CC BY
32
УДК 637.523:664.315
Анализ теплообмена скребковых охладителей для пищевых производств
Д-р техн. наук, проф. Б.А.РОГОВ Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Analysis of the exchangeprocess for scraped-surface coolers is described. A methodological approach to the solution of engineering problems on the determination of heat transfer coefficients for cooling of the fat-containing emulsions in scraped surface coolers is given.
Во многих отраслях пищевой промышленности широкое распространение получили цилиндрические скребковые теплообменники непрерывного действия. Они используются для переработки и производства таких продуктов, как масло сливочное и кулинарное, жиры животного и растительного происхождения и их смеси, концентраты сливок, мясные соки и соусы, смеси мороженого, маргарины и другие виды пищевых продуктов. Эти виды оборудования успешно применяются в процессах термообработки при производстве рубленой говядины и свинины, куриного и птичьего мяса, а также томатной пасты, шоколада, фармацевтических кремов, воска и пр.
Варианты применения теплообменников с очищаемой поверхностью связаны, как правило, с совмещением процессов интенсивного нагрева или охлаждения (переохлаждения), перемешивания, гомогенизации, кристаллизации перерабатываемого сырья.
В пищевых технологиях используется скребковое оборудование цилиндрического, пластинчатого и шнекового типа. Наиболее широко применяются цилиндрические теплообменники. Они представляют собой устройства типа «труба в трубе» со скребковой (ножевой) мешалкой и различаются по конструктивным параметрам цилиндров (длина и диаметр), количеству цилиндров, мешалок и скребков у мешалок.
Устанавливают теплообменники преимущественно с горизонтальным расположением цилиндров в горизонтальной или вертикальной плоскостях.
В промышленных типах отечественных технологических линий при переработке высокожирных сливок в сливочное масло используются, как правило, маслооб-разователи цилиндрического и пластинчатого вида со скребковыми мешалками. Это цилиндрический масло-образователь марки ТОМ и его модификации (ТОМ-Л, ТОМ-2М, Т1-ОМ-2Т).
На линиях вытапливания жира из мягкого жирового сырья его охлаждают в трехцилиндровом охладителе марки ФОЖ (ФОЖ-Нева, Д5-ФОП). Охладители животных жиров по принципу действия подоб-
ны цилиндрическим маслообразователям ТОМ.
Современные типы скребковых теплообменников имеют общее международное обозначение - SSHE (Scraped-surface heat exchanger).
У зарубежных фирм подобный скребковый теплообменник носит принятые фирмами названия: «Votator», «Chemetator» (Англия), «Perfektor», «Kombinator» (Германия), «Rota-Pro» (США), «Thermutator» (США), «Consistator» (Дания), «Contherm» (Швеция), «Rototherm» (Италия) и др. Процесс теплоотдачи в этих агрегатах протекает в условиях интенсивного охлаждения и перемешивания продукта мешалками скребкового типа.
При исследовании процесса теплообмена в скребковых теплообменниках-охладителях изучали закономерности изменения основных параметров и режимов работы оборудования с учетом влияния теплофизических свойств перерабатываемого продукта.
Скребковые мешалки при перемешивании жировых и жирсодержащих, высоковязких жидкостей обеспечивают высокую интенсивность теплообмена в условиях частичной кристаллизации и прилипания, создают условия для интенсификации процессов гомогенизации дисперсной системы. Этому способствует отсутствие зазора между стенкой цилиндра и скребком (или скребками) мешалки. При вращении скребка происходит удаление охлаждаемых или нагреваемых слоев пограничного слоя с поверхности теплообмена цилиндра и поступление новой массы жидкости к стенке цилиндра. Такой теплоперенос описывается уравнением нестационарной теплопроводности [2]:
Ы 5 2t
8х~абу2 (1)
с граничными условиями:
/ = /ст при^ = 0 и т > О,
/ = /0 при у > О и т = О, где у - расстояние от стенки; t - температура процесса;
tQ , t - температура жидкости в ядре потока и у стенки соответственно;
т - время;
а - коэффициент температуропроводности. Решение уравнения (1)' с граничными условиями может быть представлено так:
*-Р<Чд
(2)
(5)
а = —г=
%/тс У
где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К);
Тср - среднее время контакта элемента продукта с поверхностью теплообмена, с;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); суд- удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3.
