ЗАВОД : пастеризаторы, номализаторы, стеризаторы, молокоприемные станции, сыроизготовители

1.    Производительность: G (л/ч или кг/ч).

2.    Свойства продукта:

Удельная теплоемкость cₚ ≈ 3.9 кДж/(кг·°C) для молока.

Плотность ρ ≈ 1030 кг/м³.

3.    Температурный график:

Tвх = +4°C – температура продукта на входе.

Tсеп = +48°C – температура выхода на сепаратор (после 1-й рекуперации).

 Tгом = +68°C – температура на входе в гомогенизатор.

Tпаст = +85°C – температура пастеризации после секции догрева.

Tвыд = +85°C – температура на выходе из трубы выдерживания (с учетом потерь 84-85°C).

 Tвых = +4°C – конечная температура продукта.

4.    Время выдерживания: τ = 300 сек (5 минут).

5.    Греющие и охлаждающие агенты:

  Нагрев: пар или горячая вода (температура греющего агента Tгр.а. должна быть выше Tпаст, обычно на 5-15°C).

  Охлаждение: ледяная вода (Tводы.вх ≈ +2°C, Tводы.вых ≈ +10-12°C).

6.    КПД рекуперации (ηрек): Практический коэффициент восстановления тепла, обычно 90-95%.

Структурно-технологическая схема установки

[Бак сырья Tвх=+4°C]

         ↓

[Секция рекуперации №1 (нагрев)] → Теплообмен между холодным продуктом и горячим после рекуперации №2

         ↓

[Tсеп = +48°C] → [Сепаратор] (температура поддерживается)

         ↓

[Секция рекуперации №2 (нагрев)] → Теплообмен между продуктом после сепаратора и пастеризованным продуктом после выдержки

         ↓

[Tгом = +68°C] → [Гомогенизатор] → Рост температуры на 1-3°C за счет механической энергии (пренебрегаем или учитываем как запас)

         ↓ (+69°C)

[Секция догрева (Пар/ГВС)] → Компенсация потерь и нагрев до температуры пастеризации

         ↓

[Tпаст = +85°C] → [Труба выдерживания V = G * τ / 3600] → Обеспечение времени τ

         ↓

[Tвыд ≈ +85°C]

         ↓

[Секция рекуперации №2 (охлаждение)] → Отдает тепло секции рекуперации №2 (нагрев)

         ↓ [T6 = ?]

[Секция рекуперации №1 (охлаждение)] → Отдает тепло секции рекуперации №1 (нагрев)

         ↓ [T7 = ?]

[Секция доохлаждения (Ледяная вода)]

         ↓

[Tвых = +4°C] → [Трехходовой клапан] → 1. Линия пастеризованного продукта (CIP-клапан)

                                       2. Линия возврата (при T < 85°C)

Пошаговая методика теплотехнического расчета

Шаг 1. Определение расчетной температуры после рекуперации (T6)

Ключевой принцип: Тепло, отданное пастеризованным продуктом в секции рекуперации №2, равно теплу, полученному сырым продуктом в этой же секции (с учетом КПД).

• Уравнение баланса для рекуператора №2:
  Q_рек2 = G * cₚ * ρ * (Tвыд - T6) = ηрек * G * cₚ * ρ * (Tгом - Tсеп)
  Сокращаем G * cₚ * ρ:
  (Tвыд - T6) = ηрек * (Tгом - Tсеп)
  T6 = Tвыд - ηрек * (Tгом - Tсеп)
  Пример расчета (при ηрек = 0.94):
  T6 = 85 - 0.94 * (68 - 48) = 85 - 18.8 = 66.2°C

Шаг 2. Определение расчетной температуры перед секцией доохлаждения (T7)

Аналогичный баланс для рекуператора №1:
(T6 - T7) = ηрек * (Tсеп - Tвх)
T7 = T6 - ηрек * (Tсеп - Tвх)
Пример расчета:
T7 = 66.2 - 0.94 * (48 - 4) = 66.2 - 41.36 = 24.84°C

Шаг 3. Расчет тепловых нагрузок по секциям

Q [кВт] = (G [кг/ч] / 3600) * cₚ [кДж/(кг·°C)] * ΔT [°C]

1.    Нагрев в рекуператоре №1: Q_рек1_наг = G/3600 * cₚ * (Tсеп - Tвх)

2.    Нагрев в рекуператоре №2: Q_рек2_наг = G/3600 * cₚ * (Tгом - Tсеп)

3.    Догрев в паровой секции: Q_пар = G/3600 * cₚ * (Tпаст - Tгом) (Здесь Tгом — температура ПОСЛЕ гомогенизатора, если ее рост значим).   Это основная нагрузка на греющее оборудование (котел, парогенератор).

