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

 

 

2. Описание конструкции аппарата, выбор материалов для его изготовления

 

Теплообме́нник пласти́нчатый — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные, медные, графитовые, титановые гофрированные пластины, которые стянуты в пакет. Горячие и холодные слои перемежаются друг с другом (рис.1,2).

Устройство  и принцип работы .

1. Неподвижная плита с присоединительными патрубками.
2. Задняя прижимная плита.
3. Теплообменные пластины с уплотнительными прокладками.
4. Верхняя направляющая.
5. Нижняя направляющая.
6. Задняя стойка.
7. Комплект резьбовых шпилек.

Такая конструкция теплообменника обеспечивает эффективную компоновку теплообменной поверхности и, соответственно, малые габариты самого аппарата.

Первый  пластинчатый теплообменник был  создан компанией Густафа де Лаваля, сегодня называющейся «Альфа Лаваль»(Швеция).

Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180°, поэтому при  стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают  жидкости, участвующие в теплообмене. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов.

 

Теплообменные пластины с уплотнительными  прокладками

Каждая  секция пластинчатого пастеризатора  образована пакетами из нескольких пластин. Пластины изготавливают из нержавеющей стали марок 18ІІ10Т или Х14Г14НЗТ, толщиной от 0,7 до 1,5 мм. На поверхности пластины выполненные рёбра, которые создают искусственную турбулизацию потока и одновременно увеличивают площадь поверхности теплообмена при тех же самых габаритах установки. Рёбра также повышают жесткость пластины, предотвращая ее прогибанию при значительном перепаде давления между рабочей средой и продуктом. На двух соседних пластинах рёбра размещены под противоположным углом, который обеспечивает их контакт и предотвращает прогибание, а при параллельном размещении рёбер используют специальные опорные рёбра. Пластины унифицированы. Чаще всего в отечественных теплообменниках используются пластины П1, П2, П3.

Для обеспечения  эффективного теплообмена и необходимой  скорости движения продукта (чтобы  предотвратить образование пригара) пластины комплектуются в пакеты и секции.

Ряд, пластин, которые связанные между собой продуктом, одним рабочей средой и выполняют одинаковую технологическую функцию, образовывают секцию. Так различают секцию пастеризации (молоко - горячая вода), регенерации (молоко - молоко), водного охлаждения (молоко - вода), рассольного охлаждения (молоко - рассол).

Между секциями установленные разделительные плиты, в которых предусмотренные каналы и патрубки для подведения и отвод продукта и рабочей среды[4, стр93].

Как правило, пастеризация и охлаждение осуществляются при автоматическом регулировании  технологического процесса.

Пластинчатый  пастеризатор, схема которого на рисунке , состоит из группы стальных теплообменных штампованных пластин , подвешенных на горизонтальных штангах , концы которых закрепляются в стойки  и . С помощью нажимной плиты и винта пластины в собранном стане сжаты в один пакет. Пластины имеют одинаковые габариты, но отличаются расположением входных и исходных каналов. Во время собирания пластины чередуються и образовывают ряд запертых камер, по один сторону которых проходит продукт, который пастеризуется, а по другого -охлаждающая или греющая жидкость. В собранном аппарате теплообменные пластины группируются в секции (рекуперации, пастеризации, охлаждение). Каждая секция состоит из пакетов, по которым продукт двигается последовательно.

Параллельная  расстановка плоских пластин  с малыми промежутками между ними разрешает разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно, что позволяет  значительно уменьшить габариты пластинчатого аппарата по сравнению  с другими типами жидкостных теплообменников. Например, коэффициент компактности пластинчатых аппаратов (отношение  рабочей поверхности к объему рабочей зоны) достигает 200 м ²/м³, что в 5...10 раз больше, чем для трубчатых[1, стр.310]..

