Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

Наряду с описанной выше термической стерилизацией в про­ мышленности применяют стерилизацию сред токами высокой и сверхвысокой частоты, облучением ультрафиолетовыми лучами,, обработкой химическими веществами, в поле действия центро­ бежных сил и др.

Так как почти все пищевые среды и продукты являются ди­ электриками, при действии на них высокочастотного электриче­ ского поля в результате колебательного движения их молекул они способны быстро и равномерно нагреваться. При частоте электрического поля около 10 млн. колебаний в секунду и на­ пряженности поля не опасной для электрической прочности про­ дуктов, они нагреваются от 30 до 120° С в течение одной мину­ ты и для их стерилизации требуется около 100—140 с. Стерили­ зация токами высокой частоты по сравнению с термической особенно эффективна для таких сыпучих материалов как отруби, мука и др., имеющих низкую теплоемкость и теплопроводность. Установлено, что ультразвук частотой 10 000 Гц и выше облада­ ет эффективными бактерицидными свойствами.

Ультрафиолетовое облучение применяют для стерилизации воздуха, используемого в бродильных производствах, питьевой и минеральной воды и др. Вирусы, находящиеся в этих средах, очень быстро инактивируются под влиянием ультрафиолетовых лучей с длиной волн 260—300 мкм. Так как ультрафиолетовые лучи имеют малую проникающую способность в оптически плот­ ных средах, эффективность применения их зависит от интен­ сивности и времени облучения и свойств облучаемого продукта.

Практический интерес представляет способ обезвреживания жидкостей путем обработки их в поле действия центробежных сил. При этом выделение микроорганизмов происходит благода­ ря разности плотностей среды и микроорганизмов и зависит от их размеров и формы. Например, с помощью тарельчатых сепа­ раторов удалось выделить из молока до 99,9% микроорганиз­ мов. Это по сравнению с пастеризацией весьма заманчиво, так как процесс протекает без физико-химических превращений в продукте и в нем не остаются погибшие микроорганизмы.

В качестве химических стерилизующих средств применяют хлорную известь, формалин, серную и соляную кислоты, а в по­ следнее время рекомендуется (3-пропиолактон, отличающийся высоким стерилизующим эффектом в обычных условиях, малой токсичностью и простотой применения.

Несмотря на большое разнообразие химических стерилизую­ щих веществ, ни одно из них не является универсальным из-за специфичности и разнообразия стерилизуемых продуктов. Вы­ сокая эффективность обезвреживания сред обычно достигается комбинированными способами обработки их.

Например, высокий выход кормовых дрожжей из мелассы обеспечивается таким способом обезвреживания: в мелассу вво­ дят раствор хлорной извести (из расчета 0,1—0,15% хлорной

126

извести по массе мелассы), затем ее подкисляют серной или со­ ляной кислотой до PH 2,0—2,5 и после выдерживания в течение 10—12 ч стерилизуют при 100° С в течение 1—2 мин в непрерыв­ ном потоке, выдерживают в течение 30 мин и после быстрого охлаждения направляют в производство.

4.УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Взависимости от конструктивного выполнения поверхност­ ные теплообменники подразделяют на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и с оребренной по­ верхностью.

Рис. 68. Кожухотрубные теплообменники:

а — одноходовой, б — размещение отверстий на трубных решетках для труб, в — теплообменник с U-образными трубами, г и д — многоходовые теплообменники с пере­ городками в трубном и межтрубном пространствах.

Трубчатые теплообменники в свою очередь делятся на кожу­ хотрубные, типа «труба в трубе», оросительные и змеевиковые.

К о ж у х о т р у б н ы е т е п л о о б м е н н и к и получили в промышленности наибольшее применение благодаря своей

127

компактности, простоте в изготовлении и надежности в ра­

боте.

Простейший одноходовой кожухотрубный теплообменник с жестко закрепленными трубными решетками показан на рис.

Эти отверстия расположены на трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов или по кон­ центрическим окружностям. Трубы 3 в отверстиях решетки плотно закрепляют при помощи вальцовки или сварки. Жесткое крепление труб с обеих сторон допустимо при перепаде темпе­ ратур между средами не более 50° С, когда линейные удлинения труб и кожуха небольшие и не вызывают значительных напря­ жений в местах крепления. Чтобы предотвратить возможные де­ формаций при большем перепаде температур, кожух теплооб­ менника выполняют с линзовым компенсатором (рис. 68,5) или делают теплообменник с U-образными трубами (рис. 68, в). С обеих сторон кожух закрывают крышками 4, образующими верхнюю и нижнюю камеры. Таким образом, в теплообменнике имеется межтрубное пространство, ограниченное кожухом, дву­ мя трубными решетками и наружной поверхностью труб, и труб­ ное пространство, соединяющее обе камеры.

Одна из сред (обычно более чистая) проходит в межтрубном пространстве, а другая хреда движется из одной камеры в дру­ гую по трубам и в данном случае делает один ход; скорость движения ее при этом небольшая и коэффициент теплоотдачи относительно мал. Для подвода и отвода сред теплообменник имеет соответствующие патрубки, а при обогреве его паром, кроме того, еще и патрубок для отвода неконденсирующихся газов из межтрубного пространства. Лапы 5 предназначены для установки теплообменника.

