Тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты четырёх секционного пластинчатого теплообменника для пастеризации

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

Задание

 

Произвести  тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты и выполнить чертежи  четырёх секционного пластинчатого теплообменника для пастеризации по следующим данным :

1. Продукт:  яблучный сок

2. Производительность: G= 1,67 кг/с

3. Начальная  температура продукта: t₁=22°С

4. Температура  продукта на входе в секцию  пастеризации: t₂=55°C

5. Температура  пастеризации продукта: t₃ =83°C

6. Температура  продукта на входе в секцию  водяного охлаждения: t₄=38°С

7. Температура  продукта на входе в секцию  рассольного 

охлаждения: t₅=20°C

8. Конечная  температура продукта: t₆=10°C

9. Начальная  температура ледяной воды: t₇=2°C

10. Конечная  температура ледяной воды: t₈=5 °C

11. Начальная  температура гарячой воды: t₉=90°C

12. Конечная  температура гарячой воды: t₁₀= 86°C

13. Начальная  температура холодной воды: t₁₁ = 8 °C

14. Конечная  температура л холодной воды: t₁₂=15°C

15. Скорость  движения продукта (рекомендуемая): V=0,4м/с

 

 

 

 

 

Введение

 

В данное время аппаратурное оформление пищевых  производств достигла значительного  технического совершенства на базе последних  научных исследований, общего технического прогресса и автоматизации производственных процессов; особенно широко стали использоваться в пищевой технологии достижения физики.

Техника высоких давлений, высокого вакуума, глубокого охлаждения, ультразвука, мембранного разделения крепко заняла место в пищевой промышленности Все это выдвигает необходимость научного обоснования разнообразных проблем, связанных с производством пищевых продуктов. Эти задания успешно решаются на основании данных науки про процессы и аппараты пищевых производств.

Процессы  пищевой технологии в большинстве  значительно сложные и часто представляют соединение гидродинамических, тепловых, масообменных, биохимических и механических процессов.

В данной работе проводится расчёт пластинчатого  теплообменника для проведения пастеризации. Данный аппарат предназначен для  непрерывного проведения процесса.

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять  эксплуатационным, конструктивным, эстетическим требованиям и требованиям техники  безопасности.

В настоящее  время при конструировании аппаратов  для достижения оптимальных показателей  ведутся работы по снижению энергоемкости  и увеличению интенсивности процессов, проходящих в аппаратах, по снижению материалоёмкости при производстве аппаратов и уменьшению габаритных размеров аппаратов.

 

1. Описание и основы технологического процесса. Обоснование выбора аппарата.

 

Технологический процесс, лежащий в основе данного  курсового –пастеризация. Большинство пищевых продуктов (молоко и молочные продукты, овощные соки, овощные и мясные консервы, вино, пиво и др.) и полупродуктов биохимических производств являются благоприятной средой для развития многих микроорганизмов, в том числе и для болезнетворных, способных вызвать инфекционные заболевания.

Пастеризация - один из приемов консервирования  продуктов, научное обоснование какому дал Л. Пастер в 1860 г. Под пастеризацией понимают термическую обработку продуктов при температуре ниже 100 °С с последующим охлаждением к температуре 6...8 °С. Пастеризация, как правило, убивает не споровые болезнетворные микроорганизмы и сокращает общую бактериальную загрязненность продукта, который повышает его стойкость. Быстрое охлаждение продукта после пастеризации необходимо для того, чтобы отвернуть развитие окончательной микрофлоры, т.е. прорастание в вегетативные клетки спор, которые сохраняют жизнеспособность во время одноразового нагревания[1, стр.305].

Пастеризация  не должна приводить к изменению  физико-химического состояния продукта и ухудшение его качества.

Во время  пастеризации необходимо соблюдение таких  требований: освещенный или тщательно  очищенный от посторонних примесей продукт нагревают равномерно, при  постоянной температуре, тонким слоем, избегая пригорание; операцию проводят в герметичных условиях; продукт выводят из пастеризатора максимально охлажденным. Теплообменную аппаратуры изготовляют из химически стойких материалов, которые имеют большую теплопроводность.

