Принцип действия стерилизатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

Кафедра «Технология производства и переработки молока»

Допустить к защите

«____»_________________20 г.

Руководитель _________________

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Технологическое оборудование молочной отрасли

по теме: Принцип действия стерилизатора

Проект выполнил студент Мостипан Д.В.

Шифр: 110094

Группа 301/1

Специальность: Продукты питания животного происхождения

Факультет: Биотехнологии и ветеринарной медицины

Курсовой проект защищен с оценкой

Руководитель проекта: к.т.н., доцент Жучков А.А.

ОРЕЛ 2013

Содержание

Введение

1. Анализ способов и выбор оптимального

2. Способы стерилизации молока

3. Описание выбранного процесса

4. Анализ аппаратов для реализации выбранного процесса

4.1 Классификация оборудования

4.2 Анализ аппаратов для стерилизации молока

5. Расчетная часть

6. Описание выбранного аппарата

Заключение

Список использованной литературы

Введение

молоко стерилизация пастиризация

Молоко используют либо как продукт питания в непереработанном или переработанном виде, либо как сырье для молочной и пищевой отраслей промышленности. Молоко имеет высокую пищевую и биологическую ценность [4].

Тепловую обработку (пастеризацию и стерилизацию) молока применяют для предохранения молочных продуктов от порчи и повышения стойкости при хранении. Вместе с тем в процессе тепловой обработки изменяются основные компоненты молока, а также вязкость, кислотность, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал, вкус, запах, цвет молока, его способность к отстою сливок, сычужному свертыванию и пр. [1].

Производство стерилизованного молока в России и на Европейском рынке увеличивается и сейчас составляет около 20% от всего объема питьевого молока. Мощные рынки этого продукта сформировались во Франции, Южной Германии, Италии, Испании, Португалии, Бельгии. Для этих стран объемы стерилизованного молока составляют 6,5% от общего количества выпускаемого молока и 12% от розничной торговли в супермаркетах [5].

Тенденции мировой пищевой индустрии предполагают развитие новых видов теплообменных установок, способных производить обработку вязких продуктов, со сложными компонентными составами. Перспективным видится рынок установок для тепловой обработки комбинированного типа (так называемые «комби»), сочетающих в себе теплообменники пластинчатого и трубчатого типа, позволяющие в максимальной степени использовать все преимущества теплообменников этих типов [13].

Целью курсовой работы является изучение технологии, способов и подходов стерилизации молока, расчет эффективности установок для стерилизации и улучшение работы аппарата.

1. Анализ способов и выбор оптимального

В молоке могут содержаться различные микроорганизмы, в том числе и болезнетворные (патогенные). Для уничтожения микроорганизмов молоко подвергают главным образом тепловой обработке. В молочной промышленности применяют два вида тепловой обработки: пастеризацию (нагревание молока до температуры ниже 100^оС) и стерилизацию (нагревание молока до температуры выше 100^оС) [2].

Стерилизация - это такая обработка продукта, при которой все микроорганизмы и их споры полностью уничтожаются. Молоко стерилизуют для увеличения стойкости при длительном хранении и дальних перевозках. К положительным свойствам стерилизованного молока можно отнести значительную стойкость даже при неблагоприятной температуре хранения и приятный привкус кипяченого молока [21].

В процессе стерилизации изменяются физические свойства молока. При длительной тепловой обработке в банках или бутылках может вытапливаться или отстаиваться молочный жир. При кратковременной тепловой обработке в потоке иногда наблюдается, уменьшение размеров жировых шариков, при этом степень дробления их увеличивается с повышением температуры.

Стерилизация, особенно длительная, наряду с определенными изменениями белков, жиров и углеводов вызывает разрушение витаминов. При этом на содержание витаминов в стерилизованном молоке влияет не только способ обработки, но и витаминная активность исходного молока, которая зависит от времени года, кормов, породы скота и периода лактации.

В результате стерилизации молоко теряет способность свертываться сычужным ферментом. Даже при добавлении к сырому молоку хорошей свертываемости сычужным ферментом небольшого количества молока, стерилизованного при высокой температуре, это свойство утрачивается.

Питательная ценность стерилизованного молока по сравнению с нестерилизованным существенно не изменяется. Кроме того, стерилизованное молоко лучше переваривается.

На уничтожение спорообразующей микрофлоры влияет не только температура стерилизации, но и продолжительность выдержки. Молоко можно стерилизовать при 150°С с выдержкой 1 с, при 140°С - 10 с, при 135°С - 30 с, при 130°С - 60 с, при 120°С - около 15 мин, при 115°С - 20-30 мин, при 110°С - 35-10 мин. [2; 17].

2. Способы стерилизации молока

Стерилизация молока проводится в целях получения безопасного, в санитарно-гигиеническом отношении, продукта и обеспечении его длительного хранения при температуре окружающей среды без изменения качества. Существует множество способов стерилизации молока (химический, механический, радиоактивный, электрический, тепловой).

Например, стерилизация молока посредством радиационной обработки полностью исключает энергозатраты, поскольку стерилизация на гамма-установке происходит за счет радиоактивного распада источников излучения. Кроме того, молоко не подвергается нагреву, что исключает изменение вкусовых качеств и основных физико-механических свойств, отпадает необходимость охлаждения [8].

Тем не менее, наиболее надежным, экономически выгодным и нашедшим широкое применение в промышленности является тепловой способ [19].

