Однокорпусные вакуум-аппараты и их расчет

Для получения продукта высокого качества, который имел бы натуральные цвет, вкус, аромат и в котором сохранились бы витамины, концентрирование проводят в вакуум-аппаратах при температурах кипения ниже 100°С и давлении меньше атмосферного. Наиболее простыми являются одно корпусные вакуум-аппараты. Для создания вакуума и поддержания его во время работы аппарата применяют конденсатор и вакуум-насос.

В однокорпусных вакуум-аппаратах раствор концентрируется в одном корпусе, а вторичные пары направляются в конденсатор. Воздух из вторичных паров отсасывается вакуум-насосом. В многокорпусных вакуум-аппаратах продукт последовательно концентрируется в нескольких корпусах, а вторичные пары используются в последующих корпусах.

Корпус вакуум-аппарата в большинстве случаев имеет цилиндрическую или шаровидную форму, являющуюся наиболее устойчивой в отношении внешнего избыточного давления. Для аппаратов с цилиндрическим корпусом верхний колпак и днище чаще всего делают конической или сферической формы. Производительность аппарата зависит от режима его работы и вместимости корпуса. При работе по принципу непрерывного долива вместимость корпуса может быть минимальной и зависит от полезного объема. Для обеспечения интенсивного теплообмена вместимость корпуса делают такой, чтобы отношение площади поверхности нагрева к полезному объему (постоянный объем, занимаемый массой в вакуум-аппарате) было бы как можно большим.

Корпус вакуум-аппарата выполняют из стали. Наиболее устойчивой против органических кислот, содержащихся в пищевых продуктах, является нержавеющая сталь марок 1Х18Н9, 2Х18Н9 (хромоникелевая) и 1Х18Н9Т (хромоникелевая с титаном). При применении стали других марок обязательно защитное покрытие.

Конструкции нагревательных камер в вакуум-аппаратах обусловлены свойствами выпариваемых продуктов, режимом работы и площадью поверхности нагрева. Густые и вязкие продукты выпаривают в аппаратах с двухстенной нагревательной камерой, в которых продукты удобно перемешивать механическими мешалками. Если необходима развитая поверхность нагрева (например, при малой разности температур), применяют трубчатую нагревательную камеру, расположенную внутри корпуса аппарата или вынесенную за его пределы.

Пар целесообразно подводить в нагревательную камеру в нескольких местах, так как при этом обеспечивается равномерное нагревание продукта по всему сечению аппарата и создаются лучшие условия для стекания конденсата. Неконденсирующиеся газы отводят из нагревательной камеры в двух-трех местах по ее высоте.

Скопление газов, вероятнее всего, возможно в местах отвода конденсата, где нет движения пара.

Унос частиц продукта из корпуса аппарата может быть предотвращен при большом объеме надсокового пространства главным образом благодаря высоте корпуса; при установке ловушек-каплеуловителей, в которых резко изменяются направление и скорость движения вторичного пара с частицами продукта.

Пластинчатый вакуум-аппарат включает в себя пластинчатый теплообменник и сепаратор для отделения пара. Нагревательная камера выпарного аппарата с пластинчатой поверхностью нагрева состоит из пластин толщиной около 1 мм, изготовленных из нержавеющей стали. Когда пластины сжаты, то благодаря прокладкам из отверстий в пластинах образуются круглые герметичные сквозные каналы; при этом между пластинами образуются плоские каналы (полости) с гофрированными стенками.

Из одного круглого канала через небольшие щели в прокладке продукт поступает в плоские каналы между пластинами. Из другого круглого канала в смежные полости движется теплоноситель. С противоположного конца пластины продукт и теплоноситель переходят в выходные круглые каналы. Таким образом, с одной стороны каждой пластины движется продукт, а с другой (в противоположном направлении) — теплоноситель. Протекая тонким слоем в полости между двумя пластинами, продукт подвергается двухстороннему интенсивному нагреву до кипения. Кипящий продукт с большой скоростью поступает в сепаратор. Вторичные пары затем направляются в конденсатор, а концентрированный продукт из пароотделителя откачивается насосом.

Преимущества пластинчатой поверхности нагрева по сравнению с другими конструкциями нагревательных камер следующие:

высокие коэффициенты теплопередачи из-за перемещения продукта тонким слоем (примерно 2...4 мм) и с большой скоростью (1...3 м/с);

незначительное время соприкосновения продукта с горячей поверхностью нагрева, что очень важно для термочувствительных продуктов;

возможность изменения размера поверхности нагрева;

компактность и небольшая занимаемая площадь;

легкость осмотра, разборки, мойки и очистки поверхности нагрева от нагара.

Тепловой расчет однокорпусного вакуум-аппарата выполняют следующим образом. При работе однокорпусного вакуум-аппарата тепловая энергия затрачивается на следующие статьи.

1. Теплота, расходуемая на нагрев загружаемого продукта, как первоначального, так и доливаемого (Дж),

Во время выпаривания коэффициент теплопередачи К и полезная разность температур t остаются постоянными только при непрерывной варке, неизменном давлении греющего пара и постоянном вакууме в аппарате. Во всех остальных случаях эти величины изменяются (чаще всего уменьшаются) из-за повышения концентрации продукта, снижения интенсивности циркуляции, температурной депрессии и т. п.

При расчетах пользуются средним коэффициентом теплопередачи, полученным опытным путем.

В процессе выпаривания при непрерывном повышении концентрации продукта полезная разность температур t уменьшается из-за температурной депрессии. С достаточной для практических целей точностью можно считать, что при любом разрежении температурная депрессия будет такой же, как и при атмосферном давлении.

Так как температурная депрессия есть функция концентрации, то в расчетах необходимо принимать температурную депрессию (или температуру кипения среды) при средней концентрации.

Основные конструктивные расчеты вакуум- аппаратов выполняют следующим образом.

Вместимость аппарата (м³)

В выпарных аппаратах с двухстенной нагревательной камерой объем увариваемого продукта должен быть равен вместимости чаши или быть больше нее. В противном случае часть поверхности нагрева будет оголена, что приведет к снижению производительности аппарата и образованию нагара.

Из теплового расчета находят площадь поверхности нагрева F, затем задаются высотой цилиндрической части поверхности нагрева hl и выбирают отношение между радиусом чаши а и высотой сферического сегмента h; обычно a=h...2h. Из уравнения

 Размеры парового пространства над раствором устанавливают в зависимости от необходимой степени выделения из вторичного пара капель концентрируемого продукта. Количество частиц продукта, уносимых вторичным паром, зависит от высоты подъема их над уровнем жидкости. Высота подъема частиц обусловливается скоростью движения вторичных паров, поверхностным натяжением и вязкостью продукта, а также размером частиц, образующихся при кипении продукта.

Высота и диаметр аппарата зависят от условий концентрирования продукта и конструктивных особенностей. При определении высоты и диаметра аппарата учитывают объем продукта, конструкцию нагревательной камеры, объем парового пространства над раствором и высоту подъема частиц продукта. Отношение высоты парового пространства к общей высоте корпуса не должно быть менее 1:2, при этом предотвращается выбрасывание в паропровод вспенивающегося, бурно кипящего продукта.