CC BY
16
637.023:66.011
Срошенко С.1. ©
Технолог1чний Iнститут молока та м 'яса, м. Кит.
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОБОТИ СКРЕБКОВО-ПЛАСТИНЧАСТОГО ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПАСТЕРИЗАТОРА
Дослгджено вплив швидкостг руху робочих оргатв пластинчастого скребкового пастеризатора на ¡нтенсивтсть нагр1вання ргдин з р1зними теплоф1зичними властивостями та законом1рност1 витрат потужност1 на обертання робочих оргашв пластинчастого скребкового пастеризатора. Отримано критер1альт залежност1 ¡нтенсивност1 тепловгддачг та витрат енергп в1д режиму руху потоку для практичного застосування в ¡нженерних розрахунках.
Ключовi слова: високотемпературний пастеризатор, ¡нтенсифжащя, коефщент тепловгддачг, турбул1защя, моделювання.
Вступ. Обладнання для теплово! обробки вершив та молочно-рослинних жирових сумшей е важливою частиною комплексних лшш для виробництва рiзних видiв масла, спредiв та сметани. Пастеризацшне обладнання, в основному, базуеться на трубчастих та пластинчастих теплообмшних апаратах, яю можуть забезпечити температуру пастеризаци 90-97°С. Проте, в умовах незадовшьного стану сировинно! бази таю режими не спроможш забезпечити надежно! якост продукту та вимог ефективност пастеризаци i потребують застосування бiльш штенсивно! теплово! обробки. Одночасно, у виробнищв масла та сметани пастеризащя вихiдних 30-35% вершюв, окрiм дi!' на мiкрофлору, е також важливим фактором формування смакових та ароматичних показниюв готового продукту за рахунок iнактивацi! небажаних ферменив, збiльшення кiлькостi сульфгiдрильних груп та летючих жирних кислот. Тому у маслоробних процесах виявляеться доцiльним та бажаним застосування тдвищених (105-115°С) температур пастеризаци вершюв.
Важливим фактором, що формуе яюсть готового продукту, е техшчний рiвень засобiв виробництва та ввдповвдшсть !х технологiчному процесу. Так, застосування найбшьш поширених у виробництвi пластинчастих та трубчастих пастеризаторiв ускладнюеться утворенням шару пригару на теплообмшнш поверхнi, який стае причиною зниження !х продуктивностi та зростання гiдравлiчного опору. Проблема збiльшуеться з тдвищенням температури нагрiвання та в'язкостi продукту. В'язюсть 30% вершкiв при температурi 100°С перевищуе в'язкiсть молока у бшьш нiж 4 рази, а в'язюсть рослинно-молочних жирових сумшей - у 10 та бшьше разiв. Це приводить до значного уповшьнення швидкостi руху потоку, збшьшення тривадостi нагрiвання i бiльш iнтенсивного утворення вiдкдадень. В комплект теплообмiнного обладнання
© брошенко С.1., 2009
221
секщя пастеризацп мае найкоротший цикл роботи та потребуе найбшьших затрат часу на очищення теплообмшно1 поверхнi.
Для штенсифшаци теплообмiну та забезпечення стабшьно1 i ефективно1 пастеризацп вершкiв та подiбних рщин з пiдвищеною в'язкiстю та вмштом бiлку фахiвцями Т1ММ УААН розроблена модель високотемпературного скребково-пластинчастого пастеризатора. Розвинена поверхня теплообмiну та можливiсть постшного оновлення пристiнного шару продукту скребками, що обертаються, вiдкривають додатковi можливост для штенсифшаци теплово! обробки продукту. Проте узагальнеш залежностi мiж параметрами процесу в пластинчастих скребкових пастеризаторах вщсутш.
З метою науково обгрунтованого конструювання таких апаратiв в Т1ММ проведенi дослiдження процесiв теплообмiну та гщродинамжи при нагрiваннi в'язких рщин.
Матер1али i методи Аналiтичне визначення коефiцiентiв тепловiддачi ускладнюеться залежнiстю вщ гiдромеханiчних та теплових умов руху дестабiлiзованого потоку. Тому вирiшення задачi досягаеться експериментально - моделюванням процесу та застосуванням теорп подiбностi i законiв, встановлених фундаментальною наукою, - що дозволяе отримати розрахунковi рiвняння у формi критерiальних залежностей.
