Чтение онлайн

Первые же сведения о принципах устройства пластинчатых аппаратов для нагревания и охлаждения жидкостей в тонком слое относятся к концу XIX века (предложения Драхе, Брейтвиша, Мальвизина). В 1917 году Гаррисон сконструировал теплообменную пластину с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.

Рис. 29. Теплообменная пластина аппарата Зелигмана.

Но широкое практическое применение разборных пластинчатых аппаратов началось только с 1923 года, после существенных усовершенствований, предложенных Зелигманом, который использовал в конструкции пластинчатого теплообменника принцип устройства фильтр-пресса. В таком аппарате имеются теплообменные пластины двух видов (рис. 29): толстые бронзовые с фрезерованными каналами с обеих сторон и тонкие медные. По контуру пластины сделана канавка для резиновой прокладки, охватывающей всю рабочую поверхность и угловые отверстия. В сборе толстые и тонкие пластины расположены строго поочередно и установлены в вертикальном положении на станине, состоящей из двух горизонтальных направляющих и двух стоек. Весь набор пластин плотно сжат при помощи винтового зажимного механизма. Позже Зелигман и Фельдмейер предложили теплообменные пластины удлиненной формы, штампованные из тонколистовой волнистой нержавеющей стали. В дальнейшем пластинчатые теплообменные аппараты конструировались уже на базе подобных пластин различного профиля.

Достоинства разборных пластинчатых теплообменных аппаратов оказались настолько существенными, что они затем нашли самое широкое применение не только в молочном деле, но и в ряде других отраслей промышленности.

Рис. 30. Современный пластинчатый теплообменный аппарат: а — схема: 1 — передняя стойка; 2 — верхнее угловое отверстие; 3 — кольцевая резиновая прокладка, 4 — граничная пластина; 5 — штанга; 6 — нажимная плита, 7 — задняя стойка; 8 — винт; 9, 10, 14, 15 — штуцера; 11 — большая резиновая прокладка; 12 — нижнее угловое отверстие, 13 — теплообменная пластина; б — группа пластин в рабочем положении

Первые отечественные пластинчатые теплообменники для обработки молока были изготовлены еще в 1940 году. Разработка же основ теории, расчета и конструирования пластинчатых теплообменников для жидких пищевых продуктов связана в нашей стране с именем профессора Н. В. Барановского. Под его руководством были проведены широкие исследования по изучению закономерностей движения жидкостей между пластинами и процессов теплопередачи в этих аппаратах.

В пластинчатом теплообменном аппарате (рис. 30, а) пластины 13 нанизаны на горизонтальные штанги, концы которых заделаны в стойках 1 и 7. При помощи нажимной плиты 6 и винта 8 пластины в собранном состоянии плотно сжаты и образуют пакет (на схеме для более понятного изображения потоков жидкостей показаны только пять пластин в разомкнутом положении). Зазоры между пластинами зависят от толщины резиновых прокладок 11 (обычно 3—6 миллиметров). Система резиновых уплотнительных прокладок такова, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются два изолированных друг от друга канала — для потока молока (сплошная линия) и потока жидкостного теплоносителя (штриховая линия). Группа таких пластин в рабочем положении показана на рисунке 30, б.

Штампованные из тонких листов нержавеющей стали, они обеспечивают достаточно высокий теплообмен между соседними потоками жидкостей. Отметим, что выпускаемые серийно пластинчатые теплообменные аппараты обычно выполняются по более сложным компоновочным схемам.

Большое распространение получили двух- и многосекционные аппараты этого типа. Примером комбинированного теплообменника, осуществляющего комплексную тепловую обработку жидких пищевых продуктов, может служить пластинчатый аппарат для пастеризации и охлаждения молока, который входит в состав автоматизированной пластинчатой пастеризационной установки (рис. 31). Он состоит из четырех секций (пакетов) теплообменных пластин, установленных на общей раме. Каждая секция подобна по устройству рассмотренной ранее конструкции (см. рис. 30). Кроме теплообменных пластин, в комбинированном аппарате устанавливают промежуточные плиты, расположенные между секциями и имеющие патрубки для подвода и вывода молока и теплоносителя.

Рис. 31. Автоматизированная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка (принципиальная схема):

1 — комбинированный пластинчатый теплообменный аппарат; 2 — насос горячей воды; 3 — бойлер; 4 — инжектор; 5 — шкаф управления, 6 — трубчатый выдерживатель молока; 7 — клапан автоматического возврата недопастеризованного молока; 8 — танк; 9, 11 — молочные насосы, 10 — уравнительный бак, 12 — стабилизатор потока; 13 — секция пастеризации, 14 — секция рекуперации, 15 — секция охлаждения водопроводной водой, 16 — секция охлаждения ледяной водой; 17 — сепараторы-молокоочистители; 1 — неочищенное молоко; 11 — очищенное молоко; III — пастеризованное молоко; IV — недопастеризованное молоко; V—горячая вода, VI — водопроводная вода; VII — ледяная вода.

