Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕ ДОВАНИЯ 9
1.1 Анализ методов пастеризации молока 9
1.2 Классификация пастеризаторов молока 12
Г.З* Анализ^ конструктивных особенностей, и режимов, ра боты пастеризаторов-косвенного воздействия на моло ко 14
1.4 Пастеризаторы прямого воздействия на молоко 26
115 Обзор-научных публикаций по исследованию процесса ?
работы гидродинамических нагревателей 38
1.6 Цель и задачи исследования 46
Главам АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА В УС ТАНОВКЕ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕ ЛЕМ 47
2.1 Функциональная схема пастеризационной установки и процесс работы гидродинамического нагревателя 47
2.2 Характеристики потока молока в гидродинамическом нагревателе 49
2.3 Течение молока в проточной части гидродинамического нагревателя 59
2.4 Определение критерия пастеризации установки, с гидродинамическим нагревателем 62
2.5 Продолжительность гидродинамической обработки молока в нагревателе 68
2.6 Баланс тепла в пастеризационной установке с гидродинамическим нагревателем 70
Выводы 75
Глава З ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАСТЕРИЗАЦИОННОЙ» УСТАНОВ КИ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ 78
3.1 Общая1 программа, экспериментальных исследований процесса работы пастеризационной установки 78
3.2 Оборудование и приборы1 для проведения экспериментальных исследований 79'
3.3~ Методика определения температур молока в тепловых аппаратах пастеризационной установки 85
3.4 Методика определения физико-механических свойств молока 87
3.5 Методика определения показателей смачиваемости молоком материалов деталей пастеризационной установки* 91
316 Методика определения, производительности и мощно сти привода^ гидродинамического нагревателя 94
3.7 Методика планирования эксперимента по оптимиза ции параметров гидродинамического нагревателя пас теризационной установки . 95
3.8 Методика обработки опытных данных 99
Глава 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДО ВАНИЙ ПАСТЕРИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ С ГИД РОДИНАМИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ 102
4.1 Изменение физико-механических свойств молока при пастеризации с использованием гидродинамического нагревателя 102
4.2 Обоснование температурных режимов пастеризации молока с использованием ГД нагревателя 110
4.3 Производительность пастеризационной установки и затраты энергии на её привод 114
4.4 Продолжительность обработки молока в тепловых аппаратах пастеризационной установки 124
4.5 Обоснование зоны рационального сочетания основных факторов, влияющих на теплопроизводитель-ность пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем 129
4.6 Использование пастеризационных установок с гидродинамическим нагревателем в сельских молокоприёмных пунктах 137
Выводы 140
Глава 5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 143
Выводы 147
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 148
ЛИТЕРАТУРА 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 163
Введение к работе
К началу 2006 года производство молока в Российской Федерации составило около 33 млн. тонн, что в 1,7 раза меньше, чем в 1990 году до начала перестройки в нашей стране /82/. Это связано с резким сокращением поголовья крупного рогатого скота в сельскохозяйственных организациях. Сейчас в хозяйствах всех форм собственности поголовье крупного рогатого скота составляет около 23 млн. голов, в то время как в 1990 году оно было более 57 млн. голов.
То же наблюдается и в хозяйствах Южного федерального округа (ЮФО). Здесь количество крупного рогатого скота сократилось в 2,3 раза, валовое производство молока в 1,6. раза.
Производство молока к 1990 году сосредоточено было, в основном, в крупных сельскохозяйственных организациях. К настоящему времени категория этих хозяйств производит лишь 44,7 % молока, 2,8 % его производится в фермерских хозяйствах и 52,5 % в хозяйствах населения (личных подсобных хозяйствах) /82/. В Южном. федеральном округе в фермерских хозяйствах в 2005 году произведено около 4,5 % молока, а в личных подсобных хозяйствах более 67 %. Причём надои молока от одной коровы при этом увеличились с 2,86 до 3,25 тыс. кг в год.
Таким образом, наибольшее количество молока в настоящее время производится малыми хозяйствами - личными подсобными и фермерскими. На их долю в ЮФО приходится более 70 % производимого молока. Первичная обработка его затруднена из-за разрозненности его производителей в сельских поселениях.
Молоко является быстро портящимся продуктом. С момента получения сохранение его до доставки потребителю требует обязательной обработки, направленной на улучшение санитарно-гигиенических качеств, обеспечение ему большой стойкости в хранении и неизменность его исходных свойств и качеств.
Обработка молока бывает первичной, выполняемой в хозяйствах или на низовых предприятиях молочной промышленности (молокоприёмных пунктах) и вторичной - выполняемой на заводах молочной промышленности перед выпуском молока в торговую сеть /33, 68, 96/.
