Пастеризация — процесс однократного нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70—80 °C в течение 30 минут[1]. Технология была предложена в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером. Применяется для обеззараживания пищевых продуктов, а также для продления срока их хранения.
В зависимости от вида и свойств пищевого сырья используют разные режимы пастеризации. Различают длительную (при температуре 63—65 °C в течение 30—40 минут), короткую(при температуре 85—90 °C в течение 0,5—1 минуты) и мгновенную пастеризацию (при температуре 98 °C в течение нескольких секунд). При нагревании продукта на несколько секунд до температуры выше 100° принято говорить об ультрапастеризации.
При пастеризации в продукте погибают вегетативные формы микроорганизмов, однако споры остаются в жизнеспособном состоянии и при возникновении благоприятных условий начинают интенсивно развиваться. Поэтому пастеризованные продукты (молоко, пиво и др.) хранят при пониженных температурах в течение ограниченного периода времени. Считается, что пищевая ценность продуктов при пастеризации практически не изменяется, так как сохраняются вкусовые качества и ценные компоненты (витамины, ферменты)[2].
Пастеризация не означает стерилизации продукта. Погибают при пастеризации в основном психротрофные и мезофильные молочнокислые бактерии (S. lactis, S. cremoris и др.), тогда как термофильные молочнокислые стрептококки и энтерококки, используемые для получения кисломолочных продуктов, снижают активность. Эффективность пастеризации (характер микрофлоры в молоке после пастеризации) во многом определяется условиями хранения молока до пастеризации (в частности, температурой его охлаждения после доения)[3].
Пастеризация не может применяться при консервировании продуктов, так как герметично закрытая тара является благоприятной средой для прорастания спор анаэробной микрофлоры (см. ботулизм). В целях долговременного консервирования продуктов (в особенности загрязнённых первоначально землёй, например, грибов, ягод), а также в медицинских и фармацевтических целях применяют дробную пастеризацию — тиндализацию[4].
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.
. 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.
Теплообменный аппарат необходимо выполнить из нержавеющей стали. Для снижения потерь тепла в окружающую среду целесообразно снаружи теплообменника нанести теплоизоляционный слой.
3.2 Анализ факторов, принятые допущения
Расчёт трубчатого пастеризатора сводится к определению внутреннего диаметра трубок, внутреннего диаметра рабочего цилиндра, кратности расхода воды. Расчёт производится из условия обеспечения температуры пастеризации, а также обеспечения необходимой производительности пастеризатора по молоку. Причём, конструктивные параметры пастеризатора необходимо рассчитать таким образом, чтобы приведённые затраты были минимальны.
При разработке математической модели принимаются следующие допущения:
1) Ввиду незначительного изменения занимаемой площади пола по рассматриваемым вариантам в приведенные затраты можно не включать амортизацию здания.
2) Ввиду незначительной стоимости слоя утеплителя пренебрегаем затратами, связанными с наружной теплоизоляцией аппарата.
3) Пренебрегаем изменением стоимости насоса и электродвигателя при изменении потребляемой ими мощности.
3.3 Разработка математической модели процесса нагрева сливок
С учетом всех уравнений процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе» математическая модель может быть представлена в виде следующей последовательности расчета.
1) При заданном численном значении внутреннего диаметра трубки dвн определяем площадь ее сечения, м2
fсеч=р*(dвн)2/4. (3.1)
2) Определяем объемный и массовый расход молока
Qм =1600/3600*0.001=0,000444 м3/с;
Мм = Qм * см (3.2)
где Qм, Мм – объемный и массовый расходы молока;
см – плотность молока, равная 1008 кг/м3.
3) Определяем массовый расход воды, кг/с
Мв=Мм*nкр, (3.3)
где Мм – массовый расход воды, кг/с;
nкр – кратность расхода воды.
4) Исходя из уравнения неразрывности потока определим скорость движения молока по трубкам и воды в межтрубном пространстве пастеризатора, м/с
vм=Qм/fсеч; (3.4)
vв=Qв/Fсеч, (3.5)
где Qв – объемный расход воды, м3/с;
Fсеч – площадь кольцевого сечения межтрубного пространства, м2
Fсеч= р*((Dвн)2 – (dн)2)/4, (3.6)
где Dвн – внутренний диаметр рабочего цилиндра, м;
dн – наружный диаметр трубки, м
dн=dвн+2*дтр, (3.7)
где дтр – толщина стенки трубки, которая равна 0,0015 м.
5) Найдем число Рейнольдса для молока и воды по формулам
Reм=vм*l1*см/мм; (3.8)
Reв=vв*l2*св/мв, (3.9)
где l1 – характерный линейный размер, равный для круглых трубок dвн;
мм – динамическая вязкость молока, равная 0,87*10-3 Па*с;
св – плотность воды, равная 1000 кг/м3;
мв – динамическая вязкость воды, равная 1,742*10-3 Па*с;
l2 – характерный линейный размер, определяется по формулам (2.8) и (2.9).