Основным  конструктивным элементом пластинчатого  аппарата есть тенло передающая пластина, которая представляет собой деталь с сложной формой поверхности теплообмена. Для увеличения поверхности теплообмена и интенсификации процесса пластины делают рифлеными. Промежуток между пластинами зависит от высоты резиновых прокладок, в большинстве случаев он равняется 3...10 мм[4, стр.93].

Пластинчатый  теплообменник предоставляет конструктору и производителю широкие возможности  по осуществлению разнообразных  компонуючих вариантов и легко допускает увеличение (или уменьшение) рабочей поверхности аппарата, который находится в эксплуатации. Он допускает свободное внесение разнообразных корректирований в схеме движения потоков и разрешает сосредоточивать на одной станине теплообменные секции разнообразного назначения для выполнения в одном аппарате всего комплекса операций тепловой обработки продуктов [2,c 221].

Использование теплоты в секции рекуперации, которую  имеет продукт после секции пастеризации, для подогревания продукта, который  поступает,значительно сокращает затраты теплоты на пастеризацию и затрату охлаждающей воды.

Показателем, который характеризует, экономичность  работы такого аппарата, есть коэффициент  регенерации теплоты.

Широкое использование пластинчатых теплообменников обусловлено рядом существенных преимуществ:

- технологический  процесс осуществляется в закрытом потоке;

- производительность  теплообменников можно изменять  в широких границах путем увеличения площади поверхности теплообмена;

- разрешают осуществлять регенерацию теплоты, а также создать запертый контур для горячего теплоносителя;

- занимают  небольшие производственные площади  при относительно большой поверхности теплообмена;

- конструкция  аппаратов разрешает осуществлять эффективную без-разборную мойку, контролировать технологический процесс на всех этапах, а также работать в автоматическом режиме.

Недостатком пластинчатых аппаратов является большое количество уплотнений, которая усложняет их эксплуатацию и разборное мытье.[4, стр.95].

 

Схема теплообмена

В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей.

Вид гофрирования пластин и их количество, устанавливаемое  в раму, зависят от эксплуатационных требований к пластинчатому теплообменнику. Материал, из которого изготавливаются пластины, может быть различным: от недорогой нержавеющей стали до различных экзотических сплавов, способных работать с агрессивными жидкостями.

Материалы для изготовления уплотнительных прокладок  также различаются в зависимости  от условий применения пластинчатых теплообменников. Обычно используются различные полимеры на основе натуральных или синтетических каучуков.

 

Основные параметры

Для разборных пластинчатых теплообменников характерны следующие параметры:

• материал пластин: тонколистовые стали (AISI304, AISI316), Титан, Hastelloy, 254SMO и др.;
• температура в пластинах носителя не превышает 180°;
• давление в пластинах носителя не превышает 25кгс/см²;
• поверхность теплообмена одного аппарата может значительно колебаться(0,1 и 2100 м²) в зависимости от назначения;
• число пластин также колеблется от самых малых значений(практикуют от 7-10 пластин) и до самых больших.

 

Виды пластинчатых теплообменников

Пластинчатые  теплообменники бывают следующих видов:

• разборные пластинчатые теплообменники;
• паяные пластинчатые теплообменники;
• сварные и поллусварные пластинчатые теплообменники.

 

3. Характеристика продукции, сырья и полуфабрикатов.

Яблочный сок наиболее популярен  из всех фруктовых соков. Различают  два основных типа соков; без мякоти (прессованные) и с мякотью (гомогенизированные). Сок из яблок преимущественно  изготовляют натуральным без мякоти, осветлённым или не осветлённым.

При переработке растительного  сырья для качества натуральных  соков и нектаров существенное значение имеют не только вид, но и ботанические сорта плодов и овощей, которые  разнятся по своим технологическим  свойствам. Растительное сырьё должно соответствовать критериям безопасности, установленными Медико-биологическими требованиями и санитарными нормами  качества продовольственного сырья  и пищевых продуктов, и не содержать  пестицидов.

В зависимости от видов вырабатываемых соков и нектаров рекомендуются  те или иные ботанические сорта, по своему химическому составу и  технологическим свойствам наиболее подходящие для производства данной продукции.

