Принцип действия стерилизатора

 

Определяем среднюю температуру  продукта (молока) в подогревателе:

 
tм = 0,5(tн1 + tн2)

 
tм = (100,2+8)/2 = 54,1°С.

Из таблицы 11[1] определяются физические свойства молока при tм:

ср = 3,875 кДж/(кг*К),

ρ = 1014 кг/м3,

λ = 0,593 Вт/(м*К),

ν = 0,76*10-6 м2/с,

Ρr = 5.

По таблице 11.2 [6] по давлению водяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара:

энтальпия пара ί″= 2707 кДж/кг,

энтальпия конденсата ί′ = 504,8 кДж/кг.

Количество тепла, необходимое  для подогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 100,2°С:

 
Q = G*cр*(tк2 – tн2)φn, кВт,

 
Q = 3,36*3,875*(100,2-8)*1,04 = 1248,5 кВт,

где φn – поправочный коэффициент, φn = 1,03-1,05.

Средний логарифмический  напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями  рассчитывается:

 
Δtср = (Δtб – Δtм)/2,3lg (Δtб/Δtм),

 
где Δtб = t1н – t2н = 130-8 = 122°С, Δtм = t2к - t1н = 100,2 – 100 = 0,2°С.

Δtср = (122 – 0,2)/(2,3lg122/0,2) = 18,98 ≈ 20°С.

Задаем скорость движения продукта в трубах при условии, что  скорость движения в трубах лежит  в пределах ω = (0,6-1,5), м/с: ω′ = 1м/с.

Задаем наружный и внутренний диаметры трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи  трубки омываются паром:

dн = 35 мм, dвн = 25 мм.

Определяем необходимое  количество трубок для обеспечения  данной скорости продукта в одном  ходу:

n′ = 1,27*G/dвн2*ω′*ρ

 
n′ = 1,27*3,36 / (0,025)2 *1*1014 = 4,2672/0,634 = 6,73.

Значение n′ округляем  до целого десятка n = 10 трубок.

Уточняем скорость движения продукта по трубам по округленному числу n:

ω = 3600*G/2825* dвн2 * ρ, м/с,

 
ω = 3600*3,36 / 2825*(0,025)2 *1014*10 = 12096/17903,4 = 0,68 м/с.

Определяем значение коэффициента теплоотдачи молока α2:

α2 = Νu*λ/dвн,

Νu = 0,0225*Re0,8 * Pr0,4,

Re = ωdвн /ν,

Re = 0,68*0,025/0,76*10-6 = 22368 > 10000, следовательно,  имеет место турбулентный режим.

Νu = 0,0225*(22368)0,8 * 50,4 = 129,014,

α2 = 129,014*0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт/(м2 *К) = 3,06 кВт/(м2*К).

Необходимая поверхность  для нагрева продукта с учетом возможности загрязнений:

F = Q/ α2 * Δtср * ήз,

 
где ήз – коэффициент загрязнений (ήз = 0,7-0,9),

F = 1248,5 / 3,06*20*0,8 = 1248,5/48,96 = 25,5 м2.

Выбираем тип теплообменника ТК ГОСТ 15118-79 для нагревания – охлаждения.

Исходя из того, что длина  теплообменника лежит в пределах 1,5-4 м, для компоновки трубного пучка  принимается число ходов продукта по трубам подогревателя, число ходов  может быть 2, 4, 6 (в первом приближении  принимается произвольно). Пусть Zм = 6.

Средняя длина трубки одного хода:

lґ = F / π* dн * Zм, м,

 
lґ = 25,5 / 3,14*0,035*10*6 = 25,5/6,594 = 3,9 м.

Расход пара на подогрев продукта составляет:

Gп = Q / (ι″ - ι′) * x, кг/ч,

 
где x – сухость водяного пара.

Gп = 1248,5 / (2707-504,8)*0,9 = 0,63 кг/с.

