Технология производства стерилизованного молока.

Кроме того, однотипность пластин и возможность различной компоновки секций пастеризатора позволяет заводам-изготовителям легко создавать пластинчатые аппараты, которые предназначены не только для обычной пастеризации молока, но и для одновременного решения комплекса задач, например раздельной пастеризации сливок и обезжиренного молока с нагреванием до разной температуры.Важным достоинством пластинчатых аппаратов является возможность достижения высокой производительности (25 м3/ч и более) в одном аппарате при сравнительно небольших габаритных размерах, а также простота увеличения площади теплообмена путем добавления пластин, что уменьшает затраты на модернизацию оборудования.Существенный недостаток пластинчатых аппаратов — наличие в них большого числа резиновых прокладок, большая часть которых работают в зоне с высокими температурами. Они периодически выходят из строя и требуют замены. Также к недостаткам пластинчатых теплообменных аппаратов относят их высокую массу.Трубчатые аппараты (рис. 6) изготовляют на основе унифицированных теплообменных цилиндров. Основной частью в этих цилиндрах являются трубки, ввальцованные или вваренные в трубные решетки, которые вставлены в теплоизолированный цилиндр, закрытый кожухом. Тепло- или хладоноситель подают в межтрубное пространство, а продукт — в трубки.Трубчатые аппараты, в свою очередь, делят на кожухотрубные (типа «труба в трубе»); трубчатые вертикальные; трубчатые горизонтальные; трубчато-змеевиковые и элементные (секционные). Кожухотрубные теплообменники получили в промышленности широкое распространение благодаря своей простоте в изготовлении и надежности в работе.Трубчатые аппараты имеют ряд преимуществ: небольшое число уплотнительных резиновых уплотнений и, как следствие, их высокую надежность; возможность нагрева продукта в потоке до температуры более 100 °С. Недостатком теплообменников трубчатого типа является их относительно высокие габаритные размеры.Рис. 6. Трубчатый теплообменный аппарат: 1 – Clamp-соединение продуктовой линии, 2 – теплообменная труба, 3 – трубная решетка, 4 – Clamp-соединение линии тепло-, хладоносителя, 5 – корпус, 6 – компенсатор теплового расширения.Необходимо развеять заблуждение в вопросах турбулизации потоков в различных типах теплообменников: методы турбулизации потока, применяемые в современных трубчатых теплообменниках позволяют получить теплогидравлические характеристики, не уступающие пластинчатым, а по многим основным параметрам превосходят их. В настоящее время на предприятиях пищевого машиностроения ведутся работы по созданию эффективных поверхностей теплообмена трубчатых теплообменных аппаратов и их теоретическое обоснование. Специфика пищевых производств вносит корректировки и накладывает серьёзные ограничения на эти исследования. Новая концепция, подтверждённая расчётными данными, показывает возможность значительного увеличения коэффициента теплопередачи и, как следствие, уменьшения геометрических размеров в 1,5-2 раза по сравнению с предыдущими поколениями трубчатых теплообменников.          Отличительной особенностью современного теплообменного оборудования, предлагаемого на рынке, является применение воды в качестве промежуточного теплоносителя, как в подогревателях, так и в пастеризаторах и установках для стерилизации и ультрапастеризации продуктов. На предприятиях малой мощности, а также фермерских хозяйствах в качестве первичного энергоносителя на установках малой производительности (обычно до 3 т/ч) все чаще используют электричество, а в установках большей производительности на крупных предприятиях применяют водяной пар, который подогревает через теплообменник циркулирующую в замкнутом контуре горячую/перегретую воду. В случае сбора и возврате конденсата в паровой котел данная схема является наиболее энергосберегающей. Интересно отметить, что на некоторых новостроящихся предприятиях, где в производственной программе не предусмотрены продукты с высокотемпературной обработкой, все чаще в качестве теплоносителя используют горячую (в некоторых случаях незначительно перегретую) воду. Это позволяет использовать в качестве источника энергии водогрейные котлы, что снимает часть «острых» вопросов во взаимоотношениях с инспектирующими органами.