В дослщженнях застосовувався метод локального теплового моделювання процесу теплообмiну з безпосередшм вимiрюванням температури теплообмшно1 стiнки. Для цього була змонтована та налагоджена лабораторна установка, обладнана приладами для регулювання швидкостi обертання валу n iз скребками вiд 20 до 300 об/хв., вимiрювання величини кружного моменту Ткр на робочому валу апарата, початково! t' i кшцево! t" температур продукту, початково! ^тн i юнцево1 t"тн температур теплоноая, iнтегральних температур стiнок t1ст i t2ст та тиску подачi пари Рп у випадку застосування парового теплоноая. У якостi модельних рщин використовувався глщерин та його водний розчин. В контрольних дослiдах використовувалося вiдновлене молоко. Всi вимiрювання виконували пiсля встановлення усталеного теплового режиму, що характеризуеться незмшними значеннями параметрiв. Значення Рейнольдса змiнювались в межах 400^116400, критерiй Прандтля - в межах 40^3000.
Основним параметром пастеризатора е розмiри поверхнi теплообмiну, тобто ll площа F, яка визначаеться з сумюного розв'язку основного рiвняння теплопередачi та рiвняння теплового балансу. Здатшсть поверхнi передавати тепло характеризуеться коефщентом теплопередачi k, значення якого в заданому тепловому режимi визначаються найменшим з коефiцiентiв тепловiддачi, що входять до його складу. Тому для скребкового пастеризатора вивчення процесу теплообмiну полягае, в основному, у визначенш коефщенту тепловiддачi а мiж стiнкою i модельною рiдиною та встановленню його залежностi вiд теплофiзичних властивостей рiдини, режиму руху потоку i геометричних параметрiв апарата.
Визначення коефщента тепловiддачi мiж стiнкою та модельною рщиною а здiйснювaлося за методом усталеного теплового потоку з
222
використанням закону Ньютона^хмана: а = q/(tст-tp) (Вт/м2К), де q - питомий тепловий потж за даними дослщу без урахування енергп на туpбулiзацiю потоку, - середня температура стiнки, ^ - середня температура модельно1 рщини.
Результати дослщження Вiдомо, що мiж гiдpодинамiчними i тепловими кpитеpiями в процес теплообмiну iснуe функцiональна залежшсть у виглядi Nu=f(Re, Рг, Gr, Fo, Г), в котpiй враховаш фактори вимушеного руху piдини, И фiзичнi властивостi, визначальнi pозмipи системи, температура середовища, вплив вшьно1 конвекци. Для даного експерименту, виконаного на pеальнiй пластинi в умовах вимушено! конвекци, тепловiддача в однофазному сеpедовищi обмежуеться суттевим впливом лише двох критерив i мае вигляд функци Nu=f(Re,Pг). Закон тепловiддачi в цьому випадку описуеться кpитеpiальною залежнiстю
Nu=ARemPгn(Pг/Pгст)p . Критери подiбностi у piвняннi визначалися при сеpеднiй темпеpатуpi потоку за формулами № = аЬпр/^; Рг = р/с/А.
За визначальний геометричний pозмip Ьпр прийнято товщину потоку продукту в мiжпластинному канала
Умови гiдpодинамiчноl подiбностi пpоцесiв у дослщнш моделi з реальними конструктивними елементами забезпечувались широким дiапазоном значень критерш Рейнольдса, який визначався з формули
Re = рп^2екв/р, де п - швидкiсть обертання хрестовини з скребками, с-1 р,р - вщповщно динамiчна в'язкiсть (Пас) та густина (кг/м3), визначалися експериментально для кожного до^ду.
dекв- визначальний дiаметp обертання туpбулiзуючих оpганiв, м. В результат графоанал^ично1 обробки даних встановлено, що штенсившсть теплообмiну змiнюеться в певних гiдpодинамiчних умовах, що характеризуются значеннями кpитеpiю Рейнольдса Reкp =1800^2400.
Для ламiнаpного руху потоку при 170^е^екр закономipнiсть тепловiддачi мае вигляд
Nu=0,06Re0,5 Рг0,43(Рг/Ргст)0,25 i в цiлому узгоджуеться за ступенем впливу piвня туpбулiзацil з результатами дослiджень шших автоpiв [1,2].
Для умов турбулентного руху при Reкp<Re<200000 нахил прямо1 зростае i закономipнiсть тепловiддачi описуеться piвнянням
Nu=0,03Re0,65 Рг0,43(Рг/Ргст)0,25, що свщчить про зростання iнтенсивностi тепловiддачi.
Одним iз найважливiших iнтегpальних показникiв технолопчного процесу теплово1 обробки, залежних вщ конструкци апарату i робочих оргашв та фiзико-хiмiчних властивостей речовини, е енерпя, яка витрачаеться на туpбулiзацiю потоку. Дослiдження закономipностей затрат мехашчно1 енерги виконували одночасно з дослщженням теплообмiну.
