автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование работы пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом для охлаждения вязких пищевых продуктов

На правах рукописи

РАШКИН Кирилл Александрович

Совершенствование работы пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом для охлаждения вязких пищевых продуктов

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

Москва - 2013

005543807

005543807

Работа выполнена на кафедре «Технологическое оборудование пищевых предприятий» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» (ФГБОУ ВПО «МГУПП») Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: Бредихин Сергей Алексеевич, доктор

технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Калошин Юрий Аркадьевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологии и управления имени К.Г. Разумовского», заведующий кафедрой «Пищевые машины»

Будрик Владислав Глебович, кандидат технических наук, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности», заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов»

Россельхозакадемии

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат размещен на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» http://www.mgupp.ru

Автореферат разослан »

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

2013 г.

Максимов Д. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тепловая обработка — одна из основных и необходимых технологических операций переработки сырья как растительного, так и животного происхождения. Необходимость тепловой обработки пищевого сырья и полуфабрикатов определяется их санитарным благополучием. При этом процесс тепловой обработки является необходимым условием получения продукции с заданными органолептическими показателями.

Тепловая обработка сырья и полуфабрикатов в пищевой промышленности имеет различное аппаратурное оформление. В настоящее время в промышленности используется большое количество теплообменных аппаратов для вязких продуктов. В большей части они используются в технологиях производства сливочного масла и спредов методом преобразования. Одновременно с этим в условиях рыночной экономики создается большое количество разнообразных комбинированных пищевых продуктов, обладающих сложными реологическими свойствами и характеризующихся высокой вязкостью. Как правило, процесс производства таких продуктов происходит в емкостном оборудовании и носит периодический характер. Для создания технологических линий непрерывного действия требуются теплообменные аппараты для вязких продуктов. Однако методика их расчета основывается на эмпирических выражениях, которые изменяются в зависимости от свойств продукта. На многие виды продуктов в настоящее время эмпирические зависимости отсутствуют. В связи с этим важность разработки аналитических зависимостей для расчета теплообменных аппаратов, которые будут использоваться в поточных линиях производства вязких продуктов, имеет первостепенное значение.

Целью работы является совершенствование работы пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом для вязких пищевых продуктов и установление взаимосвязи режимных параметров с учётом структуры продукта для повышения эффективности процесса охлаждения.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

изучить механизм теплопереноса в вязких пищевых продуктах на основе феноменологического подхода и анализа экспериментально-аналитических закономерностей изменения температуры в продуктах различной структуры;

обобщить результаты исследований по влиянию начальной температуры продукта на физико-механические характеристики продукта;

дать анализ динамики изменения температуры продукта в потоке в зависимости от температуры хладоносителя;

разработать математическую модель переноса теплоты при охлаждении вязких продуктов в потоке;

на основе математического моделирования установить, проанализировать и обобщить кинетические закономерности охлаждения вязких продуктов;

разработать инженерную методику расчёта скребкового теплообменника непрерывного действия на основе кинетики их изменения в вязких пищевых продуктах;

Научные положения, выиосимые на защиту.

На защиту выносятся следующие научные положения: научное обоснование развития принципов аналитического описания теории процесса теплопереноса при охлаждении вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом;

научное обоснование методики расчёта пластинчатых тегогообменных аппаратов со скребковым механизмом;

результаты экспериментальных и аналитических исследований кинетических закономерностей теплопереноса в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом;

Научная новизна:

разработана математическая модель теплопереноса с установлением взаимосвязи режимных параметров процесса охлаждения вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

на основе разработанной математической модели теплопереноса развиты представления о механизме переноса теплоты с установлением взаимосвязи режимных параметров процесса охлаждения вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

при решении внутренней задачи теплопереноса при охлаждении вязких пищевых продуктов получены обобщённые зависимости, позволяющие определять изменения температуры продукта и хладоносителя в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

получено аналитическое описание процесса переноса теплоты в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом; установлены кинетические закономерности, определяющие изменение температуры в продукте на основе дифференциальных уравнений теплопереноса в движущихся жидких средах, записанных в цилиндрической системе координат при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии;

получены и обобщены новые экспериментальные данные о значении температуры при охлаждении вязких продуктов различной структуры

(кетчуп, сгущенное молоко) в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

Практическая значимость работы. Разработан пластинчатый теплообменный аппарат со скребковым механизмом, входящий в состав промышленной пастеризационно-охладительной установки для поточной пастеризации вязких пищевых продуктов (кетчуп и др.), изготовленной ФГУП Молмаш Россельхозакадемии. Разработано техническое задание на пластинчатый теплообменный аппарат со скребковым механизмом.

Разработана инженерная методика расчёта пластинчатого теплообменного аппарата непрерывного действия со скребковым механизмом для тепловой обработки вязких пищевых продуктов.

Разработана методика расчёта изменения температуры вязких пищевых продуктов в потоке. Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий со студентами.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, выполненные автором в период 2010-2013 гг. были доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: IX и X международные научные конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (г. Москва, 2011, 2012 г.г.), VI Международная научно-практическая конференция «Новые технологии и технические средства в АПК, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова Владимира Васильевича» (г. Саратов, 2012), Научно-практическая конференция «Проблемы переработки сыворотки» (г. Москва, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ — 8, статья в отраслевом журнале — 1, в сборниках материалов конференций — 3.

