Пастеризационно-охладительная установка ОПУ-2М для пастеризации молока

Задаёмся скоростью молока в каналах между пластинами W_пр = 0.25 м/с

   Число каналов в пакете  определяется на основании уравнения расхода:

G_пр=W_пр · b · h · m · ρ_пр,                                                                                                                          (15)

где  b, h - ширина проточной части и зазор между пластинами соответственно, м.

   сечение канала – b · h = 0.315 · 0.003 = 9.45 · 10^-4 м²

ρ_пр^{40,5 С} = 1021 кг / м, плотность молока при средней температуре:

 (ºC).

Из уравнения (15 ) находим  m - число каналов в пакете :

m = G_пр / W_пр · b · h · ρ_пр                                                                                                                                                                                 (16) 

m = 2000 / (3600 · 0.315 · 0.003 · 0.245 · 1021) = 2,88

Принимаем число параллельных каналов  в пакете   m = 3 и уточняем скорость молока:

W_пр =G_пр / b · h · ρ_пр · m =2000 / 3600 · 0.315 · 0.003 · 1021 · 3 = 0.24 м/с                                      (17)

Скорость горячей воды  и рассола  принимаем 

W_гв = W_p = 2W_пр = 2 · 0,24 = 0.48 м/с

Скорость холодной воды принимаем  равной скорости молока = 0,24 м/с

 

 

2.4 Определение теплофизических  характеристик молока и рабочих жидкостей, расчет режимов движения.

 

Секция регенерации (I)

При средней температуре сырого молока в секции (сторона нагревания)

           t _пр.ср = (t₁ + t₂) / 2 = (36+64) / 2 = 50 ⁰C

теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), теплоемкость (С), критерий Прандтля (Р_r) [1,2] соответственно равны:

λ = 0.516 Вт/мК; μ = 0,870 · 10^-3 Па · с; ρ = 1016 кг/м³; С = 3870 Дж/кгК; Р_r = 6,5.

Режим движения сырого молока

 

,                                                                                             (18)

где d_э = 2h = 2*0.003 = 0.0056 м, эквивалентный диаметр канала.

Для пастеризованного молока (сторона охлаждения)

(ºC),                                                                                                     (19)

λ = 0,5336 Вт/(мК); μ = 0,55 · 10^-3 Па · с; ρ = 998 кг/м³; С = 3848 Дж/(кгК); Pr = 3,93.

 

 

 

Секция  пастеризации (II)

Для потока горячей воды

(ºC),                                                                                            (20)

λ = 0,672 Вт/(м · К); μ = 0,370 · 10^-3 Па · с; ρ = 974 кг/м³; С = 4190 Дж/(кг · К); Pr = 2,3.

Для потока молока

(ºC),

λ = 0,525 Вт/(м · К); μ = 0,62 · 10^-3 Па · с; ρ = 1004 кг/м³; С = 3852 Дж/(кг · К); Pr = 4,65

Секция водяного охлаждения (III)

Для потока холодной воды

(ºC),                                                                                            

λ = 0,580 Вт/(м · К); μ = 1,25 · 10^-3 Па · с; ρ = 999,5 кг/м³; С = 4190 Дж/(кг · К); Pr = 9,2.

Для потока молока

(ºC),

λ = 0,5055 Вт/(м · К); μ = 1,15 · 10^-3 Па · с; ρ = 1021,5 кг/м³; С = 3908 Дж/(кг · К); Pr = 9,0

 

  Секция рассольного охлаждения (IV) .

Для потока рассола

t_ср^р = (t_р^н + t_р^к ) / 2 = (-5+8,4) / 2 = 1,7 ⁰C                                                                                        (21)

λ = 0.550 Вт/(м · К); μ = 2.60 · 10^-3 Па · с; ρ = 1173 кг/м³; С = 3330 Дж/(кг · К); Pr = 16.2

Для потока молока

t_ср^молока=(t_ср^р + ∆t_р^охл ) =1,7+14,8 = 16,5 ⁰C                                                                                       (22)

λ = 0.490 Вт/(м · К); μ = 2,10 · 10^-3 Па · с; ρ = 1030 кг/м³; С = 3880 Дж/(кг · К); Pr = 17.2

 

2.5 Расчет коэффициентов теплоотдачи  и теплопередачи

Коэффициенты  теплоотдачи α₁ и α₂ для пластин П – 2

.                                                                                              (23)     

Коэффициенты теплоотдачи в  секциях регенерации тепла и  пастеризации рассчитаем с учётом отложений  на пластинах при коэффициенте использования  поверхности теплообмена φ=0,85, для  секции рассольного охлаждения принимаем  φ=1

,                                                                                                (24)

где δ_ст = 0.00125 м, толщина стенки;

 λ_ст = 15,12 Вт/(м · К), коэффициент теплопроводности материала пластин.

 

 

Секция  регенерации (I)

При нагревании сырого продукта

Вт/(м² · К).

При охлаждении пастеризованного продукта

 Вт/(м² · К)

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м² · К).

 

Секция  пастеризации (II)

При нагревании продукта

Вт/(м² · К).

При охлаждении горячей воды

 Вт/(м² · К).

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м² · К).

 

 

 

 

Секция водяного охлаждения (III)

При охлаждении продукта

Вт/(м² · К).