Загальна спожита потужисть на робочому валу апарата витрачаеться на подолання
223
опору привода апарата ^х та на обертання валу зi скребками N i розраховуеться за вимiряними значеннями моменту опору Ткр(Нм) за формулою
N = ^^ (Вт). . 30
Основна кшьюсть енергi! в апаратi Nм витрачаеться на видалення нагрiтого пристiнного шару рщини скребками та перемiшування його з основним потоком i визначаеться з виразу Nм=N - N5«, (Вт) .
Якщо в замкненiй системi знехтувати незначним впливом сили тяжшня g, то величину потужноси, спрямовану на турбулiзацiю, можна подати в загальному виглядi як функцiю Nм =Дп^екв,р,,р). Вщповщно до методу теорi! розмiрностей, дана залежшсть перетворюеться у рiвняння
N
Р П^екв'
= В
Р nd,
або в критерiадьному виглядi Еим=В^е-к, де величини В i к е постшними для дано! конструкцi! i визначаються експериментально.
За результатами математично! обробки дослщних даних для одного турбулiзатора, оснащеного вiсьмома скребками, встановлено, що в областi ламiнарного руху потоку, для значень 130<Re<Reкр, витрати потужност на перемiшування описуються рiвнянням Еим = 2400 Re-0,97.
При зростанш рiвня турбулiзацi! вплив числа Re зменшуеться, i усереднена формула для розрахунку потужностi в межах значень Reкр<Re<220000 мае вигляд Еим = 6,5 Re-0,28.
Також було дослщжено вплив фiзичних властивостей рiдини на
величину критерш Рейнольдса. Для цього в широкому дiапазонi змiнювади температуру на входi та виходi апарату. Дослiди виконували при постiйнiй швидкост поступального руху потоку. В обох дослщах виявлений однаковий ступiнь залежност функцi! Re=f(Pr), яка анадiтично виражаеться формулою Re=15200 п Рг-0,97.
За результатами
дослщжень розроблена
методика розрахунку та виготовлений скребково-
пластинчастий пастеризатор. Основою апарата (Рис.1) е за^плений на рамi 1 за продуктових 3 та здвоених
Вершки
Рис.1 Скребковий пластинчастий високотемпературний пастеризатор
допомогою штанг 2 пакет порожнистих
к
224
теплообмшних 4 пластин, що чергуються мiж собою. Теплообмшш пластини забезпечеш периферiйними отворами для проходження продукту, системою подачi пари та вщведення конденсату. У порожниш продуктових пластин розташованi хрестовини 3i скребками 5, якi призначенi для очищення теплообмшно1 стiнки та турбулiзащl потоку. Сила притискання скребкiв до поверхш теплопередачi створюеться постiйно наб^аючим потоком вершкiв. Хрестовини розташованi на валу 6, що проходить ^зь пакет пластин. Обертання валу з хрестовинами здшснюеться вщ приводу 7, встановленого на рамi апарата.
Техшчне рiшення скребково-пластинчастого пастеризатора поеднуе основш переваги пластинчастих та скребкових теплообмшних апаратсв: конструктивну простоту, компактнiсть, запоб^ання утворенню пригару, здiйснення безрозбiрноl мийки та забезпечуе ефективну тонкошарову обробку продукту при високiй турбулентностi потоку [3]. Перевiрка апарату в промислових умовах у процесi пастеризаци молочно-рослинно! жирово! сумiшi пiдтвердила вiрнiсть отриманих результат.
Висновки.
Отриманi критерiальнi залежност для визначення енергетичних витрат та штенсивност тепловiддачi вiд швидкостi руху робочих органiв при нагрiваннi в'язких рiдин. Результати використанi для виготовлення установок високотемпературно! пастеризаци вершкiв та молочно-жирових сумiшей Я5-ОВП продуктившстю 1200 та 2500 кг/год.
Лггература
1. Виноградов А.А. Исследование работы пластинчатого охладителя скребкового типа//Молочная промышленность.- 1971.- №7- C.15-17.
2. Ересько Г.А. Научное обоснование и разработка оборудования производства масла: Автореф. дис. д.техн.наук:05.08.12/ Моск.технол.ин-т мясной и мол.пром.-М., 1987.-35с.
3. Патент 19630 U Украша МПК F28D11/00 F28C3/00. Теплообмшний аппарат/ Сресько Г.А., Срошенко С.1., Кимачинський С.1.- Заявл. 17.07.2006; 0публ.15.12.2006 , Бюл. №12.
Summury
Researches of influence of speed rotation of working heads of plate scraper pasteurizer on intensity of heating of liquids with different thermal properties were carried out. Patterns of consume power to rotate working heads of plate scraper pasteurizer were investigated at heating of viscous liquids. Empirical dependences of convective heat transfer, thermal properties, expend of energy and mode motion of flow were obtained for practical application in technical calculations.
Стаття надшшла до редакцИ 21.09.2009
225