Эффективность пастеризации - степень подавления микрофлоры -зависит от температуры и продолжительности выдержки продукта за этой температуры. Зависимость необходимого времени пастеризации от температуры в большинстве случаев высказывается логарифмической зависимостью:

где и - коэффициенты, которые зависят от стойкости микроорганизмов к тепловым влияниям и среде, в котором они находятся.

Коэффициенты  и определяют экспериментально с учетом полного уничтожения болезнетворной микрофлоры, с одной стороны, и предотвращения физико-химических изменений в продукте, которые вызываются временным температурным влиянием - с другой[1, стр.305].. Тем не менее эти данные установлены далеко не для всех продуктов, которые подвергаются пастеризации.

Представляет интерес, что чем ниже температура пастеризации, тем более времени требуется для достижения нужного эффекта. Зависимость между температурой нагревания и продолжительностью выдержки объясняется двумя причинами. Одна из них связанная с тем, что денатурация, разрушение структуры вещества, из которого составляется микробная клетка, происходят во времени. Это время тем меньше, чем температура больше. Другая причина вызвана закономерностями теплообмена. Нагревание микроорганизмов при пастеризации любого вида осуществляется не непосредственно, а через ту среду, в котором находятся бактерии. Поэтому для того, чтобы температура клетки бактерии достигала той же температуры, которая и среда, требуется определенное время.

Для оценки эффекта пастеризации Г.А. Кук ввел критерий Пастера, который представляет собой отношение действительной продолжительности пребывания продукта при бактерицидной температуре к теоретической:

где - действительное время нахождения продукта при температуре пастеризации.

Идеальным вариантом проведения пастеризации является условие, при котором Ра=1.

При Ра > 1 продукт при температуре пастеризации находится более продолжительный период, чем максимально возможный период, определённый условиями пастеризации. При этом могут существенным образом изменяться физико-химические свойства продукта, что не желательно.

При Ра < 1 эффект пастеризации не будет достигнут.

Поэтому эффективность пастеризации зависит  также от количественного и качественного  состава микрофлоры жидкостей, которые  подвергаются пастеризации.

Существуют  три режима пастеризации[1, стр.306].:

• продолжительная - при температуре 63...65 °С на протяжении 20...30 мин.,
• кратковременная (быстрая) - при 75 °С экспозиция, длящаяся от нескольких секунд до 5 мин.,
• мгновенная (или высокотемпературная) -при 90...93 °С без выдержки.

Выбор режимов  пастеризации определяется технологическими условиями и свойствами продукта. В подавляющем большинстве случаев  пастеризацию следует проводить  в кратковременном или мгновенном режиме. Тем не менее, если продукт  содержит компоненты, которые отличаются низкой термостойкостью (под действием  высоких температур быстро разрушаются), то следует применять продолжительную  пастеризацию.

Тепловая  пастеризация продуктов предусматривает  несколько способов ее осуществления: текущий, пароструменный, горячим разливом, классический (бутылочный), в электромагнитном поле и др.

Текущая пастеризация применяется для обработки  молока, пива, соков, вин, бульонов и  других продуктов. В данном случае теплообмен происходит между закрытыми потоками продукта и теплоносителя, разделенными поверхностью теплопередачи. Процесс  осуществляется в теплообменной аппаратурах беспрерывного действия – кожухотрубному и пластинчатому пастеризаторах и пастеризационно-охладительных установках [1, стр.307].

Находит применение (например, в молочной промышленности) пастеризация с непосредственным паровым  обогреванием. В данном случае теплота горячего пара используется полностью на нагревание продукта. Во время пастеризации за счет введения пары в продукт наблюдается некоторое его разрежение, вследствие чего уменьшается содержимое сухих веществ в единице объема продукта.

Пастеризация  горячим разливом предусматривает  нагревание продукта к определенной температуре (для вина 43...55 °С, для томат-пюре - 95...98 °С) с последующим его разливом в простерилизованную тару (бутылки), герметичным закупориванием и охлаждением. Способ применяется, в основном, для продуктов с высокой кислотностью.

