Высокотемпературный пастеризатор бродского

 

Высокотемпературный пастеризатор Бродского (ВПБ) предназначен для пастеризации до 95°C и длительного выдерживания (томления) молока при выработке топленого молока, ряженки, йогуртов, варенца и др. продуктов. Вертикально-цилиндрический резервуар ВПБ с герметичной теплообменной водяной полостью (картером) в днище, с ТЭНами, расширительным баком, нижним напорным патрубком и верхним сливным патрубком, содержит также щелевую «водяную рубашку» цилиндра, вход которой соединен с верхним сливным патрубком картера, а выход - с расширительным баком. В ВПБ также может быть смонтирован циркуляционный электронасос, соединяющий расширительный бак с нижним напорным патрубком картера. Техническим результатом является значительное повышение площади теплообмена, снижение теплового напора между водой и молоком в процессе нагрева и как следствие, повышение КПД, а также скорости выхода на 95°C, исключение кипения воды в картере при разогреве продукта до 95°C, снижение энергетических потерь, повышение надежности работы ТЭНов.

Область применения.

Полезная модель, высокотемпературный пастеризатор Бродского, далее ВПБ, предназначена для подогрева (пастеризации) до 95°C и длительного выдерживания молока, в том числе повышенной жирности (до 10% МДЖ), при производстве топленного (томленного) молока, ряженки, йогуртов, варенца, кефира и может быть использована на предприятиях пищевой промышленности и на молочно-товарных фермах с суточным объемом производства от 200 л до 2500 л.

Уровень техники.

В настоящее время для пастеризации молока, сливок, кисломолочных продуктов, при получении творога, сырного зерна, сметаны, кефира, простокваши применяются ванны длительной пастеризации ВДП с электронагревом по патенту RU 118173 [1], RU 2007146 [2], либо ВДП с паровым нагревом и барботером ВДП-П, ВДП-Б [3], а также пластинчатые пастеризаторы в потоке [4, 5].

При выработке упомянутых продуктов достаточно нагрева до 76°C, при котором уничтожается вся БАК-обсемененность. Однако, при производстве топленного молока, ряженки, йогуртов, варенца, некоторых других молочных продуктов требуется высокотемпературный нагрев 95°C с выдержкой до 3 часов для образования меланоидных соединений при длительном взаимодействии молочного сахара с аминокислотами белков, коагуляцией жиров и другими химико-биологическими процессами [6, 7].

Нагрев, выдержка и термостатирование продуктов с поддержанием температуры в ВДП [1, 2, 3] осуществляется паром или встроенными ТЭНами, которые расположены в картере [1], либо в пространстве между наружной и внутренней ваннами - водяной «рубашке» [2, 3]. Охлаждение производится проточной водой - холодной или ледяной.

Пластинчатые пастеризаторы в потоке [4, 5] обеспечивают за счет рекуперации тепла нагрев и охлаждение в течение 1530 с, что неприемлемо для длительного топления (томления) молока.

ВДП [1] с ТЭНами, встроенными в герметичный картер, прогревает молоко сквозь днище при работающей мешалке до температуры 80°C, после чего вода в картере и расширительном баке вскипает и скорость нагрева уменьшается примерно в 2 раза в связи с ограниченной площадью теплообмена. Образующийся пар выходит через расширительный бак, тем самым снижается КПД и растут энергопотери. Поэтому техническим пределом таких ВДП будет температура 80°C.

ВДП [2, 3] с вертикально-цилиндрическим внутренним резервуаром для молока и квадратным наружным теплоизолированным корпусом с ТЭНами для воды имеет повышенную контактную площадь теплопередачи по днищу и боковой цилиндрической водяной «рубашке», однако его КПД уменьшается примерно вдвое из-за необходимости нагрева всего объема воды, под днищем и в углах квадратной рубашки. При полезном объеме резервуара 500 л рубашка имеет геометрический объем еще 500 л, т.е. греть приходится 1000 л, что вдвое больше полезного объема молока. Частичное заполнение резервуара до половины снижает прогреваемый полезный объем до 33%.