Число отверстий под трубки в трубной доске:

N0 = Zм*n,

 
N0 = 10*6 = 60 отверстий.

Число труб, размещенных  на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):

nd = 3√ (4Fр / 3t*f*β),

 
где β – отношение высоты или  длины теплообменника к его диаметру:

β = Н/D = L/D, β = 3-5, примем β = 3;

t- шаг размещения трубок, м.

nd = 3√ 4*25,5 / 3*0,044*0,144 = 3√  5368 = 17,51 ≈18.

Внутренний диаметр корпуса:

Dв = N0* dн,

Dв = 60*0,035 = 2,1 м.

Пусть трубки на трубной  решетки закреплены сваркой, тогда t = 1,25dн,

t = 1,25*0,035 = 0,044 м.

f – поверхность одного  метра трубы принятого диаметра, м2:

f = 2πr(r+h)/3 = 2*3,14*0,0175*(0,0175+3,9)/3 = 0,144.

Внутренние диаметры кожухов, изготовленных сваркой, рекомендуется  принимать от 400 до 3000 мм через каждые 200 мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159, 273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр  кожуха равен 3000 мм = 3 м, а наружный корпуса  – 325 мм = 3,25 м.

Общее число труб, размещаемых  в пределах правильного шестиугольника,

n = 0,75(nd2 – 1) + 1,

 
n = 0,75*(182 - 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.

Диаметр трубной решетки  или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:

Dвн = 1,1t √ n/η, где η  = от 0,6 до 0,7.

 
Dвн = 1,1*0,044*√ 244/0,6 = 0,05*20,14 = 1,007 м

Полная высота теплообменника, м:

Н = l + 2δ +2h,

где δ – толщина трубной  решетки, м; h – высота предтрубной  камеры, м; конструктивно принимают  от 200 до 400 мм, примем h = 300 мм = 0,3м.

Н = 3,9 + 2*1,26*10-3 + 2*0,3 = 3,9 + 2,52*10-3 + 0,6 = 4,5 м.

Число ходов в межтрубном пространстве:

Ζмтр = 0,785[(Dвн – ndн2)ρωмтр] / Gмтр,

где Sмтр – проходное  сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:

Sмтр = 0,785(Dвн2 – ndн2),

Sмтр = 0,785( 1,0072 – 244*0,0352) = 0,56 м2,

S – живое сечение прохода  теплоносителя, м2:

S = G/ωρ,

S = 3,36/0,68*1014 = 0,005 м2.

h = 0,56 / 1,007*(1 – 0,035/0,005) = 0,093 м = 93 мм.

Ζмтр = 0,785[(2,12 – 244*0,0352)1014*0,68] / 3,36 = 0,785*2834,62/3,36 = 662.

23. Расстояние между сегментными  перегородками межтрубного пространства:

h = Sмтр/[D(1 – dн/S)],

2. Гидравлический  расчет

 
Гидравлический расчет выполняется  для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление  этих потерь.

1. Общие потери давления  определяются:

ΔΡ = ΔΡтр + ΔΡмс

или напора

hп = hтр + hмс, где

ΔΡтр (hтр ) – потери давления (напора) на преодоление сопротивлений  трения при движении теплоносителей через каналы установки,

ΔΡмс (hмс) – потери давления (напора) на преодоление местных  сопротивлеий.

2. Конечное уравнение  для расчета потерь давления (напора) имеет вид:

ΔΡобщ = ΔΡтр + ΔΡ + ΔΡг,

Нобщ = hтр + hа + hг,

где

ΔΡтр (hтр) – потери давления (напора) а проводящих и отводящих  трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;

ΔΡ (hа) – потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;

ΔΡг – потери давления при  подъеме жидкости на высоту hг, Па.