В молочной промышленности молочное сырье стерилизуют по трем принципиальным схемам:

одноступенчатая в упаковке - после розлива молока в упаковку и ее герметичной укупорки при температуре 115-120°С с выдержкой 15-30 мин;

двухступенчатая - предварительная стерилизация молочного сырья в потоке при температуре 130-150°С в течение нескольких секунд, а затем вторичная стерилизация после розлива молока или молочных продуктов в упаковку и ее герметичной укупорки при температуре 115-120^оС в течение 15-20 мин;

одноступенчатая с асептическим розливом - косвенная или прямая стерилизация молочного сырья при температуре 135-150^оС в течение нескольких секунд с последующим фасованием в асептических условиях в стерильную тару [3].

В зависимости от особенностей производства и фасования готового продукта молочное сырье стерилизуют периодическим и непрерывным способами.

Стерилизацию периодическим способом проводят, помещая продукт в упаковке (стеклянных или пластмассовых бутылках) в автоклав и создавая в нем разрежение 0,08 МПа, что соответствует температуре 121^оС. При этой температуре продукт выдерживается 15-30 мин. Затем температуру снижают до 20^оС. На стерилизацию молоко поступает нормализованным, гомогенизированным, прошедшим предварительный нагрев.

Стерилизация непрерывным способом в упаковке осуществляется в гидростатических башенных стерилизаторах. Фасованный в бутылки продукт подастся в первую башню стерилизатора, где нагревается до (86 ± 1)^оС. Во второй башне продукт в бутылках нагревается до температуры 115-125^оС и выдерживается в зависимости от объема бутылки 20-30 мин. В третьей башне стерилизатора бутылки охлаждаются до температуры (65 ± 5)^оС, в четвертой - до (40 ± 5)^оС. Дальнейшее охлаждение идет в камере хранения продукта. Весь цикл обработки в башенном стерилизаторе составляет приблизительно 1 ч. Такое молоко хранится при температуре 1-20^оС не более 2 мес. со времени выработки [21].

В молочной промышленности стерилизация молока и молочных продуктов осуществляется в таре и в потоке.

Стерилизация в таре. Стерилизация молочного продукта в таре может осуществляться одноступенчатым способом (после розлива в тару и ее герметичной укупорки при 110-120°С с выдержкой 15-30 мин) и двухступенчатым (первоначально в потоке - сначала до розлива в тару при 130-150^оС в течение нескольких секунд, затем вторично после розлива продукта в тару и ее герметичной укупорки при 110-118^оС в течение 10-20 мин) [2; 4].

Готовый продукт можно хранить и употреблять в течение года. Для упаковывания продукта обычно используют стеклянные бутылки или жестяные банки.

При стерилизации молочною продукта в таре изменяется вкус и снижается его питательная ценность вследствие того, что при довольно длительном тепловом воздействии разрушаются компоненты продукта, определяющие его вкусовые и питательные свойства.

Стерилизация в потоке. Наиболее прогрессивной является стерилизация продукта в потоке при ультравысокотемпературном режиме (135-150^оС с выдержкой несколько секунд) с последующим фасованием его в асептических условиях в стерильную тару.

Ультравысокотемпературная (УВТ) обработка позволяет увеличить продолжительность хранения продуктов до 6 мес. При фасовании молочных продуктов в асептических условиях применяют пакет из комбинированною материала, пластмассовые бутылки, пакеты из полимерного материала, а также металлические банки и стеклянные бутылки.

Молоко, стерилизованное в потоке при ультравысокотемпературных режимах с кратковременной выдержкой, но своим качественным показателям приближается к пастеризованному молоку.

В процессе стерилизации в потоке продукт нагревается до температуры стерилизации, выдерживается при этой температуре в течение требуемого времени, охлаждается до температуры фасования в асептических условиях.

Соотношение температуры и времени обработки определяется требуемой эффективностью стерилизации и имеет большее значение для качества продукта. Верхним температурным пределом стерилизации молока в потоке является 150^оС, так как даже кратковременная выдержка при этой температуре может привести к нежелательным изменениям качества продукта. В то же время трудно осуществить технически очень быстрый нагрев до этой температуры и последующее быстрое охлаждение. Нижним температурным пределом является температура 135^оС, так как при температуре менее 135^оС эффективность стерилизации недостаточна при кратковременной выдержке. Увеличение продолжительности выдержки также нежелательно во избежание ухудшения качества продукта [18].

Таким образом, стерилизация молока в потоке является наиболее эффективным способом тепловой обработки молока.

3. Описание выбранного процесса

Размещено на Allbest.ru

Рассмотрим процесс стерилизации молока в потоке.

Стерилизация молока в потоке осуществляется путем нагрева его в аппаратах поверхностного типа (пластинчатых и трубчатых), а также пароконтактных инжекционного («пар в молоко») и инфузионного («молоко в пар») типов с последующим розливом молока в асептических условиях в стерильную тару (пакеты из полимерного материала).

При стерилизации в потоке молоко очищается, охлаждается и нормализуется по массовой доле жира. Затем молоко пастеризуют при температуре 76 ± 2°С с выдержкой 20 с и охлаждают до 6 ± 2^оС. При использовании сухого молока его восстанавливают в соответствии с действующей технологической инструкцией. Для улучшения качества продукта, вырабатываемого на восстановленном молоке, рекомендуется приготавливать его из смеси с цельным молоком в соотношении, зависящем от показателей сухого молока.

