Теплообменники

Назначение тепловой обработки

К концу XIX века тепловая обработка молока получила столь широкое применение, что стала использоваться для разнообразных целей на большинстве молокозаводов — например, для обработки молока при изготовлении сыра и масла.

До внедрения тепловой обработки молоко представляло собой постоянный источник инфекций, так как оно является идеальной средой для развития микроорганизмов. Через молоко зачастую распространялись такие болезни, как туберкулез и брюшной тиф.

В термине «пастеризация» запечатлено имя Луи Пастера, который в середине XIX века провел фундаментальные исследования воздействия тепла на микроорганизмы, приводящего к их гибели, и возможности применения температурной обработки для консервирования пищевых продуктов.

Пастеризация молока — это особый вид тепловой обработки, который можно определить как «любую тепловую обработку молока, обеспечивающую безусловное уничтожение микроорганизмов — возбудителей туберкулеза, не вызывая при этом значительных изменений физических и химических качеств молока»,

Изучая историю пастеризации, следует заметить, что, хотя ученые повсеместно сошлись на том,
при какой температуре следует проводить тепловую обработку молока, в производственной практике в течение длительного времени серьезного контроля над этим процессом не осуществлялось.

В результате молоко то перегревалось, что придавало ему соответствующий привкус, то недостаточно нагревалось, и тогда в нем сохранялись жизнеспособные возбудители туберкулеза.

В середине 30-х годов XX века (JDR:6/191) Кэй (Кау) и Грэхэм (Graham) объявили об открытии фермента фосфатазы. Данный фермент всегда присутствует в сыром молоке и разрушается под воздействием повышенной температуры в течение определенного времени, необходимого для эффективной пастеризации. Кроме того, его присутствие или отсутствие легко подтверждается (проверка на фосфатазу по методу Шерера /Scharer/). Отсутствие фосфатазы свидетельствует о том, что молоко прошло необходимую тепловую обработку.

К счастью, все обычные патогенные организмы, встречающиеся в молоке, погибают при сравнительно небольшом нагреве, который лишь незначительно отражается на физико-химических качествах молока. Самый устойчивый микроорганизм — возбудитель туберкулеза погибает уже при нагреве молока до 63°С в течение 10 минут. Полная безопасность обеспечивается выдержкой молока при этой температуре в течение 30 минут. Таким образом, этот микроорганизм является своего рода индикатором эффективности процесса пастеризации: любая тепловая обработка, вызывающая его гибель, надежно уничтожает все остальные патогенные микроорганизмы в молоке.

Помимо патогенных микроорганизмов, молоко содержит другие микроорганизмы и вещества, которые портят вкусовые качества и сокращают сроки хранения различных молочных продуктов. Поэтому следующей целью тепловой обработки является уничтожение как можно большего числа этих opганизмов и ферментных систем, что требует более интенсивной тепловой обработки, чем для уничтожения патогенных микроорганизмов.

Второе предназначение тепловой обработки приобретало все большее значение по мере укрупнения молочных заводов и сокращения их количества. Увеличившиеся интервалы времени между поставками означают, что, несмотря на современные методы охлаждения, микроорганизмы имеют больше времени для размножения и образования ферментов. Кроме того, разрушаются составляющие характеристики молока, снижается активная кислотность (pH) и т.д. Чтобы избежать этих проблем, молоко должно подвергаться тепловой обработке сразу же после поступления на молокозавод.

Большая удача, что ни один из основных патогенных организмов, присутствующих в молоке, не образует спор.

Сочетание температуры и времени

Сочетание степени нагрева и его продолжительности — очень важный фактор, определяющий интенсивность тепловой обработки. На рис.1 графически показано, при каких сочетаниях этих двух характеристик погибают бактерии группы кишечной палочки, возбудители брюшного тифа и туберкулеза. В соответствии с этими графиками группы кишечных палочек погибают при выдерживании в течение 1 секунды при температуре 70°С. При температуре 65°С для уничтожения этих бактерий молоко надо выдерживать в течение десяти секунд. Эти комбинации — 70°С/1 с и 65°С/10 с — оказывают одинаковое летальное воздействие на бактерии.

Возбудитель туберкулеза более устойчив к тепловой обработке, и для его гарантированного уничтожения требуется выдержка в 20 секунд при 70°С или около двух минут при 65°С. В молоке также могут находиться теплоустойчивые микрококки. Как правило, они абсолютно безвредны.

Ограничения при тепловой обработке

Интенсивная тепловая обработка молока желательна с точки зрения борьбы с микроорганизмами. Но такая обработка предполагает риск отрицательного воздействия на внешний вид, вкус и питательную ценность молока. При высоких температурах белки в молоке денатурируют. Это означает, что интенсивная тепловая обработка существенно ухудшает пригодность молока для изготовления сыра. Сильный нагрев приводит к изменению вкуса: сначала возникает привкус кипяченого, а далее — пригоревшего молока. Таким образом, следует подбирать оптимальный режим тепловой обработки, при котором гарантированно уничтожались бы болезнетворные микроорганизмы и не ухудшались бы качественные показатели.

В связи с тем, что тепловая обработка стала важнейшей составляющей молочного производства и ее значение получило всеобщее признание, были разработаны различные виды тепловой обработки, которые перечислены в таблице 1.

Таблица 1.
Основные виды тепловой обработки, применяемые в молочном производстве

Название процесса	Температура	Продолжительность
Термизация Низкотемпературная длительная	63-65°С	15 сек
пастеризация молока Высокотемпературная кратковременная	63°С	30 мин
пастеризация молока Высокотемпературная кратковременная	72-75°С	15-20 сек
пастеризация сливок	>80°С	1-5 сек
Ультрапастеризация Высокотемпературная обработка (ВТО)	125- 138°С	2-4 сек
(стерилизация в потоке)	135-140°С	несколько секунд
Стерилизация в тape	115-120°С	20-30 мин

Термизация

На многих крупных молокозаводах нет возможности подвергнуть пастеризации и переработке все молоко сразу после его поступления.

