Пастеризація молока шляхом електронагріву опором

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Вступ

В наслідок обмеженості інвестиційних ресурсів, модернізація обладнання та структурні перебудови переробних галузей у сільському господарстві повинні базуватися на науково обґрунтованих рішеннях, які забезпечують: підвищення якості переробки сільськогосподарської сировини; підвищення рівня надійності машин і механізмів; зниження енерговитрат та собівартості продукції; зменшення матеріалоємності та вартості устаткування.

Одним із дієвих резервів підвищення ефективності пастеризації молока є застосування електрофізичних методів, зокрема нагріву опором. При цьому не має потреби в обладнанні для отримання теплоносія, забезпечується необхідна інтенсивність обробки продукту з високим ККД (до 95%). Завдяки безпосередньому нагріву мікроорганізмів, у тому числі і в наслідок вибіркової дії тепла, підвищується швидкість нагрівання (з 1,5 до 45 ⁰С/с), пастеризаційний ефект, краще зберігаються технологічні та смакові якості свіжого молока. Існуючі розробки не раціонально використовують електричну енергію, характеристики молока та обладнання, що призводить до втрати переваг перед традиційними установками. Це зумовлено недостатньою дослідженістю процесу електропастеризації, параметрів молока та камери нагріву, неузгодженістю відомого теоретичного підґрунтя щодо особливостей електричного нагріву опором. Тому обґрунтування параметрів і режимів роботи пастеризаторів молока на основі нагріву опором має важливе значення при розробці високопродуктивного, зручного в експлуатації, економічного електроустаткування, що гарантує високу ефективність пастеризації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження є частиною робіт, що виконуються у відповідності з «Національною програмою виробництва машин і обладнання для сільського господарства і переробної промисловості до 2005 року», Постановою Кабінету Міністрів України від 26.06.1994 р. № 429 «Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки» (пункт 3. «Виробництво, переробка та збереження сільськогосподарської продукції»), планами НДР і ДКР ХДТУСГ: «Розробка знезаражувача молока ІЧ нагріву та реконструкція лінії первинної обробки молока» (тема 64-88), «Розробка знезаражувача молока ІЧ електронагрівом» (тема 7-92).

Мета і задачі досліджень.

Метою досліджень являється підвищення ефективності пастеризації молока шляхом уточнення існуючих теоретичних передумов процесу і обґрунтування параметрів та режимів роботи електропастеризаторів.

Задачі досліджень:

1. Уточнити теоретичні передумови пастеризації молока прямим (електродним) і посереднім (ІЧ) електричним нагрівом опором.

2. Дослідити вплив на процес пастеризації технологічних і конструктивних параметрів обладнання, характеристик молока та камери електродного нагріву.

3. Визначити характеристики теплопередачі в камері проточного пастеризатора молока ІЧ нагріву.

4. На основі результатів досліджень обґрунтувати параметри, розробити та виготовити зразки електропастеризаторів молока. На базі виготовлених установок провести порівняння теоретичних і експериментальних даних.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процес пастеризації молока.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є пастеризація молока шляхом електронагріву опором.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використані методи інтегрування рівнянь поля, наближені методи обчислення визначених інтегралів (метод Сімпсона), метод фізичного моделювання поля в електролітичній ванні, методи планування експерименту і математичної статистики, фотометричні методи визначення пропускальної здатності речовин, графоаналітичний метод визначення відбивальної здатності речовин, методи розрахунку електричних нагрівачів опором і розробки програм для ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі теоретичних досліджень уточнені закономірності, що визначають залежність тривалості процесу пастеризації від параметрів камери нагріву електрофізичних та мікробіологічних характеристик молока.

Встановлені залежності параметрів пастеризації від електричних і технологічних характеристик електродного пастеризатора та оброблюваного продукту.

Визначені залежності параметрів процесу ІЧ електропастеризації від електричних, фізичних характеристик молока, матеріалів і конструкції камери нагріву.

Розроблена математична модель процесу теплопередачі в камері ІЧ електронагріву, що враховує умови нагрівання молока.