ΔΡтр = λ*l/dэ*ρω2/2,

 
ΔΡтр = 0,295*(3,9/3,9)*(1014*0,682)/2 = 69,160 Па = 0,069 кПа, где

λ – коэффициент трения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительной  шероховатости канала, при турбулентном режиме (Re = 22368) определяют зону трения:

e = Δ/dэ = 0,02*10-3/3,9 = 0,005*10-3 –  относительная шероховатость стенок  трубы (канала),

Δ – абсолютная шероховатость, м, для новых чистых стальных бесшовных  труб Δ = 0,01-0,02 мм = 0,02*10-3 м, примем Δ = 0,02*10-3 м.

e = 0,02*10-3/3,9 = 0,05*10-3,

560/e = 560/0,05*10-3 = 11200 < Re => автомодельная  зона трения =>

λ = 1,1*(0,005*10-3)0,25 = 1,1*0,268*100,75 = 0,295

ΔΡ = (λ*l/dэ + Σξ)*ρω2/2, где

Σξ – суммарный коэффициент  местных сопротивлений,

Σξ = 0,2+1,0+1,0+1,0+1,5 = 4,7.

ΔΡ = (0,295*3,9/3,9 + 4,7)*1014*0,682/2 = 1171,03 Па = 1,17 кПа,

ΔΡг = ρghг,

ΔΡг = 1014*9,81*3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.

ΔΡобщ = 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.

3. Мощность, затрачиваемая  на перемещение продукта, или  мощность на валу насоса:

Nн = G*ΔΡобщ/ρη, где

η – КПД насоса, примем η = 0,6.

Nн = 3,36*40033/1014*0,6 = 221,09 Вт = 0,22 кВт.

4. Мощность электродвигателя, кВт:

Nдв = Nн*10-3 * ηдв*ηп, где

 

ηдв – КПД двигателя,

ηп – КПД передачи от двигателя к насосу, пусть ηп = 0,8.

Nдв = 221,09*10-3/0,8*0,6 = 0,46 кВт.

На основе проведенных  расчетов подбираем консольный насос  марки ХМ2/25 n = 2900 об/мин и электродвигатель для него тип 4А71В2 мощностью 1,1 кВт.

3. Расчет тепловой  изоляции

 
Любое нагретое тело теряет тепло в  окружающую среду, что существенно  увеличивает затраты на данный процесс. Для снижения этих затрат и соблюдения требований техники безопасности используют тепловую изоляцию.

Температура на поверхности  изоляции из условий безопасности работы tиз = 45°С.

Температура окружающей среды:

t0 = 20°С.

Толщина тепловой изоляции:

δиз = λиз*(tст1 – tиз) / α0*( tиз – t0),где

tст1 = 130°С,

δиз = 0,082*(130-45) / 11,49*(45-20) = 6,97/287,25 = 0,024 м = 24 мм.

Примем в качестве теплоизоляционного материала пеностекло (предельная температура  использования 300°С): λиз = 0,082 Вт/(м2*К).

Так как термическое сопротивление  теплоотдачи от горячего теплоносителя  изолируемой поверхности, а также  термическое сопротивление этой поверхности очень малы по сравнению  с термическим сопротивлением изоляции, то удельный тепловой поток можно  рассчитать:

q = α0*(tиз – t0),

где

α0 – суммарный коэффициент  теплоотдачи от наружной поверхности  аппарата к воздуху, Вт/(м2*К),

α0 = 9,74 + 0,07*( tиз – t0) = 9,74 + 0,07*(45-20) = 11,49 Вт/(м2*К),

q = 11,49*(45-20) = 287,25 Вт/м2.

6. ОПИСАНИЕ ВЫБРАННОГО  АППАРАТА

 
Технические характеристики стерилизационно-охладительной установки  П8-ОСО-5 даны в таблице 1. 
Таблица 1 – Технические характеристики установки П8-ОСО-5.

