Расчет и проектирование пастеризатора молока типа «труба в трубе»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчет и проектирование пастеризатора молока типа «труба в трубе»»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Уфа 2010

 

Реферат

пастеризационный аппарат молоко теплопередача

Объектом разработки являются теплообменник типа «труба в трубе» и процесс пастеризации молока.

Цель проекта – снижение эксплуатационных затрат у потребителя.

Описано устройство и принцип действия пастеризационной установки при производстве пастеризованного молока, рассмотрен механизм теплопередачи через разделяющую стенку от более нагретой среды к менее нагретой. Разработан метод расчета теплообменного аппарата, оптимизированы его конструктивные параметры. Спроектирована конструкция пастеризатора трубчатого типа.

 
 
 

Введение

 

Объектом разработки является теплообменник типа «труба в трубе» и процесс пастеризации молока.

Молочные продукты, в частности молоко, являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Микроорганизмы, размножаясь, могут значительно ускорить процесс порчи молочной продукции. Кроме того, микроорганизмы могут вызвать опасные заболевания людей. Поэтому важнейшая задача при выпуске молочных продуктов – уничтожить содержащиеся в них микроорганизмы.

Одним из способов уничтожения микроорганизмов является кипячение. Однако кипячение сильно изменяет свойства молочных продуктов, вкус, запах и т.д. Установлено, что для уничтожения активных форм микроорганизмов нет необходимости нагревать продукты до кипячения. Жизнедеятельность микроорганизмов при соблюдении некоторых условий может быть подавлено при нагревании до (85–95)°С. Впервые установил губительное действие на микроорганизмы высоких температур и применил их для обработки продуктов с целью их сохранения французский ученый Л. Пастер. По имени этого ученого такая обработка называется пастеризацией.

Пастеризация может быть длительной, кратковременной и мгновенной. При длительной пастеризации молоко нагревают до (63–65)°С и выдерживают при этой температуре 30 минут, при кратковременной молоко нагревают до (72–76)°С с выдержкой 15–20 секунд, при мгновенной пастеризации молоко нагревают до (85–95)°С без выдержки.

Выбор режимов пастеризации предопределяется технологическими условиями и свойствами продукта. При содержании в продукте компонентов, отличающихся низкой термоустойчивостью, следует применять длительную пастеризацию. Процесс длительной пастеризации хотя и обеспечивает надежное уничтожение патогенных микробов и наименьшее изменение физико-химических свойств молока, однако требует больших затрат, связанных с использованием малопроизводительного оборудования.

Наиболее распространенный способ в производстве пастеризованного молока, кисломолочных продуктов и мороженого – кратковременная пастеризация. Этот способ также надежен для инактивации микробов и максимального сохранения исходных свойств молока. Моментальная пастеризация по воздействию на микробы и свойства молока аналогична кратковременной. Она рекомендуется для пастеризации сливок, из которых вырабатывают масло, и при производстве молочных консервов. Таким образом, все способы пастеризации позволяют получить продукт, безвредный для непосредственного употребления в пищу, но имеющий ограниченный срок хранения.

В молочной промышленности для пастеризации молока и молочных продуктов применяют пастеризационные установки.

Наибольшее применение получили четыре типа пастеризационных аппаратов: ванны длительной пастеризации, паровые пастеризаторы с вытеснительными барабанами, пластинчатые пастеризаторы и трубчатые пастеризаторы. Пастеризационные установки пластинчатого типа, или пастеризационно-охладительные установки, предназначены для пастеризации и охлаждения в потоке питьевого молока, молока при выработке кисломолочных продуктов, сливок и смеси мороженного. Пастеризационные установки трубчатого типа предназначены для пастеризации в потоке молока и сливок. Все установки снабжаются системами автоматического контроля и регулирования температуры пастеризации. По производительности трубчатые пастеризаторы не уступают пластинчатым пастеризаторам.

Недостатком трубчатых пастеризаторов является их большие размеры в сравнении с пластинчатыми при равной производительности. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что трубчатые аппараты требуют значительного свободного пространства с торцевой стороны, необходимого для работы длинными ершами при мойке аппарата.

Преимуществом трубчатых пастеризаторов в сравнении с пластинчатыми является значительно меньшее количество и меньшие размеры уплотнительных прокладок, требующих частого и трудоемкого ремонта. В трубчатых аппаратах нет секции рекуперации тепла. Поэтому трубчатые пастеризаторы применяются главным образом там, где регенерация тепла не нужна.

Процесс пастеризации молока, как все тепловые процессы, является весьма энергоемким и дорогостоящим. Поэтому расчет и проектирование теплообменника для пастеризации молока являются актуальными.

