Современное технологическое оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов: пастеризационные установки, подогреватели, охладители, заквасочники

П. А. ЛИСИН, К. К. ПОЛЯНСКИЙ, Н. А. МИЛЛЕР

СОВРЕМЕННОЕ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 

ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ 

МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Пастеризационные установки, 

подогреватели, охладители, заквасочники

СанктПетербург

ГИОРД

2011

УДК 637.232.14.001
ББК 36.95

Л63

Рецензенты:

профессор Сибирской государственной автомобильнодорожной 
академии, доктор технических наук В. Д. Галдин;

главный инженер ГУП «ВНИМИСИБИРЬ» РАСХН М. А. Коваленко

Лисин П. А.

Современное технологическое оборудование для тепловой 

обработки молока и молочных продуктов: пастеризационные 
установки, подогреватели, охладители, заквасочники : справ. 
пособие / П. А. Лисин, К. К. Полянский, Н. А. Миллер. Под общей 
ред. проф. К. К. Полянского. – СПб. : ГИОРД, 2011. – 136 с.

ISBN 978-5-98879-106-5

В пособии приведены основные положения и расчетные формулы процесса 

теплопередачи, рассмотрен расчет теплообменных аппаратов с использованием 
современной компьютерной математической программы MathCAD Pro. 

Приведены технические характеристики пластинчатых, трубчатых установок, 

заквасочников. Дано описание емкостного оборудования, основные способы и 
приемы интенсификации процесса теплообмена в теплообменных аппаратах.

Книга предназначена для научных и инженернотехнических работников, 

специализирующихся в области переработки молока и молочных продуктов, 
а также может быть полезной для преподавателей, аспирантов, студентов 
направления подготовки дипломированных специалистов 655900 — Технология 
сырья и продуктов животного происхождения специальности 260303 — Технология 
молока и молочных продуктов: бакалавриат и магистратура.

© ООО «Издательство “ГИОРД”», 2009

Л63

УДК 637.232.14.001
ББК 36.95

ISBN 978-5-98879-106-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1. Теоретические основы теплопередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.  Общие сведения о процессах теплообмена . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.2. Способы передачи теплоты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.3.  Основное уравнение теплопередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.4.  Связь коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи . . . . . . . .16
1.5.  Движущая сила теплообменных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

Глава 2. Устройство теплообменных аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1. Требования, предъявляемые к теплообменным аппаратам . . .20
2.2.  Классификация и выбор теплообменных аппаратов . . . . . . . . .21
2.3.  Типы рекуперативных теплообменников  . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
2.4.  Регенеративные теплообменники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.5.  Смесительные теплообменники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

Глава 3. Пластинчатые установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.  Пластинчатые пастеризационно-охладительные установки . .32
3.2.  Пластинчатые охладительные установки  . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Глава 4. Трубчатые пастеризационные установки . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Глава 5. Емкостное оборудование для пастеризации и охлаждения . . . 65

Глава 6. Расчет трубчатого Теплобменного аппарата . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.  Тепловой расчет аппарата  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
6.2.  Конструктивный расчет аппарата  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

Оглавление
4

Глава 7. Расчет пластинчатого теплообменного аппарата . . . . . . . . . . . 82
7.1.  Тепловой расчет аппарата  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.2.  Конструктивный расчет пластинчатого аппарата . . . . . . . . . . . . 92
7.3.  Гидравлический расчет аппарата и подбор насоса . . . . . . . . . . .96
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

Глава 8. Оптимизация режимов работы теплообменных аппаратов . . . 99
8.1.  Трубчатые теплообменники с развитой поверхностью  . . . . .100
8.2.  Интенсификация теплообмена в пластинчатых аппаратах . .104
8.3.  Турбулизирующие вставки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
8.4.  Интенсификация теплопередачи методом 
псевдоожижения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Приложение А. Единицы измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Приложение Б. Физические свойства сухого насыщенного пара . . .113
Приложение В. Основные физические свойства воды  . . . . . . . . . . .114
Приложение Г. Основные физические свойства молока  . . . . . . . . . .115
Приложение Е. Трубы из нержавеющей стали (хромоникелевые) . .116
Приложение Ж. Технические характеристики теплообменных 
аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Приложение З.  Заводы изготовители технологического 
оборудования предприятий молочной промышленности . . . . .126

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . 130
Основной список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
Дополнительный список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