4.    Охлаждение в рекуператоре №2: Q_рек2_охл = Q_рек2_наг / ηрек (примерно).

5.    Охлаждение в рекуператоре №1: Q_рек1_охл = Q_рек1_наг / ηрек (примерно).

6.    Охлаждение ледяной водой: Q_лед.вода = G/3600 * cₚ * (T7 - Tвых)

 Это основная нагрузка на холодильную машину.

Шаг 4. Расчет поверхности теплообмена (F) для каждой секции

F [м²] = Q [Вт] / (k [Вт/(м²·°C)] * ΔTср [°C])

• k – коэффициент теплопередачи. Зависит от типа пластин, продукта, скорости потока.
  • Для секций рекуперации (молоко-молоко): k ≈ 2500 – 3500 Вт/(м²·°C)
  • Для секции нагрева (пар-молоко): k ≈ 2000 – 3000 Вт/(м²·°C)
  • Для секции охлаждения (вода-молоко): k ≈ 1500 – 2500 Вт/(м²·°C)
• ΔTср – средняя логарифмическая разность температур. Рассчитывается для каждой секции на основе температур теплоносителей на входе и выходе.

Пример для паровой секции:
Греющий агент (пар): Tгр.вх = 95°C, Tгр.вых = 95°C (конденсация при постоянной T).
Нагреваемый продукт: Tвх = +69°C, Tвых = +85°C.
ΔTб = 95 - 69 = 26°C, ΔTм = 95 - 85 = 10°C.
ΔTср = (ΔTб - ΔTм) / ln(ΔTб / ΔTм) = (26-10)/ln(26/10) ≈ 16.9°C.

Шаг 5. Расчет времени выдерживания и объема выдерживателя

V_выд [м³] = G [м³/с] * τ [с]
G [м³/с] = (G [кг/ч] / ρ [кг/м³]) / 3600
V_выд = (G / (ρ * 3600)) * 300
Диаметр и длина трубы подбираются так, чтобы обеспечить ламинарный/турбулентный поток, соответствующий времени τ.

Шаг 6. Гидравлический расчет

• Определение потерь давления в каждом теплообменнике, сепараторе, гомогенизаторе, трубопроводах.
• Подбор циркуляционного насоса с параметрами: напор (давление) должен преодолевать сумму всех потерь; подача = G.
• Учет влияния вязкости при разных температурах.

Шаг 7. Подбор клапанов и системы управления

• Трехходовой терморегулирующий клапан на выходе: сравнивает Tвыд с заданной (+85°C). При T <85°C направляет продукт на возврат.
• Двухходовой отсечной клапан на линии CIP: для мойки.
• Система регулирования: поддержание Tпаст путем регулирования расхода пара/горячей воды.

Сводная таблица результатов расчета (пример для G = 5000 л/ч, ηрек=0.94)

Критические точки для проектирования:

1.    КПД рекуперации (ηрек): чем он выше, тем меньше затраты на нагрев и охлаждение, но больше требуемая поверхность теплообмена и стоимость аппарата.

2.    Точка контроля пастеризации: Датчик температуры после трубы выдерживания управляет отводным клапаном.

3.    Специфика гомогенизатора: учитывается его тепловой вклад и гидравлическое сопротивление.

$14.    CIP-мойка: Контур должен обеспечивать скорость потока моющего раствора не менее 1.5 м/с для турбулентности. Учитывается при подборе насоса.

Эта методика позволяет выполнить инженерный расчет основных параметров ПОУМ заданной конфигурации. Для детального проектирования требуется использование специализированного ПО или углубленных справочных данных по теплообменным аппаратам.