Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ технологий и средств пастеризации молока. цель и задачи исследования 11
1.1 Анализ существующих технологий пастеризации молока 11
1.2 Краткий обзор аппаратов для пастеризации молока и их классификация 14
1.3 Обзор тепловых насосов, используемых в молочной промышленности 30
1.4 Обзор научных публикаций по исследованию процесса работы пастеризационных установок с гидродинамическими нагревателями 34
1.5 Цель и задачи исследования 40
Глава 2 Теоретические исследования по совершенствованию процесса работы пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем 42
2.1 Общая схема усовершенствованной пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем 42
2.2 Гидродинамические явления в проточной части нагревателя 48
2.3 Закономерности подобия гидродинамических нагревателей 58
2.4 Анализ работы пластинчатого теплообменника пастеризационной установки 59
2.5 Анализ работы теплового насоса в составе пастеризационной установки 63
2.6 Определение критерия пастеризации молока 70
Выводы 72
Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований процесса работы установки для пастеризации молока и обоснованию её параметров 75
3.1 Программа экспериментальных исследований 75
3.2 Экспериментальная установка и приборы для проведения исследований 77
3.3 Методические положения по оценке температурных режимов работы тепловых аппаратов пастеризационной установки 83
3.4 Методика определения влияния процесса пастеризации молока в установке с гидродинамическим нагревателем на качественные показатели молока 85
3.5 Методика определения производительности пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем 88
3.6 Методика определения тепловыделения в гидродинамическом нагревателе и тепловых потерь в пастеризационной установке 90
3.7 Методика энергетической оценки работы теплового насоса и баланс тепла в пастеризационной установке 91
3.8 Методические положения по обработке опытных данных 93
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований по совершенствованию процесса работы установки для пастеризации молока и обоснованию её параметров 95
4.1 Влияние усовершенствованной пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем на качественные показатели и свойства молока в процессе её работы 95
4.2 Обоснование процесса и режима работы пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем 104
4.3 Определение тепловыделения в гидродинамическом нагревателе и тепловых потерь в пастеризационной установке 112
4.4 Энергетическая оценка работы теплового насоса и баланс тепла в пастеризационной установке 116
4.5 Результаты исследований теплового насоса в составе пастеризационной установки 120
Выводы 125
Глава 5 Экономическая эффективность внедрения результатов исследования усовершенствованной пастеризационной установки на молочных фермах хозяйств АПК 128
Выводы 133
Заключение 134
Литература
- Краткий обзор аппаратов для пастеризации молока и их классификация
- Гидродинамические явления в проточной части нагревателя
- Методические положения по оценке температурных режимов работы тепловых аппаратов пастеризационной установки
- Обоснование процесса и режима работы пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время основное производство молока в России сместилось в семейные, личные подсобные и фермерские хозяйства. В ЮФО их доля в общем производстве молока составляет более 80%. Условия разрозненности производителей молока в сельских поселениях требуют не только охлаждения его для улучшения качества и стойкости в хранении, но и тепловой обработки путм пастеризации. Широко распространнная во всех странах мира паровая пастеризация в условиях малых ферм затруднена из-за значительных затрат на оборудование для получения пара, транспортировку теплоносителей и автоматику. Они способствуют загрязнению окружающей среды, по-жаро-взрывоопасны и имеют высокую энергомкость.
Наибольший интерес в связи с этим представляют пастеризаторы непосредственного нагрева жидкости на базе гидродинамических нагревателей (ГДН). Однако известные образцы их имеют существенные потери тепла в окружающую среду, процесс работы их неравномерен из-за синхронности закрытия и последующего раскрытия всех ячеек ротора и статора, а вс тепло на стадии охлаждения пастеризованного молока безвозвратно теряется с потоком охлаждающей воды.
Анализ существующих способов и технических средств тепловой обработки молока на молочных фермах малых хозяйств показал, что наиболее эффективным способом его обработки следует считать гидродинамический нагрев его до температур пастеризации, совершенствование процесса работы которого представляет один из актуальных вопросов общей проблемы первичной обработки и переработки молока, производимого в таких хозяйствах.