Перед стерилизацией молока проверяют его термоустойчивость. Молоко термоустойчивостью по алкогольной пробе не ниже III группы направляют на стерилизацию. В молоко термоустойчивостью ниже III группы добавляют соли-стабилизаторы в количестве до 0,05% в виде водного раствора. После внесения солей-стабилизаторов молоко перемешивают не менее 15 мин и проверяют термоустойчивость. Раствор солей-стабилизаторов вносят непосредственно перед направлением молока на стерилизацию. Не рекомендуется хранить молоко с добавками солей-стабилизаторов.

Подготовленное для стерилизации молоко предварительно нагревают до 83 ± 2^оС и направляют в деаэратор для удаления из молока не свойственных запахов и привкуса. Из деаэратора молоко температурой 75 ± 2^оС подается в гомогенизатор, в котором гомогенизируется при давлении 22,5 ± 2,5 МПа. Гомогенизированное молоко направляют на стерилизацию. После стерилизации молоко охлаждают до 20^оС и направляют на розлив. Пищевая ценность молока после стерилизации в потоке (кратковременной) выше, чем после стерилизации в таре (длительной).

При соблюдении режимов стерилизации молоко после обработки имеет привкус кипячения и ореховый оттенок вкуса, обусловленный образованием сульфгидрильных групп, которые являются антиокислителями и препятствуют окислению и прогорканию молочного жира. Цвет молока белый или слегка кремовый. По консистенции стерилизованное молоко представляет собой однородную жидкость без наличия хлопьев белка. Допускается незначительный отстой сливок, который растворяется при встряхивании [4].

Ультравысокотемпературная стерилизация молока осуществляется путем косвенного нагрева в установках поверхностного типа или путем прямого нагрева в пароконтактных установках. В качестве теплоносителя для нагревания продукта до температуры стерилизации применяют водяной пар или горячую воду. В последнее время в качестве источника энергии стали использовать электричество [20].

Косвенный нагрев молока. При косвенном нагреве продукт и греющая среда разделены теплопередающей стенкой. Греющим агентом может быть пар или горячая вода, обеспечивающие нагревание молока до 136-138^оС в течение 12-20 с. Повышение температуры стерилизации ведет к образованию пригара на теплопередающей поверхности, уменьшению питательной ценности продукта и поэтому не рекомендуется.

Косвенный нагрев при ультравысокотемпературной обработке молока и молочных продуктов может осуществляться в пластинчатых, трубчатых и роторных (скребковых) теплообменниках.

При косвенном нагреве исключаются проблемы, возникающие в связи с высокими требованиями к качеству инжектируемого пара. Этот процесс более простой, надежный, менее энергоемкий, рекуперация тепла составляет 70-90%.

Однако время работы установок косвенного нагрева меньше и больше зависит от качества исходного сырья. Оно составляет 6-12 ч с промежуточной мойкой [7].

Основная трудность, возникающая при использовании косвенных систем, особенно с пластинчатыми теплообменниками, заключается в пригарообразовании в секциях предварительного нагрева и стерилизации. Эти отложения образуются из смесей, денатурированных при нагревании белков и солей, и могут снизить время непрерывной работы до 4 ч и менее между мойками [21].

Прямой нагрев молока. При прямом нагреве продукт и греющая среда находятся в прямом контакте, т е. смешиваются. Нагрев продукта осуществляется паром двумя способами; либо инжекцией пара в молоко, либо введением молоки в пар. В первом случае пар под большим давлением вводится в молоко, нагревая его при этом до 140--150^оС в течение долей секунды (уперизация). Во втором случае молоко инжектируется в атмосферу пара в виде капель, струй или пленки (вакреация).

Качество продукта, стерилизованного путем прямого нагрева, во многом зависит от качества вводимого пара. Он должен быть сухим, насыщенным, без посторонних примесей и запахов, полученным из питьевой воды в специальных парогенераторах («кулинарный» пар).

Основным преимуществом прямого нагрева перед косвенным является практически мгновенное нагревание всей массы продукта без теплопередающей поверхности, что позволяет обрабатывать более вязкие продукты использовать молоко более низкой термоустойчивости и работать в течение более длительного времени без промежуточной мойки (при сырье высокого качества до 15- 20 ч).

В то же время прямой нагрев имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость и стоимость, низкий коэффициент рекуперации тепла (40-50%), повышенные требования к чистоте пара, вводимого в продукт, и сложность регулирования процесса удаления конденсата на стадии охлаждения продукта в вакуум камере [18; 19; 21].

Пороки, вызванные тепловой обработкой. В процессе тепловой обработки (пастеризация, стерилизация, сгущение и сушка) углеводы, липиды и аминокислоты молока и сливок подвергаются глубоким изменениям с образованием многочисленных соединений, обладающих специфическими вкусом и запахом. В процессе хранения молочных продуктов изменения составных частей молока могут продолжаться, а продукты распада при взаимодействии между собой образуют новые компоненты, ухудшающие их вкус и запах.

Длительная выдержка или высокая температура обработки (от 130 до 150єС) могут вызвать появление в молоке (и сливках) более резкого привкуса - привкуса перепастеризации, не исчезающего при хранении. К соединениям, ответственным за образование привкуса перепастеризации, помимо сульфгидрильных относятся диацетил, лактоны, метилкетоны, мальтол, ванилин, бензальдегид и ацетофенон [1; 6].

Таким образом, преимущество в технологическом смысле сохраняется за контактной стерилизацией молока.

Размещено на Allbest.ru

4. Анализ аппаратов для реализации выбранного процесса

4.1 Классификация оборудования

В молочной отрасли это оборудование можно разделить на две основные группы: для стерилизации молока в таре и стерилизации молока в потоке.

