На нашем интернет портале море информации по пищевой
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
Для определения коэффициента a при конденсации чистого насыщенного пара на поверхности вертикальной стенки (трубы) и ламинарном стекании пленки конденсата, можно применить следующую формулу:
Для определения а при конденсации пара на горизонтальной поверхности (наружной поверхности горизонтальной трубы) рекомендуется формула
(**)
Формула (**) в полной мере отвечает условиям конденсации пара на трубах верхнего ряда, так как в пучке нижерасположенных труб слой конденсата утолщается в результате стекания его с труб, расположенных выше.
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб рассчитывают с поправкой на коэффициент е„, зависящий от числа труб в каждом ряду, а также от схемы их расположения в пучке.
При расчете трубчатого змеевикового теплообменника коэффициент теплоотдачи может быть определен только приближенно, так как конфигурация поверхности змеевика точно не соответствует конфигурации поверхностей, для которых справедливы формулы (**) и (*).
Формула (32) более подходит для определения коэффициента теплоотдачи при горизонтальной ориентации змеевика. В этом случае геометрический размер I определяется как половина длины одного витка. В случае вертикальной ориентации змеевика следует пользоваться формулой (**).
При работе стерилизационной установки на поверхности, соприкасающейся с нагреваемым молоком, откладывается осадок, который влияет на теплообмен. Интенсивность его отложения зависит от многих причин, главными из которых являются состав молока, его состояние и температура нагревания.
Действительно, в секции стерилизации, где температура нагревания наибольшая, происходит интенсивное образование осадка (пригара). При стерилизации молока с повышенной загрязненностью или повышенной кислотностью наблюдается еще более интенсивное образование пригара.
Физическая природа процесса образования пригара сложная, так как отложения, образующиеся при нагревании такой среды, как молоко, являются результатом определенных трансформаций как органических, так и неорганических компонентов молока.
Подобные трансформации влекут за собой нежелательные последствия, выражающиеся в ухудшении работы аппарата и в ухудшении качества стерилизованного молока.
Исходные начала этих явлений следует искать в изменении состояния нетермоустойчивых компонентов молока под влиянием температуры. Наиболее чувствительными к действию тепла являются сывороточные белки, денатурация которых начинается уже при 60° С. Частично денатурированный белок осаждается на горячих поверхностях теплообменника и вместе с другими, изменяющими свое состояние при нагревании веществами образует пригар, структура и прочность сцепления которого с поверхностью теплообменника зависит от интенсивности нагрева.
С другой стороны, денатурированный сывороточный белок, неуспевший осесть на поверхностях теплообменника, вступает в соединение с казеином и образует в стерилизованном молоке, по истечении определенного периода хранения гель. Такое молоко не может считаться годным к употреблению.
Исследования, проведенные Бономи и составляющие главным образом научное обоснование технических усовершенствований конструкции стерилизационной установки «Стериплак» фирмы «Сорди» (Италия), показали, что в стерилизованном молоке, вырабатываемом по способу фирмы,, оказывается в 14—31 раз меньше осадка, чем в стерилизованном молоке, вырабатываемом на установках других конструкций. Это значит, что сроки хранения этого молока могут быть увеличены.
Суть эксперимента состояла в определении эффективности действия устройств для осаждения денатурированного сывороточного белка после нагревания молока в секциях регенерации (см. описание установки «Стериплак»), Таким образом, фирма «Сорди» предлагает извлекать из молока в процессе стерилизации денатурировавший сывороточный белок, что приведет к уменьшению образования пригара в секции стерилизации и к уменьшению количества осадка в стеоилизованном молоке.
Изучая причины образования пригара в пастеризационных установках, Шилер в 1969 г. разработал схему, в которой предусматривался ступенчатый нагрев молока с промежуточной выдержкой при 65—85° С, что значительно- снижает количество пригара в секции пастеризации.