Степень разработанности темы. Начало исследований по обеззараживанию жидкостей путем нагрева положено основателем пастеризации Луи Пастером более 100 лет назад. После этого научные работы в основном были направлены на обоснование параметров и режимов работы пастеризаторов косвенного нагрева жидкости паром или горячей водой. Решению этих вопросов посвящены научные работы Г.А. Кука, Ю.Н. Ковалева, А.К Свириденко, и А.Н. Березина, С.А. Бредихина, З.Х. Диланяна, В.С. Здановской, Г.В. Родионова, А.Ш. Тешева, Т.М Хасие-ва, А. Чучков, Ф.М. Юсибова, K. Robe, H.X. Yang и др.
В первую очередь их исследования были направлены на определение производительности пастеризаторов косвенного нагрева. Теоретических исследований пастеризаторов с гидродинамическими нагревателями весьма мало. Наиболее известны исследования ГДН на коагуляции отжатого сока растений и нагреве воды, проведенные сотрудниками ДГТУ (г. Ростов-на-Дону). Этими исследованиями установлено, что экспериментальный коагулятор при перепаде температур продукта до 60С обеспечивает производительность до 900 кг/ч. Однако рабочие
характеристики коагулятора остались недостаточно изученными, а параметры установки с использованием ГДН не обоснованы, отсутствует и методика инженерного расчета нагревателя.
Цель и задачи исследования - обоснование процесса работы и параметров усовершенствованной установки для пастеризации молока с гидродинамическим нагревателем (ГДН) применительно к условиям производства его хозяйствами и предприятиями различных форм собственности в АПК. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ процесса работы усовершенствованной установки для пастеризации молока, включая изменение конструкции ГДН, компоновку е тепловых аппаратов и использование в ней теплового насоса на операциях охлаждения пастеризованного молока.
-
Разработать математические модели функционирования тепловых аппаратов установки, определить их роль и долю, вносимую в критерий пастеризации;
-
Обосновать параметры усовершенствованной пастеризационной установки с ГДН и режимы е работы с использованием теплового насоса.
-
Определить экономическую эффективность внедрения результатов исследования усовершенствованной пастеризационной установки на молочных фермах и хозяйствах АПК.
Объект исследования - усовершенствованный процесс и установка для пастеризации молока, оснащенная ГДН и тепловым насосом.
Предмет исследования - закономерности тепловой обработки молока и процессы взаимодействия тепловых аппаратов в технологии пастеризации его усовершенствованной установкой.
Научная новизна работы состоит в:
определении направлений совершенствования процесса работы установки для пастеризации молока изменением конструкции ГДН, компоновки тепловых аппаратов и использованием в ней теплового насоса;
разработке математических моделей функционирования тепловых аппаратов в составе пастеризационной установки непосредственного нагрева молока;
оценке влияния усовершенствованной пастеризационной установки на основные свойства молока;
получении зависимостей описания условий и процесса работы теплового насоса в составе пастеризационной установки на операциях охлаждения пастеризованного молока, определении коэффициентов преобразования тепла и холода;
Теоретическую и практическую значимость работы представляют:
усовершенствованная технология пастеризации молока в установке с ГДН, обеспечивающая энергоресурсосбережение использованием теплового насоса на стадии охлаждения пастеризованного молока;
теоретические обоснования процесса работы усовершенствованной па-
стеризационной установки;
защищенные патентами на изобретения варианты компоновки малогабаритной пастеризационной установки в едином блоке тепловых аппаратов нагревателя, выдерживателя, регенератора и охладителя;
рациональные параметры и режимы работы пастеризационной установки.
Методы исследования. Представленные в работе результаты подтверждены материалами теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных законов механики, гидравлики, газовой динамики, теплотехники, а также математического анализа.