Показатель	Значение
Производительность (плавная регулировка), л/час	2000 - 5000
Температура стерилизации, оС	от 100 до 140
Температура охлаждения, оС	15 - 25
Время выдержки, сек	от 4 до 120
Расход пара, кг/час	100 - 300
Потребляемая электроэнергия, кВт	9,0 - 9,5
Габаритные размеры, мм	3800x2800x2800

 

Установка стерилизационно-охладительная  трубчатая П8-ОСО-5 (рисунок 3) позволяет  получить высококачественные продукты с длительным сроком хранения при  температуре 0-35^оС. Установки серии П8-ОСО собираются на базе трубчатых теплообменников, традиционно используемых для проведения УВТ-обработки.

Установки состоят из следующих  основных частей: блока предварительного нагрева и охлаждения продукта за счет регенеративного теплообмена  на промежуточном теплоносителе, блока  деаэрации (или дезодорации) продукта под вакуумом, блока ультравысокотемпературной  пастеризации (стерилизации) продукта паром, выдерживателя на разную продолжительность выдержки, блока охлаждения продукта до заданных температур, блока подготовки стерильного воздуха, блока согласования с работой упаковочной машины, краны подачи на гомогенизатор и система автоматического контроля и регулирования тепловых процессов. 
 
 
 
Рисунок 3 – Установка П8-ОСО-5 
Разработана новая схема предварительной стерилизации установки на воде, гарантирующей абсолютную стерильность аппарата и перевод его в режим эксплуатации без изменения заданных параметров.

Высокая скорость движения продуктов по трубам в установке  предотвращает образование накипи, отложений в «мертвых зонах» и  позволяет проводить высокоэффективный  теплообмен. Конструктивные особенности  теплообменной аппаратуры обеспечивают регенеративный теплообмен с эффективностью до 80%. Благодаря системе стабилизации давления теплоносителя на паровой  гребенке и стабилизации подачи продукта в зону стерилизации (с возможностью изменения производительности установки) система управления поддерживает заданную температуру стерилизации с точностью до +1^оС.

Разработка принципиально  новой конструкции асептического  демпфера обеспечивает равномерную  подачу продукта на фасовку с заданным (от 0 до 0,2±0,01МПа) и позволяет при  регулируемой производительности насоса обеспечить минимальный возврат  продукта [12; 23].

Однако данная установка  не лишена недостатков. Для их устранения и

улучшения  работы стерилизатора  предлагается:

1. Модернизировать внешнее исполнение установки, уменьшив ее габаритные размеры, что позволит снизить габаритность и, как следствие, занимаемую площадь.
2. Организовать систему сбора конденсата, образующегося в процессе работы установки, и осуществить его возврат в паровой котел, что позволит снизить расход теплоносителя и, как следствие, уменьшить себестоимость процесса стерилизации.

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Согласно аналитическим  прогнозам, производство питьевого  молока с длительным сроком хранения, обеспеченным УВТ-обработкой с асептическим розливом, будет расти, поскольку  такой способ обработки дешевле, чем пастеризация с последующим  хранением продукта при температуре 4-8°С.

Такой продукт обладает абсолютной надежностью с санитарно-гигиенической  точки зрения, позволяет осуществлять перевозки на длительные расстояния без охлаждения, исключает необходимость  ежедневной поставки в торговлю. Из года в год растет потребительский  спрос на молочные продукты длительного  хранения во всех странах мира, расширяется  их ассортимент, увеличиваются сроки  хранения, совершенствуются пути повышения  стойкости в хранении.

В курсовой работе изучена  технология стерилизации молока в таре и в потоке, изучены конструкции  основных стерилизационных установок, проведен расчет стерилизационных установок  поверхностного типа, выбран лучший по показателям производительности и  удельной энергоемкости стерилизатор П8-ОСО-5. Для улучшения работы установки  предложено:

1. Модернизировать внешнее исполнение установки, уменьшив ее габаритные размеры, что позволит снизить габаритность и, как следствие, занимаемую площадь.
2. Организовать систему сбора конденсата, образующегося в процессе работы установки, и осуществить его возврат в паровой котел, что позволит снизить расход теплоносителя и, как следствие, уменьшить себестоимость процесса стерилизации.