Пастеризационно-охладительная установка ОПУ-2М для пастеризации молока

                                                                                      а

 

продукт

теплоноситель

 

 

                                                                                                                                      продукт

                                                                                                                           теплоноситель

                                                                                      б

 

продукт

 

 

                                                                                                                                      продукт

теплоноситель                                                                                                    теплоноситель

                                                                                      в

Рис. 4 Схема компоновки многопакетных пластинчатых теплообменников:

а – симметричная; б – все  каналы для рабочей жидкости соединены  в один пакет; в – число пакетов  со стороны рабочей жидкости меньше числа пакетов со стороны продукта.      

Теплообменник может быть скомпонован  так, что его крайние каналы будут  заполнены рабочей жидкостью  или продуктом. Во втором случае продукт  будет принимать или отдавать тепло только через стенку одной  из пластин, а другая пластина будет  лишь изолировать его от нажимной плиты или стойки. Такие пластины, замыкающие собой секцию, называются концевыми.

Многосекционным или комбинированным  теплообменником называют аппарат, в котором тепловая обработка  продукта происходит по зонам с использованием различных тепло – и хладоносителей. В этом случае структура комбинированного пластинчатого теплообменника компонуется по схеме: аппарат – секция – пакет – канал. Примером комбинированного теплообменника для комплексной тепловой обработки жидких пищевых продуктов служит пластинчатый аппарат для пастеризации и охлаждения молока.

 

2.Расчёт комбинированного  пластинчатого аппарата для пастеризации  и охлаждения молока (ОПУ-2М).

Исходные  данные:

Производительность  аппарата                                                             G_м = 2000 л/час

Начальная температура молока                                                              t₁ = 36 ⁰С

Температура пастеризации                                                                    t₃ = 76 ⁰С

Температура молока после секции водяного охлаждения                   t₅ = 28 ⁰С

Температура охлаждённого молока                                                        t₆ = 5 ⁰С

Начальная температура горячей воды                                                   t^нг.в = 79 ⁰С

Начальная температура охлаждающей воды воды                              t^нохл.в = 10 ⁰С                 

Начальная температура рассола (25% р-р NaCl)                               t_р = -5 ⁰С

Коэффициент регенерации теплоты                                                     ε = 0,7

Расход  холодной воды                                                                             G_х.в = 12 м³ /час

Расход  рассола                                                                                          G_р = 4 м³ /час

Кратность горячей воды                                                                           n=4

Аппарат спроектировать на основе пластин  П-2 с гофрированной поверхностью и следующими основными данными:

Рабочая поверхность пластины                                                               f = 0,21 м²

Зазор между  пластинами                                                                         h = 0,003 м

Толщина пластины                                                                                    δ_ст = 0,00125 м

Ширина  проточной части                                                                         b = 0.315 м

Коэффициент теплопроводности материала пластин                           λст  =15,12 Вт /мК

Начальное давление молока                                                                     6ат

Противодавление  на выходе                                                                    5ат

 

 

Порядок расчёта.

Наметим принципиальную схему комбинированного аппарата, состоящего из четырёх секций: регенерации (1), пастеризации нагревания молока горячей водой (2),  водяного охлаждения (3), и охлаждения его рассолом (4).

   Условная схема изменения температур  теплоносителей для всех секций  теплообменника представлена на рис.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Условная схема изменения температур теплоносителей четырёхсекционного комбинированного теплообменника:

                профиль изменения температур продукта (молока);

------------ профиль изменения температуры греющего теплоносителя (горячей воды) и хладоагента (рассола).

I – секция регенерации

II – секция пастеризации

III – секция водяного охлаждения

IV – секция рассольного охлаждения

 

 

2.1. Тепловые балансы, определение недостающих начальных и конечных температур теплоносителей. Определение тепловых нагрузок.

 

  Секция регенерации (I).

Уравнение теплового баланса:

  ,                                        (1)

где  Q_рег - тепловой  поток, переданный молоку в зоне регенерации, Вт;

C_пр – средняя теплоёмкость продукта - молока, Дж/кгК;     

t₁, t₂ - начальная температура сырого продукта и продукта после секции регенерации, ºC;     t₃, t₄ - температура пастеризации и температура пастеризованного продукта после секции регенерации, ºC.

Эффективность работы секции регенерации  характеризуется коэффициентом  регенерации ε, представляющим собой  отношение теплового потока Q_рег, переданного продукту в секции регенерации, к общему потоку теплоты Q_о, затраченному на нагревание продукта от начальной температуры t₁ до температуры пастеризации t₃

.                         (2)

Из уравнения (2), пренебрегая незначительным изменением средней теплоёмкости продукта C_пр, выразим температуру сырого продукта после секции регенерации t₂:

(ºC).                                         (3)

Температура пастеризованного продукта после секции регенерации из уравнения (1)

(ºC).                               (4)

Тепловая  нагрузка секции регенерации:

 (Вт).                                                                                                 (5)

Средняя температура продукта в секции регенерации:

(ºC).

         где   t₃ - температура пастеризации,  ⁰С;

                t₆ - температура охлажденного молока .