Экспериментальные исследования выполнены с применением стандартных и вновь разработанных методик на опытных образцах гидродинамических нагревателей молока, пластинчатых аппаратов и холодильных установок, выступающих в роли тепловых насосов, и проверены в хозяйственных условиях. Их результаты обработаны методами статистики. Получены графические зависимости исследуемых параметров, оценены погрешности их определения.
На защиту выносятся следующие основные положения:
блок-схема баланса тепла в пастеризационной установке в условиях использования в ней теплового насоса;
режимы работы, параметры и уточннная методика расчта усовершенствованной пастеризационной установки;
характеристики преобразования тепла и холода на этапе охлаждения пастеризованного молока;
варианты конструкции малогабаритной энергосберегающей пастеризационной установки, оснащнной гидродинамическим нагревателем и тепловым насосом.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы, выводов и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также соответствием их научным положением ведущих ученых по фундаментальным и прикладным аспектам механизации сельского хозяйства.
Результаты исследований переданы и используются в ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасск), использованы в разработках бизнес-планов семейных молочных ферм Ростовской области и в учебном процессе Азово-Черноморского инженерного института - филиала ФГБОУ ВО Донской ГАУ и Ставропольского ГАУ. Материалы его доложены на ежегодных всероссийских научно-технических конференциях вуза (2008 - 2011гг.), на всероссийском конкурсе работ аспирантов и молодежи в 2012 г. (г. Саратов, 2-е место), на инновационном конвенте в г. Ростове-на-Дону в 2013г.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 7 статей общим
объмом 2,3 п.л. Получено 3 патента на изобретения.
Структура и объём диссертации. Работа содержит введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 134 наименований, в том числе 11 на иностранных языках. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков, 15 таблиц и приложения.
Краткий обзор аппаратов для пастеризации молока и их классификация
Наиболее полная схема классификации пастеризаторов молока и молочных продуктов разработана А.Ю. Красновой [46]. В ней особое внимание обращено на паровые пастеризаторы. Однако, несмотря на широкое их распространение они имеют ряд существенных недостатков, которые практически исключают возможность их использования в категории малых хозяйственных образований. Это прежде всего необходимость строительства котельной и низкий тепловой КПД таких пастеризаторов.
На рисунке 1.1 представлена измененная схема классификации пастеризационных установок, в которой основное внимание уделено аппаратам для пастеризации молока на малых фермах. По этой схеме аппараты для пастеризации молока разделены по способу воздействия на пастеризуемый продукт и по режиму работы. Схема классификации пастеризаторов молока. По способу воздействия на продукт они подразделяются на аппараты косвенного и прямого нагрева. Аппараты косвенного нагрева в свою очередь подразделены на тепловые и электрические.
Нагревание в пищевой промышленности в основном осуществляется при помощи различных теплоносителей, таких как водяной пар, горячая вода, нагретый воздух, топочные газы, высококипящие органические вещества – жидкости, а также электрического тока. Зачастую в качестве теплоносителя используют насыщенный пар, так как он имеет высокий коэффициент теплопередачи при конденсации. Значительный недостаток водяного пара – это возрастание давления с повышением температуры.
Пастеризация широко применяется в пищевой и перерабатывающей промышленности. Она обеспечивает снижение количества микроорганизмов и разрушение ферментов, способствует значительному повышению сроков хранения и реализации продукта. В пищевых производствах пастеризации отведено одно из основных мест, важное место она занимает и на молочных фермах хозяйств АПК.
Эффективность пастеризации зависит от температуры и времени выдержки продукта при этой температуре.
Длительная пастеризация в ваннах с теплообменной рубашкой в настоящее время используется очень редко из-за низкой производительности, большого расхода пара и невысокого КПД.
В настоящее время основным оборудованием для пастеризации является пастеризационно-охладительные установки пластинчатого типа.
