Оборудование для темперирования и повышения концентрации пищевых сред

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оборудование для темперирования и повышения концентрации пищевых сред



1. Аппараты для нагревания, уваривания и варки пищевых сред

нагревание уваривание пищевой среда

Кожухотрубные подогреватели - кожухотрубные теплообменники изготавливают следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками и температурными компенсаторами; ТП - с плавающей головкой, т.е. одна трубная решетка свободно перемещается; ТУ - с V-образными теплообменными трубками; ТС - с сальником на плавающей головке. В соответствии с существующими стандартами кожухотрубные стальные теплообменники изготавливаются с площадью теплообмена до 2000 м², для работы при давлении до 6,4 МПа при нагревании жидких и газообразных продуктов при температуре -40…+450°C. Кожухотрубные теплообменники могут быть одноходовые и многоходовые как по трубному (до 12 ходов), так и межтрубному (до 12 ходов) пространству. При разности температур сред более 40°C и при значительной длине теплообменных труб на корпусе кожухотрубного теплообменника устанавливают специальные температурные компенсаторы, компенсирующие температурные расширения трубок (теплообменник типа ТН). С этой же целью можно использовать кожухотрубные теплообменники типа ТП, ТУ, ТС.

Кожухотрубный подогреватель (рис. 1) используется для нагревания дробленой томатной массы, пасты, пульпы, фруктового пюре, фруктовых и овощных соков и т.п. Он состоит их двух трубных решеток 1, в которые завальцованы 66 трубок 2 диаметром 34/32 мм и длиной 1986 мм.

Рис. 1. Кожухотрубный подогреватель



Общая площадь поверхности нагрева аппарата составляет около 30 м². Трубные решетки с трубками заключены в металлический кожух 3 цилиндрической формы, с торцов закрытый крышками 4, которые прикреплены к кожуху при помощи откидных болтов. Герметичность соединения обеспечивает уплотняющая прокладка. Между крышкой и трубной решеткой 1 имеются перегородки 5, образующие четыре камеры, которые объединяют один или два пучка трубок. Таким образом, пучки трубок (по 16 в каждом) последовательно соединены между собой. Пар подается в пространство между кожухом и трубками и омывает их снаружи. Конденсат отводится через патрубок 6, расположенный в нижней части кожуха. Давление пара поддерживается на уровне 0,11…0,15 МПа.

Нагреваемый продукт насосом последовательно перекачивается через четыре пучка трубок. Направление движения продукта изменяется благодаря наличию камер в крышках. Путь продукта проходящего через подогреватель, равен длине одной трубки в пучке, умноженной на число ходов.

Реакторы предназначены для перемешивания с подогревом вязких и жидких пищевых продуктов, состоящих из нескольких компонентов. В зависимости от вместительности реакторы изготавливают различных типов.

Рис. 2. Реактор типа ИЗ-2С



Реактор типа ИЗ-2С (рис. 2) имеет две стойки 1, две цапфы 2, паровую рубашку 3, корпус 4, мешалку 5 и электрооборудование. В нижней части паровой рубашки 3 имеется краник для спуска воздуха и конденсата. После заполнения реактора продуктом в рубашку подается пар и начинается процесс перемешивания с подогревом. Мешалка 5 представляет собой вал с лопастями.

Реактор имеет два окна для осмотра внутренней полости, а также люк для периодического осмотра, очистки и ремонта.

Варочные котлы бывают со стационарной и опрокидываемой чашей, открытые (без крышки) и закрытые. При необходимости в открытые варочные котлы помещают специальные переносные мешалки с электроприводом.

На рис. 3 представлена принципиальная схема электрического пищеварочного котла. Полезный объем пищеварочных котлов составляет обычно от 12 до 200 дм³. Внутренний диаметр чаши 500…800 мм; площадь поверхности нагрева 0,23…0,75 м²; давление греющего пара 0,3…0,6 МПа; частота вращения мешалки 35…60 мин^-1.

Пищеварочный котел представляет собой двустенный сосуд I, расположенный в корпусе III, который покрыт кожухом V, изготовленным из листовой эмалированной стали.

Пространство между корпусом и кожухом заполнено теплоизоляционным материалом IV. В нижней части котла смонтирован парогенератор II. Вся конструкция котла крепится на основании VI. Пространство между внутренней и наружной поверхностями сосуда I представляет собой герметичную паровую рубашку.



Рис. 3. Принципиальная схема электрического пищеварочного котла

Для слива содержимого из варочного котла предусмотрен кран 1. Уровень воды в парогенераторе регулируется с помощью крана 7. Парогенератор представляет собой металлический короб, в котором смонтированы электронагреватели (ТЭНы).

Манометр предназначен для измерения в процессе работы давления в паровой рубашке котла. Чаще всего устанавливаются электроконтактные манометры, с помощью которых автоматически поддерживается уровень давления в рубашке котла и осуществляется управление тепловым режимом.

Двойной предохранительный клапан 4 при повышении давления в греющей камере сверх допустимой величины приподнимает клапан над седлом, и избыток пара выходит в атмосферу. В нижней части двойного клапана 4 расположен вакуумный клапан, который открывается под давлением наружного воздуха, когда в рубашке образуется вакуум (давление становится ниже атмосферного). Воздух, проникая через открытый клапан в рубашку, выравнивает давление. Вакуум в рубашке образуется при охлаждении котла в результате конденсации пара, поскольку удельный объем последнего больше удельного объема воды (конденсата).

Воронка 6 предназначена для заполнения парогенератора водой и выпуска воздуха из паровой рубашки в начальный период работы котла (если предохранительный клапан не имеет воздушного клапана). Наполнительная воронка 6 снабжена запорным краном, фильтрующей сеткой и крышкой.

Кран уровня 7 размещается в пароводяной рубашке котла на линии предельно допустимого уровня воды и служит для контроля количества воды в парогенераторе.

Клапан-турбинка 3 предохраняет варочный сосуд от повышения давления сверх допустимого. Если давление превысит допустимое, пар, поступающий в корпус клапана-турбинки 3, ударяет в винтовые канавки шпинделя турбинки, приподнимая его от седла, и приводит во вращательное движение. С внутренней стороны крышки укреплен отражатель, который предотвращает попадание в турбинку мелких частиц продукта при интенсивном кипении содержимого сосуда.