Структура н объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста, содержащего 15 таблиц, 42 рисунка и 6 страниц приложения. Список литературы включает 133 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности рассматриваемой проблемы и целесообразности исследований, формулированию цели и задачи работы и изложению её научной новизны и практической значимости.

1. Особенности переноса теплоты при обработке вязких пищевых продуктов в потоке.

В первой главе даётся анализ современного состояния исследований переноса теплоты при обработке вязких пищевых продуктов, а также рассматриваются исследования различных авторов. В главе проводится анализ использования различных типов теплообменных аппаратов в зависимости от технологий производства. Описывается конструкция используемых в настоящее время в промышленности скребковых теплообменных аппаратов пластинчатого типа и схема движения продукта в них для продуктов различной структуры.

Приводится анализ областей применяемости различных типов теплообменных аппаратов в зависимости от вязкости перерабатываемого продукта (рис. 1). Цифрами отмечены зоны наиболее эффективного использования теплообменных аппаратов: 1 — пластинчатых и барабанных со скребковыми механизмами, 2 - пластинчатых, 3 — трубчатых. Известно, что вязкость пищевых сред обычно выглядят в виде логарифмических функций, значения которых значительно возрастают в области низких температур. Поэтому на практике часто применяется комбинирование нескольких типов теплообменных аппаратов, например, теплообменников со скребковым механизмом и трубчатого. Для повышения эффективности теплообмена между средами и снижения гидравлического сопротивления в теплообменных аппаратах рекомендуется использование скребковых механизмов. В таких случаях пластинчатый теплообменный аппарат со скребковым механизмом работает в зоне температур, где у продукта более высокая вязкость и отвод или подвод теплоты с применением других типов теплообменников затруднены. В зоне высоких температур, где вязкость продукта снижается, для термообработки достаточно использования пластинчатых или трубчатых теплообменников.

Важно учитывать, что максимально допустимые рабочие температуры также зависят от типа теплообменного аппарата. Для полуразборных и разборных теплообменных аппаратов, к которым, в частности, относятся скребковые и пластинчатые, максимальные рабочие температуры обычно не превышают 120 °С, что связано с применением в их конструкции большого числа резиновых уплотнений. В настоящее время в качестве уплотнений применяют различные виды высококачественной резины, однако их большое количество, накладывает ограничения на применение данных типов теплообменников в зоне высоких температур, а, следовательно, и высоких давлений. С данной точки зрения конструкция трубчатых теплообменных аппаратов выглядит более предпочтительной для использования в технологиях высокотемпературной обработки продукции, поэтому подавляющее большинство установок для стерилизации и ультрапастеризации молока и сливок выполнены на базе трубчатых теплообменников.

Температура, °С

Молоко, мдж 3,5% Сливки, мдж 35% ........Вода

Мед, 14% влаги —»Мед, 24% влаги ........Томатный сок, 4,6 % СВ

Рис. 1. Зависимость коэффициента кинематической вязкости от температуры продукта (МДЖ - массовая доля жира, СВ - массовая доля сухих веществ)

2. Аналитическое исследование теплопереноса. Предлагаемый подход к изучению теплопереноса при переработке сырья биологического происхождения сохраняет преемственность основных теоретических положений, развитых в работах Алексеева Г.В., Антипова С.Т., Бражникова

A.М, Бредихина С.А., Гинзбурга A.C., Калошина Ю.А., Золотина Ю.П., Плаксина Ю.М., Барановского Н.В., Острикова А.Н., Рогова И.А., Ивашова

B.И., Кошевого Е.П., Лыкова A.B., Маслова A.M., Никифорова Л.Л., Николаева Н.С., Суркова В.Д., Филипенко Б.П., Червецова В.В., Шульмана

3.П. и др. ученых и специалистов. Среди иностранных ученых необходимо отметить вклад Pepples M.L., а также Walstra Р. и Jenness R. Большой вклад в изучение физико-химических свойств пищевых продуктов и их изменение под влияние различных технологических параметром внесли работы Горбатова A.B., Косого В.Д., Мачихина С.А., Мачихина Ю.А., Масловой Г.В. и других ученых и специалиистов.

Объектами изучения являются вязкие продукты (кетчуп, сгущенное молоко и т.п.), которые очень специфичны как объекты исследования. Они поликомпонентны по составу, неоднородны по морфологическому строению, не адекватны по функционально-технологическим свойствам и под воздействием внешних факторов лабильно изменяют свои свойства. Особенностью рассматриваемых объектов является их высокая вязкость и содержание механических включений.

В настоящее время одним из основных методов изучения технологических процессов обработки пищевых продуктов является

моделирование, методическую основу которого составляет системный анализ. Его преимуществом является возможность анализа и учёта всего многообразия явлений, которое имеет место при переработке сырья биологического происхождения, во взаимосвязи между собой. С позиции системного анализа комплексный подход к рассмотрению явлений переноса теплоты позволяет создавать научно обоснованные методы эффективного управления, прогнозирования поведения сырья и продуктов в процессах их переработки, а также методы расчёта теплообменных процессов и аппаратов.