Трубчатые пастеризационные установки нагревают продукт в закрытом тонкослойном потоке при высоких скоростях с автоматическим осуществлением рабочих процессов, что дает возможность работы под большим давлением пастеризуемых продуктов с нагревом их до температуры свыше 1000 C. Трубчатые аппараты имеют небольшое количество резиновых уплотнений, по сравнению с пластинчатыми аппаратами, что упрощает ремонт и требует меньше времени на ремонт. Пластинчатые пастеризационно-охладительные установки нашли наиболее широкое распространение в перерабатывающей промышленности. Такие установки предназначены для быстрой пастеризации молока в тонком слое и закрытом потоке с последующим охлаждением его после кратковременной выдержки. В пластинчатых аппаратах повышение скорости потока молока приводит к увеличению гидравлического сопротивления.
Недостатком пластинчатых аппаратов, как и электропастеризаторов, является образование накипи. Для предотвращения образования ее необходимо снижение температуры стенки, через которую осуществляется теплопередача к пастеризуемому продукту.
Почти во всех видах нагревателей передача тепла происходит через промежуточный теплоноситель, что приводит к усложнению конструкции, дополнительным затратам и потерям энергии, и создает определенные неудобства в эксплуатации.
Другую группу аппаратов для пастеризации составляют устройства прямого воздействия на продукт [43, 70, 105, 122, 124]. К ним относятся облучающие СВЧ и электродные пастеризаторы, а также сравнительно новые пастеризаторы с гидродинамическими нагревателями. Последние представляют значительный интерес не только для крупных молочных хозяйств и молочных заводов, но и для семейных, фермерских и личных подсобных хозяйств и осуществляют нагрев продукта за счет трения жидкостных слоев между собой и о стенки ГДН, обеспечивая гидродинамическое воздействие на молоко. Они подразделены на дисковые и барабанные аппараты, а по виду рабочей поверхности – на гладкие и с ячеистой поверхностью. Барабанные в свою очередь могут быть цилиндрическими или коническими.
Имеется и ряд аппаратов, в которых нагрев продукта осуществляется не только за счет трения жидкости, но и турбулизации. К ним относятся гидромуфты в стоповом режиме и ряд модернизированных гидромуфт. Таким образом на основе предложенной классификационной схемы решение многих вопросов тепловой обработки молока особенно в условиях малых хозяйственных образований возможно при непосредственном нагреве жидкости. Более экономичным способом нагрева жидкостей является применение гидродинамических нагревателей. Их основное отличие в том, что в них происходит преобразование механической энергии в тепло, что упрощает конструкцию аппарата и повышает его КПД. Такие аппараты имеют небольшие габариты, малую металлоемкость и массу, мобильность, простоту конструкции, надежность, обладают насосным эффектом.
Накипь на стенках аппарата не образовывается, так как нагрев осуществляется непосредственно и жидкость движется с высокой скоростью. Существуют три типа ГД нагревателей. Рассмотрим их более подробно.
Гидродинамические явления в проточной части нагревателя
Гидродинамический нагреватель имеет патрубок подачи 11 продукта для тепловой обработки его в нем и патрубок отвода 12 продукта после тепловой обработки, сообщающийся с полостью 8 статора 1, которая в свою очередь отверстием 13 соединена с ячеистой рабочей частью устройства. Работает ГД нагреватель следующим образом.
Поступающее на тепловую обработку молоко по патрубку 11 заполняет ячейки 9 и 10. При вращении ротора 2 оно захватывается рядами его ячеек 9, как лопастями насоса, наклоненными под углом , обеспечивая самовсасывание продукта в устройство (насос 14 по рис. 2.1 мог отключаться). В зазоре между ротором 2 и статором 1 молоко подвергается интенсивному гидродинамическому воздействию благодаря разгону ячейками 9 ротора, резкому торможению ячейками 10 неподвижного статора 1, интенсивному вихреобразова-нию, трению слоев продукта между собой и о поверхности статора 1 и ротора 2. В результате этого происходит преобразование подводимой к устройству энергии привода в тепловую энергию, поглощаемую пастеризуемым молоком, нагревая его до температуры пастеризации. При этой температуре нагретое молоко через отверстие 13 поступает в полость 8 статора для его выдержки, после чего выводится через патрубок отвода 12 из ГДН в линию дальнейшей обработки: регенерации, охлаждения и хранения, как описано выше.