Котел неподвижно крепится к полу (фундаменту), крышка котла зачастую уравновешивается противовесом, позволяющим фиксировать её в любом положении.

Элементы автоматического управления тепловым режимом котла и защиты ТЭНов от «сухого хода», за исключением электроконтактного манометра, смонтированы на щите управления, который устанавливается рядом с котлом.

Электрический варочный котел обычно работает в двух режимах. Первый режим обеспечивает автоматическое отключение пяти из шести ТЭНов от сети при достижении давления верхнего заданного предела и включения их после снижения давления до нижнего предела; второй режим - автоматическое отключение всех ТЭНов от сети после установления в пароводяной рубашке заданного давления.

Все детали котла, соприкасающиеся с продуктами, выполнены из нержавеющих марок стали.

При шарнирном соединении котла со станиной нагретую массу выгружают через борт, поворотом котла вокруг горизонтальной пустотелой оси при помощи маховика. Подвод пара и отвод конденсата в таких котлах может производиться через пустотелые оси. В рубашке таких котлов от пустотелой оси к наинизшей точке опускается трубка, по которой паром выдавливается конденсат.

Варочные котлы используются в общественном питании для приготовления сиропов, колеров, варки круп, мясопродуктов и др.

Определение энергозатрат и производительности. Расход пара D (кг/с) непрерывно действующего подогревателя (например, трубчатого) определяется из уравнения теплового баланса:

или ,

где: Q₁ - расход тепла на нагревание продукта, кВт; Q₂ - потери тепла в окружающую среду, кВт; i, i_K - соответственно энтальпия греющего пара и конденсата, кДж/кг.

Расход тепла на нагревание продукта Q₁ (кВт) находится из уравнения теплопередачи:

,

где: F - площадь поверхности нагрева, м²; K - коэффициент теплопередачи, кВт/(м²·К); ДT - разность температур, К.

Производительность непрерывно действующего подогревателя П (кг/с)

,

где: c - теплоемкость продукта, кДж/(кг·К); T₁ и T₂ - соответственно начальная и конечная температура продукта, К.

Расход пара D (кг/с) подогревателя периодического действия определяется из уравнения теплового баланса:

,

где: Q_общ - общий расход тепла, кДж,

,

где: Q₁ - расход теплоты на нагревание продукта, кДж; Q₂ - потери тепла в окружающую среду, кДж; Q₃ - расход тепла на испарение с поверхности зеркала продукта, кДж; Q₄ - расход теплоты на нагревание аппарата, кДж.

Площадь поверхности нагрева, F (м²):

,

где: ф - продолжительность нагревания, с.

Производительность периодически действующего подогревателя П (кг/с) определяется по объему продукта, перерабатываемого за один цикл

,

где: V - объем продукта в аппарате, м³; с - плотность продукта, кг/м³; ф, ф₁ и ф₂ - соответственно время нагревания, загрузки и разгрузки аппарата, с.

2. Выпарные аппараты и установки

Выпарной аппарат типа ВАГ (рис. 4) представляет собой цилиндрический корпус 3 сварной конструкции, внутри которого установлена греющая камера 4 и сепаратор 1 для улавливания капель выпариваемого продукта. Внизу корпус имеет съемное днище 6, на котором размещены люк и патрубок для спуска 15.

Рис. 4. Выпарной аппарат типа ВАГ

Греющая камера 4 по конструкции аналогична кожухотрубному теплообменнику жесткой конструкции типа ТН с неподвижными трубными решетками.

В циркуляционной трубе 9 паровой камеры смонтированы направляющая воронка 10 и труба 8 с воронкой для отвода сгущенного раствора из аппарата.

Пар в греющую камеру 4 подводится через восемь штуцеров 5, расположенных в два яруса. Для лучшего распределения пара в межтрубном пространстве греющей камеры устроены проходы. Не сконденсировавшиеся газы отводятся из верхней части греющей камеры при помощи разветвленной системы труб 11.

Раствор, поступивший в аппарат через патрубок 16, направляется кольцевым распределителем 7 в кипятильные трубки. Выброшенный из кипятильных трубок на верхнюю трубную решетку раствор стекает по направляющей воронке 10 в раствороотводящую трубу 8. Так как последняя вследствие гидравлического сопротивления или соответствующего регулирования потока не может пропустить все количество раствора, часть раствора стекает по циркуляционной трубе 9 и вновь поднимается по кипятильным трубкам.

Аппарат снабжен сепаратором 1 инерционного типа. Пар из сепаратора удаляется через патрубки 2 и 14, а отделенные капли продукта - через систему труб 13. Для наблюдения за уровнем раствора в аппарате имеются смотровые стекла 12. Выпарные аппараты типа ВЦ-1500, ВЦ-2120 состоят из тех же узлов, что и ВАГ.

Широкое разнообразие конструкций выпарных аппаратов в различных отраслях пищевой промышленности связано с широким диапазоном изменения физико-химических, теплофизических, структурно-механических свойств упариваемых продуктов.

Пленочные трубчатые выпарные аппараты типа ВАПП-1250, ПВА-400 и другие аналогичные работают в условиях прямотока. Процесс выпаривания происходит в тонкой пленке, толщиной 2…3 мм. Пар, образующийся в слое пленки, прорывает её и попадает в паровой поток кипятильной трубки. Пар из кипятильных трубок через трубки в специальных насадках для создания пленки поступает в верхнюю часть питающей камеры.

Схемы оросительных устройств выпарных аппаратов: А) орошение по принципу кольцевого водослива; Б) кольцевой водослив с распределительными дисками; В) кольцевой водослив с распределительными дисками и цилиндрическими вставками; Г) орошение при наличии столба жидкости на распределительном диске и трубной решетке.