Из известных устройств наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является ВДП по патенту RU 118173. Она содержит термоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с винтовыми опорами, молочным краном, термодатчиком, расширительным баком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой, а также герметичной теплообменной водяной полостью со стяжками в днище, ТЭНами, верхним сливным водяным патрубком, соединенным с расширительным баком и противоположным нижним напорным патрубком, расположенным под молочным краном и подключенным через шаровой кран к водопроводу. Она успешно пастеризует молоко до температуры 7685°C без кипения воды в водяной полости (картере) в процессе нагрева при тепловом напоре T до 20°C, однако при дальнейшем повышении температуры продукта в картере начинается кипение, что снижает КПД и надежность работы ТЭНов. Их необходимо «включать-отключать» по мере снижения теплового напора, что затягивает процесс нагрева.

Это обусловлено ограниченной площадью S теплообмена и подтверждается следующими расчетами для ВДП1000, на 1000 л молока, имеющей мощность ТЭНов N=30 кВт, диаметр днища D=1250 мм, высоту резервуара H=1200 мм.

Время t нагрева молока m=1000 кг теплоемкостью c=3,9 кДж/кгград, с температуры 20°C до 80°C (T=60°C) определяется из формулы

W=Nt=mcT, где W [кДж] - энергия разогрева, и составит:

1=10003,960/30=7800 с

Здесь необходимо добавить время на разогрев 120 л воды от 20°C до 100°C в картере с теплоемкостью cв=4,2 кДж/кгград, которое по аналогичной формуле составит: t1 =1204,274/30=1243 с.

Общее время нагрева без кипения картера составит 2,5 часа.

Теплопередача (поток мощности) от воды к молоку определяется тепловым напором T=100°-80°=20°C, контактной площадью теплообмена S=D2/4=0,98 кв.м. толщиной днища h1 =1,5 мм, а также справочными коэффициентами теплопроводности нержавеющей стали k1=15 Вт/мград, и воды или молока k2=0,58 Вт/мград.

При тепловом напоре T=20 град нержавеющее днище способно передать мощность

P1 =Tk1S/h1=20150,98/0,0015=196000 Вт =196 кВт, что на порядок больше мощности ТЭНов 30 кВт.

Однако тонкая пленка воды (молока) общей толщины всего лишь h2=0,6 мм из-за низкого коэффициента теплопроводности k2=0,58 способна передать только

P2=Tk2S/h2=200,580,98/0,0006=19 кВт

Эти пленки воды 0,3 мм и молока 0,3 мм, как показывают испытания, и являются основными сопротивлениями теплопередаче, не смотря на работающую мешалку и возможное подключение к картеру циркуляционного водяного насоса. Их толщина 300 мкм обусловлена микронеровностями, конечной шероховатостью днища с двух сторон, по-видимому, замедляющего мгновенные скорости конвекционных потоков молока или воды в днище до молекулярно-кинетического уровня тепловых колебаний скоростей микрочастиц, определяющих температуру.

Таким образом, из практических испытаний следует, что в реальной конструкции площадь теплообмена S=0,98 кв.м. способна передать мощность 20 кВт при перепаде температур воды относительно молока 20°, т.е. в теплообменник расчетах следует пользоваться при оценках эффективного теплосъема экспериментальным коэффициентом автора, составляющим ориентировочно B=1 кВт/кВ.м.град. Этот коэффициент Бродского согласуется с экспериментальным коэффициентом известной фирмы - производителя молочных танков «SERUP» (Франция), которые закладывают в расчеты фреоновых щелевых испарителей мощность 6 кВт/кв.м. при перепаде температур кипения фреона и молока (температуры перегрева) порядка 6 град, независимо от толщины нержавеющего днища.

Таким образом, основным недостатком прототипа является ограниченная площадь теплообмена, не позволяющая реализовать высокотемпературную пастеризацию, вследствие резкого экспоненциального снижения скорости нагрева в диапазоне температур 80°C90°C, не говоря уже об энергетических потерях на кипение и необходимости автоматического отключения части ТЭНов во избежание кипения.

Технический результат.

Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является значительное повышение поверхности теплообмена, увеличение КПД, снижение энергетических затрат, уменьшение перегрева воды, повышение предельной температуры пастеризации, а также скорости разогрева продукта на высокотемпературном участке и реализация, в конечном счете, возможностей производства пастеризованных высокотемпературных молочных продуктов: топленного молока, ряженки, варенца, йогуртов и др.