Различный шаг t рядов ячеек 9 и 10 на статоре 2 и якоре 1 и углов их наклона и по винтовой линии обеспечивают поочередное их закрытие и последующее постепенное открытие по мере вращения ротора 2, что может снизить пульсацию нагрузки на ГД обработку молока в приводе нагревателя и выровнять её (создаётся аналогия резания материалов со скольжением)..
Расположение же выдерживателя в кольцевой полости 8 статора 1 обеспечивает сокращение потерь тепла из рабочей ячеистой части нагревателя в окружающую среду, что может повысить его КПД.
ГДН пастеризационной установки содержит, как уже отмечалось, неподвижный статор с ячейками и ротор с аналогичными ячейками. В нем перегородки между соседними ячейками представляют своеобразные лопатки, а проточная часть для пастеризуемого молока образована самими ячейками и зазором статор - ротор. При вращении ротора толщина слоя молока в проточной части меняется от минимальной, соответствующей указанному зазору, до максимальной, включающей дополнительно глубины ячей статора и ротора при совпадении этих ячей. Такая конструкция ГДН при его работе по гидродинамическому действию на жидкость в какой-то мере напоминает центробежный насос и во многих схемах пастеризационных установок исключает необходимость установки насоса.
Ротор ГДН вращается с постоянной угловой скоростью со0 с приводом от отдельного электродвигателя. Пастеризуемая жидкость в нем также приобретает усредненную угловую скорость со, но меньшую чем угловая скорость лопаток ротора со0. Тогда относительная скорость молока со і (по отношению к скорости ротора) будет: оз1=оз0-оз, (2.1) Угловая скорость со жидкости при пастеризации вызывает центробежную силу, действующую на внутреннюю поверхность статора: P = mRco2, (2.2) где т - масса пастеризуемой жидкости в проточной части ГДН, кг; R - радиус внутренней проточки статора, м. Объем проточной части ГДН складывается из объема кольцевого зазора толщиной Ъ и объема ячей ротора и статора: V = V3+VX =ж(К2 -R12 )-B + ЖГ2 -В-п, (2.3) где Ri - наружный радиус ротора, м; В - ширина ГДН, м; r и n – радиус (м) и количество ячеек в ГДН, полагая их в форме сквозных сверлений в районе зазора статор – ротор в однорядном исполнении. Тогда масса пастеризуемой жидкости в проточной части ГДН составит: m = V у = [x(R2 - R2)B + яг2Вп\ , (2.4) где – удельный вес жидкости, кг/м2. По этим данным при вращении ротора давление пастеризуемой жидкости на внутренние стенки статора будет: F p P [ж(К2-К2)В + лг2Вп\у-К-а2 TTRB (R2-R12+r2n)ya2, (2.5) где F – площадь внутренней расточки статора под ротор, м2. 1
Это давление вызывает силу трения жидкости о поверхность статора, величина которой в расчете на 1 м2 поверхности его может быть определена по формуле, предложенной Г.А. Куком [48]: at т0 = sp Н, (2.6) где є - коэффициент сопротивления потоку; р - плотность жидкости, р = y/g, кг/м3; Сила трения, действующая на всей поверхности статора F, будет FT0. На её преодоление при скорости жидкости необходимы затраты энергии, определяемые мощностью:
По ней мощность привода ГДН имеет кубическую зависимость от угловой скорости вращения ротора.
В действительности течение пастеризуемой жидкости в ГДН носит сложный характер: в моменты смыкания ячеек ротора и статора давление в них скачком повышается, возникают кольцевые вихри в слоях жидкости, а при раскрытии ячей поток ускоряется [110]. Все это приводит к интенсивному трению слоев жидкости между собой и о стенки ГДН, что обеспечивает нагрев её до температуры пастеризации. В связи и этим полученная зависимость (2.7) может использоваться только для ориентировочных расчетов мощности привода ГДН.