Процесс тепловой обработки начинается с того, что сырое молоко с температурой около 35 градусов поступает во входной контур секции рекуперации, где подогревается до 60—70 градусов горячим пастеризированным продуктом, движущимся по другому контуру секции. Затем подогретое молоко проходит в секцию пастеризации, в которой, получая тепло от воды, нагретой в бойлере паром, приобретает температуру 85—90 градусов. Температуру контролируют по термометру, установленному на молокопроводе, соединяющем секции пастеризации и рекуперации. Если процесс не предусматривает фазы выдержки, то молоко из секции пастеризации идет во второй контур секции рекуперации. В зависимости от размеров этой секции пастеризованный продукт охлаждается в большей или меньшей степени потоком сырого молока, затем поступает в секцию водяного охлаждения (проточной водой) и, наконец, попадает в секцию рассольного охлаждения (или ледяной водой), откуда выходит с температурой 3—5 градусов.

Современные автоматизированные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки представляют собой сложные комплексы, включающие также сепараторы-очистители и нормализаторы молока и средства автоматизации для обеспечения контроля и регулирования работы всего оборудования в целом. Типичным примером здесь может служить установка ОП-2-У5 производительностью 5 тонн молока в час.

Таким образом, в комбинированных пластинчатых теплообменных аппаратах молоко после пастеризации подвергают охлаждению. Горячее молоко, идущее на охлаждение при температуре 71—92 градуса, содержит большое количество тепла, которое может быть утилизировано. С этой целью пастеризованный продукт направляют в специальную секцию аппарата для предварительного подогрева поступающего сырого молока. В результате пастеризованное молоко в значительной степени теряет температуру (обычно на 20— 30 градусов) и в дальнейшем требует уже меньшего окончательного доохлаждения.

Рекуперация позволяет существенно сократить затраты тепла, расходуемого на пастеризацию. По данным профессора Н. В. Барановского, в современных комбинированных пластинчатых аппаратах экономия достигает 90 процентов количества тепла, необходимого для нагревания массы продукта от начальной до конечной температуры. Благодаря рекуперации расход пара при тепловой обработке молока может быть снижен в десять раз.

Параллельная расстановка плоских теплообменных пластин с малыми промежутками между ними позволяет добиться хорошей компактности конструкции, значительно уменьшить габариты таких аппаратов в сравнении с жидкостными теплообменниками других типов. Так, они в 7—8 раз компактнее трубчатых и в десятки раз — оросительных и объемных аппаратов. Узкие промежутки между пластинами дают возможность обрабатывать молоко в тонком слое при быстром движении теплоносителя и при малых температурных напорах (до 1,5—2 градусов), что обусловливает «мягкий» обогрев, не сопровождающийся пригоранием или коагуляцией продукта.

Целый ряд технологических и технико-экономических достоинств пластинчатых теплообменных аппаратов обусловил их широкое распространение в ряде отраслей промышленности, а если говорить об оборудовании для тепловой обработки молока, то они здесь заняли главенствующее положение.

В настоящее время ведутся большие работы по совершенствованию установок и систем для тепловой обработки молока, имеющие целью улучшить все технико-экономические показатели пластинчатых теплообменных аппаратов, усовершенствовать их автоматизацию, более полно, комплексно использовать энергию в фермских и заводских поточных молочных технологических линиях, а также внедрить новые физические методы обработки молока. В частности, и у нас в стране, и за рубежом развернуты исследования по применению электронагрева для пастеризации молока, по созданию электропастеризационных установок. Так, среди экспонатов проходившей в Москве международной выставки «Молмаш-81» демонстрировались первые опытные образцы таких аппаратов.

Сейчас в нашей стране налажен серийный выпуск автоматизированной пластинчатой пастеризационноохладительной установки с электронагревом промежуточного теплоносителя (ОП2-Ф-1), разработанной под руководством Ю. В. Краснокутского и автора данной книги. Применение этой установки позволяет обходиться без специальных котлов-парообразователей и дает большой экономический эффект.

Для тех районов планеты, где отмечается стабильно высокий уровень солнечной радиации, несомненный интерес представляют опыты по разработке аппаратов, использующих энергию нашего светила.

Но, пожалуй, здесь сначала нужно сказать о непосредственном, так сказать, прямом воздействии солнечных лучей на молоко и молочные продукты. Каково оно? Оказалось, что солнечный свет, даже рассеянный, очень быстро разлагает содержащиеся в молоке витамины В и С. Значит, молоко надо беречь от действия солнечной радиации, и уже в этом аспекте предпочтительнее тара одноразового использования (различные пакеты из специальной бумаги, картона, непрозрачного полиэтилена и т. п.) по сравнению с обычными молочными бутылками.