К первой группе относят аппараты периодического действия (автоклавы), полунепрерывного (стерилизаторы туннельного типа) и непрерывною (гидростатические стерилизаторы) действия.

Вторая группа также представлена аппаратами двух типов: поверхностного (пластинчатые, трубчатые и др.) и пароконтактные с нагревателями инфузионного («молоко в пар») и инжекционного («пар в молоко»). Основным недостатком аппаратов для стерилизации молока в таре является медленный и неравномерный прогрев продукта до температуры стерилизации. Этого недостатка лишены аппараты для стерилизации молока в потоке [9; 10].

Оборудование поверхностного типа. Схема пластинчатой стерилизационно-охладительной установки поверхностного типа приведена на рисунке 1, а. Молоко из уравнительного бака центробежным насосом подается в первую секцию регенерации, а затем во вторую. В последней молоко нагревается до температуры гомогенизации и поступает в гомогенизатор. После него молоко направляют в секцию стерилизации, где оно нагревается паром до температуры стерилизации. Охлаждение молока осуществляется последовательно путем передачи теплоты сырому молоку в первой, второй и третьей секциях регенерации. Окончательное охлаждение молока происходит в охладителе. Часовая производительность пластинчатых стерилизационно-охладительных установок составляет от 500 до 10 000 л и более.

В трубчатой стерилизационно-охладительной установке (рисунок 1, б) молоко из бака подается насосом через первую секцию регенерации в гомогенизатор. Гомогенизированное молоко, проходя вторую секцию регенерации, поступает в секцию стерилизации, где стерилизуется и поступает в выдерживатель. Затем проходит вторую и первую секции регенерации, в которых отдает теплоту холодному молоку. Окончательно стерилизованное молоко охлаждается в секции установки [15; 16].

Рисунок 1 - Схемы стерилизационно-охладительных установок поверхностного типа: а - пластинчатая установка: 1 - уравнительный бак; 2 - насос; 3 - предохранительный клапан. 4 - гомогенизатор; 5 - регулятор температуры стерилизации; 6 - возвратный клапан; 7 - секция стерилизации, 8-10 - секции регенерации; 11 - кран, 12 - охладители, б - трубчатая установка: 1 - уравнительный бак; 2, 4 - секции регенерации; 3 - гомогенизатор, 5 - секция стерилизации; 6 - паровой вентиль; 7 - регулятор температуры; 8 - выдерживатель; 9 - охладитель; 10 - кран, 11 - насос.

Пароконтактные нагреватели. Пароконтактнаястерилизационной установка с нагревателем инжекционного типа (рисунок 2, а) работает следующим образом. Молоко из бака подается в первый подогреватель, а затем во второй. Во втором подогревателе оно подогревается паром из котельной, а в первом -- вторичным паром, поступающим из первого подогревателя. Затем насосом высокого давления молоко перекачивается в пароконтактный нагреватель, где нагревается до температуры стерилизации и направляется в вакуумную камеру (дезодоратор).

Пароконтактный нагреватель инжекционного типа («пар в молоко») представляет собой закрытый канал, по которому движется нагреваемое молоко. В поток молока через специальные отверстия поступает водяной насыщенный пар. Объемом пара и его температурой определяется степень нагрева молока. По конструкции такие нагреватели могут быть различными: с двумя кон-центрическими кольцевыми щелями, через которые под давлением выходят в расширяющую часть конуса молоко и пар; с двумя коаксиально расположенными трубами, в одной из которых (центральной, перфорированной отверстиями малого диаметра) движется молоко, а пар вводится в кольцевое пространство между перфорированной трубой и цилиндрическим корпусом; с загрузкой потоков молока и др. [14].

Рисунок 2 Схема пароконтактных стерилизационных установок с нагревателем: а - инжекционного типа: 1 - уравнительный бак; 2 - конденсатор; 3 - вакуум-камера; 4 - пароконтактный нагреватель; 5 - регулятор температуры стерилизации; 6 - регулятор уровня; 7 - охладитель; 8 - асептический гомогенизатор; 9 - насос высокого давления; 10 - асептический насос, 11 - регулятор соотношений; 12, 13 - подогреватели; 14 - насос; б - инфузийного типа: 1 - уравнительный бак; 2 - регулятор температуры стерилизации; 3 - пароконтактный нагреватель; 4 - вакуум-камера; 5 - охладитель; 6 - асептический гомогенизатор; 7 - асептический насос; 8 - насос высокого давления; 9 - регулятор соотношений; 10, 11 - подогреватели; 12 - насос для конденсата; 13 - наcoc для молока.

В вакуумной камере при пониженном давлении молоко вскипает. При этом оно охлаждается и испаряется влага, попавшая в него при конденсации пара. Стерилизованное молоко откачивается из вакуум-камеры асептическим насосом к асептическому гомогенизатору. Гомогенизированное стерилизованное молоко охлаждается в охладителе. Соотношение сухих веществ в исходном и стерилизованном молоке контролируется регулятором соотношения.

