регенерацию (рекуперацию) тепла, т.е. процесс возвращения теплоты от нагретого уже продукта к холодному продукту. Отношение возвращенного количества тепла к общему затраченному теплу на пастеризацию называют коэффициентом регенерации.
,
Тепловая производительность регенератора может быть определена также по формуле материального баланса, т.е.
.