Пленочный прямоточный выпарной испаритель ВАПП-1250 приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пленочный прямоточный выпарной аппарат ВАПП-1250

Исходный продукт, подогретый до температуры кипения, поступает по патрубку 10 в приемную камеру 7, затем в трубки 6, где закипает и вместе с образовавшимся паром движется вверх по греющей камере 4. Пройдя сепарирующее устройство 2 и надставку 3, где от продукта отделяется пар, продукт далее через распределительное устройство 13 поступает в кипятильные трубки 5 пленочный части аппарата и в виде тонкой пленки стекает по внутренней поверхности. Образовавшийся пар вместе со сгущенным раствором поступает в нижний сепаратор 9. Вторичный пар по системе труб 12 из сепараторов 2 и 9 отводится в следующий корпус либо внешнему потребителю. Готовый продукт отводится из патрубка 11. Патрубок 8 служит для отвода конденсата.

Аппарат отвечает технологическим и техническим требованиям, предъявляемым к выпарным аппаратам, и имеет лучшие показатели, чем достигаемые в типовых аппаратах с естественной циркуляцией. Время пребывания раствора в тонкопленочном аппарате значительно меньше чем в типовых. Аппарат может эффективно работать при малой полезной разности температур, поскольку отсутствуют потери полезной разности температур от гидростатического давления вследствие свободного стекания пленки выпариваемого раствора.

Техническая характеристика выпарного аппарата ВАПП-1250: площадь поверхности нагрева 1250 м²; длина греющих трубок - 7000 мм; диаметр греющих трубок - 30/33 мм; рабочее давление - до 0,3 МПа.

Аппарат двустенный выпарной МЗС-320 используется в качестве вакуум-выпарного аппарата при приготовлении томатного пюре и пасты, различных соусов, для овощных и рыбных консервов, повидла, варенья, рассолов для приготовления маринадов, а также овощных и фруктовых соков.

Аппарат (рис. 6) состоит из корпуса 4 с паровой рубашкой, крышки 1, привода мешалки 3 и ловушки 2. Корпус 4 представляет собой емкость, которая вместе с приваренной к нему паровой рубашкой образует паровую камеру.



Рис. 6. Двустенный выпарной аппарат МЗС-320

На сферической крышке смонтирован привод, который состоит из электродвигателя 5 и редуктора 6. Перемешивание продукта осуществляется мешалкой, которая представляет собой вертикальный вал с укрепленными на нем лопастями.

К сферической крышке аппарата крепится ловушка наиболее крупных частиц продукта, уносимых вторичным паром из аппарата.

Нагрев продукта в аппарате осуществляется в паровой камере, которая оборудуется предохранительным клапаном и манометром. В нижней части днища аппарата находится патрубок для отвода конденсата.

Аппарат снабжен тремя окнами для осмотра внутренней поверхности и наблюдения за рабочим процессом и краном для взятия проб. Разгрузка аппарата осуществляется через спускной патрубок с пробковым краном.

Техническая характеристика аппарата МЗС-320: вместительность - 3,66 м³; рабочее давление пара - 0,4 МПа; частота вращения мешалки - 57 мин^-1; установленная мощность электродвигателя - 2,7 кВт.

Роторно-пленочные аппараты достаточно широко распространены в различных отраслях пищевой промышленности. Они практически не создают гидравлического сопротивления при движении в них пара, что весьма существенно при работе в условиях вакуума.

Роторно-пленочные аппараты имеют существенные преимущества перед трубчатыми и пленочными испарителями: выше эффективность, более высокие значения коэффициента теплопередачи, возможность упаривания до концентраций 50…60% масс, способность работать на высоковязких растворах и др.

Роторно-пленочные испарители можно разделить на две основные группы:

Испарители, в которых процесс происходит в тонком слое жидкости, создаваемом на внутренней поверхности неподвижного корпуса с помощью вращающегося ротора.

Испарители, в которых процесс осуществляется в тонком слое жидкости, движущейся под действием центробежной силы на внутренней поверхности вращающихся конусов, цилиндров, спиралей, дисков и т.д.

Наибольшее распространение в промышленности получили роторно-пленочные аппараты первой группы, которые вследствие их высокой эффективности и универсальности позволяют проводить различные тепло и массообменные процессы. Корпус имеет цилиндрическую либо коническую форму.

По форме и функции роторных устройств роторные испарители можно разделить на следующие основные типы (рис. 7): а) с жестко закрепленными лопастями; б) с шарнирно-закрепленными лопастями; в) с призматическими скребками-стирателями; г) с маятниковыми лопастями; д) с турбулизирующими элементами в виде щеток; е) с роторами разбрызгивающего типа.

Рис. 7. Типы роторных устройств

Наиболее известными аппаратами этого типа являются роторные пленочные испарители “Luwa” (фирма “Luwa” Швейцария). Типовая конструкция показана на рис. 8.

Рис. 8. Роторный пленочный испаритель “Luwa”



Аппарат состоит из цилиндрического корпуса 10 с рубашкой для обогрева 11. Верхняя часть корпуса имеет больший диаметр и служит сепаратором 6. Внутри корпуса расположен вращающийся ротор 9 в виде полой многоугольной призмы с вогнутыми боковыми поверхностями. Верхний конец вала ротора крепится в подшипниковом узле, находящемся над верхней крышкой. Место выхода вала ротора герметизируется сальником или торцевым уплотнением 4. Нижний конец вала ротора крепится в подшипниковом узле 12, расположенном внутри испарителя. Ротор приводится во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу 3 и редуктор.

Исходный продукт поступает в испаритель через штуцер 7 и с помощью вращающегося ротора распределяется в виде стекающей вниз пленки по внутренней поверхности корпуса, обогреваемого паром через штуцер 8. Если толщина пленки жидкости меньше зазора между лопастями и корпусом, то лопасти оказывают на жидкость вентиляционное воздействие. Если толщина пленки жидкости больше зазора, то лопасти непосредственно воздействуют на жидкость. При этом перед каждой лопастью образуется носовая волна, и жидкость интенсивно перемешивается, что благоприятствует процессам тепло- и массообмена. По мере стекания вниз жидкость нагревается и упаривается. Сконцентрированный продукт выводится через штуцер 1. Образующийся вторичный пар проходит через сепаратор и выходит через штуцер 5. Конденсат удаляется через штуцер 2.