Часть молока приходится хранить в танках в течение нескольких часов или дней.

В таких условиях даже глубокое охлаждение не является достаточным для предотвращения серьезного ухудшения качества молока.

Поэтому на многих молокозаводах молоко подвергают предварительному нагреву до температур ниже, чем при пастеризации, с целью подавления микрофлоры, находящейся в молоке. Этот процесс называется «термизация». Молоко выдерживают при температуре 63-65°С в течение 15 секунд. При этом режиме не подавляется активность фосфатазы. Во многих странах запрещена двойная пастеризация молока, поэтому термизация прекращается до возникновения условий, необходимых для пастеризации.

Для того чтобы не допустить размножения аэробных спорообразующих бактерий после термизации, молоко следует быстро охладить до 4°С или ниже и не допускать его смешивания с необработанным молоком. Многие эксперты придерживаются мнения, что термизация оказывает положительное воздействие на некоторые спорообразующие бактерии. Тепловая обработка вызывает прорастание спор, а это означает, что они будут разрушены при последующей пастеризации молока.

К термизации следует прибегать только в исключительных случаях. Главная цель — подвергнуть пастеризации все молоко в течение 24 часов после его поступления на обработку.

Низкотемпературная длительная пастеризация молока (LTLT)

Первоначальный способ тепловой обработки представлял собой процесс, при котором молоко нагревалось до 63°С в открытых емкостях и выдерживалось при этой температуре в течение

30 минут. Этот способ получил название «длительной низкотемпературной пастеризации» (LTLT-low temperature, long time).

Высокотемпературная кратковременная пастеризация (HTST)

В настоящее время молоко практически всегда подвергается тепловой обработке в поточных процессах, таких как термизация, пастеризация или высокотемпературная обработка (ВТО).

HTST — это сокращение от английского (high temperature, short time) «высокотемпературный кратковременный процесс». На практике применяются различные сочетания температуры и выдержки в зависимости от качества молочного сырья, типа вырабатываемого продукта и требований к срокам хранения.

Молоко

Высокотемпературная кратковременная пастеризация молока проводится при 72-75°С в течение 15-20 секунд, после чего следует охлаждение. При таком сочетании температуры и выдержки разрушается фермент фосфатаза. Таким образом, чтобы убедиться в эффективности пастеризации молока, его проверяют на наличие фосфатазы. Результат проверки должен быть отрицательным, то есть не должно быть обнаружено никакой активности фосфатазы. См. рис.2.

Сливки и кисломолочные продукты

Проверка на фосфатазу не должна проводиться в продуктах, жирность которых превышает 8%, так как спустя сравнительно небольшое время после пастеризации активность фермента восстанавливается. Тепловая обработка также должна быть более жесткой, так как жир обладает низкой теплопроводностью.

Поэтому для проверки результата пастеризации сливок используется другой фермент — пероксидаза (тест на пероксидазу по методике Шторха /Storch/). Продукт нагревается до температуры свыше 80° С и выдерживается при ней около пяти секунд. Столь мощная тепловая обработка оказывается достаточной для подавления пероксидазы. Проверка должна показать отрицательный результат, то есть в продукте не должно быть обнаружено никакой активности пероксидазы. См рис.2.

Поскольку с кисломолочными продуктами тоже нельзя проводить проверку на фосфатазу, при проверке качества их пастеризации также используется тест на пероксидазу. Молоко, предназначенное для производства кисломолочной продукции, обычно подвергается сильному нагреву с целью сворачивания сывороточных белков и усиления их способности связывания воды (чтобы избежать образования сыворотки).

Ультрапастеризация

К ультрапастеризации прибегают, когда продукт нуждается в определенном сроке годности. Некоторым производителям достаточно и двух суток, в то время как другие хотят продлить традиционный для пастеризованных продуктов срок хранения с 2-16 суток до 30-40 дней.

Главная цель — свести к минимуму основные источники обсеменения микроорганизмами

молочной продукции во время ее производства и упаковки, а также срок ее годности. Это требует исключительно высокого уровня производственной гигиены и осуществления поставок при температуре не выше 7°С: чем ниже температура, тем дольше срок годности.

Нагрев молока до 125-138°С в течение 2-4 секунд с последующим его охлаждением до температуры ниже 7°С — залог длительного срока годности. Буквы ESL (сокр. от английского Extended Shelf Life — длительный срок хранения) проставляются на продуктах, прошедших тепловую обработку, гарантирующую длительный срок их годности. Тем не менее такие продукты тоже должны храниться при низких температурах и при транспортировке, и в магазинах до момента их реализации.

Высокотемпературная обработка (ВТО). Стерилизация в потоке

Данный вид тепловой обработки жидких пищевых продуктов проходит при сверхвысоких температурах, обычно в диапазоне 135-140°С, в течение короткого периода времени. Такая обработка убивает микроорганизмы, которые в противном случае испортили бы продукт.

ВТО представляет собой непрерывный процесс, протекающий в закрытой системе, предохраняющей продукцию от попадания в нее микроорганизмов из воздушной среды.

Продукция в быстром темпе проходит стадии нагрева и последующего охлаждения.

Неотъемлемой частью процесса является асептическая загрузка, предохраняющая продукцию от повторного бактериального обсеменения.

На практике применяются два метода ВТО:

• Непрямой подогрев и охлаждение в теплообменниках

• Прямой нагрев впрыскиванием пара либо подачей молока в паровую среду с последующим охлаждением при расширении в вакууме.

Стерилизация в таре

До настоящего времени используется изначально разработанный метод стерилизации в емкостях, проводимый обычно при 115-120°С в течение 20-30 минут.

После нормализации жирности, гомогенизации и нагрева до 80°С молоко разливается в чистую тару — обычно это стеклянные или пластмассовые бутылки для жидкого молока и консервные банки — для сгущенного. Еще не остывшая продукция, предназначенная для дальнейшей упаковки, перемещается в автоклавы, а для непрерывного производства — в гидростатическую башню, где происходит ее стерилизация.