Подобные мероприятия улучшают работу установок, но не ликвидируют- полностью образование пригара в секции нагрева молока до высоких температур при пастеризации н особенно при стерилизации.
Образующийся слой пригара обладает термическим сопротивлением, которое необходимо учитывать при проектировании аппаратов. Для определения величины термического сопротивления пригара при высокотемпературной пастеризации может быть рекомендована формула Шилера
Подобным образом можно установить величину термического сопротивления слоя пригара в стерилизационной установке. Для этого необходимо получить экспериментальным путем данные о количестве отложений за период работы аппарата.
С другой стороны, величину термического сопротивления пригара можно выразить следующим образом:
Увеличение термического сопротивления неизбежно влечет за собой уменьшение теплового потока, проникающего через стенку к жидкости. Таким образом, эффективность теплопередачи, выражаемая общим коэффициентом теплопередачи, снижается.
Уменьшение величины общего коэффициента теплопередачи можно
представить наглядно, путем графического выражения функций 
и 2.
Определив для конкретного случая значения коэффициентов
теплоотдачи от греющей среды к стенке a1, от стенки к нагреваемой
среде а2 и термическое сопротивление стенки
,
графически выражаются вышеуказанные функции по вычисленным значениям К с помощью формулы выше.
Графическую интерпретацию первой функции можно получить, если задать определенное и
единственное значение теплопроводности, а для толщины слоя как аргумента задать
ряд произвольных значений, считая, что толщина слоя пригара увеличивается во
времени от 0 до ? макс.
Изменение толщины слоя пригара выражено следующим рядом значений ?пр=0; 1; 2; 3; 4; ... мм.
Увеличение толщины пригара уменьшает живое сечение канала, что влечет за собой увеличение скорости движения потока при постоянном расходе, изменение средней определяющей температуры и, следовательно, изменение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости а2.
Учет всех этих изменений усложняет расчет, который в упрощенном виде можно выполнить, если принять среднюю скорость движения потока в канале не изменяющейся во времени. Тогда а2 с определенными допущениями также можно считать величиной, постоянной во времени.
Графическое выражение второй функции в общем виде (рис. 4,б) получено по аналогии при ?пр= const и ? ?const.
Полученные подобным образом графические зависимости хотя и носят приближенный характер, но выражают в общем виде закономерность изменения функции, когда изменение аргумента заранее представлено условно выбранными числовыми значениями.
Рис. 4. Изменения коэффициента теплопередачи: а — в зависимости от толщины изменения осадка; б — в зависимости от изменения теплопроводности.
Истинные же закономерности должны быть значительно сложнее, так как сам по себе аргумент есть функция многих переменных, влияющих на процесс образования пригара. Этот процесс характеризуется как количественно, так и качественно. Количественная сторона процесса представляется скоростью образования слоя пригара на теплопередающей поверхности, в то время как структурная композиция пригара отражает качественную сторону.
Как количественные, так и качественные превращения протекают в зависимости от многочисленных факторов, которые можно объединить в две группы.
К первой группе относятся факторы процессового характера, такие, как температурный режим, режим движения нагреваемой жидкости.
Вторая группа объединяет все то, что составляет физическую сущность молока как сложной многокомпонентной, полидисперсной системы.
Вот почему проблема образования пригара при тепловой обработке молока является очень сложной и в настоящее время она не имеет окончательного решения.
Однако в этом направлении предпринимаются определенные усилия, выражающиеся в изучении причин, порождающих образование пригара, и в поисках способов, предотвращающих это явление.
Очевидно, структура образующегося пригара для разных частей теплообменника будет неодинакова. Наивысшие температуры при стерилизации способны не только интенсифицировать процесс образования пригара при прочих равных условиях, но и изменить его структуру, т. е. свойства, определяющие теплопроводность.
Если процесс изменения толщины слоя пригара как функция причин, вызывающих это явление, изучен недостаточно, то и теплопроводность вещества, из которого состоит пригар, в зависимости от условий образования этого вещества хорошо неизучена.