В пароконтактной установке с нагревателем инфузийного типа (рисунок 2, б) молоко стерилизуют следующим образом. Сырое молоко из бака подается насосом в первый, а затем во второй подогреватель. В первом подогревателе молоко подогревается вторичным паром и паром, поступающим из второго подогревателя, в который он поступает из котельной. Молоко после подогрева насосом высокого давления подается в пароконтактный подогреватель - вертикальную цилиндрическую камеру, в которой разбрызгивается в среде греющего пара. Стерилизованное молоко из пароконтактного нагревателя поступает в вакуум-камеру, вскипает, охлаждается в условиях пониженного давления и из него удаляется избыток сконденсированной влаги. Соотношение сухих веществ и влаги в сыром стерилизованном молоке поддерживает специальный регулятор. Молоко из вакуум-камеры подается асептическим насосом в асептический гомогенизатор. Гомогенизированное стерилизованное молоко охлаждается в охладителе и направляется на фасование и упаковывание [4; 16].

4.2 Анализ аппаратов для стерилизации молока

Для анализа и сравнения взяты стерилизационные аппараты поверхностного типа по следующим причинам. В сравнении с установками контактного типа, поверхностные стерилизаторы имеют меньшую энергоемкость и стоимость, отличаются высокими значениями коэффициента рекуперации тепла (т.е. когда тепло эффективнее забирается из удаляемого воздуха и передается свежему нагнетаемому) и не имеют высоких требований к качеству пара.

В курсовой работе проведем расчет стерилизационных установок П8-ОСО-5, СОУ-10 и ПМР-02-ВТ по формулам [11]. При расчете определим техническую производительность, удельную энергоемкость и габаритность.

5. Расчетная часть

Расчёт стерилизатора П8-ОСО-5.

Техническую производительность рассчитаем по формуле (1):

(1)

где W_П - паспортная производительность, л/ч;

ф - коэффициент использования рабочего времени (?=0,7).

Удельную энергоемкость рассчитаем по формуле (2):

(2)

где N - установленная мощность, кВт; W_Т - техническая производительность, л/ч.

Габаритность рассчитаем по формуле (3):

(3)

где L, B, H -длинна, ширина и высота аппарата, м; W_Т - техническая производительность, л/ч.

Расчет стерилизатора ПМР-02-ВТ

Техническую производительность рассчитаем по формуле (4):

(4)

где W_П - паспортная производительность, л/ч; ? - коэффициент использования рабочего времени (?=0,7).

Удельную энергоемкость рассчитаем по формуле (5):

(5)

где N - установленная мощность, кВт; W_Т - техническая производительность, л/ч.

Габаритность рассчитаем по формуле (6):

(6)

где L, B, H -длинна, ширина и высота аппарата, м; W_Т - техническая производительность, л/ч.

Для расчета установки использована информация [24].

Расчет стерилизаторов показал, что лучшими значениями технической производительности характеризуются установки П8-ОСО-5 и СОУ-5, удельная энергоемкость имеет наименьшее значение у стерилизатора П8-ОСО-5, а габаритность, в свою очередь - у аппарата ПМР-02-ВТ. Сравнительные диаграммы представлены в приложении.

По совокупности рассчитанных технических характеристик сепараторов можно заключить, что лучшим является сепаратор П8-ОСО-5, рассмотрению которого посвящена глава «Описание выбранного аппарата».

Тепловой расчет

Определяем среднюю температуру продукта (молока) в подогревателе:

tм = 0,5(tн1 + tн2) (7)

tм = (100,2+8)/2 = 54,1°С.

Определяем физические свойства молока при tм:

ср = 3,875 кДж/(кг*К),

с = 1014 кг/м3,

л = 0,593 Вт/(м*К),

н = 0,76*10-6 м2/с,

Сr = 5.

По давлению водяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара:

энтальпия пара Я?= 2707 кДж/кг,

энтальпия конденсата Я? = 504,8 кДж/кг.

Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 100,2°С:

Q = G*cр*(tк2 - tн2)цn, кВт, (8)

Размещено на Allbest.ru

Q = 3,36*3,875*(100,2-8)*1,04 = 1248,5 кВт,

где цn - поправочный коэффициент, цn = 1,03-1,05.

Средний логарифмический напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями рассчитывается:

Дtср = (Дtб - Дtм)/2,3lg (Дtб/Дtм), (9)

где Дtб = t1н - t2н = 130-8 = 122°С, Дtм = t2к - t1н = 100,2 - 100 = 0,2°С.

Дtср = (122 - 0,2)/(2,3lg122/0,2) = 18,98 ? 20°С.

Задаем скорость движения продукта в трубах при условии, что скорость движения в трубах лежит в пределах щ = (0,6-1,5), м/с: щ? = 1м/с.

Задаем наружный и внутренний диаметры трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубки омываются паром:

dн = 35 мм, dвн = 25 мм.

Определяем необходимое количество трубок для обеспечения данной скорости продукта в одном ходу:

n? = 1,27*G/dвн2*щ?*с (10)

n? = 1,27*3,36 / (0,025)2 *1*1014 = 4,2672/0,634 = 6,73.

Значение n? округляем до целого десятка n = 10 трубок.

Уточняем скорость движения продукта по трубам по округленному числу n:

щ = 3600*G/2825* dвн2 * с, м/с, (11)

щ = 3600*3,36 / 2825*(0,025)2 *1014*10 = 12096/17903,4 = 0,68 м/с.

Определяем значение коэффициента теплоотдачи молока б2:

б2 = Нu*л/dвн, (12)

Нu = 0,0225*Re0,8 * Pr0,4,

Re = щdвн /н,

Re = 0,68*0,025/0,76*10-6 = 22368 > 10000, следовательно, имеет место турбулентный режим.

Нu = 0,0225*(22368)0,8 * 50,4 = 129,014,

б2 = 129,014*0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт/(м2 *К) = 3,06 кВт/(м2*К).