Современные средства автоматизации, применяемые на конструируемых теплообменниках позволяют достигать минимально возможной разницы температуры до 2 оС между греющей и нагреваемой средами. Это открывает новые возможности по управлению влиянием процесса теплообмена на качество готовой продукции, а также резко снижает образование нагара и молочного камня. Данные решения позволяют гарантированно контролировать не только процесс производства, но и качество CIP-мойки, что также сказывается на качестве готовой продукции и позволяет выпускать продукцию с более высокими потребительскими качествами. 3.2 Инженерный расчетРасчет кожухотрубного теплообменника для нагревания G, кг/с, продукта от начальной температуры tн2 до конечной tк2 теплоносителем с начальной температурой tн1 и конечной температурой tк1.Исходные данные для расчета:Производительность G1 = 3,36 кг/сНачальная температура молока tн2 = 8CТемпература стерилизации t3 = 100,2CКонечная температура молока tк2 Коэффициент рекуперации тепла ε = 0,8.Начальная температура водяного пара tн1 = 130CКонечная температура водяного пара tк1 = 100CСтепень сухости водяного пара x = 0,9 Общее допустимое гидравлическое сопротивление Р = 0,22 МПаСредняя удельная теплоемкость молока см = 3890,9 Дж/ (кг∙єС)Плотность молока ρм = 1032,5 кг/ м31. Тепловой расчетОпределяем среднюю температуру продукта (молока) в подогревателе:tм = 0,5(tн1 + tн2)tм = (100,2+8)/2 = 54,1°С.Из таблицы 11[1] определяются физические свойства молока при tм:ср = 3,875 кДж/(кг*К),ρ = 1014 кг/м3,λ = 0,593 Вт/(м*К),ν = 0,76*10-6 м2/с,Ρr = 5.По таблице 11.2 [6] по давлению водяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара: энтальпия пара ί″= 2707 кДж/кг,энтальпия конденсата ί′ = 504,8 кДж/кг. Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 120,2°С: Q = G*cр*(tк2 – tн2)φn, кВт,Q = 3,36*3,875*(100,2-8)*1,04 = 1248,5 кВт, где φn – поправочный коэффициент, φn = 1,03-1,05.Средний логарифмический напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями рассчитывается:Δtср = (Δtб – Δtм)/2,3lg (Δtб/Δtм),где Δtб = t1н – t2н = 130-8 = 122°С, Δtм = t2к - t1н = 100,2 – 100 = 0,2°С.Δtср = (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 ω = (0,6-1,5), м/с: ω′ = 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*ω′*ρn′ = 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: ω = 3600*G/2825* dвн2 * ρ, м/с,ω = 3600*3,36 / 2825*(0,025)2 *1014*10 = 12096/17903,4 = 0,68 м/с.Определяем значение коэффициента теплоотдачи молока α2: α2 = Νu*λ/dвн,Νu = 0,0225*Re0,8 * Pr0,4,Re = ωdвн /ν,Re = 0,68*0,025/0,76*10-6 = 22368 > 10000, следовательно, имеет место турбулентный режим. Νu = 0,0225*(22368)0,8 * 50,4 = 129,014,α2 = 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/ α2 * Δtср * ήз,где ήз – коэффициент загрязнений (ήз = 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 / π* dн * Zм, м,lґ = 25,5 / 3,14*0,035*10*6 = 25,5/6,594 = 3,9 м.