Предварительный нагрев

Обычно необходимые для дальнейшего производственного процесса температуры обеспечиваются сразу после пастеризации, но иногда требуется временно охладить и выдержать молоко в таком состоянии перед его окончательной обработкой. Приводим несколько примеров. Молоко, предназначенное для производства сыра, предварительно нагревается до 30-35°С перед отправкой в ванны, где перед добавлением сычужного фермента производится окончательная регулировка температуры. В качестве нагревающей среды используется горячая
вода. С целью снижения производственных расходов в качестве первичного теплоносителя может быть использована и сыворотка, остающаяся от предыдущей партии.

Молоко для производства йогурта предварительно нагревается до 40-45°С, после чего направляется на ферментацию. В качестве теплоносителя используется горячая вода.

Молоко может также подвергаться предварительному нагреву перед добавлением в него, помимо ферментов, шоколадной пудры, сахара, жиров и других добавок, необходимых для производства различных молочных продуктов.

Процессы теплопередачи на молочном заводе

Одним из важнейших требований современного молочного производства является возможность обеспечивать необходимую температуру на каждом этапе производственного процесса. Нагрев и охлаждение, таким образом, являются основными операциями на молокозаводе.

Нагрев

Молоко нагревается теплоносителем, таким как пар низкого давления (к нему в настоящее время прибегают очень редко), или горячей водой. Определенное количество тепла передается от нагревающей среды к молоку, вследствие чего его температура повышается, а температура теплоносителя соответственно снижается.

Примечание: Нагрев и охлаждение являются наиболее важными операциями на молочном заводе.

Охлаждение

Непосредственно после поступления на молокозавод молоко чаще всего охлаждается до низкой температуры — порядка 5°С или еще ниже, для того чтобы временно приостановить рост микроорганизмов. После пастеризации молоко также охлаждается до низкой температуры — около 4° С.

При наличии обычной холодной воды ее можно использовать для первичного охлаждения после пастеризации и регенеративного теплообмена. Во всех случаях тепло переходит от молока к охлаждающей среде. Температура молока снижается до необходимого уровня,
а температура охлаждающей среды соответственно возрастает. В качестве охлаждающей
среды может использоваться холодная вода, ледяная вода, солевой или спиртовой раствор — например, гликоль.

Регенеративный нагрев и охлаждение

Во многих случаях перед определенной обработкой продукт должен быть нагрет, а затем охлажден. Пастеризация молока — один из таких случаев. Охлажденное молоко нагревается
от 4°С до температуры пастеризации 72°С, выдерживается при этой температуре 15 секунд,
а затем снова охлаждается до 4°С.

Тепло пастеризованного молока используется, для нагрева холодного молока.

Поступающее холодное молоко нагревается от выходящего горячего молока, которое, в свою очередь, охлаждается. Это позволяет экономить энергию нагрева и охлаждения. Процесс протекает в теплообменнике и носит название «регенеративный теплообмен». Таким образом, удается возвращать в замкнутый цикл до 94-95% тепла, которое несет пастеризованное молоко.

Теория теплообмена

Для передачи тепла от одного вещества к другому они должны иметь разные температуры. Тепло всегда перетекает от более теплого объекта к более холодному. Чем больше разница температур, тем быстротечнее тепловой поток. В процессе теплопередачи разность температур постепенно уменьшается и скорость теплового потока снижается, а когда температура выравнивается, она падает до нуля.

Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

• Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате тепловою движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается. На рис.3 показана передача тепла посредством теплопроводности на примере чайной ложки, погруженной в кружку с горячим кофе. Ручка ложки нагревается, тепло передается при помощи теплопроводности.

• При конвективном теплообмене (теплоотдаче) теплота распространяется в потоке жидкости или газе от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она

распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа — в основном конвекцией (см. рис.4). Конвекция, таким образом, включает перемешивание. Если чайную ложку прополоскать в холодной воде, идущей из-под крана, тепло от ложки будет передаваться воде, которая в процессе прополаскивания будет нагреваться. Нагретая вода заменяется холодной, которая также отбирает тепло от ложки.

Теплопередача конвективным способом продолжается до тех пор, пока температура ложки и воды, бегущей из-под крана, не уравняется.

• Излучение это испускание тепла телом, в котором сконцентрирована тепловая энергия (см. рис.5). Тепловая энергия превращается в энергию излучения, исходящего от тела и поглощаемого другими телами, которые она встречает на своем пути. Почти все вещества способны испускать энергию излучения.

Виды теплопередачи

На молокозаводах вся теплопередача осуществляется посредством теплопроводности
и конвекции. При этом используются, два вида нагрева: прямой и непрямой.

Прямой нагрев

Прямой нагрев предполагает перемешивание нагревающей среды с продуктом.

Этот способ применяется в следующих случаях:

• Для нагревания воды. Пар впрыскивается прямо в воду и передает ей свое тепло как посредством теплопередачи, так и конвекции

• Для нагревания продуктов, таких как сырное зерно, при изготовлении некоторых видов сыра (смешивая горячую воду с сырным зерном) и для стерилизации молока прямым способом (направляя струю пара в молоко или молоко в пар).

Прямой способ теплопередачи эффективен при необходимости быстрого нагрева. У него имеется ряд преимуществ. Однако он предполагает перемешивание продукта с нагревательной средой, а это принуждает к выполнению некоторых дополнительных операций в дальнейшем. Данный способ также сопровождается повышенными требованиями к нагревающей среде. В некоторых странах прямой нагрев запрещен законодательством на том основании, что существует опасность попадания посторонних веществ в продукт.

Косвенный нагрев

Непрямая теплопередача, таким образом, наиболее часто встречающийся способ нагрева продукта на молокозаводах. При этом методе между продуктом и нагревающей или охлаждающей средой устанавливается стенка. Тепло от нагревающей среды переносится на продукт через теплопередающую поверхность (см. рис.6).