При нагревании воды

 Вт/(м² · К).

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м² · К).

 

  Секция рассольного охлаждения (IV) .

При охлаждении продукта

Вт/(м² · К).

При нагревании рассола

 Вт/(м² · К).

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м² · К).

 

 

 

2.6 Расчет рабочих поверхностей, числа пластин и числа пакетов.  Компоновка секций в аппарате. Поверочный расчет.

 

 Секция регенерации (I)

Поверхность теплопередачи секции

м²                                                                                       (25)

Число пластин в секции

,                                                                                                              (26)

где f = 0,21 м² – рабочая поверхность пластины.

При числе каналов в пакете m = 3 число пакетов

                                                                                                           (27)

Принимаем компоновку секции с x_рег = 3, m = 3

Компоновка секции

Поверхность теплопередачи:

м²                                                                            (28)

 

Секция пастеризации (II)

Поверхность теплопередачи секции

м²                                                                                        (29)

Число пластин  в секции

                                                                                                                  (30)

При числе  каналов в пакете m = 6 число пакетов в секции со стороны молока

                                                                                                                  (31)

Принимаем x_п = 2.

Число параллельных каналов в пакетах со стороны  горячей воды определим из уравнения  массового расхода:

                                                                                                                 (32)

Отсюда

Компоновка секции: Х_п = 2, m = 6    

Учитываем поправку ε_t в Δt_п на смешанный ток теплоносителя

°С                                                                                          (33)

и уточняем все параметры:

режим движения горячей воды

коэффициент теплоотдачи

 Вт/(м² · К)

коэффициент теплопередачи

Вт/(м² · К)

поверхность теплопередачи

м²

число пластин

,

необходимое число пакетов

Таким образом, целое число пакетов в секции x_п = 2.

Поверхность теплопередачи:

м².

 

 

 

 

 

 

Секция водяного охлаждения (III)

Поверхность теплопередачи секции

м²                                                                        (29)

Число пластин  в секции

                                                                                                                  (30)

При числе  каналов в пакете m = 6 число пакетов в секции со стороны молока

                                                                                                                  (31)

Принимаем x_в = 1.

Число параллельных каналов в пакетах со стороны  холодной воды определим из уравнения массового расхода:

                                                                                                                 (32)

Отсюда

Компоновка секции: Х_в = 1, m = 3    

Учитываем поправку ε_t в Δt_в.охл на смешанный ток теплоносителя

°С                                                                                          (33)

и уточняем параметры:

поверхность теплопередачи

м²

число пластин

,

необходимое число пакетов

Таким образом, целое число пакетов в секции x_в = 1.

Поверхность теплопередачи:

м².

Секция  рассольного охлаждения (IV)

Поверхность теплопередачи секции

м².

Число пластин  в секции

,

Число пакетов в секции со стороны молока

Принимаем x_рох = 2

Число параллельных каналов в пакетах со стороны рассола определим из уравнения массового расхода:

.

Отсюда

Поверхность теплопередачи:

м².

По данным расчетам принимаем следующую компоновку секции аппарата:

секция регенерации 

секция пастеризации

секция водяного охлаждения

секция рассольного охлаждения

Общее число  рабочих пластин

n = 2 · m (x_рег + х_п + х_р) = 2 · 6 (3 + 3 + 6) = 144

 

 

 

 

 

 

 

Компоновка секции аппарата

Секция регенерации (I)

 

 

 

 

 

 

 

Секция пастеризации (II)

 

 

 

 

 

 

Секция водяного охлаждения (III)

 

 

 

 

 

 

 

 

 Секция рассольного  охлаждения (IV) .

 

 

 

 

 

Поверочный расчет

Секция пастеризации (I)

 

Первый пакет. Схема движения прямоток

Поверхность пакета F¹ = 2 · m · f = 2 · 3 · 0.20 =1,2 м²

Для горячей воды

δt₁= (t_гв^н – t_пр²) · П                                                                                                                                (40)

W₁ / W₂ = 2,22*4190/0,556*3854=4,34  ; K · F¹ / W₁ = 0,246

П = 1 – e^{-(1 + W1 / W2) · (K · F1 / W1)} / 1 + W₁ / W₂ = 0.137

δt₁ = (76 – 55.97) · 0.177 = 3.54 ⁰С

Температура горячей воды на выходе из первого пакета:

t_гв¹ = t_гв^н - δt₁ = 76 – 2,05 = 76,95 ⁰С

Для молока

δt₂ = (t_гв^н – t_пр²) (W₁ / W₂) · П = (79 – 64,03) · 4,34 · 0.137 = 8,9 ⁰C

Для молока на выходе из первого пакета

t_пр¹ = t_пр + δt₂ = 64,03 + 8,9 = 72,93 ⁰С

 

Второй пакет. Схема движения противоток.

Для горячей воды изменение температуры  – δt₁

δt₁=(t_гв^н – t₁) ·Z=(79–72,93)·0.144=0,874⁰C                                                                                          (34)

где Z – функция

W₁ / W₂ = 4,34

K_п · F¹ / W₁ = 0.246                                                                       (35)

Z =1 – e^{-(1 – W1 / W2) · (K · F1 / W1)} / 1 – W₁ / W₂ · e^{-(1 – W1 / W2) · (K · F1 / W1)}=0,144                                        (36)