Практичне значення роботи. На основі проведених досліджень розроблені методики розрахунку параметрів електропастеризаторів молока електродного та ІЧ нагріву й виготовлені установки, застосування яких дозволяє знизити приведені витрати майже у 2 рази порівняно із існуючим обладнанням. Виготовлені установки впроваджені в господарствах: ім. Леніна Біло-Церківського району Київської області, ім. Кірова Лозівського району, «Зоря» Борівського району Харківської області, що засвідчено відповідними актами. Результати впровадження показали, що річний економічний ефект на одну установку досягає 12,5 тисяч гривень.

Особистий внесок здобувача. Уточнені теоретичні передумови пастеризації молока щодо електропастеризаторів з нагрівом опором.

Встановлені залежності параметрів режиму пастеризації від характеристик електродного пастеризатора.

Розроблена математична модель процесу ІЧ електропастеризації та визначені тривалість, температура обробки в залежності від електричних і фізичних характеристик молока, матеріалів і конструкції камери нагріву.

Розроблені та виготовлені зразки електропастеризаторів; проведені експериментальні дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на щорічних наукових конференціях Харківського державного технічного університету сільського господарства (1991-1999 рр.); Республіканській конференції «Перспективи розвитку і використання поновлюваних джерел енергії в сучасних економічних умовах» (Сімферополь, КСГІ, 1993 р.); Міждержавних наукових конференціях «Актуальні питання наукового забезпечення АПК» (Асканія-Нова, 1993 р.) та «Обробка рідких середовищ електромагнітними полями», «Тепломасообмін і гідродинаміка в турбулентних течіях» (Алушта, 1992 р.); на наукових конференціях професорсько-викладацького складу, наукових співробітників і аспірантів НАУ (Київ, 1994 р.), ЛДАУ (Ленінград, 1992 р.); на науково технічній конференції «Нові технології і технічні засоби для механізації і електрифікації тваринництва» (Запоріжжя, ІМТ УААН, 1995 р.), на міжнародній науково-технічній конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (Глеваха, ІМЕСГ УААН, 1998 р.).

Публікації. Основні результати наукових досліджень опубліковані в 7 друкованих роботах (в тому числі в 1 патенті на винахід).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 169 найменувань, в тому числі 18 іноземними мовами, а також з додатків. Робота викладена на 168 сторінках друкованого тексту, містить 6 таблиць і 30 рисунків на 30 сторінках.

електрофізичний проточний пастеризатор молоко

1. «Стан питання та вибір напрямку досліджень»

Розглянуто існуючий стан питання на основі аналізу публікацій по пастеризації молока. Встановлено, що серед різних способів пастеризації молока перспективними для сільського господарства є електрофізичні методи, зокрема електроустаткування із застосуванням електронагріву опором. Роботами Гізатуліна В.Г., Магди В.Й., Сімонова Б.П., Лопатіна В.М., Ворожейкіної І.А. та інш. доведена вища ефективність застосування електропастеризаторів електродного та інфрачервоного (ІЧ) нагріву опором в сільськогосподарському виробництві порівняно з пароводяними установками. Але через недосконалість теоретичного обґрунтування параметрів цих установок не можливо гарантувати виконання режиму пастеризації, і тому втрачаються основні переваги над традиційними пароводяними апаратами. Крім того, невизначеність ряду електрофізичних характеристик молока та матеріалів елементів конструкції, перешкоджало створенню електропастеризаторів нагріву опором з оптимальною камерою нагріву.

Проведений аналіз дозволив зробити такі висновки:

- застосування електропастеризаторів молока нагріву опором для сільського господарства є перспективним;

- необхідно конкретизувати теоретичні передумови електропастеризації, на основі яких обґрунтувати параметри та режими роботи обладнання;

- необхідно уточнити електрофізичні та технологічні характеристики молока і елементів конструкції, щоб забезпечити оптимальний варіант камери нагріву у відповідності з уточненим теоретичним підґрунтям.