Целью данного курсового проекта является снижение себестоимости процесса пастеризации молока путем оптимизации конструктивных параметров теплообменного аппарата и кратности расхода воды.

Задачи исследования вытекают из поставленной цели и сводятся к следующему. При заданной производительности пастеризатора 1600 л/ч

определить оптимальные конструктивные параметры теплообменника типа «труба в трубе» и кратность расхода воды. Для этого необходимо разработать математическую модель процесса пастеризации в теплообменнике типа «труба в трубе» с выбором критерия оптимизации и решить задачу многомерной оптимизации по определению конструктивных оптимальных параметров данного теплообменника и кратности расхода воды.

 
 
 

1. Назначение, устройство  и принцип действия пастеризатора  молока типа «труба в трубе»

 

1.1 Основные требования  к молоку и назначение пастеризатора

 

Основная цель пастеризации – уничтожение вегетативных форм микроорганизмов, находящихся в молоке (возбудителей кишечных заболеваний, бруцеллеза, туберкулеза, ящура и др.), сохраняя при этом его биологическую, питательную ценность и качество.

Эффективность действия пастеризации зависит от двух основных параметров: температуры, до которой нагревают молоко, и выдержки его при данной температуре. В зависимости от этого различают пастеризацию молока с выдержкой и без выдержки.

Техническая реализация процесса выдержки осуществляется в специальных устройствах (выдерживателях) в пастеризационно-охладительных установках. По конструкции выдерживатель представляет собой камеру, через которую непрерывным потоком проходит молоко в практически изотермических условиях. Камера выдерживателя может быть выполнена в виде трубы большого диаметра определенной длины, цилиндрической емкости с рубашкой, трубчатого змеевика и др. Кроме температуры и продолжительности выдержки на эффективность пастеризации существенно влияют степень очистки, кислотность, общая обсемененность микроорганизмами, вспениваемость молока и другие факторы.

Пастеризуемое молоко должно быть предварительно очищено на фильтрах или сепараторах-молокоочистителях. При пастеризации неочищенного молока загрязняется теплопередающая поверхность аппаратов (особенно пластинчатых) и снижается эффективность действия температуры.

Для пастеризации можно использовать молоко кислотностью не более 22°Т, так как при большей кислотности белки молока при нагревании свертываются и их часть осаждается на теплопередающей поверхности аппаратов, образуя слой пригара. Молоко кислотностью более 27°Т не подлежит пастеризации, поскольку оно полностью свертывается под действием высокой температуры. В молоке с высокой начальной бактериальной обсемененностью и после пастеризации остается большое количество микроорганизмов. Обсемененность молока перед пастеризацией должна быть 106 клеток в 1 см3.

Наличие пены в молоке также отрицательно влияет на эффективность пастеризации. Это связано с тем, что теплопроводность пены значительно ниже теплопроводности молока. Поэтому при организации подачи молока на пастеризацию необходимо исключить возможность вспенивания.

В зависимости от схемы организации процесса пастеризации, особенностей технологии молочных продуктов и аппаратурного оформления в молочной отрасли применяют следующие виды пастеризации: длительную пастеризацию при температуре 74-78°С с выдержкой 30 мин, при температуре 90–99°С с выдержкой от 2–15 мин до 5 ч; кратковременную пастеризацию при температуре 80, 85–87 или 90–95°С без выдержки; высокотемпературную пастеризацию при температуре 105–107°С без выдержки. В зависимости от принятых в технологической инструкции режимных параметров процесса пастеризации молока и молочных продуктов применяют соответствующее оборудование. Для длительной пастеризации используют емкости периодического действия, а для кратковременной и моментальной пастеризации – пластинчатые, трубчатые и другие пастеризационные аппараты.

 

1.2 Устройство пастеризатора  молока типа «Трубе в трубе»

 

В состав установки входят центробежный насос для молока 1, центробежный насос для воды (не показан), молокопроводы 2 и 3, водопроводы 6 и 7, патрубки для отвода воды 5 и пастеризованного молока 4, трубчатая рама 8 (лист ТОЖПП 65.ХХ.02.001 ВО).

Трубчатый теплообменный аппарат представляет собой 20 рабочих цилиндров, смонтированных на раме. Рабочие цилиндры смонтированы в два ряда, по десять цилиндров в каждом ряду. Внутри рабочего цилиндра находится трубка внутренним диаметром 13 мм. Внутренний диаметр рабочих цилиндров равен 28 мм.

Поверх цилиндров можно предусмотреть термоизоляцию.

Соединение труб и патрубков осуществляется с помощью накидных гаек.