Классическая  пастеризация в таре проводится после  разлива и герметизации фруктовых  соков и вин в бутылках. Нагревание осуществляется потоком горячего воздуха  или воды. Классическая пастеризация допускает фасовку продукта при  температуре пастеризации (например, 95 °С - для соков с мякотью, 85 °С - для натуральных фруктовых соков, 60 °С - для вина) в бутиле или банки (бутылки), герметизацию тары (закупоривание), термостатирование, а после этого интенсивное охлаждение.

На практике находят применение установки пастеризации в электромагнитном поле высокой  частоты (ВЧ). Такой способ проводят при более низкой температуре. По сравнению с обычной пастеризацией  процесс менее продолжительный (1...2 мин, иногда несколько секунд). Теплота  среды, которая передается клетке (теплопроводность), быстрее преодолевает тепловой барьер (оболочку клетки). Во время обработки  продуктов во Вч-поле теплота выделяется непосредственно в объеме клетки. Токами ВЧ пастеризуют компоты и соки в стеклянной таре.

Обзор аппаратов  для пастеризации

Пастеризация  осуществляется в установках или  аппаратах, которые называются пастеризаторами. В пищевых производствах используются пастеризационные установки различных  конструкций периодического и беспрерывного  действия.

Аппараты  периодического действия используют для  пастеризации небольшого количества продуктов. К ним принадлежат ванны продолжительной  пастеризации ВТП, универсальные танки, камерные пастеризаторы, автоклавы.

Камерные  пастеризаторы периодического действия применяются для пастеризации редких продуктов (например, вина) в бутылках. Бутылки устанавливаются у гнезда металлических ящиков, которые помешиваются на вагонетку. Вагонетка закатывается в камеру, герметически затворялась  дверца и в батарее, которые расположены  внутри камеры, подается горячая вода. Температура и количество воды регулируются. Перед пастеризацией бутылки  с вином закупориваются, на горловину  бутылок надеваются специальные  скобы

Более перспективным  оборудованием для пастеризации жидких пищевых продуктов (вина, томатного  и фруктовых соков, компота) в  стеклянной и жестяной таре есть пастеризаторы-охладители беспрерывного действия, которые  обогреваются паром, горячей водой  или горячим воздухом. Конструктивно  пастеризаторы этого типа состоят  из секции собственно пастеризации и  секций охлаждения, через которые  проходит транспортер, который несет  банки (бутылки) с продуктом. Скорость движения транспортера регулируют таким  образом, чтобы обеспечить пребывание продукта в зоне пастеризации на протяжении заданного времени, а после этого - постепенное охлаждение. Температура  в пастеризаторах регулируется автоматически  соответственно заданного режима[1, стр.308].

Широкое распространение в пищевой технологии имеет пастеризация в беспрерывном потоке, при которой продукт подается насосами в теплообменные аппараты пластинчатого или трубчатого типов.

Наиболее  совершенными аппаратами для пастеризации есть пластинчатые.

Поскольку данные аппараты обеспечивают непрерывность  проведения процесса и позволяют  полностью его автоматизировать. Так же использование теплоты  пастеризованного продукта для нагрева поступающего продукта в секции рекуперации позволяет существенно снизить расход горячей воды и рассола.

Рис.1. Схема работы и температурный график пластинчатого пастеризатора

В них  пастеризуют молоко и молочные продукты, фрукты и овощные соки, вино, пиво и другие жидкости. В пластинчатых пастеризаторах по ходу движения жидкости, которая обрабатывается (по секциям), осуществляются такие процессы : частичное нагревание проходящего продукта теплотой исходящего (пастеризованного) продукта (секция рекуперации теплоты);

нагревание  продукта горячей водой или паром  к заданной температуре (секция пастеризации); выдержка на протяжении некоторого времени  нагретого продукта при температуре  пастеризации (секция выдержки); охлаждение выходящего продукта с передачей  теплоты продукта, который поступает, на нагревание (секция рекуперации  теплоты); охлаждение продукта холодной водой (секция охлаждения водой); охлаждение продукта рассолом (секция охлаждения рассолом).