Допустим, что теплоноситель — горячая вода, текущая по одну сторону от преграды, а холодное молоко — по другую. Перегородка соответственно нагревается со стороны, где находится нагревающая среда, и охлаждается с той стороны, где молоко. В пластинчатом теплообменнике роль перегородки играет пластина.

С каждой стороны перегородки имеется пограничный слой. Там, где пограничный слой соприкасается с перегородкой, скорость движения жидкости снижается почти до нуля по причине трения о перегородку. Скорость движения слоя жидкости, непосредственно примыкающего к пограничному слою, снижается трением о пограничный слой и, следовательно, невысока. Скорость движения жидкости возрастает по мере удаления от пограничного слоя и достигает максимального значения в центральной части канала.

Подобным же образом и температура горячей воды максимальна в средней части канала. Чем ближе находится вода к перегородке, тем больше она охлаждается холодным молоком, находящимся по другую сторону. Тепло передается пограничному слою
посредством теплопроводности или конвекции. Теплопередача от пограничного слоя через перегородку на другой пограничный слой осуществляется почти полностью теплопроводностью, а дальнейшая передача тепла от пограничного слоя молока в центральную зону происходит посредством теплопроводности и конвекции.

Виды теплопередачи

На молокозаводах вся теплопередача осуществляется посредством теплопроводности
и конвекции. При этом используются, два вида нагрева: прямой и непрямой.

Прямой нагрев

Прямой нагрев предполагает перемешивание нагревающей среды с продуктом.

Этот способ применяется в следующих случаях:

• Для нагревания воды. Пар впрыскивается прямо в воду и передает ей свое тепло как посредством теплопередачи, так и конвекции

• Для нагревания продуктов, таких как сырное зерно, при изготовлении некоторых видов сыра (смешивая горячую воду с сырным зерном) и для стерилизации молока прямым способом (направляя струю пара в молоко или молоко в пар).

Прямой способ теплопередачи эффективен при необходимости быстрого нагрева. У него имеется ряд преимуществ. Однако он предполагает перемешивание продукта с нагревательной средой, а это принуждает к выполнению некоторых дополнительных операций в дальнейшем. Данный способ также сопровождается повышенными требованиями к нагревающей среде. В некоторых странах прямой нагрев запрещен законодательством на том основании, что существует опасность попадания посторонних веществ в продукт.

Косвенный нагрев

Непрямая теплопередача, таким образом, наиболее часто встречающийся способ нагрева продукта на молокозаводах. При этом методе между продуктом и нагревающей или охлаждающей средой устанавливается стенка. Тепло от нагревающей среды переносится на продукт через теплопередающую поверхность (см. рис.6).

Допустим, что теплоноситель — горячая вода, текущая по одну сторону от преграды, а холодное молоко — по другую. Перегородка соответственно нагревается со стороны, где находится нагревающая среда, и охлаждается с той стороны, где молоко. В пластинчатом теплообменнике роль перегородки играет пластина.

С каждой стороны перегородки имеется пограничный слой. Там, где пограничный слой соприкасается с перегородкой, скорость движения жидкости снижается почти до нуля по причине трения о перегородку. Скорость движения слоя жидкости, непосредственно примыкающего к пограничному слою, снижается трением о пограничный слой и, следовательно, невысока. Скорость движения жидкости возрастает по мере удаления от пограничного слоя и достигает максимального значения в центральной части канала.

Подобным же образом и температура горячей воды максимальна в средней части канала. Чем ближе находится вода к перегородке, тем больше она охлаждается холодным молоком, находящимся по другую сторону. Тепло передается пограничному слою
посредством теплопроводности или конвекции. Теплопередача от пограничного слоя через перегородку на другой пограничный слой осуществляется почти полностью теплопроводностью, а дальнейшая передача тепла от пограничного слоя молока в центральную зону происходит посредством теплопроводности и конвекции.

Теплообменник

Теплообменник предназначен для передачи тепла косвенным способом.

Ниже описываются несколько различных типов теплообменников. Чтобы облегчить понимание того, как происходит теплопередача в теплообменнике, его нужно символически представить себе в виде двух каналов, разделенных трубчатой перегородкой.

Горячая вода (обозначенная красным цветом) протекает в одном канале, а молоко (синим) — в другом. Тепло передается через перегородку. Горячая вода поступает в канал при температуре t_i2, и охлаждается там до t₀₂ на выходе. Молоко поступает в теплообменник охлажденным до температуры t_i1 и нагревается там до температуры t₀₁ на выходе.

Изменения температуры в процессе прохождения жидкости через теплообменник показаны графически на рис.7

Размеры теплообменника

Необходимые размеры и форма теплообменника зависят от многих факторов. Их расчет весьма сложен, и в настоящее время он выполняется с помощью компьютера. При этом учитываются следующие факторы:

• Расход продукта
• Физические характеристики жидкостей
• Допустимые перепады давления
• Конструкция теплообменника
• Требования к чистоте
• Продолжительность технологического цикла.

Общая формула расчета необходимых размеров (площади теплопередачи) теплообменника такова:

Расход продукта

Расход продукта (V) определяется планируемой мощностью молокозавода. Чем выше расход продукта, тем крупнее должен быть теплообменник.

Например, если расход продукта на предприятии должен быть увеличен с 10 000 л/ч до 20 000 л/ч, размеры теплообменника также нужно будет увеличить вдвое при условии, что удваиваются и расходы рабочих жидкостей, а все остальные параметры остаются неизменными.

Физические характеристики жидкостей

Плотность (r) определяется продуктом.

Удельная теплоемкость (С_р) также определяется продуктом. Эта характеристика соответствует количеству
тепла, которое должно быть сообщено продукту для увеличения его температуры на 1°С.

Другая важная физическая характеристика — вязкость. О ней будет рассказано в разделе, посвященном общему коэффициенту теплопередачи.

Температурная программа

Цель теплопередачи — нагрев или охлаждение определенного количества продукта — например, молока от определенной температуры на входе до требуемой температуры на выходе. Это достигается в теплообменнике с помощью рабочей жидкости — например, воды. Молоко обогревается горячей водой, температура которой соответственно снижается.