 

1.3 Принцип работы  пастеризатора

 

Молоко температурой 50°С центробежным насосом 1 по молокопроводу 2 подается в трубку первого нижнего рабочего цилиндра. Пройдя по этой трубке, молоко попадает в следующую трубку. Пройдя по всем трубкам рабочих цилиндров, выводятся по выходной трубке 4.

Вода по водопроводам 6 и 7 подается в межтрубное пространство рабочих цилиндров.

Молоко во время пастеризации проходит последовательно по 20 трубкам рабочих цилиндров и нагреваются водой, которая поступает в межтрубное пространство цилиндров, до температуры пастеризации, т.е. до 75°С.

Вода из межтрубного пространства цилиндров автоматически удаляется по патрубку для отвода воды 5.

На выходе молока из пастеризатора установлен возвратный клапан (не показан), с помощью которого в случае недогрева молока до требуемой температуры, направляются на повторную пастеризацию.

 
 

2. Механизм действия  процесса пастеризации

 

Процесс пастеризации молока заключается в нагреве молока в теплообменнике типа «труба в трубе», в котором теплопередача тепла осуществляется от нагретой воды при температуре 75°С к нагреваемому молоку через разделяющую стенку. Молоко движется по трубному пространству, а нагретая вода подается в межтрубное пространство.

Тепловой поток прямо пропорционален площади теплопередачи f, коэффициенту теплопередачи к и средней движущей силе процесса теплопередачи, которой является средний температурный напор ∆tcp,

 

Q=k*f*∆tcp. (2.1)

 

Рисунок 1. Схема изменения температур теплоносителей при противотоке

 

На рисунке 1 представлена схема изменения температур теплоносителей при противотоке. Средний температурный напор определяется по формуле

 

∆tcp =(∆tmax-∆tmin)/ln(∆tmax/∆tmin), (2.2)

 

где ∆tmax – разность конечной температуры воды и начальной температуры молока, °С;

∆tmin – разность начальной температуры воды и конечной температуры молока, °С.

 

∆tmax=tв.к.-tм.н.; (2.3)

∆tmin=tв.н.-tм.к., (2.4)

 

где tв.н. – начальная температура воды, °С;

tв.к. – конечная температура воды, °С;

tм.н. – начальная температура молока, °С;

tм.к. – конечная температура молока, °С.

Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплоотдачи от молока к стенке трубки бм, коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки бв, термического сопротивления трубки и термического сопротивления накипи в межтрубном пространстве и определяется по формуле

 

k=1/((1/бм)+(1/бв)+(дтр /лст)+(дн /лн)), (2.5)

 

где дтр – толщина стенки трубки, м;

лст – теплопроводность стенки, Вт/(м*°С);

дн – толщина накипи в межтрубном пространстве, м;

лн – теплопроводность накипи, Вт/(м*°С).

Коэффициент теплоотдачи от молока к стенке трубки равен

 

бм=Nuм*лм/l1, (2.6)

 

где Nuм – критерий Нуссельта для молока;

лм – коэффициент теплопроводности молока, Вт/(м*°С);

l1 – характерный линейный размер, равный для круглых трубок dвн;

dвн – внутренний диаметр трубки, м.

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубки равен

 

бв=Nuв*лв/l2, (2.7)

 

где Nuв – критерий Нуссельта для воды;

лв – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м*°С);

l2 – характерный линейный размер, равный для кольцевого сечения межтрубного пространства

 

l2=4*Fсеч/Псеч, (2.8)

 

где Fсеч – площадь сечения межтрубного пространства, м2;

Псеч – смоченный периметр, м

 

Псеч=*(Dвн+dн), (2.9)

 

где Dвн – внутренний диаметр рабочего цилиндра, м;

dн – наружный диаметр трубки, м.

 
 
 

3. Расчет и проектирование  пастеризатора молока типа «труба  в трубе»

 

3.1 Конструктивное  решение теплообменного аппарата

 

Для уменьшения габаритных размеров пастеризатор может состоять из нескольких секций. Это приводит с одной стороны к уменьшению занимаемой производственной площади, а с другой стороны – к некоторому усложнению конструкции. Поэтому целесообразно принять две горизонтально расположенные секции, установленные в два ряда. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от молока к стенкам трубок теплообменника типа «труба в трубе» и соответственно коэффициента теплопередачи необходимо иметь развитой турбулентный режим в трубном пространстве. Это достижимо при выполнении теплообменника многосекционным, получая батарею. Наибольшая скорость молока достигается при его прокачке последовательно через все трубки, т.е. когда весь расход молока приходится на сечение одной трубки.