Необходимая поверхность для нагрева продукта с учетом возможности загрязнений:

F = Q/ б2 * Дtср * Юз, (13)

где Юз - коэффициент загрязнений (Юз = 0,7-0,9),

F = 1248,5 / 3,06*20*0,8 = 1248,5/48,96 = 25,5 м2.

Выбираем тип теплообменника ТК ГОСТ 15118-79 для нагревания - охлаждения.

Исходя из того, что длина теплообменника лежит в пределах 1,5-4 м, для компоновки трубного пучка принимается число ходов продукта по трубам подогревателя, число ходов может быть 2, 4, 6 (в первом приближении принимается произвольно). Пусть Zм = 6.

Средняя длина трубки одного хода:

lґ = F / р* dн * Zм, м, (14)

lґ = 25,5 / 3,14*0,035*10*6 = 25,5/6,594 = 3,9 м.

Расход пара на подогрев продукта составляет:

Gп = Q / (й? - й?) * x, кг/ч, (15)

где x - сухость водяного пара.

Gп = 1248,5 / (2707-504,8)*0,9 = 0,63 кг/с.

Число отверстий под трубки в трубной доске:

N0 = Zм*n, (16)

N0 = 10*6 = 60 отверстий.

Число труб, размещенных на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):

nd = 3v (4Fр / 3t*f*в), (17)

где в - отношение высоты или длины теплообменника к его диаметру:

в = Н/D = L/D, в = 3-5, примем в = 3;

t- шаг размещения трубок, м.

nd = 3v 4*25,5 / 3*0,044*0,144 = 3v 5368 = 17,51 ?18.

Внутренний диаметр корпуса:

Dв = N0* dн, (18)

Dв = 60*0,035 = 2,1 м.

Пусть трубки на трубной решетки закреплены сваркой, тогда t = 1,25dн,

t = 1,25*0,035 = 0,044 м.

f - поверхность одного метра трубы принятого диаметра, м2:

f = 2рr(r+h)/3 = 2*3,14*0,0175*(0,0175+3,9)/3 = 0,144.

Внутренние диаметры кожухов, изготовленных сваркой, рекомендуется принимать от 400 до 3000 мм через каждые 200 мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159, 273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр кожуха равен 3000 мм = 3 м, а наружный корпуса - 325 мм = 3,25 м.

Общее число труб, размещаемых в пределах правильного шестиугольника,

n = 0,75(nd2 - 1) + 1, (19)

n = 0,75*(182 - 1) + 1 = 243,25 ? 244.

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:

Dвн = 1,1t v n/з, где з = от 0,6 до 0,7. (20)

Dвн = 1,1*0,044*v 244/0,6 = 0,05*20,14 = 1,007 м

Полная высота теплообменника, м:

Н = l + 2д +2h, (21)

где д - толщина трубной решетки, м; h - высота предтрубной камеры, м; конструктивно принимают от 200 до 400 мм, примем h = 300 мм = 0,3м.

Н = 3,9 + 2*1,26*10-3 + 2*0,3 = 3,9 + 2,52*10-3 + 0,6 = 4,5 м.

Число ходов в межтрубном пространстве:

Жмтр = 0,785[(Dвн - ndн2)сщмтр] / Gмтр, (22)

где Sмтр - проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:

Sмтр = 0,785(Dвн2 - ndн2), (23)

Sмтр = 0,785(1,0072 - 244*0,0352) = 0,56 м2,

S - живое сечение прохода теплоносителя, м2:

S = G/щс, (24)

S = 3,36/0,68*1014 = 0,005 м2.

h = 0,56 / 1,007*(1 - 0,035/0,005) = 0,093 м = 93 мм.

Жмтр = 0,785[(2,12 - 244*0,0352)1014*0,68] / 3,36 = 0,785*2834,62/3,36 = 662.

23. Расстояние между сегментными перегородками межтрубного пространства:

h = Sмтр/[D(1 - dн/S)], (26)

Гидравлический расчет

Гидравлический расчет выполняется для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь.

1. Общие потери давления определяются:

ДС = ДСтр + ДСмс (27)

или напора

hп = hтр + hмс, (28)

где

ДСтр (hтр) - потери давления (напора) на преодоление сопротивлений трения при движении теплоносителей через каналы установки,

ДСмс (hмс) - потери давления (напора) на преодоление местных сопротивлеий.

2. Конечное уравнение для расчета потерь давления (напора) имеет вид:

ДСобщ = ДСтр + ДС + ДСг, (29)

Нобщ = hтр + hа + hг, (30)

где

ДСтр (hтр) - потери давления (напора) а проводящих и отводящих трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;

ДС (hа) - потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;

ДСг - потери давления при подъеме жидкости на высоту hг, Па.

ДСтр = л*l/dэ*сщ2/2, (31)

ДСтр = 0,295*(3,9/3,9)*(1014*0,682)/2 = 69,160 Па = 0,069 кПа,

где л - коэффициент трения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительной шероховатости канала, при турбулентном режиме (Re = 22368) определяют зону трения:

e = Д/dэ = 0,02*10-3/3,9 = 0,005*10-3 - относительная шероховатость стенок трубы (канала),

Размещено на Allbest.ru

Д - абсолютная шероховатость, м, для новых чистых стальных бесшовных труб Д = 0,01-0,02 мм = 0,02*10-3 м, примем Д = 0,02*10-3 м.

e = 0,02*10-3/3,9 = 0,05*10-3,

560/e = 560/0,05*10-3 = 11200 < Re => автомодельная зона трения =>

л = 1,1*(0,005*10-3)0,25 = 1,1*0,268*100,75 = 0,295

ДС = (л*l/dэ + Уо)*сщ2/2, (32)

где

Уо - суммарный коэффициент местных сопротивлений,

Уо = 0,2+1,0+1,0+1,0+1,5 = 4,7.