Основные параметры роторно-пленочных испарителей “Luwa”: диаметр - 0,082…0,9 м; высота - 1,03…9,8 м; площадь поверхности теплообмена - 0,125…16 м²; давление пара - 1,1…2,6 МПа; рабочее давление в аппарате - 1,0…66,6 Па; температура теплоносителя - до 350°C; окружная скорость вращения ротора - 8…15 м/с; потребляемая мощность - 2…3 кВт на 1 м² поверхности теплообмена. Зазор между концами лопастей ротора и внутренней поверхностью в зависимости от размеров испарителей составляют 0,5…2,5 мм. Аппараты изготавливают из различных марок нержавеющих кислотостойких сталей, титана и различных сплавов. В испарителях с жестко закрепленными лопастями можно перерабатывать продукты вязкостью до 103 кг/(м·с). Максимальная степень концентрирования для водных растворов - 6:1, для органических веществ - 20:1.

Использование специального подпорного кольца плоской или конусообразной формы, устанавливаемого под нижним торцом лопастей ротора, позволяет повысить степень концентрирования до 50:1 и более. При наличии подпорного кольца жидкость, скапливающаяся на нем, захватывается вращающимися лопастями, и образующаяся носовая волна приобретает параболическую форму. Режим работы в нижней части роторного пленочного испарителя при этом приближается к режиму работы аппарата с перемешивающим устройством при наличии образующейся при вращении жидкости воронки. При этом возрастает задержка и время пребывания обрабатываемого продукта в испарителе.

Испарители фирмы “Luwa” в пищевой промышленности применяются:

для концентрирования томатной пасты; молочных продуктов; экстрактов чая, кофе, пива и др.; витамина А; сахарных растворов; раствора энзима, аскорбиновой и аминокислот; декстриновых смесей и др.

для дистилляции органических смесей, витамина С; приправ; жиров и масел.

Производство роторных пленочных испарителей, работающих по принципу аппаратов “Luwa” налажено в России, Украине, Германии, Польше, Чехии и др. странах.

Одним из основных условий работы роторного пленочного испарителя является обеспечение смачивания всей поверхности теплообмена при большом изменении расхода жидкости по высоте, вызываемой высокой степенью концентрирования обрабатываемого продукта за один проход. Этому требованию в значительной степени удовлетворяют роторные пленочные испарители с коническим корпусом, впервые изготовленные в Германии под названием “Sako” (рис. 9).

Рис. 9. Роторный пленочный испаритель “Sako”

В коническом обогреваемом корпусе вращается конический ротор с жестко закрепленными лопастями. Ротор выполнен в виде шестиугольной призмы с выгнутыми боковыми поверхностями. Угол наклона кромок лопастей ротора и конической поверхности составляет 2 градуса. Такой угол вполне достаточен, чтобы составляющая центробежной силы вращающегося тонкого слоя жидкости, направленная вдоль образующей корпуса оказывала тормозящее воздействие на стекающую пленку жидкости, увеличивая её толщину. Аксиальным перемещением ротора можно регулировать зазор между лопастью ротора и стенкой корпуса от 0,7 до 2,2 мм, а, следовательно, степень воздействия ротора на пленочное течение жидкости, и время пребывания жидкости в аппарате, обеспечивая полное смачивание всей теплообменной поверхности.

Испаритель “Sako” состоит из следующих основных элементов: 1 - электродвигатель; 2 - торцевое уплотнение; 3 - сепаратор; 4 - распределительная тарелка; 5 - ротор.

Давление в аппарате от 66,5 Па до 0,1 МПа при температуре паров до 180°C, давление в рубашке - до 3,2 МПа при температуре до 350°C.

Область применения аппаратов “Sako” в пищевой промышленности:

концентрирование соков, чайных и кофейных вытяжек, молочных продуктов, мясных и солодовых экстрактов, растворов желатина, антибиотиков, органических и растительных экстрактов.

дистилляция высококипящих масел, жирных кислот, органических растворителей, глицерина.

этерификация гликоля, эмульгаторов, жиров, глицерина и др.

Однако испарители “Sako” сложны в изготовлении из-за необходимости строгого согласования конической расточки корпуса с продольным профилем лопастей ротора.

Одними из самых универсальных являются испарители с шарнирно-закрепленными лопастями. Они пригодны для проведения многих процессов в пищевой и смежных отраслях промышленности, связанных с переработкой различных жидких продуктов с широким диапазоном изменения физических свойств. Способность ротора с шарнирно-закрепленными лопастями очищать поверхность теплообмена позволяет использовать эти аппараты для переработки налипающих и вязких жидкостей с большой степенью концентрирования вплоть до получения порошкообразного остатка.

Змеевиковые аппараты непрерывного и периодического действия широко используют для уваривания сиропов, рецептурных смесей и т.п. Змеевиковые теплообменные аппараты представляют большую группу специальных аппаратов, они просты в изготовлении, удобны в эксплуатации, обеспечивают хорошие энергетические показатели. Однако из-за слабой циркуляции раствора имеют невысокий коэффициент теплопередачи.

Примером змеевикового теплообменного аппарата периодического действия является диссутор-аппарат для приготовления сахарно-паточного раствора. Диссуторы могут быть открытые и закрытые, с паровой рубашкой и без неё.

Унифицированный змеевиковый вакуум-аппарат 33-2А (рис. 10) состоит из цилиндрического сварного котла 1 со съемной крышкой 8. Через штуцер 2, расположенный в верхней части обечайки, поступает греющий пар под избыточным давлением 0,7…08, МПа. Через штуцер 10 отводится конденсат, а через кран 12 выводится готовый продукт. В паровом пространстве греющий пар омывает медный змеевик 3. Нижний конец змеевика присоединяется фланцем 11 к сиропному насосу плунжерного типа, создающего давление 0,4 МПа. Верхний конец змеевика при помощи фланца 4 присоединен к трубе 5, которая вторым концом соединена с вакуум-камерой 18.

В змеевик поступает сироп или рецептурная смесь. Увариваемый продукт поднимается по внутренним спиралям вверх, а затем проходит по соединительной трубе в нижнюю спираль наружного змеевика и далее вверх по спиралям наружного змеевика. Из верхней спирали наружного змеевика увариваемый продукт поднимается по соединительной трубе 5 и из её верхнего конца поступает в вакуум-камеру 18. Масса собирается в медном конусе 16, который имеет внизу клапан 22. Верхняя кромка конуса зажата болтами 17 между фланцами вакуум-камеры и обечайки 15. Чтобы масса не застыла, конус обогревается паром, поступающим в змеевик 21. Он находится внутри обечайки 15 с крышкой 14.