Для того чтобы повысить коэффициент теплопередачи, при­ меняют многоходовые теплообменники. Например, в двухходо­ вом (по трубному пространству) теплообменнике (рис. 68, г) перегородкой, установленной в верхней камере, все трубы раз­ делены на два хода (пучка), по которым среда I проходит по­ следовательно. При этом соответственно числу ходов увеличива­ ется скорость движения среды, а следовательно, и коэффициент теплоотдачи, уменьшается потребная поверхность теплообмена и геометрические размеры теплообменника. Число ходов в теп­ лообменнике, как правило, делают четным и не более 10—12, так как при большем числе ходов резко возрастает гидравличе­ ское сопротивление теплообменника.

Для повышения скорости среды II и эффективного исполь­ зования поверхности теплопередачи устанавливают поперечные или продольные перегородки и в межтрубном пространстве

(рис. 68, в, г, д ).

В кожухотрубных теплообменниках в основном используются

128

медные и латунные трубы диаметром 20—90 мм и стальные бес­ шовные трубы диаметром 25—75 мм.

Т е п л о о б м е н н и к т и п а « т р у б а в т р у б е » (рис. 69, а} состоит из нескольких элементов, расположенных один над дру­ гим. Каждый элемент состоит из наружной трубы 1 и концен­ трически расположенной в ней трубы 2\ уплотнение между ни­ ми достигается установкой сальников или сваркой. Внутренние трубы элементов соединены последовательно переходными ко­

ник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, однако он громоздкий и по сравнению с кожухотрубным — металлоем­ кий. Иногда в одном элементе такого теплообменника разме­ щают не одну трубу, а 3—5 труб.

О р о с и т е л ь н ы й т е п л о о б м е н н и к (рис. 69,6) при­ меняется в основном для охлаждения жидкостей и конденсации паров. Он состоит из ряда труб 1, расположенных одна над дру­ гой и соединенных коленами 2. Охлаждающая вода из желоба 3 с зубчатыми краями равномерно подается на поверхность верхней трубы, с которой стекает на нижерасположенные трубы и отводится через корыто 4; охлаждаемая жидкость при этом движется по трубе снизу вверх, а если приходится конденсиро­ вать пар, то его направляют в трубу сверху вниз.

Этот теплообменник прост по устройству, но громоздкий, име­ ет невысокий коэффициент теплопередачи, а при установке его в помещении значительно повышается влажность воздуха в нем за счет испарения части воды.

З м е е в и к о в ы й т е п л о о б м е н н и к (рис. 6 6 ,6 )— наибо­ лее простой из теплообменников; он применяется как для конден­ сации паров, так и для нагревания и охлаждения жидкостей. В зависимости от длины труб для змеевика, его располагают в аппарате в один или два ряда. Коэффициент теплопередачи для него невысок из-за свободной конвекции у поверхности труб.

При установке в таких аппаратах мешалок последние должны

чил в последнее время широкое применение в молочном, пиво­ варенном, винодельческом, консервном и других производствах для нагревания, охлаждения, пастеризации и стерилизации жид­ костей, почти не содержащих твердой фазы.

г

Рис. 70. Пластинчатый теплообменник:

а — общий вид, б — пластина, в и г — схемы дви­ жения потоков.

Он состоит из штампованных пластин 1, установленных на горизонтальных штангах 2, концы которых закреплены в стой­ ках 3 и 4. При помощи нажимной плиты 5 и винта 6 пластины плотно прижимаются одна к другой через резиновые проклад­ ки 7, приклеенные по периферии пластин и вокруг отверстий для прохода сред. Рабочие поверхности пластин рифленые, .что при­ дает им жесткость и обеспечивает турбулизацию протекающих по ним сред.

Таким образом, в собранном теплообменнике между пласти­ нами образуются каналы шириной 2—4 мм; по четным каналам движется среда /, по нечетным — среда II, а теплообмен между

130

ними происходит через стенку пластины, изготовленной изнер­ жавеющей стали толщиной 1 мм. При этом за счет турбулизации потоков и теплообмена в тонком слое коэффициент тепло­ передачи значительно выше, чем в других теплообменниках.

Каждая пластина (рис. 70, б) имеет четыре отверстия. При сборке пластин эти отверстия образуют четыре продольных кол­ лектора. На рис. 70,г показано противоточное движение пото­ ков / и II в одном пакете пластин. Поток / из коллектора рас­ пределяется параллельно между каждой парой пластин, прохо-

Рис. 71. Схема работы пластинчатого пастериза­ тора.

дит по каналам и выходит к нижнему коллектору. Поток // движется с другой стороны пластин противотоком.

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Па­ кетом называют группу пластин, между которыми продукт или теплоноситель движется только в одном направлении. Так, на­ пример, в секции из девяти пластин при противоточной схеме движения потоков имеется один пакет из четырех параллельных каналов для продукта и один пакет из таких же каналов для теплоносителя. Так как каждый канал ограничен двумя пласти­ нами, то всего в теплообменнике число пластин на единицу больше числа каналов для продукта и теплоносителя вместе взятых.

Подобная схема потоков может быть представлена в зашиф­

рованном виде как— . Числитель дроби относится к продукту,

4

а знаменатель — к теплоили хладоносителю. Количество чисел в числителе или в знаменателе, разделенных знаками плюс, со­ ответствует количеству пакетов в теплообменнике, соединенных между собой последовательно. Каждое такое число соответству­ ет числу каналов в данном пакете.

Если длина канала одного пакета пластин недостаточна для требуемого нагрева или охлаждения жидкости, то потоки вклю­ чаются последовательно.

Схема последовательного движения двух потоков через два пакета показана на рис. 70, в. При этом между данными паке­ тами ставится одна промежуточная пластина, через угловые от-