Однако зная угловую скорость лопаток ротора, мы пока не определили истинную угловую скорость течения жидкости вдоль зазора ротор - статор, которая определяет и величину критерия Рейнольдса Re: Re = , (2.8) /Jg где р - вязкость жидкости. Кроме того, необходимо экспериментальное определение коэффициента , который в первом приближении можно считать равным 0,02 [48]. Фактически работа лопатки ротора сопровождается движением жидкости (ац) относительно неподвижной внутренней поверхности статора и собственно относительно самой лопатки из-за отставания ее угловой скорости со от скорости лопатки (рис. 2.4)
Методические положения по оценке температурных режимов работы тепловых аппаратов пастеризационной установки
На рисунке 2.10 представлен упрощенный график изменения температуры молока в отдельных аппаратах усовершенствованной пастеризационной установки. По этому рисунку холодное молоко по пути на пастеризацию из бака поступает сначала в конденсатор (зона I), подогревается до температуры tмк и подается при ней в противоточный регенератор (зона II). Здесь оно дополнительно нагревается до температуры tмт потоком встречного горячего молока из выдерживателя. Нагретое до температуры tмт молоко подается в ГДН и нагревается в нем до установленной температуры пастеризации tмп (зона III).
Далее молоко из ГДН подается в выдерживатель (зона IV), где температура его поддерживается сравнительно постоянной на уровне tмп. Из выдержи-вателя оно подается в регенератор (зона V) и охлаждается холодным молоком до температуры tмр, после чего перетекает в секцию охладителя (зона VI) для окончательного охлаждения до температуры хранения tмо с помощью теплового насоса.
В соответствии с рисунком 2.10 при известной начальной температуре подавления микрофлоры 60о С (прямая 1) в пастеризации молока участвуют только три тепловых аппарата: ГДН, выдерживатель и регенератор. Степень завершенности процесса пастеризации принято оценивать критерием Пастера Pa [49] - отношением в безразмерной величине фактического времени воздействия на молоко температуры пастеризации tMn ко времени Гее действия, обеспечивающего успешное завершение пастеризации по подавлению микрофлоры: Ра = . (2.67)
Течение молока в гидродинамическом нагревателе хаотичное, не все молоко, поступающее в него может одновременно выводиться на выходе из ГДН. При этом возможны варианты работы его в режимах, когда часть молока, выходя из ГДН, нагревается недостаточно для подавления микрофлоры, а часть находится в нем дольше. Это усложняет расчет доли, вносимой им в критерий пастеризации, и заставляет гарантировать завершенность процесса пастеризации более длительной выдержкой нагретого молока в других аппаратах установки - выдерживателе и регенераторе [5, 22].
Рациональнее в соответствии с рисунком 2.8 подогрев молока в регенераторе до подачи в ГДН проводить до температуры начала подавления микрофлоры (60о С) по кривой 2, тогда вся зона III нагрева молока в ГДН будет вносить вклад в указанный критерий пастеризации молока. Длительность пребывания молока в нагревателе зависит от его вместимости V, определяемой по (2.3), и производительности Gт по (2.19): ти= — , с. (2.68) Gт
Известно [49], что для полного подавления микрофлоры при температуре t длительность Т„ выдержки жидкости определяется зависимостью: 1пТ = а-/Я, (2.69) где а и ft - коэффициенты, зависящие от свойств пастеризуемой жидкости, для молока ориентировочно а = 36,84, /? = 0,48. Так как Тп = е- \ а — = г -a+pt, то интегральное значение Ра для ГДН бу-дет (см. рис. 2.8): Раш = \н = ч—еа+/ . (2.70) JdTп Qт-{tмп-60)j3 60о Длительность выдержки молока в выдерживателе для полного подавления микрофлоры за счет него определяется известной зависимостью [36] Тов = е"pt , тогда доля, вносимая в Ра им при достаточной теплоизоляции будет Раш=в = . (2.71) W Т ов еа-Р мп Зависимость 2.66 позволяет определить необходимую продолжительность выдержки при известном Раw, которое имеет превалирующее значение в процессе пастеризации молока исследуемой установкой.