ПРЕДИСЛОВИЕ

Теплообменные аппараты широко применяются во всех отраслях 
молочной промышленности в технологических процессах производства питьевого молока и различных видов молочных продуктов.
На теплообменных аппаратах при производстве молочнокислых 
продуктов (кефира, творога и других) производят пастеризацию молока с выдержкой, охлаждение до температуры 22–36 °С (при этой 
температуре выдерживают в течение времени, необходимого для сквашивания молока) и затем — окончательное охлаждение готового продукта. Для эффективного процесса сепарирования и очистки молоко 
нагревают в теплообменных аппаратах до температуры 40–45 °С.
В ряде теплообменных аппаратов для пастеризации молока нагрев 
и охлаждение производят одновременно в непрерывном потоке. Теплота нагретого молока используется для нагрева холодного молока, 
то есть происходит регенерация теплоты. За счет регенерации экономится до 85 % тепловых ресурсов.
Данное пособие «Современное технологическое оборудование для 
тепловой обработки молока и молочных продуктов: пастеризационные установки, подогреватели, охладители, заквасочники» написано 
в соответствии с требованиями ГОС ВПО и примерной программой 
дисциплины «Технологическое оборудование». Основная цель учебного пособия — способствовать закреплению теоретических и практических знаний студентов при изучении специальной дисциплины 
«Технологическое оборудование» и приобретению практических навыков в компьютерном проектировании аппаратов для тепловой обработки молока.
В первой и второй главах рассматриваются способы передачи теплоты, основное уравнение теплопередачи, конструкции теплообменных аппаратов.

Предисловие
6

В третьей главе рассматриваются пластинчатые аппараты, в четвертой — трубчатые пастеризационные установки.
В пятой главе приведены конструктивные характеристики емкостного оборудование для пастеризации и охлаждения.
В шестой и седьмой главах приведены примеры расчета трубчатого 
и пластинчатого теплообменных аппаратов.
Восьмая глава посвящена вопросам оптимизации режимов работы 
теплообменных аппаратов.
Приложения содержат справочные материалы, необходимые для 
расчета, и технические характеристики теплообменных аппаратов.
Введение и глава 1 написаны докором технических наук, профессором, заведующим кафедрой «Процессы и аппараты пищевых производств» ВГАУ К. К. Полянским, глава 2 — кандидатом технических наук, 
доцентом кафедры «Оборудования предприятия молочной промышленности» ОмГАУ Н. А. Миллер, главы 3–8  — кандидатом технических 
наук, профессором кафедры «Оборудования предприятий молочной 
промышленности» П. А. Лисиным.
По интересующим вопросам просим вас обращаться на кафедру 
«Процессы и аппараты пищевых производств» Воронежского государственного аграрного университета им. К. Д. Глинки по адресу: 394087, 
г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1, а также на кафедру «Оборудования предприятий молочной промышленности» Омского государственного аграрного университета по адресу: 644008, г. Омск, Институтская пл., д. 2, 
тел.: (3812) 65-01-81. Электронный адрес: Petrlisin@yandex.ru.

ВВЕДЕНИЕ 

Значительную роль в развитии молочной промышленности играют 
инженерные расчеты, способствующие глубокому пониманию изучаемых процессов, представляющие основу проектирования машин и 
аппаратов. Базовые знания по расчету процессов и аппаратов будущий 
инженер должен получать в вузе. Современное учение о процессах 
и аппаратах опирается на прочный фундамент химии, физики, математики, механики, теплотехники и электротехники.
Важное место в подготовке высококвалифицированных инженеров 
молочной промышленности занимает специальная дисциплина «Технологическое оборудование». На ее базе заложены основные принципы конструирования, проектирования машин и аппаратов молочной 
промышленности.
Для анализа теплового процесса, поиска оптимального решения 
и оценки правильности выполненного расчета в данном пособии используются современные компьютерные технологии. К ним авторы 
относят компьютерную интегрированную систему MathCAD Pro, с помощью которой можно исследовать динамику теплового процесса, определять условия эффективной работы машин и аппаратов, намечать 
пути разработки перспективных теплообменных аппаратов.
При разработке технологических процессов для производства новых 
видов молочных продуктов необходимо правильно выбрать теплообменный аппарат для заданного теплового режима с учетом особенностей технологии молока и молочных продуктов.
Авторы считают, что нельзя выполнять инженерные расчеты без 
творческого обдумывания (осмысления) полученных результатов, без 
должного анализа и оценки происходящего теплового, механического процесса и работоспособности проектируемых аппаратов, поэтому 
в пособии уделяется большое внимание аналитической оценке изу

Введение
8

чаемого процесса. В какой степени авторам удалось это выполнить, 
покажет время и активность студентов при самостоятельном изучении 
технологического оборудования.
Пособие будет полезно для студентов очной и заочной форм обучения, а также для аспирантов, преподавателей, инженерно-технических 
работников молочной и других отраслей пищевой промышленности. 
Рекомендуемый список литературы охватывает все разделы программной дисциплины как по процессу теплопередачи, так и по устройству, принципу действия теплообменных аппаратов, проектированию 
трубчатых и пластинчатых аппаратов.
Авторы с благодарностью примут критические замечания и пожелания студентов, аспирантов и инженерно-технических работников.

Глава 1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Теплообмен — необратимый самопроизвольный процесс переноса 
теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.
Теплота (количество теплоты) — энергетическая характеристика 
процесса теплообмена, равная количеству энергии, отдаваемой или 
получаемой телом в процессе теплообмена.
К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: 
нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называют 
теплообменными.