Процессы переработки сырья биологического происхождения, в соответствии с положениями системного анализа, рассматриваются как элементы биотехнологической системы. Явления переноса теплоты в продукте имеют различную физическую природу, характер и могут осуществляться раздельно, параллельно, последовательно и смешанно.

Для аналитического описания переноса теплоты в вязких пищевых продуктах при охлаждении в потоке будем руководствоваться следующими общими допущениями:

1. Структура изучаемых объектов с позиции описания процессов переноса теплоты рассматривается как влажное коллоидное тело. Свойства объектов исследования переносить проводить теплоту определяются коэффициентами теплопереноса. Количественные значения этих коэффициентов являются функцией состава, структуры и интегрально отражают свойства продуктов.

2. Изменение температуры продукта будем рассматривать для одного элемента площади теплообменного аппарата. Этот элемент назван теплообменным. Течение вязких продуктов внутри теплообменного элемента при его охлаждении рассматривается как ламинарное, неизотермическое при постоянном расходе без нарушения сплошности потока и имеет сложную траекторию.

3. Распределение температуры в продукте равномерное и не зависит от способа его подачи в теплообменный элемент (периферийная или центральная подача) и от конструкции скребкового механизма теплообменника, расположенных на диске или на крестовинах.

4. Геометрические форма и размеры теплообменного элемента одинаковы для всей теплопередающей поверхности аппарата.

5. Теплообменный элемент (рис. 2) представляет собой конструкцию из двух соосных сварных цилиндрических теплообменных пластин вместе со скребковым механизмом.

В работе исследованы три вида теплообменных элементов, из них два вида с перемешивающим устройством в виде крестовины с ножами и один с перемешивающим устройством в виде диска с ножами. Схема течения продукта и тепло-хладоносителя в различных видах теплообменного элемента пластинчатого аппарата со скребковым механизмом показан на рис. 3.

Рис. 2. Основные детали теплообменного элемента: 1 - сварные цилиндрические теплообменные пластины, 2 - уплотнительное кольцо, 3 -скребковый механизм.

4

Рис. 3. Схема течения продукта и тепло-хладоносителя в различных видах теплообменных элементах.

Стрелками на рис. 3. показано движение продукта и тепло-хладоносителя: 1,2 — вход и выход продукта соответственно; 3,4 — вход и выход тепло- хладоносителя соответственно; Г, — начальная температура продукта, Т2, -температура продукта на выходе из /-теплообменного элемента; Тх0 — начальная температура тепло-хладоносителя; Тх, - температура тепло-хладоносителя на выходе из /'-теплообменного элемента.

В теплообменном элементе со скребковым механизмом - крестовиной, с установленными на ней ножами, продукт может подаваться как в

центральное отверстие и двигаться на перефирию, так и, поступая через перефирийные отверстия, перемещаться в сторону центра. Основным отличием теплообменного элемента с перемешивающим устройством в форме диска с ножами состоит в том, что продукт поступает через центральное отверстие, перемещается к периферии, а затем, огибая диск с ножами, снова движется в сторону центрального отверстия и выходит через него.

Для аналитического описания и определения характера изменения температуры и взаимосвязи режимных параметров и условий протекания процесса охлаждения вязких пищевых продуктов различной структуры, использованы дифференциальные уравнения теплопереноса в движущихся жидких средах, записанных в цилиндрической системе координат при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии

дТ_ дг '

дТ у — = а

" дг

д2Т 1 дТ > дг г ог

О)

где Т — температура в точках продукта, °С, г и г — цилиндрические координаты точки продукта, V, и уг — проекции скорости точек продукта на оси г и г, а - коэффициент температуропроводности, м2/сек.

Расчетная схема для определения температуры продукта при его течении в продуктовых каналах аппарата показана на рис. 4.

Т,

Рис. 4. Расчетная схема: 1-теплообменные пластины, 2-продуктовая зона; Бо-размер, ограничивающий продуктовую зону, В0=2*Р0; Эрдиаметр входного отверстия, В1=2*Кь Т>2-диаметр, на котором расположены выходные отверстия, В2=2*И2; Ргдавление продукта на входе в теплообменный элемент; Р2-давление продукта на выходе из теплообменного элемента, Т0-температура продукта, ТУтемпература пластины 1, Т2-температура пластины 2.

Полагаем, что осевая скорость продукта у. значительно меньше радиальной х\ и окружной скоростей, поэтому в уравнении (1) положим дТ

V. — « 0. " &

Для определения радиальной скорости воспользуемся дифференциальным уравнением стационарного осесимметричного течения несжимаемой вязкой жидкости, полагая в нем коэффициент вязкости ¡л и плотность продукта р не зависящими от температуры для данной пары дисков (теплообменного элемента)

1 др \ д2Уг 1 8уг д2уг у,

г р дг I дг2 г дг дг2 г2 ' ^

где р — давление в точках продукта, Па, V — коэффициент кинематической вязкости продукта, м2/сек, равный

Ц

Учитывая принудительное вращение продукта, примем, что его угловая скорость равна угловой скорости СО вращения лопастей скребкового механизма, т. е.

У„«а>/\ (4)

В силу этого два слагаемых в левой части уравнения (2) можно представить в следующем виде:

V* 1 др 1 дР

- —+ —— =----(5)

г р дг р дг '

где Р — модифицированное давление, Па.