Необходимо рассмотреть следующие аспекты температурной программы: изменение температур, разницу в температурах взаимодействующих жидкостей и направление потоков жидкостей.

Изменение температур

Температура продукта на входе и на выходе из теплообменника определяется предшествующими и последующими этапами технологического процесса. Изменение температуры продукта обозначено в вышеприведенной формуле символом Dt. Оно может быть определено как Dt₁= t₀₁ — t_i1 См. также рис.7.

Температура рабочей жидкости на входе определяется условиями технологического процесса. Температура рабочей жидкости на выходе может быть определена расчетом энергетического баланса.

Для современного теплообменника потери энергии в окружающую атмосферу настолько малы, что их можно не принимать в расчет. Таким образом, тепловая энергия, отдаваемая горячей жидкостью, равна тепловой энергии, поглощаемой холодной жидкостью, то есть обеспечивается энергетический баланс.

Это может быть отражено в следующей формуле:

Пример: для изготовления сыра требуется нагреть 20 000 л/ч сырного молока (V₁) с 4°С до 34°С с помощью
30 000 л/ч горячей воды (V₂), температура которой = 50°С. Плотность (r) и удельная теплоемкость (С_p)
составляют для молока около 1020 кг/м³ и 3.95 кДж/кг, а для воды соответственно 990 (при 50°С) и 4,18.

Теперь, пользуясь вышеприведенной формулой, можно рассчитать изменение температуры горячей воды: 20000 x 1020 x 3.95 (34-4) = 30 000 x 990 x 4,18 x Δt₂

Δt₂ = 19,5°С. Таким образом, температура горячей воды снизится на 19,5° — с 50 до 30,5°С.

Средняя логарифмическая разность температур (СЛРТ)

Уже отмечалось: чтобы произошла теплопередача от одной среды к другой, у них должна быть разная температура. Движущая сила в этом процессе — разность температур.

Чем больше разница в температурах, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник. Однако для деликатной продукции разница в температурах не должна превышать определенного предела.

Разность температур в пределах одного теплообменника может изменяться. Для расчетов принимается определенное среднее значение СЛРТ. В вышеприведенной общей формуле оно обозначено как Δt_m. Используя обозначения, приведенные на
рис.8, его можно рассчитать по следующей формуле:

В примере при нагреве молока, идущего на изготовление сыра, средняя логарифмическая разность температур Dt_m, вычисленная по этой формуле, составляет 20.8°C.

Важным фактором, который учитывается при определении средней логарифмической разности температур, является направление потоков жидкостей в теплообменнике. Существуют два основных варианта: прямоточный и противоточный.

Противоточная схема

Разность температур взаимодействующих потоков наиболее эффективно используется при их движении через теплообменник в противоположных направлениях (см. рис.8). По мере прохождения по своему каналу продукт постепенно нагревается до температуры, которая всего лишь на несколько градусов ниже, чем у нагревающей среды. Такая схема называется противоточной.

Прямоточная схема

Данный вариант предусматривает такое устройство, в котором оба потока жидкости поступают в теплообменник с одного конца и текут в одном и том же направлении (рис.9). При такой схеме невозможно нагреть продукт до температуры, превышающей получаемую при смешивании продукта и нагревающей среды.

Это ограничение не распространяется на вариант с противотоком, при котором продукт нагревается до температуры всего лишь на два-три градуса ниже температуры нагревающей среды на входе в теплообменник.

Общий коэффициент теплопередачи

Этот коэффициент (k) определяет степень эффективности теплообменника.
Он показывает, сколько тепла, проходящего через 1 м² перегородки, приходится на 1°С разности температур. Этот же коэффициент используется при расчете теплоизоляции зданий, хотя в таком случае цель строителей прямо противоположна, а именно — добиться минимально возможного значения k, в то время как для теплообменников этот показатель должен быть как можно выше.

Коэффициент зависит от следующих факторов:

• Допустимых перепадов давления жидкостей
• Вязкости жидкостей
• Формы и толщины перегородки
• Материала перегородки
• Наличия Пригорания молока на поверхности теплообменных аппаратов.

Допустимые перепады давления

Для увеличения значения коэффициента k и улучшения теплопередачи можно уменьшить диаметр канала, по которому течет продукт. В результате сокращается расстояние, которое должно пройти передаваемое тепло от перегородки до середины канала. При этом, однако, сужается и сам поток.

Это приводит к двум последствиям:

а)    возрастает скорость потока в канале, что, в свою очередь,

б)   увеличивает турбулентность потока.

Чем больше перепад давлении продукта и нагревающей среды, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник

Однако продукты, чувствительные к механическим воздействиям (например, молочный жир), могут пострадать от агрессивной обработки. По мере движения потока в теплообменнике давление постепенно снижается, и поэтому давление продукта перед поступлением в теплообменник должно быть увеличено, чтобы компенсировать это снижение и принудить поток продвигаться по суженному каналу. С этой целью может возникнуть необходимость установки подкачивающего насоса. В некоторых странах установка подкачивающего насоса обусловлена требованием законодательства, чтобы обеспечить более высокое давление со стороны продукта и таким образом избежать попадания не пастеризованного продукта в пастеризованный.

Вязкость

Вязкость продукта и теплоносителя является важным фактором, который учитывается при определении размеров теплообменника. Жидкость, отличающаяся высокой вязкостью, развивает меньшую турбулентность при движении в теплообменнике по сравнению с жидкостью с более низкой вязкостью. Это означает потребность в более крупном теплообменнике при всех прочих одинаковых параметрах. Например, для сливок требуется более крупный теплообменник, чем для молока, при аналогичной расчетной производительности и температуре.

Особое внимание следует уделять продуктам с поведением потока, типичным для неньютоновских жидкостей. У этих продуктов очевидная вязкость зависит не только от температуры, но и от коэффициента сдвига. Продукт, который кажется довольно плотным, когда он находится в открытой емкости, может двигаться под действием насоса по трубам или в теплообменнике с неожиданно высокой скоростью. Поведение таких продуктов в потоке может быть измерено с помощью специальных приборов с целью выполнения точных расчетов в дальнейшем.

