Материал: Д6435 Рогов БА Основы анализа скребковых охладителей для мясных молочных производств

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Институт холода и биотехнологий

Б.А. Рогов

ОСНОВЫ АНАЛИЗА СКРЕБКОВЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ

ДЛЯ МЯСНЫХ, МОЛОЧНЫХ

И ДРУГИХ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

С использованием псвт

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

2012

УДК 637.523:664.315

Рогов БА, Петрунина КБ. Основы анализа скребковых охладителей для мясных, молочных и других пищевых производств с использованием ПСВТ: Учеб.-мегод. пособие. - СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. - 16 с.

Приведены общие сведения о скребковых охладителях, рассмотрен процесс теплообмена при охлаждении жировых продуктов. Указаны цель и задачи лабораторной и практической работ. Предложена методика инженерного расчета и анализа скребкового охладителя с учетом изменения конструктивных параметров оборудования и физико-механических свойств сырья. Даны пояснения к методике расчета теплообмена на персональных средствах вычислительной техники (ПСВТ).

Может быть использовано по направлениям 151000 «Технологические машины и оборудование», 260600 «Пищевая инженерия», а также при изучении курсов «Технологическое оборудование мясоперерабатывающих производств», «Технологическое оборудование мясных и молочных производств», «Физико-механические свойства пищевого сырья», при выполнении практических работ по курсу «Математическое моделирование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств».

Рецензент: доктор техн. наук, проф. О.Б. Цветков

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Института холода и биотехнологий

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009-2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский Национальный исследовательский университет информационных техно­логий, механики и оптики».

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, 2012

© Рогов Б.А., Петрунина Е.Б., 2012

Введение

Курсы дисциплин «Технологическое оборудование мясных и молочных производств», «Технологическое оборудование мясоперерабатывающих производств», «Физико-механические свойства пищевого сырья» содержат основные сведения о процессах и оборудовании для термообработки жирового и другого пищевого сырья в скребковых охладителях.

Цель изучения курсов дисциплин – выработать у студентов умение анализировать влияние изменения основных параметров работы оборудования и свойств сырья на эффективность процесса охлаждения с использованием персональных средств вычислительной техники.

В процессе обучения студенты выполняют лабораторную и практическую работы. По результатам их выполнения (отчету) проводится контроль усвоения студентами материала.

1. Общие сведения о скребковых охладителях

В молочных, мясных и некоторых других пищевых производствах широкое распространение получили цилиндрические скребковые охладители непрерывного действия. Они используются для переработки и производства таких продуктов, как масло сливочное и кулинарное, жиры животного и растительного происхождения и их смеси, концентраты сливок, мясные жидкости (соки и соусы), смеси мороженого, маргарины и др. Также известно успешное применение этого вида оборудования в процессах термообработки при производстве рубленой говядины и свинины, мяса птиц, а также томатной пасты, шоколада, фармацевтических кремов, воска и пр.

Варианты применения охладителей с очищаемой поверхностью связа-ны, как правило, с совмещением процессов интенсивного нагрева или охлаждения (переохлаждения), перемешивания, гомогенизации, кристаллизации перерабатываемого сырья.

В пищевых технологиях известно использование скребковых охладителей цилиндрического, пластинчатого и шнекового типов.

Цилиндрические охладители наиболее широко используются в пищевых технологиях. Они представляют собой устройства типа «труба в трубе» со скребковой (ножевой) мешалкой и различаются по конструктивным параметрам цилиндров (длине и диаметру), по количеству цилиндров и мешалок, по количеству скребков у мешалок.

Цилиндры в данных охладителях преимущественно имеют горизонтальное расположение, последовательное в горизонтальной или вертикальной плоскостях.

На отечественных промышленных технологических линиях при переработке высокожирных сливок в сливочное масло используются, как правило, маслообразователи цилиндрического и пластинчатого типов со скребковыми мешалками. Так, при производстве сливочного масла такое обо-рудование называется цилиндрическим маслообразователем марки ТОМ (рис. 1).

Маслообразователь состоит из рабочих цилиндров 5 с индивидуаль-ными электроприводами 8. В каждом рабочем цилиндре находится продук-товый цилиндр 3, в котором имеется вытеснительный барабан 6 со скребковыми ножами 7 и рубашка охлаждения 4.

Высокожирные сливки подаются в рабочие цилиндры 5 масло-образователя насосом и, проходя по кольцевому пространству между стенками продуктового цилиндра 3 и вращающегося от привода 8 вытеснительного барабана 6 со скребками 7, охлаждаются.

Р ис. 1. Цилиндрический маслообразователь:

1 – патрубок с вентилем для выхода масла; 2 – торцевая крышка корпуса продуктового цилиндра; 3 – продуктовый цилиндр; 4 – рубашка охлаждения продуктового цилиндра;

5 – рабочие цилиндры с кожухом; 6 – вытеснительный барабан; 7 – скребковые ножи барабана; 8 – электроприводы

На линиях вытопки жира из мягкого жирового сырья его охлаждение производится с помощью трехцилиндрового охладителя жира марки ФОЖ (ФОЖ-Нева). Охладитель жиров по конструкции и принципу действия подобен цилиндрическим маслообразователям таких модификаций марки ТОМ, как ТОМ-Л, ТОМ-2М, Т1-ОМ-2Т.