Модифицированное давление представляет разность между истинным давлением продукта и давлением, которое было бы в нем только при его вращении с угловой скоростью [Д. Бэтчелор, 1973 г.]. Оно равно

Р = Р~Р™2 г2. (6)

При условии постоянства расхода продукта через любое цилиндрическое сечение пространства между пластинами теплопередающего элемента будем искать решение уравнения (2) в виде

"г ="/(*).

(7)

г

Подстановка выражений (5) и (7) в (2) с учетом (3) дает

1 дР 1 , ,

= ~/\2), (8) ц дг г

где двумя штрихами обозначена вторая производная по координате г.

Чтобы дифференциальное уравнение (8) имело решение нужно

1 дР 1 м

= (9)

цог г 4 '

Интегрируя левую и правую части равенства (9) по координате г, получим для модифицированного давления выражение

Р = (10)

Для определения произвольных функций \|/(г) и воспользуемся

граничными условиями

г = Р = Р,; г = Я2, р = Р2, (11)

где Р/ - модифицированное давление на входе продукта в междудисковое пространство, а Р2 - модифицированное давление на выходе продукта. Эти давления равны

Рг =Рг (12)

где р! и р2 — истинные давления продукта соответственно во входном и выходном сечениях.

Используя выражение (12), подставим его в (10) и, используя граничные условия (11) и уравнения расхода, определим радиальную скорость продукта.

Для определения температуры продукта уравнение (1) подставим в выражение для радиальной скорости преобразуем его и получим однородное уравнение теплопроводности:

82Т 1 дТ (л л д2Т п

Данное уравнение решаем при следующих граничных условиях:

г=К1,Т = Т1,г = 0,Т = Т3, г = И,Т = Т4, (14)

где Г; и Г, - температуры продукта на стенках дисков.

к2п2 1 А2 к2

1 2 АН 1 к я

Решение имеет вид: А п м [

(15)

Формула (15) может быть применена для расчета распределения температуры продукта, как при центральном способе его подачи, так и при периферийном способе подачи в пространство между пластинами теплообменного элемента. В первом случае Яу < Я2, Рх > Р2, а во втором случае наоборот Р1>Я2,Р1<Р2.

3. Анализ экспериментальных исследований закономерностей теплообмена в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом.

Экспериментальные исследования закономерностей теплообмена в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом проводили на разработанном стенде, позволяющем охлаждать продукт в потоке и при этом определять его расход и регистрировать изменение температуры в продукте и хладоносителе. Стенд был изготовлен на ФГУП Молмаш Россельхозакадемии.

Для определения кинетических закономерностей теплообмена был проведён комплекс исследований со следующими объектами: кетчуп и сгущенное молоко.

Кетчуп предварительно варился в вакуумных реакторах по рецептуре, соответствующей ГОСТ Р 52141-2003. Геометрическая вместимость одного варочного котла составляет 1 м3. Основным сырьем являлись томатная паста, специи, раствор уксуса. Готовый продукт нагревался до температуры пастеризации — 105 °С и предварительно охлаждался до 60 °С, а затем подавался на экспериментальную установку.

Конечная температура продукта определяется технологическими регламентами предприятия.

Экспериментально исследовано влияние частоты вращения вала скребкового механизма на температуру продукта и хладоносителя, потребляемую мощность, изменения температуры от площади теплообмена при различной начальной температуре продукта и схемах организации движения продукта и хладоносителя (прямоток, противоток).

Результаты экспериментального исследования, зависимости температуры продукта от частоты вращения скребкового механизма и потребляемой мощности (рис. 5) показали, что при изменении частоты вращения вала охладителя в диапазоне 70-97 мин"1 значения температуры выходящего продукта из теплообменника линейно изменяется от 29 °С до 18 °С. При этом потребляемая мощность электродвигателя привода вала охладителя изменяется в диапазоне от 3,4 до 4,0 кВт.

На рис. 6 и рис. 7 приведены зависимости температуры продукта (сгущенное молоко и кетчуп) от площади теплопередачи в теплообменном аппарате. Для анализа использованы результаты при разной начальной температуре продукта. Показано, что изменение температуры от площади теплопередачи для разных продуктов отличаются, что объясняется разностью физико-механических свойств, а также меньшим температурным напором.

Расхождение между расчетными и экспериментально определенными значениями температуры не превышало 10-15%.

♦Температура на выходе ЯМощность

Рис. 5. Зависимость температуры и силы тока от частоты вращения вала охладителя

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Температура продукта расчет Температура хладоносителя расчет А Температура продукта эксперимент X Температура хладоносителя эксперимент

Рис. 6. Зависимость температуры сгущенного молока от площади теплообмена при противоточной схеме течения сред.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 р_м2

Температура продукта —Ф—Температура хладоносителя

Рис. 7. Зависимость температуры кетчупа от площади теплообмена при противоточной схеме течения сред.

4. Практическая реализация результатов исследования

заключается в разработке методики инженерного расчета пластинчатого скребкового теплообменного аппарата со скребковым механизмом для вязких продуктов. В основу разработанной методики инженерного расчета положено решение уравнения (15)

Непосредственное применение выражение (15) для практических расчетов малопригодно, так как нужно знать температуру продукта на входе в каждый теплообменный элемент и температуру его стенок в этом элементе, определяемых экспериментально. В силу этого расчет теплообменного элемента состоит из двух этапов: определение температуры стенок каждого элемента аппарата и определение температуры продукта на выходе из каждого теплообменного элемента.