Техническая сущность устройства

С этой целью в пастеризатор, содержащий теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с винтовыми опорами, термодатчиком, расширительным баком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой, а также герметичной теплообменной водяной полостью со стяжками в днище, ТЭНами, верхним сливным водяным патрубком и противоположным нижним напорным патрубком, расположенным под молочным краном и подключенным через шаровый кран к водопроводу, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, в цилиндр резервуара встроена щелевая водяная рубашка (ЩВР), образующая кольцевые щели, с нижним входным патрубком и верхним выходным патрубком, причем верхний сливной водяной патрубок полости соединен с нижним входным патрубком ЩВР, а верхний выходной патрубок ЩВР - с расширительным баком. В пастеризатор также может быть введен циркуляционный насос, вход которого связан со сливным патрубком расширительного бака, а выход - с нижним напорным патрубком теплообменной водяной полости.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показан сборочный чертеж ВПБ на 1000 л

На фиг. 2 - развертка щелевой водяной рубашки ЩВР, состоящей из двух симметричных половин.

ВПБ (фиг. 1) содержит теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар 1, с винтовыми опорами 2, термодатчиком 3, расширительным баком 4, мотор-редуктором 5, мешалкой 6, верхней крышкой 7, а также герметичной теплообменной водяной полостью (картером) 8 со стяжками 9 в днище 10, ТЭНами 11, верхним сливным водяным патрубком 12 и противоположным нижним напорным патрубком 13, расположенным под молочным краном 14 и подключенным через шаровый кран 15 к водопроводу 16. В цилиндр резервуара 1 встроена щелевая водяная рубашка ЩВР 17, образующая кольцевые щели с нижним входным патрубком 18 и верхним выходным патрубком 19, причем верхний сливной водяной патрубок 12 полости картера 8 соединен с нижним входным патрубком 18 ЩВР 17, а верхний выходной патрубок 19 ЩВР 17 соединен с расширительным баком 4. ЩВР 17 для малых объемов молока до 250 л и диаметром днища до 800 мм имеет длину до 2500 мм и выполняется из единого листа стали AISI304 (10Х18Н9Т), а ЩВР больших объемов ВПБ 1000 для D=1250 - из двух половин размером 1963×1000 (фиг. 2); для ВПБ2500 с диаметром D=1500 мм, из двух листов 2355×1250 мм. ЩВР 16 получается методом контактной сварки на шовной машине МШ3302 из листов 1,5 мм (внутренний) и 1,0 мм (наружный) с шагом щелей 64 мм (фиг. 2). При подаче в ЩВР после прошивки и сварки резервуара давления водопровода 3ат щели ЩВР 17 «раздуваются» до 3 мм и образуют условные проходы, значительно превышающие проходы труб Ф30×1, из которых выполнены нижний входной патрубок 18 и верхний выходной патрубок 19 ЩВР. В ЩВР 17 сделаны развороты потока 20, что удлиняет путь воды и улучшает теплообмен. Конвекционный тепловой поток горячей воды из картера 8 при нагреве ТЭНами или охлаждении водопровода поднимается через патрубок 18, разворачивается вверх и далее через патрубок 19 выходит в расширительный бак. Максимальная площадь теплообмена также обеспечивается полной симметрией половин ЩВР 16 и равенством шага щелей. Циркуляционный электронасос 21 связывает сливной патрубок расширительного бака 4 с нижним напорным патрубком 13 теплообменной водяной полости 8 и при работе обеспечивает активную циркуляцию воды по картеру 8 и ЩВР 17.

Работает ВПБ следующим образом.

При высокотемпературной пастеризации картер 8 и расширительный бак 4 заполняются водой, на термодатчике 3 выставляют желаемую температуру томления выше 96°C - отключение, ниже 94°C - включение, тем самым обеспечивается нагрев молока. Эффективная площадь теплообмена составляет S+R=0,98+3,93=4,9 кв.м. и возрастает в 5 раз по сравнению в прототипом [1].

Используя коэффициент Бродского B=1 кВт/кв.м.град можно легко посчитать нагрев T воды относительно молока при мощности ТЭНов N=30 кВт:

T=N/B(S+R)=30/14,9=6 град

При достижении топленым молоком 94°C начнется кипение воды в картере 8 при температуре 100°C. Благодаря работе мешалки 6 температура молока продолжает расти до 96°C, после чего термодатчик 3 обесточивает ТЭНы 11, и такие колебания температуры 95±1°C в автоматическом режиме выдерживаются 3 часа, восполняя только наружные тепловые потери в атмосферу, которые минимизированы, благодаря надежной теплоизоляции резервуара 1 и двойной теплоизолированной крышке 7 на замках (на фиг. 1 не показаны). Циркуляционный электронасос 21 прокачивает воду через картер 8 и ЩВР 17, улучшая теплообмен на поверхности ТЭНов 11 и стабилизирует тепловой напор между водой и молоком за счет выравнивания температуры по всему контуру циркуляции. На ТЭНах 11 уменьшается парообразование при 100°C и тем самым дополнительно снижаются потери от кипения воды и повышается КПД.

После выдержки (томления) отключают ТЭНы 11 и открывают шаровый кран 15 при работающей мешалке 6. Потоки холодной воды, проходя через картер 8, патрубки 13, 12, 18, ЩВР 17, развороты 20 и далее патрубки 19 в расширительный бак 4, максимально полно нагреваются и охлаждают продукт с максимальной скоростью и минимальными расходами по сравнению с аналогами [3, 4], т.к. равномерное обтекание симметричными потоками охлаждающей воды по кольцевым «змейкам» ЩВР 17 относительно горячего молока при длине потока до 5 м обеспечивает больший теплообмен, чем при длине конвекционных потоков не более 1,5 м у аналогов [3, 4]. Т.е. для охлаждения потребуется меньше воды и ее температура на выходе будет больше. Этому же способствует циркуляционный насос 21, который повышает циркуляционные потоки в 23 раза по сравнению с расходами через шаровый кран 15.

Таким образом, по сравнению с прототипом [1] ВПБ обеспечивает возможность повышения температуры пастеризации до 95°C, ускоряет процесс разогрева, дает максимальный КПД, а также экономию электроэнергии и воды. По сравнению с аналогами [2, 3] ВПБ дает экономию электроэнергии, т.к. нет необходимости в нагреве паразитных объемов воды в углах квадрата внешнего резервуара. Суммарный объем картера 8 и щелей ЩВР 17 с расширительным баком 4 составляет 130 л, в то время как паразитный объем воды у аналогов [2, 3] в 4 раза больше. Соответственно по сравнению с аналогами ускоряется процесс переработки, повышается КПД, снижается водопотребление и упрощается конструкция, а также уменьшается металлоемкость и трудоемкость изготовления.

Источники информации.

1. Ванна длительной пастеризации патент RU 118173. Автор Л.Е. Бродский

2. Ванна длительной пастеризации. Патент на полезную модель RU 2007139028

3. Ванна длительной пастеризации ВДП-П, ВДП-Б. Веб-сайт www.normit.ru/equipment/v80.php

4. Устройство для пастеризации. Патент на полезную модель RU 2007146478

5. Пастеризатор ПМР-02-ВТ. Веб-сайт www.pasterizator.ru/paster5.htm

6. Википедия, Топленое молоко www.ru.wikipedia.org

7. ГОСТ 31455-2012. Ряженка. Технические условия.

1. Высокотемпературный пастеризатор, содержащий теплоизолированный вертикально-цилиндрический резервуар с винтовыми опорами, молочным краном, термодатчиком, расширительным баком, мотор-редуктором, мешалкой, верхней крышкой, а также герметичной теплообменной водяной полостью со стяжками в днище, ТЭНами, верхним сливным водяным патрубком и противоположным нижним напорным патрубком, расположенным под молочным краном и подключенным через шаровый кран к водопроводу, отличающийся тем, что в цилиндр резервуара встроена щелевая водяная рубашка (ЩВР), образующая кольцевые щели, с нижним входным патрубком и верхним выходным патрубком, причем верхний сливной водяной патрубок полости соединен с нижним входным патрубком ЩВР, а верхний выходной патрубок ЩВР - с расширительным баком.

2. Высокотемпературный пастеризатор по п.1, отличающийся тем, что в него введен циркуляционный электронасос, вход которого связан со сливным патрубком расширительного бака, а выход - с нижним напорным патрубком теплообменной водяной полости.



 

Наверх