Вместе с карамельной массой из соединительной трубы в вакуум-камеру входит также вторичный пар и воздух, выделяющиеся из сиропа при его упаривании. Они удаляются в конденсатор через патрубок 20. Отбойник 19 препятствует уносу крупных капель карамельной массы.



Рис. 10. Унифицированный змеевиковый вакуум-аппарат 33-2А

Обычно увариваемая масса накапливается в приемнике 13 при открытом клапане 22 и закрытом клапане 24. В этом случае объем вакуум-камеры получается на 80 дм³ больше. Кроме сливного отверстия вакуум-камера сообщается с приемником через кран 28 и трубопровод 27. Приемник снабжен рубашкой 23 для обогрева. В змеевик 21 и паровую рубашку 23 греющий пар подается по трубе 29. Рубашка 23 имеет продувочный кран 33. Когда в приемнике скопится достаточное количество (16…18 кг) массы, закрывают рукояткой 25 клапан 22 сливного отверстия, а при помощи крана 28 разобщают приемник с вакуум-камерой.

После этого, открыв кран 26, в приемник впускают воздух, и поворачивая рукоятку клапана 24 открывают выпускное отверстие. Масса сливается из аппарата. По окончанию слива закрывают отверстие клапаном 24, сообщают при помощи крана 28 приемник с вакуум-камерой. Когда в приемнике установится такое же разряжение, как в вакуум-камере, открывают выпускные отверстия, поворачивая клапан 22.

Окно 32 служит для наблюдения за спуском карамельной массы из конуса в приемник. Разряжение в вакуум-камере регистрируется вакуумметром 30. Давление греющегося пара измеряется манометром 6. Через воздушный кран 7 периодически выпускают воздух из парового пространства. Предохранительный клапан 9 служит для предотвращения разрыва аппарата в случае увеличения давления греющего пара.

Вакуум-камера с приемником подвешивается при помощи тяг 31 к потолку или кронштейну, прикрепленному к стене. Это удобно при ремонтах и эксплуатации.

Ловушка 35 с крышкой 34 и перегородкой 36 монтируется на трубопроводе между вакуум-камерой и конденсатором. Уловленная в виде мелких капель масса выпускается периодически через кран 37.

В подобном аппарате можно уваривать начинки, мармеладные смеси и т.п. В аппаратах, предназначенных для уваривания начинки, вакуум-камера имеет объем, увеличенный в 7 раз. При меньшем объеме вакуум-камеры начинка выбрасывается вторичным паром в конденсатор. Аппараты меньшей производительности имеют медный змеевик из одной спиральной трубки внутренним диаметром 40 мм.

Греющая часть змеевиковых аппаратов используется также для уваривания рецептурных смесей и сиропа под атмосферным давлением. В этом случае конец змеевика соединяется с центробежным пароотделителем, который показан на рис. 4.10в. Пар и уваренная масса выходят из трубки 1 в центробежный пароотделитель. Масса стекает вниз и непрерывно выходит из аппарата, а вторичный пар по центральной трубе 2 поступает в вытяжные вентиляционные трубы.

Отложения сахара на внутренней поверхности трубки змеевика смывают горячей водой два раза в смену. Раз в неделю трубку протравливают горячим 2% раствором гидроксида натрия в течение 24 часов.

Унифицированный змеевиковый вакуум-выпарной аппарат 33-2А выпускается производительностью 1000 и 500 кг/ч. В первом случае поверхность теплообменника составляет 7,5 м², а во втором - 4,2 м², объем парового пространства 570 дм³ и 330 дм³ соответственно.

Определение производительности и энергозатрат. Производительность однокорпусного выпарного аппарата определяется из уравнений материального баланса:

и ,

где: G_Н - количество исходного раствора, кг/ч; G_К - количество упаренного раствора, кг/ч; x_Н и x_К - соответственно начальная и конечная концентрации раствора, мас. %

Из уравнений материального баланса находят количество выпаренного растворителя и конечную концентрацию раствора.

Анализ уравнения теплового баланса на работу однокорпусного выпарного аппарата показывает, что расход пара определяется главным образом расходом пара на собственно выпаривание растворителя:

,

где: i, i', i" - энтальпия соответственно вторичного пара, конденсата, греющего пара; t_Н - начальная температура раствора, °C; c_Н - начальная теплоемкость раствора, кДж/(кг·град)

Следует иметь в виду, что . Тогда следует, что для испарения 1 кг воды требуется затратить 1,1…1,2 кг насыщенного водяного пара.

Уравнения материального баланса для однокорпусной выпарной установки справедливы и для многокорпусной и могут быть использованы для определения G_К , W, x_К.

Расход греющего пара в многокорпусной выпарной установке, работающей без отбора экстра-пара приближенно может быть определен: для двухкорпусной - 0,55…0,6 кг пара на 1 кг испаренной воды, для трехкорпусной - 0,27…0,3 кг.

3. Развариватели крахмалосодержащего сырья

Измельченное крахмалосодержащее сырье перед развариванием смешивается с горячей водой, и затем полученный замес нагревают вторичным паром. По схеме скоростного разваривания смешивание сырья с водой и нагревание массы производят раздельно: смешивание - в смесителях, нагревание в трубчатом теплообменнике. По схеме разваривания при пониженной температуре смешивание и нагревание замеса производят в одном аппарате - в смесителе предразварнике.

Рис. 11. Вертикальный цилиндрический смеситель



Вертикальный цилиндрический смеситель (рис. 11) вместимостью 1,5 м³ снабжен пропеллерной мешалкой 6 для смешивания дробленного сырья с водой. Сырье подается в смеситель по патрубку 5, а вода - по трубе 4. Для распыления воды в стенках трубы просверлены отверстия диаметром 2 мм. Конец трубы 4 заглушен. Такая подача воды улучшает равномерность смешивания. Подогревание смеси производится через змеевик 2. Уровень массы в смесителе контролируется электрическим сигнализатором 6, поплавок которого расположен в трубе 7. С целью уменьшения воздействия перемешиваемой массы на поплавок сигнализатора труба 7 снизу перекрыта решеткой 8, которая стабилизирует в зоне поплавка уровень массы. Для контроля режима работы смесителя на корпусе размещены кран 3 для отбора пробы и штуцер 9 для термометра. Продолжительность смешивания при переработке зерна 15 мин, картофеля - 10 мин.