Для расчета температуры стенок теплообменного элемента, или температуры хладоносителя используем формулу аналогичную формуле В.Г. Шухова применимую для расчета температуры жидкости, текущей в круглой прямой трубе с нагретыми стенками

ть +т21. , Г Ти + Т2Л-^

= + (16) где

Р = (17)

с Р Р <7.г

I— средняя длина канала для хладоносителя в каждом элементе, 5— средняя площадь сечения канала для хладносителя в каждом элементе, К — коэффициент теплопередачи через стенку между хладоносителем и продуктом, р — плотность хладоносителя, ср — теплоемкость хладоносителя при постоянном давлении, Ти и Г2/ — соответственно температура продукта на входе в теплообменный элемент с номером /, и температура продукта на

выходе из этого теплообменного элемента, Тх температура

хладоносителя на входе в I - тыи элемент,

ти + т21

средняя температура

продукта в каждом элементе, цх — расход хладоносителя.

После преобразования формула (15) примет следующий вид

т21=-

А к <ы

А,2 — Л2 —-

2Ак

хе

—ту(Я12-Л2 )\-С05к,

кл

> + Тг1.

(18)

По формуле (18) последовательно подсчитывается температура на выходе из любого теплообменного элемента, начиная с первого по ходу течения продукта. Подсчет прекращается для такого количества теплообменных элементов ¡ = N, при котором температура продукта на выходе из этого элемента станет равной заданной конечной температуре.

Для расчета пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом задаемся производительностью аппарата, начальной, конечной температурами и направлением течения продукта (прямоток и противоток) и хладоносителя. В качестве примера на рис. 8 приведена зависимость температуры кетчупа от площади теплообмена при прямоточной схеме течения сред. Все численные расчеты площади теплообменной поверхности (количество теплообменных элементов) проведены в прикладном вычислительном пакете МАТНСАБ. Были использованы следующие расчетные данные Т,=80 °С, Гзд=16 °С, Тх0=2 °С, Я,=0,04 м, Я2=0,2 м, й=0,015 м, а =10"7 м2/с, 9=4-10"4 м3/с, Д=0,8 °С.

80

О

Оч

н <я а 0) с

-1-Г"

Теплоноситель

Хладоноситель

_[_

Теплоноситель

Хладоноситель \

0.625

1.25 а

1.875

0.625

Рис. 8. Зависимость температуры кетчупа от площади теплообмена при: а — прямоточной, б — противоточной схеме течения сред: Тх/ - температура хладоносителя в г — том элементе, Т2, - температура кетчупа на выходе из г -того теплообменного элемента.

Результаты и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, использованы при разработке, создании и повышении эффективности переноса теплоты в аппарате непрерывного действия. Общий вид пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом приведен на рис. 9, а на рис. 10 - установка для пастеризации и охлаждения кетчупа в потоке, в которой используется данный теплообменник.

Рис. 9. Общий вид пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом.

1 - секция теплообменных элементов; 2 — корпус; 3 - патрубки подсоединения сред

Рис. 10. Общий вид установки для пастеризации и охлаждения вязких пищевых продуктов в потоке. 1 — секция трубчатых теплообменников; 2- теплообменный аппарат со

скребковым механизмом; 3 - рама; 4 - пневмоклапан возврата непастеризованного продукта; 5 — приемная емкость

Основные результаты работы и выводы

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлена взаимосвязь режимных параметров процесса для повышения эффективности охлаждения вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом. Изучен и физически обоснован механизм внутреннего теплопереноса на основе феноменологического подхода и экспериментально-аналитического изучения кинетики изменения температуры продукта в теплообменном элементе пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом.

2. На базе физической разработана математическая модель теплопереноса. Разработанная математическая модель адекватно отражает взаимосвязь температуры и её изменение в продуктовом пространстве пластинчатого теплообменного аппарата непрерывного действия со скребковым механизмом.

3. Установлены, обобщены и проанализированы кинетические закономерности охлаждения вязких пищевых продуктов (кетчуп, сгущенное молоко) в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом. На основе комплексного подхода к физико-химическим явлениям в теплообменных процессах дано развитие физической модели теплопереноса для продуктов различной структуры.

4. Разработана инженерная методика расчёта пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом непрерывного действия для вязких пищевых продуктов. Разработанная инженерная методика позволяет рассчитывать площадь теплопередачи аппарата по известному изменению температуры тепло-хладоносителя.

5. Разработан и изготовлен образец пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом непрерывного действия производительностью 3000 кг/ч, испытания которого в производственных условиях подтвердили правильность технических решений, работоспособность аппарата и соответствие его параметров и характеристик технической документации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Тепловая обработка вязких продуктов в пластинчатом скребковом аппарате.// Вестник Воронежского государственного университета инженерной технологии. — 2012. — №2. — С. 24-29

2. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Закономерности термообработки вязких продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате.// Вестник Воронежского государственного университета инженерной технологии. - 2012. - №2. — С. 52-57

3. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Разработка метода расчета пластинчатого скребкового теплообменного аппарата.// Вестник

Воронежского государственного университета инженерной технологии. — 2012.-№3.-С. 31-34

4. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Распределение температуры продукта при его течении в теплообменном аппарате.// Хранение и переработка сельхозсырья. — 2012. — №5. — С. 24-27

5. Бредихин С.А., Рашкин К.А. Особенности тепловой обработки вязких продуктов в скребковых аппаратах непрерывного действия.// Информационные и телекоммуникационые технологии. - 2012. - №16. -С.153-157

6. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Аналитическое исследование теплопередачи в пластинчатом скребковом аппарате.// Хранение и переработка сельхозсырья. -2013.- №5. - С. 15-18.