ДС = (0,295*3,9/3,9 + 4,7)*1014*0,682/2 = 1171,03 Па = 1,17 кПа,

ДСг = сghг, (33)

ДСг = 1014*9,81*3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.

ДСобщ = 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.

3. Мощность, затрачиваемая на перемещение продукта, или мощность на валу насоса:

Nн = G*ДСобщ/сз, (34)

где

з - КПД насоса, примем з = 0,6.

Nн = 3,36*40033/1014*0,6 = 221,09 Вт = 0,22 кВт.

4. Мощность электродвигателя, кВт:

Nдв = Nн*10-3 * здв*зп, (35)

где

здв - КПД двигателя,

зп - КПД передачи от двигателя к насосу, пусть зп = 0,8.

Nдв = 221,09*10-3/0,8*0,6 = 0,46 кВт.

На основе проведенных расчетов подбираем консольный насос марки ХМ2/25 n = 2900 об/мин и электродвигатель для него тип 4А71В2 мощностью 1,1 кВт.

3. Расчет тепловой изоляции

Любое нагретое тело теряет тепло в окружающую среду, что существенно увеличивает затраты на данный процесс. Для снижения этих затрат и соблюдения требований техники безопасности используют тепловую изоляцию.

Температура на поверхности изоляции из условий безопасности работы tиз = 45°С.

Температура окружающей среды:

t0 = 20°С.

Толщина тепловой изоляции:

диз = лиз*(tст1 - tиз) / б0*(tиз - t0), (36)

где

tст1 = 130°С,

диз = 0,082*(130-45) / 11,49*(45-20) = 6,97/287,25 = 0,024 м = 24 мм.

Примем в качестве теплоизоляционного материала пеностекло (предельная температура использования 300°С): лиз = 0,082 Вт/(м2*К).

Так как термическое сопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя изолируемой поверхности, а также термическое сопротивление этой поверхности очень малы по сравнению с термическим сопротивлением изоляции, то удельный тепловой поток можно рассчитать:

q = б0*(tиз - t0), (37)

где

б0 - суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху, Вт/(м2*К),

б0 = 9,74 + 0,07*(tиз - t0) = 9,74 + 0,07*(45-20) = 11,49 Вт/(м2*К),

q = 11,49*(45-20) = 287,25 Вт/м2.

6. Описание выбранного аппарата

Технические характеристики стерилизационно-охладительной установки П8-ОСО-5 даны в таблице 1.

Таблица 1

Технические характеристики установки П8-ОСО-5.

Показатель	Значение
Производительность (плавная регулировка), л/час	2000 - 5000
Температура стерилизации, оС	от 100 до 140
Температура охлаждения, оС	15 - 25
Время выдержки, сек	от 4 до 120
Расход пара, кг/час	100 - 300
Потребляемая электроэнергия, кВт	9,0 - 9,5
Габаритные размеры, мм	3800x2800x2800

Установка стерилизационно-охладительная трубчатая П8-ОСО-5 (рисунок 3) позволяет получить высококачественные продукты с длительным сроком хранения при температуре 0-35^оС. Установки серии П8-ОСО собираются на базе трубчатых теплообменников, традиционно используемых для проведения УВТ-обработки.

Установки состоят из следующих основных частей: блока предварительного нагрева и охлаждения продукта за счет регенеративного теплообмена на промежуточном теплоносителе, блока деаэрации (или дезодорации) продукта под вакуумом, блока ультравысокотемпературной пастеризации (стерилизации) продукта паром, выдерживателя на разную продолжительность выдержки, блока охлаждения продукта до заданных температур, блока подготовки стерильного воздуха, блока согласования с работой упаковочной машины, краны подачи на гомогенизатор и система автоматического контроля и регулирования тепловых процессов.

Рисунок 3 Установка П8-ОСО-5

Разработана новая схема предварительной стерилизации установки на воде, гарантирующей абсолютную стерильность аппарата и перевод его в режим эксплуатации без изменения заданных параметров.

Высокая скорость движения продуктов по трубам в установке предотвращает образование накипи, отложений в «мертвых зонах» и позволяет проводить высокоэффективный теплообмен. Конструктивные особенности теплообменной аппаратуры обеспечивают регенеративный теплообмен с эффективностью до 80%. Благодаря системе стабилизации давления теплоносителя на паровой гребенке и стабилизации подачи продукта в зону стерилизации (с возможностью изменения производительности установки) система управления поддерживает заданную температуру стерилизации с точностью до +1^оС.

Разработка принципиально новой конструкции асептического демпфера обеспечивает равномерную подачу продукта на фасовку с заданным (от 0 до 0,2±0,01МПа) и позволяет при регулируемой производительности насоса обеспечить минимальный возврат продукта [12; 23].

Однако данная установка не лишена недостатков. Для их устранения и

улучшения работы стерилизатора предлагается:

1. Модернизировать внешнее исполнение установки, уменьшив ее габаритные размеры, что позволит снизить габаритность и, как следствие, занимаемую площадь.