Форма и толщина пластины

Пластина часто выполняется гофрированной, чтобы придать потоку повышенную турбулентность, которая, в свою очередь, улучшает теплопередачу. На рис.10 показаны три различные конструкции.

Толщина также играет важную роль. Чем тоньше пластина, тем лучше теплопередача. Но при этом необходимо соблюсти чувство меры, обеспечив достаточную прочность перегородки, чтобы ома могла противостоять давлению потоков жидкостей. Современные конструкции и производственные технологии позволяют изготовлять более тонкие перегородки, чем несколько лет назад.

Материал пластин

В пищевой промышленности традиционно используется нержавеющая сталь, обладающая довольно хорошей теплопроводностью.

Пригорание

Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреву, который поэтому необходимо выполнять очень аккуратно во избежание изменений в продуктах.

При кипячении молока в кастрюле белки будут коагулировать и пригорать.

То же произойдет в теплообменнике, если теплопередающая поверхность будет чрезмерно горячей.

Температура нагревающей среды должна быть поэтому как можно ближе к температуре продукта и составляет обычно значение, на 2-3 градуса превышающее температуру пастеризации. Если поверхность слишком горяча по отношению к продукту, его белки свернутся и осядут на перегородках в виде тонкого слоя. Тепло должно будет в таком случае преодолевать и этот слой, что приведет к уменьшению общего коэффициента теплопередачи.

Разность температур между теплоносителем и продуктом в таком случае уже не будет достаточной для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура продукта на выходе снизится. Это может быть компенсировано повышением температуры нагревающей среды, но тогда также поднимется температура

теплопередающей поверхности, что приведет к коагуляции и оседанию на поверхности дополнительного количества белков, увеличению толщины пригара и дальнейшему уменьшению коэффициента k.

На этот коэффициент также влияют уменьшение или увеличение скорости прохождения жидкости
через теплообменник, поскольку это отражается на характеристиках потока. Повышение мощности потока приводит к его большей турбулентности и повышает значение к. Замедление потока делает его более ламинарным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать изменений расхода в пределах теплообменника, но в целях повышения экономичности может оказаться необходимым практиковать определенные вариации в некоторых видах производства.

Пример: Для выше рассмотренного варианта с теплообменником для молока, из которого делают сыр, предположим, что коэффициент теплопередачи составляет около 5000 Вт/м², если используется теплообменник пластинчатого типа из нержавеющей стали и его листы не слишком загрязнены.

Другие параметры для решения задачи, таковы:

— расход = 20 000 л/ч

— плотность = 1020 кг/м³

— удельная теплоемкость = 3,95 кДж/кг К

— изменение температуры = 30°С

— разность температур = 20,8°С

— коэффициент теплопередачи = 5000 Вт/м² К

Размер теплопередающей поверхности рассчитывается следующим образом:

20 000 х 1 020 х 3,95 х 30

А = —————————————————- = 6.5 м²

3600 x 20.8 x 5000

Таков теоретический расчет. На практике же следует учитывать и чувствительную природу продукта,
и требования технологии. Двумя такими факторами, не учтенными формулой, являются чистота теплообменника и время его беспрерывной работы.

Мойка

По окончании производственного цикла теплообменник должен быть очищен. Мойка выполняется
с помощью моющих средств, циркулирующих там, где прошло молоко.
Для обеспечения эффективной мойки теплообменник должен конструироваться с учетом не только необходимых тепловых режимов, но и технологии мойки.

Если в некоторых участках теплообменника сосредоточено несколько параллельных каналов, то там
в процессе мойки возникает недостаточная турбулентность и промывка загрязненных поверхностей оказывается недостаточно эффективной. С другой стороны, там, где таких параллельных каналов
слишком мало, возникает чрезмерная турбулентность, что ведет к значительному снижению давления.
Такое снижение может привести к падению расхода моющего раствора и уменьшению таким образом эффективности мойки. Следовательно, необходимо конструировать такой теплообменник, который
позволил бы осуществлять эффективную мойку его рабочих поверхностей.

Продолжительность технологического цикла

При нагреве молочных продуктов до температуры, превышающей 65°С, неизбежно имеет место некоторое загрязнение теплообменника. Это означает, что через определенное время непрерывной эксплуатации пастеризатор приходится останавливать для очистки.

Предсказать, через какой период времени такая остановка потребуется, трудно — все зависит от
степени загрязнения.

Скорость оседания загрязнений на рабочих поверхностях зависит от многих факторов, в том числе:

• Разности температур между продуктом и нагревающей средой

• Качества молока

• Содержания воздуха в продукте

• Давления в нагревательной секции теплообменника.

Особенно важно поддерживать на предельно низком уровне содержание воздуха. Избыточный воздух
в продукте сильно ускоряет процесс пригорания. При определенных условиях время непрерывной эксплуатации может быть сокращено ростом микроорганизмов в конечной части секции регенерации теплообменника пластинчатого типа. Это, впрочем, случается довольно редко. Обычно такие вещи
происходят из-за недостаточно качественной предварительной подготовки молока.
Все это свидетельствует о необходимости включать в планы эксплуатации пастеризаторов
мероприятия по их очистке через определенные промежутки времени.

Регенерация

Использование тепла горячей жидкости — например, пастеризованного молока — для первичного нагрева поступающего в пастеризатор холодного молока называется регенерацией. Холодное же молоко используется для охлаждения горячего. Таким образом, экономится вода и энергия. В современных высокоэффективных пастеризационных установках коэффициент полезного действия систем регенерации может достигать 94-95%.

Возьмем для примера такую простейшую операцию, как нагрев холодного молока. Используя формулу:

Выдержка

Правильно выполняемая тепловая обработка молока требует его выдержки при температуре пастеризации в течение определенного времени. Это происходит во внешней выдерживающей секции.