7. Рашкин К.А., Чесноков В.М., Бредихин С.А. Метод расчета пластинчатого скребкового теплообменного аппарата.// Хранение и переработка сельхозсырья. -2013. -№6. - С. 10-12.

8. Бредихин С.А., Рашкин К.А. Перенос теплоты в движущихся вязких пищевых продуктах.//Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии.-2013.-№2.-С. 88-97

Статьи в отраслевых журналах, сборниках международных

конференций:

1. Рашкин К.А., Бредихин С.А. Тепловая обработка молока.// Переработка молока. -2011. - №8. - С.24-28.

2. Рашкин К.А. Новые возможности модернизации теплообменного оборудования молочной промышленности / К.А. Рашкин, С.А. Бредихин // Живые системы и биологическая безопасность населения: материалы IX Международной научной конференции студентов и молодых ученых. — М.: Издательский комплекс Московского государственного университета пищевых производств, 2011. - С. 56-58.

3. Рашкин К.А., Тарасюк В.И. Технические решения процесса ультрапастеризации молока.// Переработка молока.-2012. - №4. - С.29-31.

4. Рашкин К.А. Метод расчета пластинчатого скребкового теплообменного аппарата / К.А. Рашкин, В.М. Чесноков, С.А. Бредихин // Новые технологии и технические средства в АПК: материалы Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова Владимира Васильевича. — Саратов, «Буква» 2013. -С. 152-156.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Типографии «Фабрика Переплета Триумф» Подписано в печать 15.11.2013 г. Формат 60x84 Объем 1,15 п.л. Тираж 100 экз. Тел.8 (916) 351-39-43

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ

ПРОИЗВОДСТВ»

На правах рукописи

04201452340

Рашкин Кирилл Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА СО СКРЕБКОВЫМ МЕХАНИЗМОМ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЯЗКИХ ПИЩЕВЫХ

ПРОДУКТОВ

05.18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Бредихин С.А.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................4

1. Особенности переноса теплоты при обработке вязких пищевых продуктов в потоке..........................................................................................................9

1.1. Закономерности переноса теплоты при обработке переноса теплоты вязких пищевых продуктов в потоке.........................................................................9

1.2. Анализ конструкций теплообменных аппаратов со скребковым механизмом.................................................................................................................30

1.3. Особенности применения теплообменников для обработки продуктов в потоке ...................................................................................................................43

1.4. Влияние температуры на теплофизические характеристик продукта47

1.5. Основные выводы и задачи исследования...........................................55

2. Аналитическое исследование процесса охлаждения.................................57

2.1. Физическая модель процесса.................................................................57

2.2. Аналитическое исследование термообработки вязких продуктов.... 61

2.3. Основные результаты и выводы главы 2..............................................78

3. Анализ экспериментальных исследований закономерностей теплообмена в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом.................79

3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента..............................................................................................................79

3.2. Результаты экспериментального исследования процесса охлаждения и их обсуждение.........................................................................................................91

3.3. Основные результаты и выводы главы 3..............................................98

4. Практическая реализация результатов исследования...............................99

4.1. Методика инженерного расчета пластинчатого скребкового теплообменного аппарата..........................................................................................99

4.2. Пример инженерного расчета..............................................................106

4.3. Результаты практической реализации исследования........................112

4.4. Основные выводы главы 4...................................................................121

Основные результаты и выводы работы...........................................................122

Список литературы.............................................................................................124

Приложения.........................................................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Тепловая обработка - одна из основных и необходимых технологических операций переработки сырья как растительного, так и животного происхождения. Необходимость тепловой обработки пищевого сырья и полуфабрикатов определяется их санитарным благополучием. При этом процесс тепловой обработки является необходимым условием получения продукции с заданными органолептическими показателями.

Температура полуфабрикатов и готовых продуктов — основной параметр, определяющий технологический процесс производства. Температура влияет на структурные и физико-механические свойства, а также определяет качество продукции. Качественное управление процессом тепловой обработки является залогом получения продукта с заданными параметрами. Поэтому, исследование процесса переноса тепла позволит в значительной степени оптимизировать температурное воздействие на продукт, тем самым улучшив его качество.

Тепловая обработка сырья и полуфабрикатов в пищевой промышленности имеет различное аппаратурное оформление. В настоящее время в промышленности используется большое количество теплообменных аппаратов для вязких продуктов. В большей части они используются в технологиях производства сливочного масла и спредов методом преобразования.

Учитывая, что в условиях рыночной экономики ассортимент выпускаемых продуктов постоянно расширяется, и создается большое количество разнообразных комбинированных пищевых продуктов, обладающих сложными реологическими свойствами и характеризующихся, высокой вязкостью, совершенствование конструкций и технологических параметров работы скребковых теплообменников позволит вывести эти технологические аппараты на новый уровень развития, соответствующий этому ассортименту.