2. «Теоретичні передумови процесу пастеризації молока електричним нагрівом опором»

Згідно з існуючою теорією, пастеризація молока в проточних установках є результатом дії інтегрального теплового ефекту незалежно від способу теплопередачі. Математична модель процесу пастеризації в загальному вигляді відповідає рівнянню

Рапаст.+Равитр.+Рарег. 1

де Ра - критерій Пастера, що вказує на завершення процесу пастеризації на різних етапах теплової обробки молока, зокрема в камері пастеризації, витримувачі та регенераторі. Враховуючи особливості електропастеризації, завдяки яким можна забезпечити рівномірне нагрівання молока в потоці, процес є завершеним при виконанні умови

Раел.п.+Рарег.1,

тобто пастеризація у витримувачі недоцільна.

Інтегральний ефект дії неоднорідного теплового поля пастеризатора на мікроорганізми лежить у межах від 60⁰ до і виражається так:

Ра= ,

де t - час дійсної теплової дії, с; z - час дії, достатній для знешкодження мікроорганізмів, с. Час дії на молоко повинен відповідати режиму пастеризації, що визначається відомою логарифмічною залежністю (рис.1) та рівнянням

,

де - постійні коефіцієнти, що залежать від мікробіологічних показників продукту, с та ^С/⁰С; - температура пастеризації, ⁰С.

У випадку, коли молоко нагрівається в регенераторі до температури більшої за 60⁰, рівняння (2) з врахуванням виразу (3) набуває вигляду:

.

Щоб визначити необхідний час теплової дії конкретного апарату, скористаємося відомим рівнянням теплового балансу проточного електродного пастеризатора молока:

,

де - продуктивність апарату, м3/с; - середня питома теплоємність молока, Дж/кг⁰С; - густина молока, кг/м3; - геометричний коефіцієнт електродного нагрівача, в.о.; - час електропастеризації, с; - зміна температури молока ⁰С в камері нагрівання за час , с; - напруга між електродами, В; - висота електродів, м; - питома електропровідність молока при температурі 20 ⁰С, Сім/м; - температурний коефіцієнт електропровідності молока, 1/⁰С. Якщо процес пастеризації завершено повністю, то підставляючи замість часу t час z, отримаємо , або Критерій Пастера для секції нагрівання, другий доданок у рівнянні (5), дорівнює:

.

Відповідно час електропастеризації визначається

.

Зробивши аналогічні перетворення і проінтегрувавши вираз методом Сімпсона, отримаємо залежність для обчислення часу пастеризації молока в ІЧ секції нагрівання:

,

де - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, Вт/м2.0С; - коефіцієнт тепловіддачі від стінок нагрівача, Вт/м2.0С; Н₁₂ - взаємна площа теплообміну, м²; - числове значення інтегралу,¹/с; - час перебування молока в апараті, що потрібний для зміни температури від , с.

Таким чином, отримані залежності дозволяють визначити час пастеризації при нагріві опором від характеристик молока та параметрів камери нагріву. Коефіцієнти - що визначають особливості процесу, встановлюються окремими експериментально-аналітичними дослідженнями.

3. «Дослідження проточного електродного пастеризатора молока»

Електродний пастеризатор молока повинен забезпечити:

- рівномірне нагрівання продукту по перерізу потоку в електродній камері,

- інтенсивну обробку зі швидкістю більшою 8 ⁰С/с при відсутності осаду на електродах (згідно відомих технологічних вимог),

Аналіз конструктивних розробок електродних пастеризаційних камер показав, що сферична форма корпусу і електродів має ряд як загальних переваг над іншими апаратами (найменша зовнішня поверхня і тепловтрати, мінімальна матеріалоємність), так і спеціальних, а саме: можливість забезпечення необхідного розподілу електричного поля між електродами, завдяки чому забезпечується рівномірний нагрів перерізу потоку молока.

У відповідності з цим, досліджено електродний нагрівач сферичної форми з розміщеними всередині нього діелектричними перегородками з центральним сферичним вирізом. При аналітичному дослідженні електричного поля всередині камери нагріву з трьома електродами застосовано наближений метод обчислення шляхом переходу від трифазної моделі до однофазної (рис.2). Рівняння, що описує характер розподілу потенціалу між електродами має вигляд:

де - радіус центрального вирізу діелектричних перегородок, м;

- координати сплюснутого еліпсоїду обертання.