Для выроботки сока рекомендуются яблоки сортов Антоновка, ренеты, титовка, Белый налив, Пармен зимний золотой, Коричное, Пепин шафранный, Осеннее полосатое, Мекинтош, Суйслепское, Бельфлер, Розмарин белый, Джиграджи, Сары-турш, Кенд-Алма, Ширван-Газеди, Анис полосатый, Кальвиль, Вагнера призовое, Сары-синап. При использовании плодов с повышенной кислотностью (Прибалтика, БССР) к соку добавляют 5% сахара. Практикуют купажирование яблочного сока с другими плодовыми или ягодными соками.

К сырью для производства соков  предъявляют такие требования: в  первую очередь оценивают вкус, аромат, содержание питательных и физиологически активных веществ, учитывают степень  зрелости плодов для повышения выхода сока.

Хранение у всех плодов происходит различными способами. Например, разные сорта яблок неодинаково воспринимают воздействие температуры при  хранении. Некоторые из них выносят  длительное состояние переохлаждения до минус 2 минус 3 С, при этом хранятся с незначительными потерями и при медленной дефростации (размораживание).

Каждый сорт дикорастущих и культивируемых яблок имеет свои характерные  особенности и различный химический состав. Все зависит от происхождения, условий произрастания, степени  зрелости плодов. Все это определяет пищевые достоинства, вкус и использование. Химический состав яблок весьма разнообразен и богат.

В 100 граммах съедобной части  свежих яблок содержится 11% углеводов, 0.4% - белков, до 86% - воды, 0.6% - клетчатки  и 0.7% органических кислот, среди которых  яблочная и лимонная. Кроме того, в яблоке обнаружены жирные летучие кислоты: уксусная, масляная, изомасляная, капроновая, пропионовая, валериановая, изовалериановая. Имеет яблоко дубильные вещества и фитоциды, являющиеся бактерицидными веществами. Крахмал имеет основное пищевое значение. Высоким его содержанием в значительной степени обусловливается пищевая ценность продуктов. В пищевых рационах человека на долю крахмала приходится около 80% общего количества потребляемых углеводов. В крахмале находятся две фракции полисахаридов — амилоза и амилопектин. Превращение крахмала в организме в основном направлено на удовлетворение потребности в сахаре. Крахмал превращается в глюкозу последовательно, через ряд промежуточных образований. В организме содержится в виде гликогена. Как следует из табл. 1, наиболее полезными свойствами обладают яблоки и капуста. Яблоки содержат в 2 раза больше фруктозы, чем глюкозы. Они показаны при заболевании печени, сахарным диабетом и ряде других заболеваний.

 

 

4. Технология переработки сырья и технологическая схема производства яблочного сока.

Производство  яблочного сока без мякоти состоит из следующих технологических стадий: приемка и подготовка сырья, мойка, инспекция, дробление, термическая обработка, извлечение сока, стерилизация, фасование и хранение.

Технологическая схема производства яблочного сока:

 

Первой  операцией является мойка, которую  осуществляют в двух последовательно  установленных моечных машинах. Мытые плоды инспектируют, удаляя пораженные вредителями и болезнями. После мойки плоды измельчают на дисковых или терочных дробилках: семечковые (яблоки, айву, груши) на частицы  размером 2...6 мм.

Косточковые плоды и ягоды обрабатывают на вальцовых дробилках. Дробилки должны быть отрегулированы таким образом, чтобы не происходило раздавливания  косточек. Содержание дробленых косточек в мезге не более 15 %, небольшое  их количество улучшает вкус и запах  сока.

Для некоторых  плодов и ягод одного дробления недостаточно для получения сока.

Чтобы облегчить  выход сока, необходима их дополнительная обработка, которая включает нагревание или обработку электрическим  током; ферментные препараты не применяются.

Действию  электрического тока в специальных  устройствах — электроплазмолизаторах — может подвергаться мезга почти всех плодов и ягод с плотной кожицей.