Переработка молока состоит из ряда технологических операций, направленных на изменение исходных свойств его с целью получения из него тех или иных молочных продуктов (сливки, сметана, масло, сыр и др:).
Молоко — весьма благоприятная среда для жизни и развития многих видов микроорганизмов, в том числе и болезнетворных. Развитие их в молоке может быть приостановлено соблюдением гигиены при доении710, 21, 22; 67/, охлаждением его или применением тепловой обработки (пастеризации) с последующим охлаждением. Последнее более предпочтительно в условиях личных подсобных и фермерских хозяйств: Здесь целесообразен» сбор молока на-сельских поселковых приёмных пунктах /44, 50/ и первичная обработка1 его с включением операций пастеризации до сдачш на молочные заводы.
Путем, пастеризации достигается эффективное уничтожение микроорганизмов, что делает молоко более прочным в хранении-и безопасным.в переда-че болезнетворных бактерий. Эффективность пастеризации, то есть степень уничтожения микроорганизмов, зависит от температуры нагрева молока и длительности выдержки /21, 54, 112, 130/. При нагревании до 63...70°С и двадцатиминутной выдержке гибнет более 99;9 % бактерий. Такие же результаты достигаются при нагревании молока до 80...85°С без.выдержки.
В процессе первичной обработки и переработки молоко подвергается тепловому воздействию с целью его пастеризации или стерилизации. Нагревание продукцииіосуществляется аппаратами косвенного нагрева при помощи различных теплоносителей: водяного пара, горячей воды, топочных газов, нагретого воздуха, а также электрического тока. Наиболее широко применяется для этого водяной насыщенный пар, так как при его конденсации получают большое количество теплоты при сравнительно малом его расходе /6, 23, 38/.
Однако применение паровых пастеризаторов в условиях малых.ферм и хозяйственных формирований сопряжено со значительными вспомогательными затратами на оборудование для получения пара, перекачку жидкостей, установку вытяжных систем и сложной автоматики.
К тому же почти все пастеризаторы косвенного нагрева молока имеют пониженный коэффициент полезного действия (кпд), высокую энергоёмкость, ограниченные возможности плавной регулировки нагрева молока и изменения режимов работы. Большинство из них вызывает загрязнение окружающей среды и пожаро-взрывоопасны.
В настоящей работе решение этих вопросов предлагается на основе разработки и совершенствования пастеризаторов непосредственного нагрева жидкости с помощью гидродинамических нагревателей, которые показали хорошую работоспособность на нагреве воды /6, 47, 78, 79/ и пастеризации молока/1, 49, 73/.
Однако промышленные образцы их всё ещё не совершенны, имеют значительные потери-тепла в окружающую среду. Процесс функционирования их, режимы работы и основные параметры недостаточно изученьги обоснованы, а использование их в технологических линиях первичной обработки и переработки молока в условиях производства его малыми хозяйственными формированиями всё ещё ограничено.
В настоящей диссертации дан анализ работы существующих пастеризационных установок в животноводстве, рассмотрены известные исследования в области пастеризации молока. На основе этого определена необходимость дальнейшего совершенствования процесса работы и конструкции пастеризационных установок с гидродинамическим (далее ГД) нагревателем, определения рациональных режимов работы и параметров их применительно к условиям производства молока фермерскими и личными подсобными хозяйствами.
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по динамике течения жидкости в полостях ротора пастеризатора, преобразованию энергии вращения ротора в тепловыделения во взаимодействую щих элементах пастеризатора, потерям тепла в окружающую среду и с потоком пастеризованного молока, балансу удельной энергии потока, коэффициенту полезного действия нагревателя и пастеризационной установки.в целом.
Уточнена математическая- модель функционирования ГД нагревателя, определена степень влияния основных геометрических параметров пастериза-ционнойустановки на процесс её работы, обоснованы рациональные значения этих параметров и допустимые границы их варьирования? в различных режимах работы установки и её нагревателя.
На основеэтих исследований разработана.уточнённая методика расчёта установки для- пастеризации. молока с учётом возможности перехода по теории подобиям на любой» типоразмер} его по производительности ш мощности привода. Даны рекомендации? по совершенствованию- её конструкции ; и использованию, нагревателя в,других процессах-хозяйства: на нагреве воды, перекачке жидкостей, поливе и др.
На защиту выносятся»следующие научные результаты:.
- уточненные математические модели- функционирования тепловых аппаратов пастеризационной установки, и их. взаимосвязи;
-основные закономерности потока, молока1 и теплообмена в гидродинамическом- нагревателе;
- регрессионные модели производительности удельного тепловыделения нагревателя установки; .
- усовершенствованная конструкция пастеризационной установки с гидродинамическим нагревателем, режимы её работы, основные параметры и методика расчёта.
Работа выполнена во ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская. государственная агроинженерная академия» в соответствии с планами её НИР.