И, наконец, частично в подавлении микрофлоры участвует регенератор в части его, обеспечивающей охлаждение молока до 60о С. Для доли, выносимой им в процесс пастеризации, известна зависимость [35]: Раv = 0. (2.72) мп = v t мп мр
Таким образом, зная производительность пастеризационной установки, сначала необходимо определить доли Ра, вносимые нагревателем и регенератором, затем по (2.66) определить надо длительность выдержки молока: Тв = (1-Раш -Ра1У)еа-Р , с. (2.73) Это позволяет определить вместимость выдерживателя Vвыд=Qт Тв, м3. (2.74) Таким образом критерий пастеризации установки будет равен: Ра=Раш + Paw + Pav (2.75)
1. Производительность пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем обусловлена пропускной способностью ГДН и может регулироваться дросселированием потока молока на выходе из него. Тепловая энергия пастеризуемому молоку в установке предлагается за счет преобразования механической энергии привода гидродинамического нагревателя трением жидкости о внутренние стенки ячеек его ротора и статора, в зазоре между ними и внутреннего трения слоев молока из-за турбулизации потока.
2. Затраты энергии на преодоление сил трения пастеризуемой жидкости в ГДН зависит не только от его размеров, но и от угловой скорости вращения, физико-механических свойств молока, КПД привода и определяется зависи мостью (2.7).
Затраты энергии на привод ГДН зависят от угловой скорости движения (отставания) молока относительно вращающихся лопаток ротора и согласно выражению (2.16) при одной и той же производительности могут быть снижены сокращением количества одновременно срезающих слой молока лопаток путем различного шага размещения их на роторе и статоре.
3. Особенностью работы ГДН в составе пастеризационной установки явля ется низкая скорость потока молока в пристенных слоях до поверхности по граничного слоя, за которым ламинарное течение его сменяется на турбулент ное с активной диссипацией механической энергии в тепловую.
Толщина пограничного слоя зависит от свойств молока и определяется выражением (2.17). Скорость частиц молока в нем низка, оно значительно хуже прогревается со стороны турбулентного ядра. Практически этот слой молока не участвует в диссипации энергии привода, что резко отличает исследуемый пастеризатор от широкого распространенных пастеризаторов косвенного нагрева. Устранение этого недостатка в установках с ГДН предложено расположением вокруг него выдерживателя молока, выполняющего одновременно роль утеплителя ГДН и нагревателя пристенных слоев молока в нем.
4. Регенератор теплообменного аппарата пастеризационной установки обеспечивает не только передачу тепла молоку по пути подачи на пастериза тор, определяемого по зависимости (2.30), но и участвует в уничтожении мик рофлоры на стадии охлаждения нагретого в ГДН молока в течении времени, определяемого выражением (2.38).
Обоснование процесса и режима работы пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем
При производительности 250 – 1000 кг молока длительность его нагрева в ГДН не превысит 1 секунды, так как вместимость его ячей соизмерима с секундной подачей (600 кг/3600 0,2 л/с), например, при диаметре ротора 150 мм. За это время ротор ГДН сделает несколько десятков оборотов и согласно ранее приведенным теоретическим данным при частоте вращения 280 - 300 1/с обеспечит получение порядка 10 кДж/с тепловой энергии, достаточной для нагрева, находящегося в ГДН молока ( 0,2 л) на 14 –15о С.
Длительность пастеризации молока при температуре 67о С по данным Г.А. Кука [36, с. 157, рис. 58] должна быть около 30 секунд.