Вода в смеситель должна подаваться температурой не более 45°C, т.к. в противном случае мука измельченного продукта образует комочки, которые затем не провариваются. Из смесителя замес подается в трубчатый теплообменник, где нагревается вторичным паром до температуры 70…75°C. Теплообменник типа «труба в трубе» изготавливается из стальных труб диаметром 180 мм (наружные трубы) и 108 мм (внутренние трубы).

Контактная головка с двухсторонним подводом пара (рис. 12) предназначена для спиртовых заводов производительностью 1700…2500 дал/сутки. В корпусе 3 расположены трубы 4 и 5, в которых просверлены отверстия диаметром 5 мм. В каждой трубе по высоте имеется 10 рядов по 13 отверстий в каждом. Замес подается в контактную головку по патрубку 1. В головке замес течет в кольцевом зазоре. Пар, подаваемый по патрубкам 2 и 6, пронизывает слой замеса с двух сторон. Такой подвод пара обеспечивает быстрое и равномерное нагревание замеса.

Определенный уровень массы на выходе из варочного аппарата поддерживается поплавковым регулятором.



Рис. 12. Контактная головка с двусторонним подводом пара

Определение производительности и энергозатрат. Количество замеса, развариваемого в течении часа П (кг) определяется по формуле

,

где: G - условная производительность завода, дал/сутки; m - количество замеса, м³/дал (m = 0,133); с - плотность замеса, кг/м³.

Необходимый объем варочного котла V (м³) определяется как

,

где: ф - продолжительность разваривания, ч (для колонного аппарата ф = 0,75…0,66, для трубчатого ф = 0,03…0,05); ц - коэффициент заполнения (для колонного аппарата ц = 0,75…0,8, для трубчатого ц = 0,32).

Количество теплоты, необходимой для разваривания массы Q (кВт),

,

где: c_М - удельная теплоемкость массы, кДж/(кг·К), t₁ - начальная температура массы, поступающей на разваривание, °C; t₂ - температура разваривания в аппарате (для колонного аппарата t₂ = 140°C, для трубчатого - t₂ = 168…165°C).

Расход пара в контактной головке для подогревания замеса до температуры разваривания D (кг/с) определяется по формуле

,

где: i - удельная энтропия пара, кДж/кг; i_К - удельная энтальпия конденсата, кДж/кг.

Мощность потребная для работы мешалки, в установившемся режиме, без учета сопротивления змеевиков -

, кВт.

где: К_N - критерий мощности, который зависит от интенсивности перемешивания, характеризующийся центробежным критерием Рейнольдса; с - плотность среды, кг/м³; n - частота вращения мешалки, мин^-1; d - диаметр мешалки, м.

Установленная мощность приводного электродвигателя N_уст (кВт) с учетом коэффициента запаса мощности 20% и КПД редуктора (з_Р):



4. Ошпариватели и бланширователи для фруктов и овощей

Закрытый ошпариватель (дигестер), представленный на рис. 13, в своей конусной части 7 имеет перфорированное днище 6. Пар давлением 0,2 МПа подводится через два штуцера 5 в пространство между корпусом аппарата и ложным днищем 6. Пар давлением 0,2 МПа подводится через два штуцера 5 в пространство между корпусом аппарата и ложным днищем 6. Пройдя через отверстия в днище, пар попадает в рабочую часть аппарата. На вертикальном валу 4 укреплены лопастная мешалка 3 и шнек, перемешивающие обрабатываемый продукт.

Во время работы шпарителя через бункер 1 загружают до 2000 кг сырья. Задвижку плотно закрывают и через штуцер подают пар при одновременном выпуске воздуха через кран до появления струи пара. После этого кран закрывают и доводят давление пара в аппарате до 0,2 МПа. Когда в ошпаривателе достигнута нужная температура (105…110°C), запускают мешалку 3.

Собственно шпарка продолжается 15…25 минут в зависимости от вида сырья, его зрелости и размеров, а также от вида изготавливаемых консервов. По окончанию шпарки закрывают вентили, через которые подавался пар, открывают задвижку 8 и выгружают массу в протирочную машину.



Рис. 13. Закрытый ошпариватель (дигестер)

Барабанные бланширователи (рис. 14) содержат в своем комплекте вращающийся барабан 3, изготовленный из листовой стали с отверстиями по поверхности 4 (диаметр отверстий 3…4 мм) и размещенный на стальных кольцах 2.

Рис. 14. Барабанный бланширователь



При вращении барабана продукт при помощи спирали 4 перемещается в горячей воде от места загрузки в загрузочный бункер 1 к месту выгрузки. Продолжительность бланширования регулируется частотой вращения барабана. В месте выгрузки продукта спираль заканчивается лопастями, захватывающими продукт и выбрасывающими его в разгрузочный желоб 5.

При частоте вращения барабана 3,5 мин^-1 производительность бланширователя составляет 0,7…0,84 кг/с при потребляемой мощности 1,5 кВт.

Недостатки бланширователя: отсутствие устройств автоматически регулирующих и поддерживающих требуемую температуру воды, неудобство очистки отверстий в барабанах, механическое повреждение продукта при выгрузке из барабана, увеличивающие потери, особенно когда толщина слоя продукта в барабане увеличивается.

В последних конструкциях барабанных бланширователей предусмотрено автоматическое регулирование температуры применением электронных автоматических трехпозиционных регуляторов. Барабанный бланширователь имеет разъемный барабан, что позволяет производить очистку. Бланширователь снабжен терморегулятором 5, поддерживающим заданную температуру воды. Вариатор частоты вращения барабана позволяет менять время бланширования с 1,5 до 12 мин.

Расчет производительности и энергозатрат. Расход пара D (кг/с) определяется зависимостью

,

где: Q₀ - общий расход теплоты, кВт; i и i_К - энтальпия греющего пара и конденсата, кДж/кг.