1.1.  Общие сведения о процессах теплообмена
Теплопередача — теплообмен между двумя теплоносителями через 
разделяющую их твердую стенку.
Теплоноситель — движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.
В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) 
с различными температурами. Среда с более высокой температурой, 
отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, — холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии 
аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов.
В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, 
дымовые газы, а в качестве хладагентов — аммиак, фреоны, рассол 
хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента 
определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

Глава 1. Теоретические основы теплопередачи
10

Теплопередача между средами может происходить в установившихся 
(стационарных) и неустановившихся (нестационарных) условиях.
При установившемся (стационарном) процессе поле температур 
в аппарате не изменяется во времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы имеют место в непрерывно действующих аппаратах; 
неустановившиеся процессы происходят в аппаратах периодического 
действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия, изменении режима их работы.
При тепловой обработке многих пищевых продуктов, например, 
теста, молока, сахарных растворов, изменяются их физико-химические свойства, что вызывает изменение условий теплопередачи.
Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты.
Передача теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией 
и тепловым излучением.

1.2. Способы передачи теплоты
Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии 
от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.
Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью.
Согласно закону Фурье количество теплоты Q, передаваемое теплопроводностью через стенку, прямо пропорционально поверхности теплообмена F, разности температур обеих поверхностей стенки 
Δt = tст1 – tст2, вре мени теплообмена τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

 

Q
F
t
=
⋅
⋅
⋅
λ
τ
δ
Δ
,

 
(1.1)

где λ — теплопроводность, Вт/(м·К).
Теплопроводность зависит от природы и агрегатного состояния вещества, температуры и давления. Теплопроводность газов возрастает 
с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, λ уменьшается 

1.2. Способы передачи теплоты
11

с повышением температуры. Для большинства твердых тел λ увеличивается с повышением температуры.
Теплопроводность для некоторых металлов, применяемых в пищевом машиностроении, составляет в Вт/(м·К): сталь, чугун — 45; сталь 
нержавеющая — 17–21; алюминий — 200; медь — 350; латунь — 85; 
свинец — 35; для жидкостей λ = 0,08–0,7 Вт/(м·К). Для теплоизоляционных материалов теплопроводность изменяется от 0,01 до 
0,006 Вт/(м·К).

Конвективный теплообмен (теплоотдача)
Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью 
тела и окружающей средой. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности 
теплового потока на поверхности раздела к температурному напору 
между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).
При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке 
жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности 
твердого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро 
потока жидкости или газа — в основном конвекцией. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного теплообмена 
приведена на рис. 1.1.

δ

t1

Рис. 1.1. Схема конвективного теплообмена

Основным законом конвективного теплообмена является закон 
Ньютона, согласно которому количество теплоты Q, переданное 

tст

t1

Глава 1. Теоретические основы теплопередачи
12

от горячей по верхности к среде (или наоборот), прямо пропорционально поверхности тепло обмена F, разности температур поверхности 
и окружающей среды Δt и времени теплообмена τ: 

Q = α . F . Δt . t , 
 
 
(1.2)

где α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К).
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты 
передается от теплообменной поверхности в 1 м2 к омывающему ее 
потоку или от потока к поверхности теплообмена, равной 1 м2, в единицу времени (1 ч) при разности температур поверхности теплообмена 
и ядра потока 1 К.
В табл. 1.1 приведены значения коэффициента теплоотдачи при 
различных режимах движения газов и жидкостей.

Таблица 1.1. Примерный диапазон значений коэффициента теплоотдачи

Режим движения
Коэффициент теплоотдачи α, 
Вт/(м2·К)
Свободная конвекция газов
 5–50
Вынужденная конвекция газов
    30 –5 · 102

Свободная конвекция воды
102–103

Вынужденная конвекция воды
5 · 102–2 · 104

Кипение воды
2 · 103–4 · 104

Пленочная конденсация водяных паров
    4 · 103–1,5 · 104

Капельная конденсация водяных паров
    4 · 104–1,2 · 105

Формула Ньютона в явном виде не отражает влияния на теплоотдачу всего многообразия факторов: все они учитываются в коэффициенте теплоотдачи α:

 
α = f (ω, λ, ν, βt, d). 

Основной задачей изучения теплоотдачи является определение коэффициента α в конкретных условиях процесса. Определить α аналитически не представляется возможным, поэтому его определяют опытным путем с последующим получением обобщенной зависимости для 
случаев (процессов), подобных изучаемому. Обобщенная зависимость, 
называемая уравнением подобия, представляется в виде безразмерных 
комплексов (чисел подобия), составленных из величин, характеризующих процесс. Числа подобия устанавливаются в строгом соответствии с теорией подобия. Например, уравнение подобия теплоотдачи