Расход пара на подогрев продукта составляет:Gп = Q / (ι″ - ι′) * x, кг/ч,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, N0 = 10*6 = 60 отверстий. Число труб, размещенных на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):nd = 3√ (4Fр / 3t*f*β),где β – отношение высоты или длины теплообменника к его диаметру: β = Н/D = L/D, β = 3-5, примем β = 3;t- шаг размещения трубок, м.nd = 3√ 4*25,5 / 3*0,044*0,144 = 3√ 5368 = 17,51 ≈18. Внутренний диаметр корпуса:Dв = N0* dн,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 = 2πr(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,n = 0,75*(182 - 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:Dвн = 1,1t √ n/η, где η = от 0,6 до 0,7. Dвн = 1,1*0,044*√ 244/0,6 = 0,05*20,14 = 1,007 мПолная высота теплообменника, м:Н = l + 2δ +2h, где δ – 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:Ζмтр = 0,785[(Dвн – ndн2)ρωмтр] / Gмтр,где Sмтр – проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:Sмтр = 0,785(Dвн2 – ndн2),Sмтр = 0,785( 1,0072 – 244*0,0352) = 0,56 м2,S – живое сечение прохода теплоносителя, м2:S = G/ωρ,S = 3,36/0,68*1014 = 0,005 м2.h = 0,56 / 1,007*(1 – 0,035/0,005) = 0,093 м = 93 мм. Ζмтр = 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)], 2. Гидравлический расчетГидравлический расчет выполняется для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь. 1. Общие потери давления определяются:ΔΡ = ΔΡтр + ΔΡмс или напораhп = hтр + hмс, гдеΔΡтр (hтр ) – потери давления (напора) на преодоление сопротивлений трения при движении теплоносителей через каналы установки,ΔΡмс (hмс) – потери давления (напора) на преодоление местных сопротивлеий.2. Конечное уравнение для расчета потерь давления (напора) имеет вид:ΔΡобщ = ΔΡтр + ΔΡ + ΔΡг,Нобщ = hтр + hа + hг,где ΔΡтр (hтр) – потери давления (напора) а проводящих и отводящих трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;ΔΡ (hа) – потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;ΔΡг – потери давления при подъеме жидкости на высоту hг, Па.ΔΡтр = λ*l/dэ*ρω2/2,ΔΡтр = 0,295*(3,9/3,9)*(1014*0,682)/2 = 69,160 Па = 0,069 кПа, где λ – коэффициент трения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительной шероховатости канала, при турбулентном режиме (Re = 22368) определяют зону трения:e = Δ/dэ = 0,02*10-3/3,9 = 0,005*10-3 – относительная шероховатость стенок трубы (канала),Δ – абсолютная шероховатость, м, для новых чистых стальных бесшовных труб Δ = 0,01-0,02 мм = 0,02*10-3 м, примем Δ = 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 =>λ = 1,1*(0,005*10-3)0,25 = 1,1*0,268*100,75 = 0,295ΔΡ = (λ*l/dэ + Σξ)*ρω2/2, гдеΣξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений,Σξ = 0,2+1,0+1,0+1,0+1,5 = 4,7.ΔΡ = (0,295*3,9/3,9 + 4,7)*1014*0,682/2 = 1171,03 Па = 1,17 кПа,ΔΡг = ρghг,ΔΡг = 1014*9,81*3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.ΔΡобщ = 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.3. Мощность, затрачиваемая на перемещение продукта, или мощность на валу насоса:Nн = G*ΔΡобщ/ρη, гдеη – КПД насоса, примем η = 0,6.Nн = 3,36*40033/1014*0,6 = 221,09 Вт = 0,22 кВт.4. Мощность электродвигателя, кВт:Nдв = Nн*10-3 * ηдв*ηп, гдеηдв – КПД двигателя,ηп – КПД передачи от двигателя к насосу, пусть ηп = 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 изоляцииЛюбое 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:δиз = λиз*(tст1 – tиз) / α0*( tиз – t0),гдеtст1 = 130°С,δиз = 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): λиз = 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 = α0*(tиз – t0),где α0 – суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху, Вт/(м2*К),α0 = 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/м2.4. Механический расчетКорпус теплообменного аппарата выполняется сварным, из листовой стали 20К. Тогда допускаемое напряжение в зависимости от температуры стенки выбираем [σ] = 139 Мпа. Расчет толщины стенок на внутренне давление:Толщина стенки при расчете на внутреннее давление проверяется по формуле:δ = (Р*D/2[σ]доп*φ) + С, гдеδ – толщина стенки корпуса, м;Р – внутреннее избыточное давление в корпусе, МПа;D – внутренний диаметр корпуса, м;[σ]доп – допускаемое напряжение, МПа, [σ]доп = [σ]*η = 139*0,9 = 125,1 МПа,η – коэффициент, учитывающий конструкцию и условия работы аппарата, η = 0,9 для сосудов, обогреваемых топочными газами [4]; φ – коэффициент прочности сварного шва, для односторонней сварки φ = 0,65;С – поправка на коррозию, овальность и т. д., С = 0,003 м. [4]δ = 0,22*2,1/2*125,1*0,65 + 0,001 = 0,462/162,63 + 0,003 = 0,0058 м = 5,8 мм.