Общий расход теплоты Q₀ (кВт) при водяной тепловой обработке за счет нагрева воды барботированием пара



,

где: Q₁ - расход теплоты на нагрев продукта, кВт; Q₂ - расход теплоты на испарение влаги с поверхности зеркала воды, кВт (в закрытых бланширователях этот расход теплоты не учитывается); Q₃ - расход теплоты на подогрев доливаемой в ванну бланширователя воды, кВт; Q₄ - расход теплоты на нагрев транспортирующего органа, кВт; Q₅ - потери теплоты в окружающую среду, кВт.

Общий расход теплоты Q₀ (кВт) при ошпаривании и бланшировании в среде пара

,

где: - расход теплоты на нагрев продукта, кВт; - расход теплоты на нагрев транспортирующего органа, кВт; - расход теплоты на компенсацию потерь от стенок аппарата, кВт.

Производительность периодически действующего закрытого ош паривателя П (кг/с)

,

где: V - полный объем аппарата, м³; ц - коэффициент заполнения аппарата (ц = 0,8); с - насыпная плотность продукта, кг/м³; ф - продолжительность цикла работы аппарата, с.

Производительность барабанного бланширователя П (кг/ч) по зеленому горошку определяется как



,

где: h - ширина полосы спирали, м; R - наружный радиус барабана, м; S - шаг спирали, м; n - частота вращения барабана, мин^-1; с - плотность продукта, кг/м³; ц - коэффициент, учитывающий отклонения (ц = 0,95).

5. Оборудование для пастеризации, стерилизации и термообработки пищевых сред

Автоклав Б6-КАВ-2 (Б6-КАВ-4) предназначен для стерилизации герметически укупоренных банок с продуктом при температуре свыше 100°C. Автоклав Б6-КАВ-2 (рис. 15) состоит из корпуса 3, крышки 4, корзин 10 и штуцера 9 для подключения регулятора, арматуры для соединения с магистралями пара, воды, воздуха и для спуска конденсата. Сварной корпус автоклава состоит из цилиндрических обечаек толщиной 6 мм и днища толщиной 8 мм. На корпусе установлены манометры 8, термометр 7 и датчики регулятора. Внизу корпуса расположены паровой барботер 11 и сливной патрубок со стаканом.

Рис. 15. Автоклав Б6-КАВ-2



Фланцы, крышки и корпуса прижимаются один к другому с помощью быстродействующего зажима 2, состоящего из пятнадцати секторных захватов, укрепленных на кольце из пружинной полосовой стали, и рычажной системы для стягивания и разведения поясного зажима. На крышке имеются штуцера для предохранительного клапана 5 и пробно-спускного крана 6. Крышка имеет уравновешивающее устройство 1, облегчающее открывание и закрывание её.

Наполненные банками корзины устанавливаются в автоклаве одна на другую, после чего крышка закрывается. Сосуд наполняется водой, а через барботер подается пар. Воздушным компрессором создается и поддерживается в системе постоянное давление. По истечении времени, необходимого для стерилизации, пар и горячая вода постепенно вытесняется из аппарата холодной водой. После охлаждения корзины с банками выгружаются из аппарата.

Инжекционный стерилизатор применяется для асептического консервирования, при котором продукт подвергается кратковременной стерилизации при высоких (до 140°C) температурах. Затем он быстро охлаждается и фасуется в асептических условиях.

Стерилизацию проводят в пластинчатых или трубчатых теплообменниках, а также в пароконтактных стерилизаторах. В этих аппаратах продукт смешивается с инжектируемым паром высокого давления и затем охлаждается в вакуум-камере. Преимуществом таких стерилизаторов является отсутствие пригорания продукта, значительное сокращение продолжительности нагрева по сравнению с пластинчатыми теплообменниками. Охлаждение продукта в вакуум-камере происходит практически мгновенно.

Принципиальная схема инжекционного стерилизатора представлена на рис. 16.



Рис. 16. Принципиальная схема инжекционного стерилизатора

Продукт насосом 1 нагнетается в инжекционную головку 2, в которой он смешивается с острым паром, проходящим через отверстие 3. Благодаря интенсивному перемешиванию мешалкой, установленной на валу 4, продукт равномерно нагревается до температуры, соответствующей давлению пара. При этой температуре продукт находится в трубе 5 необходимое для стерилизации время.

После вторичного перемешивания мешалкой 6 продукт поступает в вакуум-камеру 9 через обратный клапан 7. За счет резкого сброса давления происходит самоиспарение воды из продукта и охлаждение его до 35…37°C. Образовавшиеся в вакуум-камере вторичные пары по трубе 8 направляются в конденсатор, соединенный с вакуум-насосом.

Продукт по барометрической трубе 10 перемещается к продуктовому насосу 11 и нагнетается им в наполнитель или асептическую емкость.

Температура стерилизации регулируется давлением и количеством острого пара, подаваемого в инжекционную головку.

Пастеризаторы. Для пастеризации отдельных видов консервов используют ленточные или конвейерные установки, у которых транспортирующий механизм перемещает продукцию в банках или бутылках через тоннель, разделенный на три зоны: подогрева, пастеризации, охлаждения.

Пастеризация жидких продуктов (молока, сливок, соков, пива, пюре и т.п.) зачастую осуществляется в специальных проточных пластинчатых или трубчатых установках, в которых продукт последовательно проходит через три секции: нагрева, пастеризации, охлаждения.

Пастеризаторы непрерывного действия могут иметь в своем составе устройства для:

экстрагирования пастеризуемого продукта, т.е. для прогрева паровоздушной смеси в незаполненном пространстве банки, с целью снижения давления в банке и ликвидации брака от срывания крышек;

деаэрирования пастеризуемого продукта, что достигается распределением его тонкой пленкой по перфорированной поверхности;

дезодорации пастеризуемого продукта, т.е. удаление нежелательных запахов и вкусов;

очистки и гомогенизации пастеризуемого продукта.

Устройства для термовакуумной обработки жидких пищевых продуктов. В некоторых технологиях применяют различные устройства для удаления нежелательных запахов и привкусов из сырья и полуфабрикатов (молока, сливок, растительных масел и т.п.). Эти устройства носят названия дезодораторов и широко различаются по конструктивному исполнению (вертикальные емкости, в которых размещают различные вращающиеся конусы, диски, барабаны, устройства, аналогичные барометрическим конденсаторам и т.п.). Задача таких устройств - обеспечивать необходимую поверхность контакта фаз для эффективного проведения дезодорации.