6) Считая режим движения молока в трубках и движения воды в межтрубном пространстве турбулентным (Re > 2320) определим коэффициенты гидравлического сопротивления для молока л1 и воды л2 по формуле Блазиуса
л1=0,3164/(Reм)0,25; (3.10)
л2=0,3164/(Reв)0,25. (3.11)
7) Определим критерий Нуссельта для турбулентного режима движения молока Nu1 и воды Nu2
Nuм=0,021*(Reм)0,8*(Prм)0,43*(Pr/Prст)0,25; (3.12)
Nuв=0,021*(Reв)0,8*(Prв)0,43*(Pr/Prст)0,25, (3.12)
где Prм – критерий Прандтля, равный для молока 6,525;
Prв – критерий Прандтля, равный для воды 10,734;
(Pr/Prст)0,25 – поправочный множитель, учитывающий направление теплового потока;
(Pr/Prст)0,25 ≈ 1,05 – для процесса нагревании;
(Pr/Prст)0,25 ≈ 0,95 – для процесса охлаждении.
8) Коэффициенты теплоотдачи от молока к стенке трубки бм и от воды к стенке трубки бвопределяются по формулам (2.6) и (2.7) с учетом того, что коэффициент теплопроводности для молока лм=0,516 Вт/(м*°С) и для воды лв=0,68 Вт/(м*°С).
9) Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле (2.5) при принятых значениях дтр= 0,0015 м, лст = 14 Вт/(м*°С), дн = 0,0002 м, лн = 3,49 Вт/(м*°С).
10) Конечная температура воды tв.к. в °С из уравнения теплового баланса
Q=Cм*Мм*(tм.к.-tм.н.)= Cв*Мв*(tв.к.-tв.н.), (3.13)
где См = 3850Дж/(кг*°С) – удельная теплоемкость молока;
Св = 4190 Дж/(кг*°С) – удельная теплоемкость воды;
Мв, Мм – массовые расходы воды и молока, кг/с;
tм.н. = 55 °С – начальная температура молока;
tм.к. = 75 °С – конечная температура молока;
tв.н. = 82 °С – начальная температура воды;
tв.к. – конечная температура воды, °С.
Тогда
tв.к.=См*Мм*(tм.н.-t м.к.)/(Св*Мв)+tв.н. (3.14)
11) Средний температурный напор ∆tср определяем по формуле (2.2).
12) Из уравнения теплового баланса по формуле (3.13) определяем тепловой поток
Q=Cм*Мм*(tм.к.-tм.н.)
13) Необходимая площадь теплообмена f, м2
f=Q/(k*∆tср). (3.15)
14) Длина одной трубки L, м
L=f/(р*(dвн+2*дтр)). (3.16)
15) Площадь поверхности рабочего цилиндра F, м2
F=р*(Dвн+2*дц)*L, (3.17)
где дц – толщина стенки рабочего цилиндра, равная 0,002 м.
16) Давления, необходимые для транспортирования молока Pм и воды Pв, Па
Pм=л1*(L/l1)*см*(vм)2/2; (3.18)
Pв=л2*(L/l2)*св*(vв)2/2. (3.20)
17) Мощность насоса на подачу молока, Вт
Nм=Pм*Qм/(зн*зпр), (3.21)
где зн=0,9 – КПД насоса;
зпр=1 – КПД привода.
18) Мощность насоса на подачу воды, Вт
Nв=Pв*Qв/(зн*зпр), (3.22)
где зн=0,7 – КПД насоса;
зпр=0,9 – КПД привода.
19) Суммарная мощность на подачу молока и воды насосами, Вт
N=Nм+Nв. (3.23)
20) Определим затраты в рублях на электроэнергию для привода насоса
Эл=N*Tгод*Цэ/здв, (3.24)
где Tгод – общее время работы насоса в год, принимаем равным 1186 ч;
Цэ – стоимость электроэнергии, принимаем равной 0,0015 руб./(Вт*ч);
здв – КПД электродвигателя, принимаем равным 0,88.
21) Определим массу трубок и рабочих цилиндров в кг
mмет=р*смет*L*(дц*(Dвн+дц)+дтр*(dвн+дтр)), (3.25)
где смет – плотность металла, равная 7850 кг/м3.
22) Определим капитальные затраты по формуле
K=mмет*Цмет*в, (3.26)
где Цмет – цена металла, равная 100 руб./кг;
в – коэффициент, учитывающий затраты на доставку и монтаж, принимаем равным 1,15.
23) Определим эксплуатационные затраты в руб.
Э=А+ТОР+Эл, (3.27)
где А – амортизационные отчисления для теплообменника, принимаем равным 0,142*К;
ТОР – затраты на техобслуживание и ремонт, принимаем равными 0,12*К.
24) Определим приведенные затраты в руб.
П=Э+Ен*К, (3.28)
где Ен – коэффициент нормативной эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,15.
25) Вычисляем удельные приведенные затраты, которые принимаются в качестве критерия оптимизации
Кр=П/Vп, (3.29)
где Vп – годовой объем пастеризованного молока, равный
Vп=Тгод*Мм*kт=3.6*1186*0,338633*0.942=1361,971 т,
где kт – коэффициент, учитывающий затраты времени на пуско-наладочные работы и промывку оборудования, принимаем равным 0,942.
Минимизация критерия оптимизации позволит определить оптимальные конструктивные параметры и кратность расхода воды теплообменника типа «труба в трубе».