У рівнянні (10) другий та третій доданки дорівнюють нулю ( та ). Проінтеґрувавши вираз що залишився, та враховуючи симетрію відносно центру, знаходимо різницю потенціалів між електродами:

де - різниця потенціалів, В;

- потенціал точки, що знаходиться між електродами, В.

Максимальна напруженість поля Е знаходиться в області центрального вирізу і описується рівнянням

,

де - радіус електроду, м;

- відстань від центру сфери до точки всередині центрального вирізу, м.

Опір фази між електродами моделі

,

де Rф - опір фази, Ом;

- питома електропровідність молока при температурі , Сім/м.

Враховуючи, що реальна модель має три фази, маємо:

,

де - центральний кут однієї фази нагрівача.

Геометричний коефіцієнт електродної системи дорівнює:

.

Експериментальне дослідження моделі електродного пастеризатора проводилося в електролітичній ванні. Для вирішення задачі при моделюванні трифазного електричного поля використано принцип суперпозиції. В силу симетричності системи, передбачалась повна аналогія картини поля між парою електродів, незалежно від номеру підключеної фази. В результаті експерименту побудовані картини електричного поля при різному співвідношенні між радіусом електроду та центрального вирізу (рис.3), що дало можливість визначити провідність між електродами за допомогою відомого методу «криволінійних квадратів». В результаті маємо:

,

де 1/R - електропровідність області, Сім; - число «квадратів» в площині, що перетинаються кожною силовою лінією електричного поля; - число «квадратів», які перетинаються кожною еквіпотенціальною лінією; - товщина струмопровідного шару, м.

Геометричний коефіцієнт, визначений при моделюванні, дорівнює:

.

Порівняння результатів аналітичного і експериментального визначення геометричного коефіцієнту електродної системи приведено в табл.1.

Експериментальні дослідження електропровідності (рис.4) дали змогу обчислити значення температурного коефіцієнту електропровідності молока: 1/⁰С. При підстановці отриманих результатів у вираз (8) одержимо

,

де - значення інтегралу, ⁰С/с.

Таблиця 1. Результати аналітичного і експериментального визначення геометричного коефіцієнту електродного нагрівача

««	rел1/ rцв
	29,52	38,66	52,86	77,16	126,6	При ц=1200
(з дослідів)	34,1	36,2	52,63	75,19	131,58

Таким чином, визначені параметри процесу пастеризації від електричних і технологічних характеристик молока та сферичної камери нагріву електродного пастеризатора забезпечують зменшення щільності струму на сферичній поверхні електродів і відповідне збільшення його у виділеній області інтенсивного нагрівання продукту в 3-5 разів, та швидкості нагрівання > 8 ⁰С/с.

4. «Експериментально-аналітичне дослідження характеристик камери ІЧ електронагріву пастеризатора молока»

Техніко-економічна ефективність ІЧ установок в значній мірі залежить від правильного вибору типу нагрівача, й узгодженості терморадіаційних характеристик випромінювача та продукту, що нагрівається.

Для вимірювання терморадіаційних характеристик матеріалів використано двохпроменевий спектрофотометр «SPECORD-75IR». Зразки рідин розміщувалися в термостатованих кюветах з віконцями із флюориту (CaF2), а порошкоподібні речовини пресувалися разом із прозорою основою (KBr). В результаті дослідження оптичних характеристик встановлено, що найбільш ефективним для пастеризації молока ІЧ випромінюванням є нагрівач з довжиною хвилі . При цьому ефективна глибина проникання ІЧ променів в молоко становить , а відносний коефіцієнт чорноти молока - .