Величина тср представляет собой промежуток времени между двумя последовательными прохождениями скребков через данную точку поверхности:
хсР = 1/^Л (3)
где п - частота вращения скребков, с ]; тп - количество скребков, шт.
Тогда
2 _______
а = ^']рс'‘Хт ■ (4)
Тепловой поток (), передаваемый через стенку аппарата со скребковой мешалкой,
£> = ~т=^рсуМ;:Р(10-‘сг),
\1п
где Р - поверхность теплообмена.
Таким образом, анализ процесса теплообмена в агрегатах со скребковыми мешалками показал, что коэффициент теплоотдачи зависит от следующих параметров:
« = АКсул,р,п,г). (6)
В результате решения уравнения стационарной теплопроводности Фурье для описания конвективного переноса тепла в процессах нагрева (охлаждения) высоковязких жидкостей для скребковых теплообменников получены уравнение подобия для расчета теплоотдачи от очищаемой скребками поверхности:
N11 = 1,13 11е 05 Рг0 5 (7)
и расчет теплоотдачи от очищаемой скребками поверхности вида:
а = А(к,суд,р,п,г)°\ (8)
где N11,11е, Рг - соответственно критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля;
А - коэффициент пропорциональности (равен 1,13).
Реальные значения коэффициента теплоотдачи в скребковых агрегатах отличаются от теоретических значений. В каждом конкретном случае требуется введение поправочных коэффициентов.
Основное отличие конкретного вида уравнения теплообмена (8) состоит в численном определении поправочного коэффициента/ по отношению к коэффициенту пропорциональности А, который зависит от усло-
вий использования и типа оборудования (для нагревания или охлаждения, вида теплообменника, характеристик сырья), т.е.
а = А(Хсулр п г)05/, (9)
где /— поправочный коэффициент.
Таким образом, введенная поправка, как показывают экспериментальные данные, отражает влияние производительности агрегата, частоты вращения скребковой мешалки, вязкости рабочей среды, числа скребков и размеров кольцевого канала. Значение поправочного коэффициента может быть определено по эмпирической формуле вида [3]:
/=Д7Ч0-2, (10)
где ДГ=/н-/к;
/н и /к - температуры начала и окончания процесса термообработки.
При возрастании вязкостных свойств рабочего вещества и уменьшении производительности исследуемого агрегата отмечается тенденция снижения поправочного коэффициента.
Экспериментальное подтверждение для выбора поправочного коэффициента было также получено при переохлаждении эмульсий (40 - 82 % жирности) для установившегося состояния процесса теплоотдачи в теплообменниках различной производительности.
Анализ процесса теплообмена в цилиндрических скребковых теплообменниках показал [3], что для расчета коэффициента теплоотдачи при охлаждении молочно-жировых и жироводных эмульсий (60 - 82 % жирности) может быть использована зависимость (при значении/= 0,3) вида а = 0,34(А, суд р п г)0-5. (11)
Для промышленных агрегатов с частотой вращения скребков 8,5-12 сзначение поправочного коэффициента может доходить до 0,35 - 0,40.
Предложен расчет процесса теплообмена при охлаждении высокожирных сливок в пластинчатом теплообменнике со скребками с учетом поправочного коэффициента [2]:
а = 0,29^Хсу1рпг . (12)
Обобщенный результат экспериментальных данных по процессам теплообмена оборудования со скребковыми мешалками показал [ 1 ], что приближенно коэффициенты теплоотдачи можно рассчитать по уравнению
а = 0,4. (13)
Список литературы
1. Брагинский Л. Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета.-Л.: Химия, 1984.
2. Маслов А.М. Аппараты для термообработки высоковязких жидкостей.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1980.
3. Рогов Б.А. Теплообмен при перемешивании в скребковых пере-охладителях для жировых продуктов /Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: Межвузовский сборник научных трудов,- СПб: СПбГУАХПТ, 1999.