У зарубежных фирм подобный скребковый охладитель имеет названия, принятые фирмами: «Votator» («Вотатор»), «Chemetator» («Кемитатор») – Англия; «Perfektor» («Перфектор»), «Kombinator» («Комбинатор») – Германия; «Rota-Pro» («Рота-Про»), «Thermutator» («Термутатор») – США; «Consistator» («Консистатор») – Дания; «Contherm» («Контерм») – Швеция; «Rototherm» («Рототерм») – Италия и др.

Современные типы скребковых охладителей имеют общее международное обозначение – SSHE (Scraped-surface heat exchanger).

На рис. 2 показан общий вид скребкового цилиндрического горизонтального охладителя.

Рис. 2. Скребковый цилиндрический горизонтальный охладитель:

1 – патрубок подачи жидкого хладагента; 2 – цилиндр; 3 – патрубок выхода газообразного хладагента; 4 – контрольно-регулирующая система охлаждения; 5 – поплавковая камера хладагента; 6 – вал скребковой мешалки; 7 – узел привода с коробкой передач;

8 – станина

Рабочий цилиндр (или цилиндры) охладителя представляет собой теплообменное устройство типа «труба в трубе» (рис. 3).

Внутри каждого рабочего цилиндра размещен продуктовый цилиндр с валом 3, на котором крепятся скребки-ножи. Вал изнутри, как правило, обогревается циркуляционной водой, что предотвращает прилипание к нему жирового компонента. Ножи крепятся жестко или шарнирно к валу шпильками, а также другими приспособлениями и обеспечивают плотное прилегание к стенке цилиндра при вращении вала. Количество ножей, их заточка, форма вала и размеры продуктового пространства могут меняться в зависимости от вида перерабатываемого сырья и режима его обработки.

Рис. 3. Цилиндр скребкового охладителя:

1 – патрубок входа пищевого сырья; 2 – теплообменник; 3 – вал со скребками (ножами); 4, 6 – патрубки подачи и выхода хладоносителя; 5 – патрубок выхода готового продукта

Продуктовый цилиндр расположен внутри цилиндра охлаждения и образует кольцевое пространство для хладагента в целях охлаждения продукта через стенку продуктового цилиндра. Цилиндр охлаждения имеет кольцевую изоляцию, которая защищена цилиндрическим кожухом.

2. Процесс теплообмена в скребковых охладителях

Процесс теплоотдачи в скребковых охладителях протекает в условиях интенсивного охлаждения и перемешивания продукта мешалками скребкового типа.

Анализ процесса теплообмена в скребковых охладителях показывает, что исследования затрагивают закономерности изменения основных параметров и режимов работы оборудования под влиянием теплофизических свойств перерабатываемого продукта.

Скребковые мешалки при перемешивании жировых и жиросодержа-щих, высоковязких жидкостей обеспечивают высокую интенсивность теплообмена в условиях частичной кристаллизации и прилипания, создают условия для интенсификации процессов гомогенизации дисперсной системы. Этому способствует отсутствие зазора между стенкой цилиндра и скребком (или скребками) мешалки. При вращении скребка происходит удаление охлаждаемых или нагреваемых слоев пограничного слоя с поверхности цилиндра и поступление новой массы жидкости к стенке цилиндра. Такого рода теплоперенос описывается уравнением нестационарной теплопроводности

(1)

с граничными условиями

t = t_ст при y = 0 и τ > 0;

t = t₀ при y > 0 и τ = 0,

где у – расстояние от стенки; t – температура; t₀, t_ст – температура жидкости в ядре потока и у стенки; τ – время; a – коэффициент температуропроводности.

Решение уравнения (1) с граничными условиями может быть представлено как

(2)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); c_уд – удельная теплоемкость, Дж/(кг · К); ρ – плотность, кг/м³; _ср – среднее время контакта элемента продукта с поверхностью теплообмена, с.

Величина _ср представляет собой промежуток времени между двумя последовательными прохождениями скребков через данную точку поверхности:

_ср = , (3)

где n – частота вращения скребков, 1/с; z – количество скребков, шт.

Тогда

 = . (4)

Тепловой поток Q, передаваемый через стенку аппарата со скребковой мешалкой,

Q = , (5)

где t₀, t_ст – температура жидкости в ядре потока и у стенки.

Таким образом, анализ процесса теплообмена в агрегатах со скребковыми мешалками показал, что коэффициент теплоотдачи α зависит от следующих параметров:

 = f (, с_уд, , n, z), (6)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); c_уд – удельная теплоемкость, Дж/(кг · К); ρ – плотност, кг/м³; n – частота вращения скребков, 1/с; z – количество скребков, шт.