Если представить, что теплопроводность вещества пригара может быть различной, то закономерность изменения коэффициента теплопередачи как функция теплопроводности может быть выражена графически и аналитически.
Каким образом изменяется теплопроводность пригара, образующегося при различных условиях, исчерпывающих сведений в научной и технической литературе нет. Этот вопрос нуждается в дополнительном изучении, поскольку образование пригара на теплообменных поверхностях стерилизационных установок, особенно в секции стерилизации, вызывает ощутимые осложнения при их эксплуатации.
Активное действие температуры на образование пригара проявляется в интервале 85—140° С и выше. С увеличением температуры по ходу продвижения стерилизуемого молока в канале аппарата влажность оседающего вещества уменьшается. По данным исследований фирмы АРУ (Англия), среднее содержание влаги в осадке, образовавшемся при температуре нагревания 85° С, больше, чем в осадке (пригаре), образовавшемся при нагревании до 135° С.
Влажность осадка составляет 65% при нагревании до 85° С и 51% при нагревании до 135° С. Сухой остаток в первом случае состоит из 58% белка, 27% жира, 12% золы, 3% кальция, 2% фосфора; во втором случае — из 22% белка, 13% жира, 59% золы, 17% кальция, 11% фосфора.
Если учесть то обстоятельство, что сила сцепления отложения с поверхностью металла зависит от содержания золы в нем, то образование твердого и прочно сцепленного с поверхностью теплообмена секции стерилизации пригара объяснимо с помощью приведенных данных.
Изучение состава пригара, его структуры и взаимодействия поверхностью, на которой он откладывается, необходимо прежде всего потому, что полученные данные открывают путь к разработке способов и приемов удаления его с теплопередающей поверхности.
Это мероприятие, относящееся к категории эксплуатационных мер по борьбе с пригаром, предписывает периодическое снятие пригара с поверхности теплообменника. Современные способы циркуляционной мойки аппаратов позволяют это выполнить с помощью химических моющих растворов.
Продолжительность непрерывной работы аппарата определяется интенсивностью образования пригара, а это зависит в •большой степени от состояния исходного молока. Падение температуры стерилизации является первым признаком образования пригара. Аппарат необходимо останавливать для удаления пригара, когда падение температуры стерилизации нельзя компенсировать увеличением температурного напора, т. е. повышением давления греющего пара.
Изучение состава и структуры пригара также позволяет научно обосновать данные по его теплопроводности. В настоящее время численные значения теплопроводности пригара, образующегося при стерилизации молока, отсутствуют. Данные по теплопроводности пригара при других видах тепловой обработки молока можно применять с оговорками, так как они не в полной мере удовлетворяют конкретный расчет и определение поверхности теплопередачи теплообменника будет носить приближенный характер.
Например, при расчете поверхности теплопередачи рекомендуется вводить поправочный коэффициент, учитывающий образование пригара.
Подобный прием в определенной степени оправдывает себя при расчете теплообменника, применяемого для нагревания жидкости, не имеющей столь сложную структуру, как молоко.
При нагревании молока ошибочный выбор поправочного коэффициента или завышение значения термического сопротивления пригара необоснованно увеличивает рассчитываемую поверхность теплопередачи. Это значит, что в начальный период теплообменника стерилизуемое молоко будет получать избыточное тепло. С точки зрения подавления жизнедеятельности микроорганизмов надежность работы аппарата увеличится, но качество стерилизуемого продукта от этого будет ухудшаться.
Образование пригара при тепловой обработке молока является сопутствующим и неизбежным явлением, которое парализует работу аппаратов главным образом поверхностного типа. В пароконтактных аппаратах на рабочих поверхностях нагревателя пригар не образуется, и эти явления несущественны с точки зрения ухудшения теплообмена, но качество стерилизованного молока может быть ухудшенным, так как денатурированный сывороточный белок в основном окажется в стерилизованном молоке.