Как правило, процесс производства таких продуктов происходит в емкостном оборудовании и носит периодический характер. Для создания высокопроизводительных технологических линий непрерывного действия требуются теплообменные аппараты для вязких продуктов. Однако методика их расчета основывается на эмпирических выражениях, которые изменяются в зависимости от свойств продукта. На многие виды продуктов в настоящее время эмпирические зависимости отсутствуют. В связи с этим важность разработки аналитических зависимостей для расчета теплообменных аппаратов, которые будут использоваться в поточных линиях производства вязких продуктов, имеет первостепенное значение.

Целью работы является совершенствование работы пластинчатого теплообменного аппарата со скребковым механизмом для вязких пищевых продуктов и установление взаимосвязи режимных параметров с учётом структуры продукта для повышения эффективности процесса охлаждения.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

изучить механизм теплопереноса в вязких пищевых продуктах на основе феноменологического подхода и анализа экспериментально-аналитических закономерностей изменения температуры в продуктах различной структуры;

обобщить результаты исследований по влиянию начальной температуры продукта на физико-механические характеристики продукта;

дать анализ динамики изменения температуры продукта в потоке в зависимости от температуры хладоносителя;

разработать математическую модель переноса теплоты при охлаждении вязких продуктов в потоке;

на основе математического моделирования установить, проанализировать и обобщить кинетические закономерности охлаждения вязких продуктов;

разработать инженерную методику расчёта скребкового теплообменника непрерывного действия на основе кинетики их изменения в вязких пищевых продуктах;

Научная новизна:

разработана математическая модель теплопереноса с установлением взаимосвязи режимных параметров процесса охлаждения вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

на основе разработанной математической модели теплопереноса развиты представления о механизме переноса теплоты с установлением взаимосвязи режимных параметров процесса охлаждения вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

при решении внутренней задачи теплопереноса при охлаждении вязких пищевых продуктов получены обобщённые зависимости, позволяющие определять изменения температуры продукта и хладоносителя в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

получено аналитическое описание процесса переноса теплоты в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом; установлены кинетические закономерности, определяющие изменение температуры в продукте на основе дифференциальных уравнений теплопереноса в движущихся жидких средах, записанных в цилиндрической системе координат при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии;

получены и обобщены новые экспериментальные данные о значении температуры при охлаждении вязких продуктов различной структуры (кетчуп, сгущенное молоко) в пластинчатом теплообменном аппарате непрерывного действия со скребковым механизмом;

Практическая значимость работы

Разработан пластинчатый теплообменный аппарат со скребковым механизмом, входящий в состав промышленной пастеризационно-охладительной установки для поточной пастеризации вязких пищевых продуктов (кетчуп и др.), изготовленной ФГУП Молмаш Россельхозакадемии. Разработано техническое задание на пластинчатый теплообменный аппарат со скребковым механизмом.

Разработана инженерная методика расчёта пластинчатого теплообменного аппарата . непрерывного действия со скребковым механизмом для тепловой обработки вязких пищевых продуктов.

Разработана методика расчёта изменения температуры вязких пищевых продуктов в потоке. Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий со студентами.

Научные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие научные положения:

научное обоснование развития принципов аналитического описания теории процесса теплопереноса при охлаждении вязких пищевых продуктов в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом;

научное обоснование методики расчёта пластинчатых теплообменных аппаратов со скребковым механизмом;

результаты экспериментальных и аналитических исследований кинетических закономерностей теплопереноса в пластинчатом теплообменном аппарате со скребковым механизмом;

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований, выполненные автором в период 2010-2013 гг. были доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: IX и X международные научные конференции студентов и молодых

ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (г. Москва, 2011, 2012 г.г.), VI Международная научно-практическая конференция «Новые технологии и технические средства в АПК, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова Владимира Васильевича» (г. Саратов, 2012), Научно-практическая конференция «Проблемы переработки сыворотки» (г. Москва, 2012).

1. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ ВЯЗКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ПОТОКЕ

1.1.3акономерности переноса теплоты при обработке переноса теплоты вязких пищевых продуктов в потоке

Исследование теплообменных процессов, протекающих в вязких пищевых продуктах, создает основу для разработки высокоэффективного теплообменного оборудования со скребковыми устройствами для различных видов термообработки.

Интенсификации термических процессов и оптимизация тепловой нагрузки на продукта в технологиях производства пищевых продуктов является залогом получения конечных продуктов высокого качества. Процессы нагревания и охлаждения сред, характеризующихся высокой вязкостю всегда были важной задачей во многих отраслях промышленности. Коэффициенты теплоотдачи для вязких сред крайне малы. В процессе теплопереноса в вязких пищевых продуктах основное сопротивление процессу передачи тепла оказывает пристенный слой, который, во многих случаях или кристаллизуется, или пригорает [110].

Для уменьшения толщины пристенного слоя в случае обработки сред малой вязкости (вода, молока, соки и пр.) достаточно повысить общую турбулентность потока среды в аппарате [96]. Однако для жидкостей большой вязкости, к которым относятся многие пищевые продукты (высокожирные сливки, пасты, соусы, майонезы и пр.) повышение общей турбулентности потока приводит только к незначительному увеличению теплообмена, поскольку слой, образовавшийся на стенке аппарата, очень плотно прилегая к ней, имеет крайне низкую скорость и гораздо более значительную толщину в сравнении с маловязкими продуктами [51].