Враховуючи обмежену глибину проникання ІЧ променів у молоко та необхідність широкого діапазону продуктивності устаткування, запропонована конструкція камери нагрівання з пластинчатими випромінювачами, зібраними в пакет із зазором для проходу продукту. Схема представлена на рис.5. В результаті дослідження теплопередачі від нагрівача до молока встановлено, що термічний опір системи теплообміну RT визначається залежністю:

,

де - відповідно, коефіцієнти тепловіддачі випромінюванням та від стінок нагрівача, Вт/м².⁰С; - коефіцієнти теплопровідності повітря, скла із кварцу, фторопласту, молока, Вт/м²; - товщина зазорів, відповідно, повітряного між тілом розжарювання та стінкою колби, стінки колби, фторопластового покриття, ламінарного шару молока, м; - відносні коефіцієнти чорноти тіла розжарювання, скла із кварцу та молока, в.о.; - величина відносного пропускання прозорої колби та ламінарного шару молока, в.о.; ; Тен - абсолютна температура нагрівача, ^оК; Т_м - температура молока, ^оК; - діаметр проводу нагрівального елементу, - крок укладки нагрівального проводу, м; - гіперболічний синус; 2- відстань між внутрішніми стінками нагрівача, м; - коефіцієнт теплопередачі конвекцією від колби до молока, Вт/м²⁰С. Проведеними дослідженнями встановлено, що визначається гідродинамікою потоку продукту:

,

де - питома теплоємність молока, Дж/кг.0С; - дотичні напруження на стінках потоку в межах ламінарного шару, Н/м2; - швидкість потоку молока, м/с; - гідравлічний коефіцієнт тертя, в.о.; - число Прандтля, в.о.

Одержані вирази дали змогу визначити залежність параметрів теплообміну від умов протікання потоку рідини. Графічна залежність питомої потужності випромінювача та ламінарного пристінного шару молока від числа Рейнольдса приведена на рис. 6. Вона свідчить, що при турбулентності потоку, меншій за 10000, знаходиться область нестійкої роботи з можливим пригоранням молока до поверхні теплообміну.

Таким чином, дослідження, проведені з використанням розробленої математичної моделі процесу теплопередачі в камері ІЧ електронагріву, дозволили встановити параметри ефективної роботи ІЧ пастеризатора молока:

- швидкість нагрівання більше 9 ⁰С/с;

- турбулентність потоку продукту Re 20000;

- питома потужність випромінювача - (11,5-12,5).10⁴ Вт/м².

5. «Експериментальне дослідження електропастери-заційних установок прямого та посереднього нагрівання опором»

Дослідження роботи електропастеризаторів у виробничих умовах проводилися з метою перевірки відповідності їх розрахунковим характеристикам та спроможності апаратів задовольняти вимогам ДГСТ щодо пастеризованого молока. Випробування проводилися у два етапи: 1-й етап - виробничі випробування; 2-й етап - приймальні. В ході виробничих випробувань проводилось визначення відповідності основних технічних та технологічних характеристик установок розрахунковим та показників якості обробленого молока. Дослідженнями встановлено відповідність фактичних характеристик установок розрахунковим.

Установки електродного та інфрачервоного нагріву забезпечують ефективність пастеризації, що відповідає вимогам ДГСТ 2661-94. Електродний пастеризатор доцільно застосовувати при продуктивності 0,1-1,0 т/год., а ІЧ пастеризатор - від 0,5 до 5,0 т/год.

Питомі електричні витрати при використанні пастеризаторів нагріву опором складають 16,3 кВт.год/т, що майже на 50% менше в порівнянні з традиційними пароводяними конвективними апаратами.

Розроблені установки для пастеризації молока дозволяють знизити приведені затрати в 1,35-2,0 рази.

Річний економічний ефект від впровадження однієї установки без урахування якості пастеризації досягає 12500 гривень.

Висновки

1. Аналіз літературних джерел та результати власних досліджень показали, що застосування пастеризаторів електронагріву опором дає можливість забезпечити підвищення ефективності обробки молока шляхом раціонального використання електричної енергії і обладнання.

2. Уточнено теоретичні передумови процесу пастеризації молока, що забезпечило обґрунтування конструкцій камери нагріву електродного та ІЧ пастеризаторів. Встановлені закономірності визначають режим, який дозволяє отримати пастеризаційний ефект 99,9%.

3. Визначені залежності параметрів процесу пастеризації від електричних і технологічних характеристик молока та електродного пастеризатора. Обладнання, розроблене з їх використанням, гарантує:

- рівномірне нагрівання перерізу потоку продукту з максимальною швидкістю більшою 8⁰С/с;

- зменшення щільності струму на сферичній поверхні електродів і відповідне збільшення його у виділеній області інтенсивного нагрівання молока в 3-5 разів;

- зменшення енерговитрат на одиницю продукції в 1,5-2 рази.