Производительность  аппарата - G_п = 2000л /час

ρ_пр^{36 С} = 1.000 кг/л = 1000 кг/м³

Массовый  расход продукта:

G_пр = 2000 · 1.000 = 2000 кг/ч

t _пр.ср = (t₁ + t₂) / 2 = (76 +64) / 2 = 70 ⁰C,

где  t₁ - начальная температура молока, ⁰С;

       t₂ - температура сырого молока после секции регенерации, ⁰С

С_пр^{70 С} = 3880 Дж/кгК

Тогда тепловая нагрузка секции регенерации:

Q_рег = 2000 / 3600 · 3880 (64 – 36) = 60355,56 Вт

 

Секция пастеризации (II).

Уравнение теплового баланса:

G_г.в. · C_г.в. (t^н_г.в. – t^к_г.в.) = G_пр · С_пр (t₃ – t₂) = Q_п,                                                                                         (6)

где G_г.в - массовый расход горячей воды, кг /с;

      C_г.в.  - теплоёмкость горячей воды [4], Дж / кг К;

       t^н_г.в. ; t^к_г.в.) - начальная и конечная температуры горячей воды,  ⁰С;

     Q_п  - тепловая нагрузка секции пастеризации , Вт.

Воспользуемся понятием кратности рабочей среды  n , которая для секции пастеризации представляет собой отношение массового расхода горячей воды к массовому расходу продукта:

.                                                                                                  (7)

Массовый  расход горячей воды G_гв:

=2000*4/3600=2,22кг/с   

ρ_г.в^{76 С} = 0.9842 кг/л = 984 кг/м³

n_г.в = 4

Средняя температура продукта секции пастеризации

 (ºC).

 

С учетом уравнения (7) найдем из выражения (6) температуру  горячей воды на выходе из секции пастеризации:

t_г.в^к = t_г.в^н – С_пр / (n_г.в · С_г.в) · (t₃ – t₂)                                                                                                        (8)

C_г.в^{79 C}  = 4190 Дж / кгК

t_г.в^к = 79 – 3856 / (4 · 4190) · (76 – 64) = 76,24 ⁰С

C_пр^{70 C}  = 3856 Дж / кгК

Тепловая  нагрузка секции Q_п:

 (Вт). 

Секция водяного охлаждения (III)

Уравнение теплового баланса:

t_х.в^к = t_х.в^н + С_пр / (n_х.в · С_х.в) · (t₄ – t₅) 

=

t_х.в^к = 71+ 3900 / (6 · 4180) · (48 – 28) = 16,22 ⁰С

Тепловая  нагрузка секции водяного охлаждения

  Вт

Секция рассольного охлаждения (IV)

Уравнение теплового баланса:

,                             (9)

где   G_р  - массовый расход рассола, кг/с;

С_р – теплоёмкость рассола, Дж/кг К;

  t_р,н; t_р,к - начальная и конечная температура рассола , ⁰С ;

  Q_р - тепловая нагрузка секции рассольного охлаждения, Вт

Кратность рассола:

                                                                                                                          (10)

Массовый  расход рассола:

ρ_р^{-5 С} = 1.183 кг/л = 1183 кг/м³

С_р^{-5 С} = 3329 Дж / кгК

G_р = 5000 л/час · ρ_р^{-5 С} = 4000 · 1.183 = 4,732 кг/ч = 1, 31 кг/с

n_р = 4000/ 2000 = 2

Конечная  температура  рассола на выходе из секции:

 t_р^к =t_р^н – С_пр / (n_р · С_р) · (t₅ – t₆)                                                                                                    (11)

С_пр = 3329 Дж / кгК

С учетом кратности рассола (n_р = 2) определим из уравнения (9) конечную температуру рассола на выходе из секции

t_р^к = -5 + 3880 / (2 · 3329) · (28 – 5)  = 8,4 ⁰С                                                                              

Тепловая  нагрузка секции рассольного охлаждения:

 (Вт).                                    (12)

2.2.Определение средних температурных  напоров.

Секция регенерации теплоты (I).

Т.к. температурные  напоры на входе Δt₁ и на выходе Δt₂ из секции регенерации теплоты одинаковы

Δt₁ = t₄ -  t₁ = 48 – 36 = 12 ºC,

Δt₂ = t₃ -  t₂ = 76 – 64 = 12 ºC,

средний температурный напор Δt_рег = 28 ºC.

Секция пастеризации (II)

Δt_б = t^к _гв -  t₂ = 76,24 – 64 = 12,24 ºC,

Δt_м = t^н _гв -  t₃ = 79 – 76 = 3 ºC.

Т.к.   , то

ºC                                                                                                  (13)

Секция водяного охлаждения (III)

Δt_б =t₄ -t^к _хв = 48 – 16,22 = 31,78 ºC,

Δt_м =  t₅ - t^н _хв = 28 – 10 = 18 ºC.

Т.к.   , то

         ºC                                                                                                              

 Секция рассольного охлаждения (IV) .

Δt_б = t₅ – t_р^к = 28 – 8,4 = 19,6 ºC,

Δt_м = t₆ – t_р^н = 5 – (-5) = 10 ºC.

Т.к.   , то

         ºC                                                                                                               (14)

 

2.3. Выбор скоростей продукта и рабочих жидкостей.

При заданной производительности аппарата и выбранном типе пластин (П- 2) скорость потока молока и компоновка пакета (число параллельных каналов в нём ) связаны друг с другом , т. е. выбор одного из этих параметров определяет значение другого.