Толщина пристенного слоя возрастает с увеличением вязкости обрабатываемой среды. Кроме того, пристенный слой создает большое сопротивление теплопередачи и значительно снижает коэффициент

теплопередачи. Известно, что интенсивная турбулизация пристенного слоя термообрабатываемого вязкого пищевого продукта оказывает значительное влияние на интенсивность тепловых процессов при их обработке. Таким образом, улучшения условий теплообмена можно добиться механическим удалением слоя с помощью скребков.

Одним из перспективных направлений турбулизации пристенных слоев продукта, и, тем самым, интенсификации процесса термообработки вязких пищевых продуктов является применение различных скребковых устройств различных типов в аппаратах периодического и непрерывного действия [110]. Их конструкции должны быть теоретически обоснованы и разработаны с учетом механического воздействия на продукт. Кроме турбулизации пристенных слоев продукта эти устройства должны обеспечивать одновременно и перемешивание продукта по всему объему.

В теплообменных аппаратах для вязких продуктов рабочие элементы скребкового механизма движутся непосредственно по теплообменной стенке, непрерывно счищая кристаллизующийся или пригорающий слой продукта и перемешавая его с основной массой. Разновидностью скребковых механизмов являются перемешивающие устройства шиберного типа, рабочие поверхности которых находятся на незначительном расстоянии от теплообменной поверхности аппарата. Этот тип перемешивающих устройств применяется, в случае когда необходимо увеличить скорость движения обрабатываемого продукта в непосредственной близости от пристенного слоя и одновременно не допустить трения рабочих кромок перемешивающих устройств о теплообменную поверхность аппарата.

Интенсивность теплоотдачи в аппаратах с перемешивающими устройствами зависит от многих параметров: режима движения термообрабатываемой среды, ее физико-механических свойства, вида перемешивающего устройства, соотношений геометрических размеров аппарата и перемешивающего устройства, способа подвода или отвода тепла и пр [110].

Условия процесса теплообмена вязких пищевых продуктов аппаратах со скребковыми механизмами различных типов нашли отражение при разработке математических моделей теплообмена в них. Решение задачи по определению коэффициента теплоотдачи на стороне обрабатываемого продукта в различном оборудовании со скребковыми устройствами теоретическим путём выполнено рядом исследователей [14, 28, 29, 33, 43, 47, 49, 62, 69, 85, 128, 129, 130, 131, 132].

В работах авторы, как правило, теоретически определяли коэффициент теплоотдачи со стороны продукта посредством решения уравнения Фурье на основании модели нестационарной теплопроводности в полуограниченном пространстве.

Наиболее известным и исследованным теплообменным аппаратом со скребковым механизмом является «вотатор» (рис. 1).

-^-

-*

Рис. 1. Схема и основные размеры теплообменника типа «Вотатор» со скребковой мешалкой: 1 - корпус теплообменника; 2 - теплообменная поверхность; 3 - вал

Он применяется длительное время в технологических линиях многих производств. При неподвижном вале скребок свободно располагается на опоре, выступающей из вала. При отсутствии вращательного движения вала скребки

находятся в свободном положении. Кромка скребков приближается к стенке теплообменной поверхности только во время вращательного движения вала под действием центробежной силы и силы набегающего продукта.

Теплообмен в аппарате типа «вотатор» исследовал Скелланд с коллегами [129, 130]. В своей работе [129] Скелланд провел комплекс исследований, целью которых было установление зависимости коэффициента теплоотдачи со стороны соскребаемого пристенного слоя от различных условий проведения процесса, размеров аппарата с мешалкой и физико-механических свойств среды.

Экспериментальные измерения проводились в следующих диапазонах значений критерия Рейнольдса: Яе = 0,7-1690 и 11ет = 44-380000, где Кет= р/г|, Яет= п-И2 р/г); V - средняя осевая скорость жидкости, м/с; Э — диаметр трубы,

•л

равный диаметру мешалки; р - плотность продукта, кг/м , п — число оборотов мешалки, с"1. После обработки данных Скелланд ом было получено уравнение, в котором не было учтено влияние геометрических параметров аппарата: диаметра вала (при неизменно диаметре теплообменной поверхности - трубы), а также влияние числа скребков.

В следующей работе Скелланд, Оливер и Тук [130], изучавшие опытным путем теплоотдачу в аппаратах цилиндрического типа со скребковым механизмом, дополнили количество переменных параметров и получили следующее уравнение для расчета теплоотдачи со стороны поверхности, очищаемой скребками:

'Ю-ур

Л

X

0,62 , , \ 0,55

0-1)

где г - число скребков на окружности

При охлаждении вязких жидкостей критерий Прандтля изменялся от 1000 до 5000, С = 0,014, (3 = 0,96, 12600 < Ке < 26200, 143 < Яе < 1060.

В случае охлаждения жидкостей с малой вязкостью критерий Прандтля находился в диапазоне от 5 до 100, С = 0,039, р = 0,7 при 79 < Яе < 194 и 0,15 <Яе< 5,0.