Эта камера выполнена в форме спиральной или зигзагообразной трубы, которая часто заключается в металлический кожух, защищающий людей от ожогов, неизбежных при случайном касании. Длина трубы и скорость потока рассчитаны таким образом, чтобы время прохождения молока по трубе оказалось равным времени необходимой выдержки.

Необходимо тщательно контролировать скорость потока, потому что размеры камеры специально рассчитаны на выдержку при строго определенной скорости, прохождения продукта. Время выдержки изменяется обратно пропорционально расходу через камеру.

В прежние времена молоко выдерживалось в специальных отсеках, встроенных в теплообменник пластинчатого типа, а в настоящее время для этого применяются почти исключительно выносные выдерживающие секции.

Расчет времени выдержки

Необходимая длина трубы для требуемой выдержки может быть рассчитана, если известны расход (литров в час) и внутренний диаметр трубы. Поскольку скоростной профиль трубы не вполне однороден, скорость движения некоторых молекул молока будет превышать среднюю. Чтобы обеспечить пастеризацию даже самых быстрых молекул, при расчете трубы должен учитываться ее кпд.

Этот коэффициент зависит от конструкции трубы, но обычно он находится в пределах 0,8-0,9.

Данные, необходимые для расчета:

Q — расход при пастеризации, л/ч
НТ — время выдержки, сек

L — длина трубы, где выдерживается продукт в соответствии с параметрами Q и НТ, дм
D — внутр. диаметр трубы, дм, известен или адаптирован к остальным трубопроводам
V — объем молока в литрах или дм³, в соответствии с параметрами Q и НТ
η — коэффициент полезного действия

Пример: На пастеризационной установке производительностью (Q) в 10 000 л/час
требуется обеспечить выдержку (НТ) в 15 с. Внутренний диаметр (D) трубы,
предназначенной для этой цели, — 48.5 мм или 0.485 дм Требуется рассчитать длину (L)
трубы при кпд, равном 0.85.

Различные типы теплообменников

Наиболее распространенным типом этого оборудования в конце XIX века был
нагреватель, одна из разновидностей которого показана на рис.13. Несмотря на ряд
недостатков, этот вид теплообменников использовался на некоторых предприятиях еще
в 50-е годы XX столетия.

В 1878 году немец Альберт Драке (Albert Dracke) получил патент на аппарат, в котором одна жидкость нагревала другую, протекая в виде слоя, прилегающего к противоположной стороне каждой из набора пластин, входящих в это устройство. Нам неизвестно, ушел ли дальше конструкторского кульмана какой-либо из запатентованных в те времена теплообменников, один из которых показан на рис.14. Тем не менее в начале 20-х годов XX века старые немецкие разработки были по достоинству оценены, и появился регенеративный теплообменник, созданный на основе этих концепций. С тех пор пластинчатые теплообменники играют основную роль в молочной промышленности, когда речь идет о нагреве и охлаждении.

В настоящее время наиболее широко распространены следующие типы теплообменников:

• Пластинчатый теплообменник
• Трубчатый теплообменник
• Шнековый теплообменник.

Пластинчатые теплообменники

Основная часть тепловой обработки молочной продукции выполняется в теплообменниках пластинчатого типа (ТПТ). Такой теплообменник состоит из набора пластин из нержавеющей стали, стянутых в одну конструкцию.

Такая конструкция может состоять из нескольких пакетов пластин, составляющих отдельные секции, в которых осуществляются различные этапы обработки — например, первичный нагрев, основной нагрев и охлаждение. Функцию обогревающей среды выполняет горячая вода, а охлаждающей среды — холодная вода, ледяная вода или пропилгликоль, в зависимости от требуемой температуры продукта на выходе.

Пластинам придана гофрированная форма для обеспечения оптимальной теплопередачи. Пакет пластин сжат в конструкции. Точки опоры на гофрах не позволяют листам сомкнуться, и, таким образом между ними образуются тонкие каналы.

Жидкости проникают в каналы и покидают их через отверстия в углах пластин. Различные сочетания сквозных и глухих отверстий направляют жидкости из одного канала в другой.

Прокладки на стыках пластин и отверстий ограничивают каналы и предотвращают утечку из теплообменника и смешивание жидкостей внутри его.

Схемы потоков

Продукт поступает внутрь теплообменника через угловое отверстие в первый канал секции и течет по каналу в вертикальном направлении. Пройдя весь канал, продукт покидает его с другого конца через угловое отверстие, снабженное прокладкой. Расположение угловых
проходов таково, что продукт попадает в каналы через один в пределах «своего» пакета пластин.

Обогревающая или охлаждающая жидкость поступает с противоположного конца секции и протекает аналогичным образом — через канал. Значит, каждый канал, по которому движется продукт, с обеих сторон соседствует с каналами, наполненными рабочей жидкостью.

Для эффективной теплопередачи каналы между пластинами должны быть предельно узкими, но в случае необходимости пропускания больших объемов продукта по этим каналам неизбежно происходит значительное увеличение скорости и давления. Поскольку такие вещи весьма нежелательны, их стараются избежать, разбивая поток продукта в теплообменнике на несколько параллельных потоков.

Отмеченный синим цветом на рис. 16 поток продукта делится на два параллельных потока, которые четыре раза меняют направление своего движения в пределах своего отсека. Поток рабочей жидкости, отмеченный красным, делится на четыре параллельных потока, которые дважды меняют направление своего движения.

Схемы потоков

Продукт поступает внутрь теплообменника через угловое отверстие в первый канал секции и течет по каналу в вертикальном направлении. Пройдя весь канал, продукт покидает его с другого конца через угловое отверстие, снабженное прокладкой. Расположение угловых проходов таково, что продукт попадает в каналы через один в пределах «своего» пакета пластин.

Обогревающая или охлаждающая жидкость поступает с противоположного конца секции и протекает аналогичным образом — через канал. Значит, каждый канал, по которому движется продукт, с обеих сторон соседствует с каналами, наполненными рабочей жидкостью.