Расчет толщины стенок на наружное давление: Толщина стенок на наружное давление при разрежении в аппарате:δ = (Рн*Dн/2*[σ]с*φ) + С,где Рн – наружное избыточное давление, МПа;Dн – наружный диаметр цилиндра, м;[σ]с – допускаемое напряжение на сжатие, МПа, [σ]с=[σ]доп=125,1 МПа;С – конструктивная прибавка, С = 0,003 м.δ = 0,1*0,325/2*125,1*0,65 + 0,001 = 0,0325/162,63 + 0,003 = 0,0032 м ==3,2 мм.Расчет толщины трубных решеток:Толщина трубных решеток выбирается в зависимости от диаметра размещенных в ней труб. Шаг между соседними трубами должен быть не меньше t = 4,8dн = 4,8*0,035 = 0,168, тогда толщина трубной решетки при заданном шаге:Δр = 4,8*t / (t - dн),Δр = 0,168 / (0,168 – 0,035) = 0,168/0,133 = 1,26 мм.Расчет толщины крышек:Форма крышек и днищ в теплообменных аппаратах бывает различной (сферической, эллиптической, конической или плоской). Номинальная толщина стенки эллиптического днища:δ = Р*Dн*К*/2[σ]допφ + С, где К – фактор формы днища, К = 1,10, [4], табл. 5,8 с.124δ = 0,22*0,325*1,1/2*125,1*0,65 + 0,003 = 0,0787/162,63 + 0,003 = 0,0035 м = 3,5 мм.3.3 Организация эксплуатации и ремонтаСистемой планово-предупредительного ремонта (ППРЭ) и технического обслуживания электрооборудования называется совокупность организационных и технических мероприятий по уходу, надзору за электрооборудованием, его обслуживанию и ремонту, проводимым профилактически с целью обеспечения безотказной его работы. Система ППРЭ должна обеспечивать исправность электрооборудования, его полную работоспособность, максимальную производительность и высокое качество обрабатываемых рабочими машинами продуктов и изделий.Ремонт оборудования может осуществляться собственными силами предприятий, эксплуатирующих оборудование, сторонними специализированными ремонтными предприятиями, а также специализированными подразделениями заводов-изготовителей. Удельный вес каждой из перечисленных организационных форм ремонта для конкретного предприятия зависит от многих факторов: развитости собственной ремонтной базы, ее оснащенности, удаленности от предприятий – изготовителей оборудования и специализированных ремонтных организаций, а также финансовых возможностей предприятия.ЗаключениеСогласно аналитическим прогнозам, производство питьевого молока с длительным сроком хранения, обеспеченным, 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, изучены линии оборудования, проведен расчет оборудования.Список литературыБредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. – М.: Колос, 2003. – 400 с.:илГинзбург А.С., Громов М.А, Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. – М.: Пищ. пром-сть, 1980. – 286с.Золотин Ю.П. Стерилизованное молоко. – М.: Пищевая промышленность, 1979. – 157 с.:ил.Технический регламент на молоко и молочную продукцию: федеральный закон от 12.06.2008 № 88. – 2008.Генералова, Н.А., Курбанова, М.Г. технология цельномолочных продуктов: учебное пособие. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2005. – 148 с.Кузнецов, В.В., Липатов, Н.Н. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. В 7-ми т. Т.6. Технология детских молочных продуктов. – СПб.: ГИОРД, 2005. – 512 с.: ил.Степанова, Л.И. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. В 7-ми т. Т.1. Цельномолочные продукты. – СПб.: ГИОРД, 1999.- 384 с.Твердохлеб, Г.В., Сажинов, Г.Ю., Раманаускас, Р.И. Технология молока и молочных продуктов. - М.: ДеЛи принт, 2006. – 616 с.Тихомирова, Н.А. Технология и организация производства молока и молочных продуктов. – М.: ДеЛи принт, 2007. – 560 с.ГОСТ Р 52090-2003. Молоко питьевое. Технические условия. – М.: Госстандарт России, 2003. – 15 с.