Рис. 17. Термовакуумная установка: 1 - вакуум-насос; 2 - обратный клапан; 3 - конденсатор; 4 - термометр; 5 - воздушный клапан; 6 - вакуумметр; 7 - обратный клапан; 8 - крышка-отражатель; 9 - перфорированная камера; 10 - шарообразные тела; 11 - вакуум-камера; 12 - насос для продукта; 13 - электродвигатель вакуум-насоса.

Наиболее эффективная термовакуумная обработка молочных продуктов достигается при температуре порядка 70…80°C.

Это связано с тем очевидным фактом, что несоответственные вкус и запах создают легкокипящие жидкости. Для повышения эффекта дезодорации устанавливают последовательно две дезодорационные колонки. В ряде установок, в том числе и зарубежных, для улавливания стойких запахов в продукт при небольших давлениях инжектируют пар. При этом продукт поступает в смесительную камеру, где создается небольшой вакуум. Здесь молочный продукт нагревается и поступает в верхнюю часть циклонного отделителя. Выделившиеся пары и газы частично удаляются в эжекторный конденсатор, а частично дезодорированный продукт отводится в промежуточную емкость. Более полная дезодорация осуществляется во втором циклонном отделителе, работающем аналогично.

В вакуумный дезодоратор для молока и молочных продуктов (рис. 17) предварительно нагретый продукт подается в перфорированную камеру с отражателем. В вакуум-камере поддерживается разряжение (50…60 кПа) в результате чего продукт вскипает. Вторичный пар и выделившиеся газы удаляются из камеры с помощью вакуум-насоса. Откачивается продукт специальный насосом.

Установка, представленная на рис. 17, может применяться как в комплектах технологического оборудования, так и самостоятельно.

Расчет производительности и энергозатрат. Автоклавы, стерилизаторы и пастеризаторы рассчитываются на основе уравнения теплового баланса.

Производительность автоклава П_А (шт/мин) определяется по формуле

,

где: n_Б - количество банок, загружаемых в автоклав; ф - продолжительность полного цикла работы автоклава, мин.

Уравнение теплового баланса автоклава имеет вид

, Дж/с.

где: Q₁ - расход тепла на нагрев автоклава, Дж/с; Q₂ - расход тепла на нагрев сеток, Дж/с; Q₃ - расход тепла на нагрев банок, Дж/с; Q₄ - расход тепла на нагрев продукта, Дж/с; Q₅ - расход тепла на нагрев воды в автоклаве, Дж/с; Q₆ - потери тепла в окружающую среду, Дж/с.

Производительность стерилизатора непрерывного действия

,

где: M - количество банок одновременно находящихся в стерилизаторе, шт.; ф - продолжительность цикла стерилизации, с.

Для стерилизатора с цепным транспортирующим органом



,

где: V - скорость движения цепей транспортера, м/с; a - расстояние между центрами банок, м; n_К - число банок в одном банкодержателе, шт.

Тепловой баланс стерилизатора непрерывного действия

,

где: Q₁ - расход тепла на нагрев банок, Дж/с; Q₂ - расход тепла на нагрев продукта, Дж/с; Q₃ - расход тепла нагрев транспортирующих средств, Дж/с; Q₄ - расход тепла на подогрев доливаемой вода, Дж/с; Q₅ - расход тепла на компенсацию потерь в окружающую среду, Дж/с.

Контрольные вопросы

Как осуществляется передача теплоты в процессе темперирования и повышения концентрации пищевых сред?

Какое оборудование предназначено для изменения температуры вязких и жидких пищевых сред?

Как классифицируется оборудование для темперирования и повышения концентрации пищевых сред?

Какие функции выполняет двойной предохранительный клапан в пищеварочном котле?

Каково устройство и принцип действия оборудования, представленного в разделе 1?

Какие факторы и как влияют на интенсивность и эффективность работы рассмотренного теплообменного оборудования?

В чем сущность расчета производительности и энергозатрат рассмотренного оборудования?

Какие преимущества имеют многокорпусные выпарные установки перед однокорпусными аппаратами?

В какой последовательности происходит уваривание сиропов и рецептурных смесей в змеевиковом аппарате непрерывного действия?

В чем преимущество роторно-пленочных испарителей перед трубчатыми и пленочными?

С какой целью и как осуществляется дезодорация жидких пищевых продуктов?

С какой целью проводится ошпаривание и бланширование картофеля, овощей и фруктов?

Какие виды оборудования применяются для стерилизации и пастеризации?



Список литературы

1. Руднев С.Д. Технологическое оборудование предприятий пищевой промышленности. Часть I, конспект лекций [Текст]/С.Д. Руднев. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 1997. - 116 с.

2. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн.: Учебник для вузов [Текст]/С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. - М.: Высшая школа, 2001.

3. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. [Текст]/Г.Д. Кавецкий, А.В. Королев. - М.: Агропромиздат, 1991. - 432 с.

4. Машины и аппараты для переработки молока и мяса [Текст]/ А.А. Курочкин, В.М. Зимняков, Б.А. Чагин и др.; Под общ. ред. А.А. Курочкина. - Пенза: Пензенский технологический институт, 1999. - 454 с.

5. Драгилев А.И. Технологические машины и аппараты пищевых производств [Текст]/А.И. Драгилев, В.С. Дроздов. - М.: Колос, 1999. - 376 с.

6. Кретов И.Т. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности: Учебник [Текст]/И.Т. Кретов, С.Т. Антипов. - Воронеж: Издательство государственного университета, 1997. - 624 с.

7. Хромеенков В.М. Оборудование хлебопекарного производства [Текст]/В.М. Хроменков.-М.: ИРПО; Изд. центр «Академия», 2000. - 320 с.

8. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленоости. Части I и II/[Текст]/В.И. Ивашов. - М.:, 2001-2006.

9. Сорокопуд А.Ф. Технологические линии и специальное оборудование для производства пищевых продуктов: учебное пособие [Текст]/А.Ф. Сорокопуд, С.Д. Руднев, В.В. Сорокопуд. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2006. - 168 с.

Размещено на Allbest.ru

...