Для эффективной теплопередачи каналы между пластинами должны быть предельно узкими, но в случае необходимости пропускания больших объемов продукта по этим каналам неизбежно происходит значительное увеличение скорости и давления. Поскольку такие вещи весьма нежелательны, их стараются избежать, разбивая поток продукта в теплообменнике на несколько параллельных потоков.

Отмеченный синим цветом на рис. 16 поток продукта делится на два параллельных потока, которые четыре раза меняют направление своего движения в пределах своего отсека. Поток рабочей жидкости, отмеченный красным, делится на четыре параллельных потока, которые дважды меняют направление своего движения.

Трубчатые теплообменники

В некоторых случаях для пастеризации, а также для стерилизации молочных продуктов применяются теплообменники трубчатого типа (ТТТ). В отличие от пластинчатых,

эти теплообменники не имеют точек соприкосновения в продуктовом канале и поэтому могут быть
использованы для работы с продуктами, частицы которого ограничены определенным размером.

Максимальный размер частиц зависит от диаметра трубы. При работе в режиме стерилизации трубчатый
теплообменник реже приходится останавливать для очистки, чем пластинчатый.

С точки зрения теплопередачи трубчатый теплообменник менее эффективен, чем пластинчатый.

Имеются два принципиально различных типа трубчатых теплообменников: много/одноканальный и много/однотрубный.

Многоканальный и одноканальный

Теплопередающая поверхность многоканального трубчатого теплообменника, показанного на рис.18, состоит из прямых трубок различного диаметра, концентрически размещенных на общей оси и с обоих концов примыкающих к коллекторам (1).

Стыки труб с коллекторами уплотнены двойными уплотнительными кольцами (2), и весь узел фиксируется осевым стяжным болтом (3).

Оба взаимодействующих потока текут во встречных направлениях по кольцевым каналам между концентрическими трубками, через один. Рабочая жидкость всегда поступает в самый крайний канал. Коллекторы на обоих концах собирают и направляют жидкость в одни каналы и выпускают ее из других. Гофрированная структура труб обеспечивает высокую турбулентность обеих жидкостей с целью улучшения теплопередачи.

Данный тип теплообменника можно также использовать для прямой регенерации путем воздействия одного продукта на другой.

Одноканальный теплообменник представляет собой вариант с одним продуктопроводящим каналом, заключенным между двумя концентрическими каналами с рабочей жидкостью.

Многотрубный и однотрубный

Многотрубный теплообменник работает по классической схеме трубы в кожухе, при которой продукт течет по
набору параллельных труб, а рабочая жидкость — между ними и вокруг них. Спирально-гофрированная конфигурация труб и кожуха создает турбулентность, которая обеспечивает эффективную теплопередачу.

Теплопередающая поверхность состоит их набора прямых гофрированных или гладких труб (1), вваренных
в пластины с обоих концов (рис.19). Пластины, в свою очередь, крепятся к наружному кожуху с использованием двойных уплотнительных колец (2). Такая “плавающая” конструкция позволяет при необходимости извлекать трубы продуктопровода, отвернув торцевые болты.

Таким образом, узел можно разбирать для осмотра. «Плавающая» конструкция поглощает тепловое расширение и позволяет заменять наборы труб в кожухе, устанавливая различные их сочетания в зависимости от назначения.

Однотрубный вариант представляет собой теплообменник с одной внутренней трубой, способной пропускать частицы диаметром до 50 мм. И многотрубный и однотрубный варианты эффективно используются для процессов, требующих высоких давлений и высоких температур.

Шнековый теплообменник

Шнековый теплообменник (см. рис.20) предназначен для нагрева и охлаждения вязких, клейких и комковатых продуктов и для их кристаллизации. Рабочие давления в среде продукта очень высоки, нередко они достигают 40 бар. Поэтому все продукты, поддающиеся перекачке, могут быть подвергнуты необходимой обработке.

Шнековый теплообменник состоит из цилиндра (1), через который перекачивается продукт в направлении, противоположном движению рабочей жидкости в окружающем цилиндр кожухе. Заменяемые роторы (2) различных диаметров, от 50,8 до 127 мм, и с изменяемыми конфигурациями пальцев и лопастей (3) позволяют адаптировать конструкцию под выполнение различных операций. Роторы меньших диаметров позволяют проходить через цилиндр более крупным (до 25 мм) частицам, в то время как у цилиндров, оснащенных роторами более крупного диаметра, выше пропускная способность и лучше тепловые характеристики.

Продукт поступает в вертикально стоящий цилиндр через отверстие в его нижнем конце и безостановочно движется вверх по цилиндру. В начале процесса весь воздух перед продуктом откачивается, и тем самым обеспечивается полное и ровное покрытие продуктом нагревающей или охлаждающей поверхности.

Вращающиеся лопасти безостановочно удаляют продукт со стенок цилиндра (рис.21), обеспечивая равномерную теплопередачу на продукт. Кроме того, на стенках не остается осадка.

Продукт покидает цилиндр через отверстие в верхнем его конце.

Расход продукта и скорость вращения ротора регулируются в зависимости от характеристик продукта, проходящего через цилиндр.

По завершении процесса продукт может быть вытеснен из цилиндра водой при минимальном с ней перемешивании благодаря вертикальному положению цилиндра. Это позволяет полностью извлекать продукт после каждого производственного цикла. Последующая промывка облегчает безразборную очистку и смену продукта.

Как уже было сказано, ротор и лопасти могут заменяться. Эта операция выполняется с помощью автоматического гидроподъемника, который облегчает подъем и опускание этого узла (см. рис.22).

Шнековые теплообменники используются в производстве джемов, конфет, шоколада, арахисового масла, соусов. Он также используется для работы с животными жирами и растительными маслами при изготовлении маргарина, кулинарного жира и др.

Выпускаются также модификации шнековых теплообменников, предназначенные для асептического процесса производства продуктов.

Два или более теплообменников вертикального типа могут быть соединены в параллельные блоки для образования больших теплопередающих поверхностей в зависимости от того, какая производительность требуется в данном конкретном случае.