4. Розроблена математична модель процесу теплопередачі в камері ІЧ електронагріву. Її застосування забезпечує:

- збільшення швидкості нагрівання до 9 ⁰С/с;

- збільшення питомої потужності теплопередачі до (11,5-12,5).104 Вт/м2.

5. Визначені залежності процесу ІЧ електропастеризації від електричних, фізичних характеристик молока, матеріалів і конструкції камери нагріву. Розроблене устаткування дозволяє знизити енерговитрати на одиницю продукції майже на 50%.

6. Виробничі випробування розроблених електропастеризаторів підтвердили уточнені теоретичні передумови обґрунтування їх параметрів. Якість обробленого молока відповідає вимогам ДГСТ 2661-94. Електродний пастеризатор доцільно застосовувати при продуктивності 0,1-1,0 т/год., а інфрачервоний - від 0,5 до 5,0 т/год.

7. Розроблені установки для пастеризації молока дозволяють знизити приведені витрати в 1,35-2 рази. Річний економічний ефект на одну установку досягає 12,5 тисяч гривень.

Список опублікованих праць

1. Жила В.И., Магда В.И. Исследование процесса теплопередачи в камере инфракрасного электронагрева пластинчатого типа проточной пастеризационно-охладительной установки // Питання електрифікації сільського господарства.- Харків:ХДТУСГ.-1998.- С.113-121. (Розроблена математична модель процесу теплообміну в камері ІЧ нагріву та визначені параметри ІЧ пастеризації в залежності від характеристик молока, матеріалів й конструкції камери нагріву.)

2. Жила В.И., Магда В.И. Обоснование оптимальных параметров пастеризаторов молока электрического нагрева сопротивлением // Питання електрифікації сільського господарства. - Харків: ХДТУСГ.- 1999-.вип.1. С.47-50. (Уточнені закономірності, що визначають залежності тривалості процесу пастеризації від параметрів камери нагріву та молока; встановлені залежності параметрів процесу пастеризації від характеристик електродного пастеризатора.)

3. Магда В.И., Жила В.И. Эффективность использования электрофизических методов для тепловой обработки молока //Проблемы сельскохозяйственной светотехники. - Ленинград: ЛГАУ. - 1991. - С.101-105. (Технологія знезаражування молока від туберкульозу з допомогою ІЧ пастеризатора молока.)

4. Магда В.И., Жила В.И. Эффективность использования электрического нагрева сопротивлением для тепловой обработки молока. //Вестник науки и техники.- Харьков: Харьковский дом науки и техники.- 1997.- Вып.1.-С.97-100. (Ефективність застосування електродного пастеризатора молока у виробничих умовах.)

5. Магда В.И., Жила В.И. Эффективность использования электрофизических методов для тепловой обработки молока //Тезисы докладов межгосударственной конференции «Обработка жидких сред электромагнитными полями».-Алушта:Институт технической теплофизики АН Украины.-1992. - С.37-39.(Огляд розробок в області пастеризації молока, що визначило проблеми, вирішення яких необхідне для підвищення ефективності роботи електропастеризаторів.)

6.Магда В.И., Жила В.И. Перспективы применения электропастеризаторов в условиях молочной фермы //Тезисы докладов к ХХ конференции молодых ученых «Актуальные вопросы обеспечения АПК».-Херсон: НИИЖ «Аскания-Нова».-1993.- С-123. (Застосування електропастеризаторів нагріву опором в умовах сільськогосподарського виробництва.)

7. Пат. 26329 Україна, МКИ 6 А23 С 3/02. Пастеризаційно-охолоджувальна установка для теплової обробки молока інфрачервоним електронагрівом /Жила В.І., Магда В.Й., Григоренко В.І. (Україна). - 4с. іл.; Опубл. 30.08.1999, Бюл.№5. (Пластинчатий ІЧ випромінювач з антипригарним покриттям поверхні теплопередачі.)

1. Размещено на Allbest.ru

...