Наблюдения за потоком жидкости в проточной части ГДН через прозрачную крышку показали, что он даже при низких оборотах ротора хаотичен. Подкрашенные струйки его мгновенно разрушаются и вовлекаются в вихревое турбулентное движение в ячейках ротора. Скорость жидкости замедленна в сравнении со скоростью вращения ротора в несколько раз, а температура её быстро повышается до установленной режимом работы ГДН.
Течение молока в проточной части ГДН происходит с различной скоростью в сечениях зазора ротор-статор и сечении ячеек при их раскрытии в процессе вращения ротора. Совершая сложные вихревое и возвратное течения в полости самой ячейки, оно с большой скоростью натекает на лопатки статора. В ячейках статора поток молока тормозится, а в зазоре его скорость определяется производительностью установки, которая направлена в сторону вращения ротора, но значительно меньше скорости его вращения.
Это вызывает «отставание» слоев молока от скорости вращения ротора и усиленное трение их о слои молока в ячейках ротора и его поверхность: появляется скорость вращения ротора относительно молока (относительная угловая скорость).
Таким образом при дросселировании потока молока на выходе из ГДН с целью регулирования его производительности и температуры нагрева (повышение на t) длительность нахождения молока в проточной части увеличивается на 0,4 с на каждые 5о повышения его температуры пастеризации. При этом оно на 20 оборотов ротора дольше находится в полостях ГДН до выхода в вы-держиватель.
По данным опытов при изменении производительности ГДН от 900 кг/ч до 360 кг/ч окружная скорость молока снижается от 41,7 до 16,6 1/с, из-за чего относительная скорость лопаток ротора (по отношению к вращающемуся молоку) повышается.
На рисунке 4.3 представлен график изменения линейной скорости молока в зазоре проточной части v3 и в полости ячеек ья в функции подачи его в ГДН.
С увеличением подачи в ГДН скорость молока в зазоре ротор – статор увеличивается нелинейно сначала плавно в пределах 360 – 600 кг/ч, а затем более резко, оставаясь почти в 10 раз меньше окружной скорости лопаток ротора, что обеспечивает интенсивное воздействие их на все слои молока в проточной части ГДН. Теоретические значения скорости близки к экспериментальным данным.
Наряду с изменением скорости течения молока и температурного воздействия на него оказывает влияние и постоянное изменение давлений в полости ячеек (рисунок 4.4): в моменты закрытия ячеек давление в их полости достаточно резко увеличивается, достигая 160…180 кПа, при раскрытии их снижается почти до 100 кПа, в то время как на выходе из ГДН давление молока сравнительно постоянное в пределах 120…125 кПа.
Режим работы пастеризационной установки характеризуется производительностью, мощностью привода и параметрами тепловых аппаратов. Работа их взаимосвязана: изменение подачи, тепловой производительности, степени нагрева молока даже в одном и том же конструктивном исполнении ГДН неизбежно ведет к необходимости изменения параметров всех других тепловых аппаратов, что видно по данным таблицы 4.6 для пастеризационной установки с ГДН, оборудованным двигателем привода мощностью 10 кВт, вращающим ротор с частотой 3000 об/мин.
Повышение перепада температур в ГДН снижает производительность пастеризационной установки, роль ГДН в создании пастеризационного эффекта увеличивается, в связи с чем сокращаются капвложения в остальные тепловые аппараты. Однако степень снижения производительности установки столь велика, что это сокращение капвложений экономической значимости не имеет.
Определение потерь на трение при движении молока по лопастям ротора и статора, а также в проточном канале ГДН затруднено не только из-за варьирования скорости и температуры молока в начале, но и от изменения числа Рейнольдса Re. Средняя температура молока в опытах при Q = 600 кг/ч колебались от 60 до 80о С, это вызывало изменение динамической вязкости его (или коэффициента внутреннего трения) от 0,8110-3 до 0,710-3 кг/мс (Пас). Относительная окружная скорость молока в проточной части ГДН менялась от 20,4 м/с в зазоре до 3 м/с в ячейках. Максимальное значение числа Рейноль-дса при этом соответствует минимальной скорости и максимальной вязкости [9]: