Тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты четырёх секционного пластинчатого теплообменника для пастеризации

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

Задание

Произвести  тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты и выполнить чертежи  четырёх секционного пластинчатого теплообменника для пастеризации по следующим данным :

1. Продукт:  яблучный сок

2. Производительность: G= 1,67 кг/с

3. Начальная  температура продукта: t₁=22°С

4. Температура  продукта на входе в секцию  пастеризации: t₂=55°C

5. Температура  пастеризации продукта: t₃ =83°C

6. Температура  продукта на входе в секцию  водяного охлаждения: t₄=38°С

7. Температура  продукта на входе в секцию  рассольного 

охлаждения: t₅=20°C

8. Конечная  температура продукта: t₆=10°C

9. Начальная  температура ледяной воды: t₇=2°C

10. Конечная  температура ледяной воды: t₈=5 °C

11. Начальная  температура гарячой воды: t₉=90°C

12. Конечная  температура гарячой воды: t₁₀= 86°C

13. Начальная  температура холодной воды: t₁₁ = 8 °C

14. Конечная  температура л холодной воды: t₁₂=15°C

15. Скорость  движения продукта (рекомендуемая): V=0,4м/с

Введение

В данное время аппаратурное оформление пищевых  производств достигла значительного  технического совершенства на базе последних  научных исследований, общего технического прогресса и автоматизации производственных процессов; особенно широко стали использоваться в пищевой технологии достижения физики.

Техника высоких давлений, высокого вакуума, глубокого охлаждения, ультразвука, мембранного разделения крепко заняла место в пищевой промышленности Все это выдвигает необходимость научного обоснования разнообразных проблем, связанных с производством пищевых продуктов. Эти задания успешно решаются на основании данных науки про процессы и аппараты пищевых производств.

Процессы  пищевой технологии в большинстве  значительно сложные и часто представляют соединение гидродинамических, тепловых, масообменных, биохимических и механических процессов.

В данной работе проводится расчёт пластинчатого  теплообменника для проведения пастеризации. Данный аппарат предназначен для  непрерывного проведения процесса.

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять  эксплуатационным, конструктивным, эстетическим требованиям и требованиям техники  безопасности.

В настоящее  время при конструировании аппаратов  для достижения оптимальных показателей  ведутся работы по снижению энергоемкости  и увеличению интенсивности процессов, проходящих в аппаратах, по снижению материалоёмкости при производстве аппаратов и уменьшению габаритных размеров аппаратов.

1. Описание и основы технологического процесса. Обоснование выбора аппарата.

Технологический процесс, лежащий в основе данного  курсового –пастеризация. Большинство пищевых продуктов (молоко и молочные продукты, овощные соки, овощные и мясные консервы, вино, пиво и др.) и полупродуктов биохимических производств являются благоприятной средой для развития многих микроорганизмов, в том числе и для болезнетворных, способных вызвать инфекционные заболевания.

Пастеризация - один из приемов консервирования  продуктов, научное обоснование какому дал Л. Пастер в 1860 г. Под пастеризацией понимают термическую обработку продуктов при температуре ниже 100 °С с последующим охлаждением к температуре 6...8 °С. Пастеризация, как правило, убивает не споровые болезнетворные микроорганизмы и сокращает общую бактериальную загрязненность продукта, который повышает его стойкость. Быстрое охлаждение продукта после пастеризации необходимо для того, чтобы отвернуть развитие окончательной микрофлоры, т.е. прорастание в вегетативные клетки спор, которые сохраняют жизнеспособность во время одноразового нагревания[1, стр.305].

Пастеризация  не должна приводить к изменению  физико-химического состояния продукта и ухудшение его качества.

Во время  пастеризации необходимо соблюдение таких  требований: освещенный или тщательно  очищенный от посторонних примесей продукт нагревают равномерно, при  постоянной температуре, тонким слоем, избегая пригорание; операцию проводят в герметичных условиях; продукт выводят из пастеризатора максимально охлажденным. Теплообменную аппаратуры изготовляют из химически стойких материалов, которые имеют большую теплопроводность.

Эффективность пастеризации - степень подавления микрофлоры -зависит от температуры и продолжительности выдержки продукта за этой температуры. Зависимость необходимого времени пастеризации от температуры в большинстве случаев высказывается логарифмической зависимостью:

где и - коэффициенты, которые зависят от стойкости микроорганизмов к тепловым влияниям и среде, в котором они находятся.

Коэффициенты  и определяют экспериментально с учетом полного уничтожения болезнетворной микрофлоры, с одной стороны, и предотвращения физико-химических изменений в продукте, которые вызываются временным температурным влиянием - с другой[1, стр.305].. Тем не менее эти данные установлены далеко не для всех продуктов, которые подвергаются пастеризации.

Представляет интерес, что чем ниже температура пастеризации, тем более времени требуется для достижения нужного эффекта. Зависимость между температурой нагревания и продолжительностью выдержки объясняется двумя причинами. Одна из них связанная с тем, что денатурация, разрушение структуры вещества, из которого составляется микробная клетка, происходят во времени. Это время тем меньше, чем температура больше. Другая причина вызвана закономерностями теплообмена. Нагревание микроорганизмов при пастеризации любого вида осуществляется не непосредственно, а через ту среду, в котором находятся бактерии. Поэтому для того, чтобы температура клетки бактерии достигала той же температуры, которая и среда, требуется определенное время.

Для оценки эффекта пастеризации Г.А. Кук ввел критерий Пастера, который представляет собой отношение действительной продолжительности пребывания продукта при бактерицидной температуре к теоретической:

где - действительное время нахождения продукта при температуре пастеризации.

Идеальным вариантом проведения пастеризации является условие, при котором Ра=1.

При Ра > 1 продукт при температуре пастеризации находится более продолжительный период, чем максимально возможный период, определённый условиями пастеризации. При этом могут существенным образом изменяться физико-химические свойства продукта, что не желательно.

При Ра < 1 эффект пастеризации не будет достигнут.

Поэтому эффективность пастеризации зависит  также от количественного и качественного  состава микрофлоры жидкостей, которые  подвергаются пастеризации.

Существуют  три режима пастеризации[1, стр.306].:

• продолжительная - при температуре 63...65 °С на протяжении 20...30 мин.,
• кратковременная (быстрая) - при 75 °С экспозиция, длящаяся от нескольких секунд до 5 мин.,
• мгновенная (или высокотемпературная) -при 90...93 °С без выдержки.

Выбор режимов  пастеризации определяется технологическими условиями и свойствами продукта. В подавляющем большинстве случаев  пастеризацию следует проводить  в кратковременном или мгновенном режиме. Тем не менее, если продукт  содержит компоненты, которые отличаются низкой термостойкостью (под действием  высоких температур быстро разрушаются), то следует применять продолжительную  пастеризацию.

Тепловая  пастеризация продуктов предусматривает  несколько способов ее осуществления: текущий, пароструменный, горячим разливом, классический (бутылочный), в электромагнитном поле и др.

Текущая пастеризация применяется для обработки  молока, пива, соков, вин, бульонов и  других продуктов. В данном случае теплообмен происходит между закрытыми потоками продукта и теплоносителя, разделенными поверхностью теплопередачи. Процесс  осуществляется в теплообменной аппаратурах беспрерывного действия – кожухотрубному и пластинчатому пастеризаторах и пастеризационно-охладительных установках [1, стр.307].

Находит применение (например, в молочной промышленности) пастеризация с непосредственным паровым  обогреванием. В данном случае теплота горячего пара используется полностью на нагревание продукта. Во время пастеризации за счет введения пары в продукт наблюдается некоторое его разрежение, вследствие чего уменьшается содержимое сухих веществ в единице объема продукта.

Пастеризация  горячим разливом предусматривает  нагревание продукта к определенной температуре (для вина 43...55 °С, для томат-пюре - 95...98 °С) с последующим его разливом в простерилизованную тару (бутылки), герметичным закупориванием и охлаждением. Способ применяется, в основном, для продуктов с высокой кислотностью.

Классическая  пастеризация в таре проводится после  разлива и герметизации фруктовых  соков и вин в бутылках. Нагревание осуществляется потоком горячего воздуха  или воды. Классическая пастеризация допускает фасовку продукта при  температуре пастеризации (например, 95 °С - для соков с мякотью, 85 °С - для натуральных фруктовых соков, 60 °С - для вина) в бутиле или банки (бутылки), герметизацию тары (закупоривание), термостатирование, а после этого интенсивное охлаждение.

На практике находят применение установки пастеризации в электромагнитном поле высокой  частоты (ВЧ). Такой способ проводят при более низкой температуре. По сравнению с обычной пастеризацией  процесс менее продолжительный (1...2 мин, иногда несколько секунд). Теплота  среды, которая передается клетке (теплопроводность), быстрее преодолевает тепловой барьер (оболочку клетки). Во время обработки  продуктов во Вч-поле теплота выделяется непосредственно в объеме клетки. Токами ВЧ пастеризуют компоты и соки в стеклянной таре.

Обзор аппаратов  для пастеризации

Пастеризация  осуществляется в установках или  аппаратах, которые называются пастеризаторами. В пищевых производствах используются пастеризационные установки различных  конструкций периодического и беспрерывного  действия.

Аппараты  периодического действия используют для  пастеризации небольшого количества продуктов. К ним принадлежат ванны продолжительной  пастеризации ВТП, универсальные танки, камерные пастеризаторы, автоклавы.

Камерные  пастеризаторы периодического действия применяются для пастеризации редких продуктов (например, вина) в бутылках. Бутылки устанавливаются у гнезда металлических ящиков, которые помешиваются на вагонетку. Вагонетка закатывается в камеру, герметически затворялась  дверца и в батарее, которые расположены  внутри камеры, подается горячая вода. Температура и количество воды регулируются. Перед пастеризацией бутылки  с вином закупориваются, на горловину  бутылок надеваются специальные  скобы

Более перспективным  оборудованием для пастеризации жидких пищевых продуктов (вина, томатного  и фруктовых соков, компота) в  стеклянной и жестяной таре есть пастеризаторы-охладители беспрерывного действия, которые  обогреваются паром, горячей водой  или горячим воздухом. Конструктивно  пастеризаторы этого типа состоят  из секции собственно пастеризации и  секций охлаждения, через которые  проходит транспортер, который несет  банки (бутылки) с продуктом. Скорость движения транспортера регулируют таким  образом, чтобы обеспечить пребывание продукта в зоне пастеризации на протяжении заданного времени, а после этого - постепенное охлаждение. Температура  в пастеризаторах регулируется автоматически  соответственно заданного режима[1, стр.308].

Широкое распространение в пищевой технологии имеет пастеризация в беспрерывном потоке, при которой продукт подается насосами в теплообменные аппараты пластинчатого или трубчатого типов.

Наиболее  совершенными аппаратами для пастеризации есть пластинчатые.

Поскольку данные аппараты обеспечивают непрерывность  проведения процесса и позволяют  полностью его автоматизировать. Так же использование теплоты  пастеризованного продукта для нагрева поступающего продукта в секции рекуперации позволяет существенно снизить расход горячей воды и рассола.

Рис.1. Схема работы и температурный график пластинчатого пастеризатора

В них  пастеризуют молоко и молочные продукты, фрукты и овощные соки, вино, пиво и другие жидкости. В пластинчатых пастеризаторах по ходу движения жидкости, которая обрабатывается (по секциям), осуществляются такие процессы : частичное нагревание проходящего продукта теплотой исходящего (пастеризованного) продукта (секция рекуперации теплоты);

нагревание  продукта горячей водой или паром  к заданной температуре (секция пастеризации); выдержка на протяжении некоторого времени  нагретого продукта при температуре  пастеризации (секция выдержки); охлаждение выходящего продукта с передачей  теплоты продукта, который поступает, на нагревание (секция рекуперации  теплоты); охлаждение продукта холодной водой (секция охлаждения водой); охлаждение продукта рассолом (секция охлаждения рассолом).

2. Описание конструкции аппарата, выбор материалов для его изготовления

Теплообме́нник пласти́нчатый — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные, медные, графитовые, титановые гофрированные пластины, которые стянуты в пакет. Горячие и холодные слои перемежаются друг с другом (рис.1,2).

Устройство  и принцип работы .

1. Неподвижная плита с присоединительными патрубками.
2. Задняя прижимная плита.
3. Теплообменные пластины с уплотнительными прокладками.
4. Верхняя направляющая.
5. Нижняя направляющая.
6. Задняя стойка.
7. Комплект резьбовых шпилек.

Такая конструкция теплообменника обеспечивает эффективную компоновку теплообменной поверхности и, соответственно, малые габариты самого аппарата.

Первый  пластинчатый теплообменник был  создан компанией Густафа де Лаваля, сегодня называющейся «Альфа Лаваль»(Швеция).

Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180°, поэтому при  стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают  жидкости, участвующие в теплообмене. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов.

Теплообменные пластины с уплотнительными  прокладками

Каждая  секция пластинчатого пастеризатора  образована пакетами из нескольких пластин. Пластины изготавливают из нержавеющей стали марок 18ІІ10Т или Х14Г14НЗТ, толщиной от 0,7 до 1,5 мм. На поверхности пластины выполненные рёбра, которые создают искусственную турбулизацию потока и одновременно увеличивают площадь поверхности теплообмена при тех же самых габаритах установки. Рёбра также повышают жесткость пластины, предотвращая ее прогибанию при значительном перепаде давления между рабочей средой и продуктом. На двух соседних пластинах рёбра размещены под противоположным углом, который обеспечивает их контакт и предотвращает прогибание, а при параллельном размещении рёбер используют специальные опорные рёбра. Пластины унифицированы. Чаще всего в отечественных теплообменниках используются пластины П1, П2, П3.

Для обеспечения  эффективного теплообмена и необходимой  скорости движения продукта (чтобы  предотвратить образование пригара) пластины комплектуются в пакеты и секции.

Ряд, пластин, которые связанные между собой продуктом, одним рабочей средой и выполняют одинаковую технологическую функцию, образовывают секцию. Так различают секцию пастеризации (молоко - горячая вода), регенерации (молоко - молоко), водного охлаждения (молоко - вода), рассольного охлаждения (молоко - рассол).

Между секциями установленные разделительные плиты, в которых предусмотренные каналы и патрубки для подведения и отвод продукта и рабочей среды[4, стр93].

Как правило, пастеризация и охлаждение осуществляются при автоматическом регулировании  технологического процесса.

Пластинчатый  пастеризатор, схема которого на рисунке , состоит из группы стальных теплообменных штампованных пластин , подвешенных на горизонтальных штангах , концы которых закрепляются в стойки  и . С помощью нажимной плиты и винта пластины в собранном стане сжаты в один пакет. Пластины имеют одинаковые габариты, но отличаются расположением входных и исходных каналов. Во время собирания пластины чередуються и образовывают ряд запертых камер, по один сторону которых проходит продукт, который пастеризуется, а по другого -охлаждающая или греющая жидкость. В собранном аппарате теплообменные пластины группируются в секции (рекуперации, пастеризации, охлаждение). Каждая секция состоит из пакетов, по которым продукт двигается последовательно.

Параллельная  расстановка плоских пластин  с малыми промежутками между ними разрешает разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно, что позволяет  значительно уменьшить габариты пластинчатого аппарата по сравнению  с другими типами жидкостных теплообменников. Например, коэффициент компактности пластинчатых аппаратов (отношение  рабочей поверхности к объему рабочей зоны) достигает 200 м ²/м³, что в 5...10 раз больше, чем для трубчатых[1, стр.310]..

Основным  конструктивным элементом пластинчатого  аппарата есть тенло передающая пластина, которая представляет собой деталь с сложной формой поверхности теплообмена. Для увеличения поверхности теплообмена и интенсификации процесса пластины делают рифлеными. Промежуток между пластинами зависит от высоты резиновых прокладок, в большинстве случаев он равняется 3...10 мм[4, стр.93].

Пластинчатый  теплообменник предоставляет конструктору и производителю широкие возможности  по осуществлению разнообразных  компонуючих вариантов и легко допускает увеличение (или уменьшение) рабочей поверхности аппарата, который находится в эксплуатации. Он допускает свободное внесение разнообразных корректирований в схеме движения потоков и разрешает сосредоточивать на одной станине теплообменные секции разнообразного назначения для выполнения в одном аппарате всего комплекса операций тепловой обработки продуктов [2,c 221].

Использование теплоты в секции рекуперации, которую  имеет продукт после секции пастеризации, для подогревания продукта, который  поступает,значительно сокращает затраты теплоты на пастеризацию и затрату охлаждающей воды.

Показателем, который характеризует, экономичность  работы такого аппарата, есть коэффициент  регенерации теплоты.

Широкое использование пластинчатых теплообменников обусловлено рядом существенных преимуществ:

- технологический  процесс осуществляется в закрытом потоке;

- производительность  теплообменников можно изменять  в широких границах путем увеличения площади поверхности теплообмена;

- разрешают осуществлять регенерацию теплоты, а также создать запертый контур для горячего теплоносителя;

- занимают  небольшие производственные площади  при относительно большой поверхности теплообмена;

- конструкция  аппаратов разрешает осуществлять эффективную без-разборную мойку, контролировать технологический процесс на всех этапах, а также работать в автоматическом режиме.

Недостатком пластинчатых аппаратов является большое количество уплотнений, которая усложняет их эксплуатацию и разборное мытье.[4, стр.95].

Схема теплообмена

В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей.

Вид гофрирования пластин и их количество, устанавливаемое  в раму, зависят от эксплуатационных требований к пластинчатому теплообменнику. Материал, из которого изготавливаются пластины, может быть различным: от недорогой нержавеющей стали до различных экзотических сплавов, способных работать с агрессивными жидкостями.

Материалы для изготовления уплотнительных прокладок  также различаются в зависимости  от условий применения пластинчатых теплообменников. Обычно используются различные полимеры на основе натуральных или синтетических каучуков.

Основные параметры

Для разборных пластинчатых теплообменников характерны следующие параметры:

• материал пластин: тонколистовые стали (AISI304, AISI316), Титан, Hastelloy, 254SMO и др.;
• температура в пластинах носителя не превышает 180°;
• давление в пластинах носителя не превышает 25кгс/см²;
• поверхность теплообмена одного аппарата может значительно колебаться(0,1 и 2100 м²) в зависимости от назначения;
• число пластин также колеблется от самых малых значений(практикуют от 7-10 пластин) и до самых больших.

Виды пластинчатых теплообменников

Пластинчатые  теплообменники бывают следующих видов:

• разборные пластинчатые теплообменники;
• паяные пластинчатые теплообменники;
• сварные и поллусварные пластинчатые теплообменники.

3. Характеристика продукции, сырья и полуфабрикатов.

Яблочный сок наиболее популярен  из всех фруктовых соков. Различают  два основных типа соков; без мякоти (прессованные) и с мякотью (гомогенизированные). Сок из яблок преимущественно  изготовляют натуральным без мякоти, осветлённым или не осветлённым.

При переработке растительного  сырья для качества натуральных  соков и нектаров существенное значение имеют не только вид, но и ботанические сорта плодов и овощей, которые  разнятся по своим технологическим  свойствам. Растительное сырьё должно соответствовать критериям безопасности, установленными Медико-биологическими требованиями и санитарными нормами  качества продовольственного сырья  и пищевых продуктов, и не содержать  пестицидов.

В зависимости от видов вырабатываемых соков и нектаров рекомендуются  те или иные ботанические сорта, по своему химическому составу и  технологическим свойствам наиболее подходящие для производства данной продукции.

Для выроботки сока рекомендуются яблоки сортов Антоновка, ренеты, титовка, Белый налив, Пармен зимний золотой, Коричное, Пепин шафранный, Осеннее полосатое, Мекинтош, Суйслепское, Бельфлер, Розмарин белый, Джиграджи, Сары-турш, Кенд-Алма, Ширван-Газеди, Анис полосатый, Кальвиль, Вагнера призовое, Сары-синап. При использовании плодов с повышенной кислотностью (Прибалтика, БССР) к соку добавляют 5% сахара. Практикуют купажирование яблочного сока с другими плодовыми или ягодными соками.

К сырью для производства соков  предъявляют такие требования: в  первую очередь оценивают вкус, аромат, содержание питательных и физиологически активных веществ, учитывают степень  зрелости плодов для повышения выхода сока.

Хранение у всех плодов происходит различными способами. Например, разные сорта яблок неодинаково воспринимают воздействие температуры при  хранении. Некоторые из них выносят  длительное состояние переохлаждения до минус 2 минус 3 С, при этом хранятся с незначительными потерями и при медленной дефростации (размораживание).

Каждый сорт дикорастущих и культивируемых яблок имеет свои характерные  особенности и различный химический состав. Все зависит от происхождения, условий произрастания, степени  зрелости плодов. Все это определяет пищевые достоинства, вкус и использование. Химический состав яблок весьма разнообразен и богат.

В 100 граммах съедобной части  свежих яблок содержится 11% углеводов, 0.4% - белков, до 86% - воды, 0.6% - клетчатки  и 0.7% органических кислот, среди которых  яблочная и лимонная. Кроме того, в яблоке обнаружены жирные летучие кислоты: уксусная, масляная, изомасляная, капроновая, пропионовая, валериановая, изовалериановая. Имеет яблоко дубильные вещества и фитоциды, являющиеся бактерицидными веществами. Крахмал имеет основное пищевое значение. Высоким его содержанием в значительной степени обусловливается пищевая ценность продуктов. В пищевых рационах человека на долю крахмала приходится около 80% общего количества потребляемых углеводов. В крахмале находятся две фракции полисахаридов — амилоза и амилопектин. Превращение крахмала в организме в основном направлено на удовлетворение потребности в сахаре. Крахмал превращается в глюкозу последовательно, через ряд промежуточных образований. В организме содержится в виде гликогена. Как следует из табл. 1, наиболее полезными свойствами обладают яблоки и капуста. Яблоки содержат в 2 раза больше фруктозы, чем глюкозы. Они показаны при заболевании печени, сахарным диабетом и ряде других заболеваний.

4. Технология переработки сырья и технологическая схема производства яблочного сока.

Производство  яблочного сока без мякоти состоит из следующих технологических стадий: приемка и подготовка сырья, мойка, инспекция, дробление, термическая обработка, извлечение сока, стерилизация, фасование и хранение.

Технологическая схема производства яблочного сока:

Первой  операцией является мойка, которую  осуществляют в двух последовательно  установленных моечных машинах. Мытые плоды инспектируют, удаляя пораженные вредителями и болезнями. После мойки плоды измельчают на дисковых или терочных дробилках: семечковые (яблоки, айву, груши) на частицы  размером 2...6 мм.

Косточковые плоды и ягоды обрабатывают на вальцовых дробилках. Дробилки должны быть отрегулированы таким образом, чтобы не происходило раздавливания  косточек. Содержание дробленых косточек в мезге не более 15 %, небольшое  их количество улучшает вкус и запах  сока.

Для некоторых  плодов и ягод одного дробления недостаточно для получения сока.

Чтобы облегчить  выход сока, необходима их дополнительная обработка, которая включает нагревание или обработку электрическим  током; ферментные препараты не применяются.

Действию  электрического тока в специальных  устройствах — электроплазмолизаторах — может подвергаться мезга почти всех плодов и ягод с плотной кожицей.