2. Организовать систему сбора конденсата, образующегося в процессе работы установки, и осуществить его возврат в паровой котел, что позволит снизить расход теплоносителя и, как следствие, уменьшить себестоимость процесса стерилизации.

Заключение

Согласно аналитическим прогнозам, производство питьевого молока с длительным сроком хранения, обеспеченным УВТ-обработкой с асептическим розливом, будет расти, поскольку такой способ обработки дешевле, чем пастеризация с последующим хранением продукта при температуре 4-8°С.

Такой продукт обладает абсолютной надежностью с санитарно-гигиенической точки зрения, позволяет осуществлять перевозки на длительные расстояния без охлаждения, исключает необходимость ежедневной поставки в торговлю. Из года в год растет потребительский спрос на молочные продукты длительного хранения во всех странах мира, расширяется их ассортимент, увеличиваются сроки хранения, совершенствуются пути повышения стойкости в хранении.

В курсовой работе изучена технология стерилизации молока в таре и в потоке, изучены конструкции основных стерилизационных установок, проведен расчет стерилизационных установок поверхностного типа, выбран лучший по показателям производительности и удельной энергоемкости стерилизатор П8-ОСО-5. Для улучшения работы установки предложено:

a. Модернизировать внешнее исполнение установки, уменьшив ее габаритные размеры, что позволит снизить габаритность и, как следствие, занимаемую площадь.

b. Организовать систему сбора конденсата, образующегося в процессе работы установки, и осуществить его возврат в паровой котел, что позволит снизить расход теплоносителя и, как следствие, уменьшить себестоимость процесса стерилизации.

Список использованной литературы

1. Богатова О.В. Химия и физика молока / О.В. Богатова, Н.Г. Догарева. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. С. 85, 112-113.

2. Богданова Е.А. Производство цельномолочных продуктов / Е.А. Богданова, Г.И. Богданова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. С. 27-28, 21-32.

3. Бредихин С.А. Теплова обработка молока / С.А. Бредихин, К.А. Рашкин // <http://www.molmash.ru/news/ID_103.html>(18.12.2011).

4. Бредихин С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. М.: Колос, 2003. С. 141-144, 180-184.

5. Буянова И.В. Технология цельномолочных продуктов / И.В. Буянова. Кемерово: Кемеровский ТИПП, 2004 С. 16.

6. Горбатова К.К. Химия и физика молока / К.К. Горбатова. СПб: ГИОРД, 2004. С. 205-218.

7. Груданов В.Я. Особенности теплообменных аппаратов для стерилизации молока / В.Я. Груданов, Е.В. Седаков, С.Р. Левандовский. // Молочная промышленность. 1999. №10. С. 34-35.

8. Каптур З.Ф. Пастеризация и стерилизация молока в потоке / З.Ф, Каптур, И.В. Черненок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1988. Т. 31. С. 50-54.

9. Крусь Г.Н. Технология молока и оборудование предприятий молочной промышленности / Г.Н. Крусь, В.Г. Тиняков, Ю.Ф. Фофанов. М.: Агропромиздат, 1986. С. 53-57.

10. Левандовский С.Р. Трубчатый стерилизатор с кольцевым рабочим каналом / С.Р. Левандовский, А.В. Могилев, Е.В. Седаков, В.Я. Груданов // Молочная промышленность. 2000. №1. С. 55-56.

11. Лобанов В.И. Процессы и аппараты: методические указания к выполнению курсовой работы / В.И. Лобанов. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003. 52 с.

12. Лунин О.Г. Теплообменные аппараты пищевых производств / О.Г. Лунин, В.Н. Вельтищев. М.: Агропромиздат, 1987. С. 77-79.

13. Нариниянц Г.Р. Перспективные тенденции развития теплообменного оборудования / Г.Р. Нариниянц, И.Л. Каторгин, М.Д. Федоров // <http://www.molmash.ru/page/page27.html> (18.12.2011).

14. Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств / А.А. Курочкин, Г.В. Шабурова, А.С. Гордеев, А.И. Завражнов. М: КолосС, 2007. С. 276.

15. Оборудование предприятий молочной промышленности / Ю.П. Золотин, М.Б. Френклах, Н.Г. Лашутина. М: Агропромиздат, 1985. С. 69-71.

16. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, Н.Н. Липатов, Ю.П. Золотин. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. С. 122-132.

17. Технология молока и молочных продуктов / Г.В. Твердохлеб, З.Х. Диланян, Л.В. Чекулаева, Г.Г. Шилер. М.: Агропромиздат, 1991. С. 34-35.

18. Технология цельномолочных продуктов и молочно-белковых концентратов: Справочник / Е.А. Богданова, Р.Н. Хандак, З.С. Зобкова. М.: Агропромиздат, 1989. С. 10-13.

19. Тихомирова Н.А. Технология и организация производства молока и молочных продуктов / Н.А. Тихомирова. М.: ДеЛипринт, 2007. С. 71-72.

20. Чекулаева Л.В. Технология продуктов консервирования молока и молочного сырья: учебное пособие для вузов / Л.В. Чекулаева, К.К. Полянский, Л.В. Голубева. М.: ДеЛипринт, 2002. С. 33.

21. Шалыгина А.М. Общая технология молока и молочных продуктов / А.М. Шалыгина, Л.В. Калинина. М.: КолосС, 2004. С. 149, 152-155.

22. <www.giga-mash.ru>.

23. <www.molmash.ru>.

24. www.pasterizator.ru.

Размещено на Allbest.ru