Тепловые процессы и оборудование для тепловой обработки жиросодержащих молочных продуктов

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ 

И ОБОРУДОВАНИЕ 

ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ 

ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ МОЛОЧНЫХ 

ПРОДУКТОВ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому 

политехническому образованию в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по направлению подготовки бакалавров и магистров 

«Технологические машины и оборудование»

Санкт-Петербург

ГИОРД

2014

Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев

УДК 557.1+663/664
ББК 36.95

Н63

Рецензенты: д. т. н. В. Н. Красильников, 
д. т. н. Е. И. Верболоз

Н63
Тепловые процессы и оборудование для тепловой обработки 

жиросодержащих молочных продуктов : учеб.-метод. пособие / 
Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев. — СПб. : ГИОРД, 2014. — 296 с.

ISBN 978-5-98879-176-8

В книге широко освещены расчеты теплового оборудования, дано 
описание устройств и приведены технические характеристики оборудования, в котором используется тепло и холод при производстве 
молока и молочных продуктов. В приложении приводятся сведения 
о физико-механических свойствах многих пищевых продуктов, а также характеристики материалов, необходимые при выполнении расчетов существующего и разрабатываемого теплового оборудования. 
Пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование».
Издание может быть также полезно бакалаврам, обучающимся по 
направлению 260200.62 «Продукты питания животного происхождения» (по профилю подготовки «Технология молока и молочных 
продуктов»), а также инженерно-техническим работникам молочной 
и других отраслей пищевой промышленности при расчетах теплового 
оборудования.

УДК 557.1+663/664

ББК 36.95

© OOO «Издательство “ГИОРД”», 2014
ISBN 978-5-98879-176-8

Николаев Б. Л.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................12

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕННЫХ 

АППАРАТАХ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ....14

1.1.  
Основные требования к теплообменным аппаратам ......... 14

1.2.  
Классификация теплообменных аппаратов .......................... 18

1.3.  
Теплоносители и способы нагревания .................................... 22

 
 
Нагревание водяным паром ................................................ 23

 
 
Нагревание горячей водой ................................................... 28

1.4.  
Охлаждающие агенты, способы охлаждения
и конденсации ............................................................................... 30

 
 
Охлаждение жидкостей водой 
и низкотемпературными агентами  ................................... 30

 
 
Охлаждение самоиспарением .............................................. 31

 
 
Охлаждение паров водой ...................................................... 32

1.5.  
Материалы, применяемые для изготовления 
теплового оборудования ............................................................ 36

 
 
Металлы и сплавы .................................................................. 36

 
 
Неметаллические материалы ............................................... 38

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО

РАСЧЕТА ..............................................................................41

2.1.  
Определение расхода теплоносителей 
и хладоносителей.......................................................................... 42

2.2.  
Основное уравнение теплопередачи ....................................... 45

2.3.  
Определение поверхности теплопередачи ............................. 50

2.4. 
Определение средней разности температур .......................... 51

2.5.  
Определение температуры стенки ........................................... 58

2.6.  
Коэффициенты теплоотдачи и их определение ................... 64

Теплоотдача при вынужденном движении 

 
 
без изменения агрегатного состояния сред ..................... 66

 
 
Теплоотдача при свободном движении 

 
 
без изменения агрегатного состояния сред ..................... 78

 
 
Теплоотдача при кипении жидкости ................................. 79

 
 
Теплоотдача при конденсации пара ................................... 81

2.7.  
Некоторые частные случаи для расчета коэффициентов 
теплопередачи и теплоотдачи ................................................... 85

2.8.  
Расчеты емкостного оборудования ......................................... 88

 
 
Расходуемая энергия в емкостном оборудовании 

 
 
с перемешивающими устройствами .................................. 93

 
 
Эффективность перемешивания продукта...................... 94

 
 
Расчет коэффициентов теплоотдачи 

 
 
в емкостном оборудовании с перемешивающими 

 
 
устройствами ........................................................................... 96

 
 
Материалы для емкостного оборудования .................... 100

 
 
Расчет изоляции емкости ................................................... 101

 
 
Прочностные расчеты емкостного оборудования ....... 103

 
 
Технико-экономические показатели емкостного 

 
 
оборудования ........................................................................ 105

2.9.  
Гидродинамические расчеты теплообменных 
аппаратов ...................................................................................... 105

 
 
Уравнение неразрывности потока .................................... 106

 
 
Потеря давления при движении жидкости 

 
 
по трубам ................................................................................ 109

2.10.  Пути интенсификации тепловых процессов 

в теплообменных аппаратах .................................................... 115

2.11.  Расчет теплообменных аппаратов .......................................... 119

Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 

ТЕПЛА ИЛИ ХОЛОДА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ 
МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ............................................121

3.1.  
Оборудование для первичного охлаждения молока ......... 121

 
 
Ванна ВО-1000 ....................................................................... 123

 
 
Резервуары-охладители ОРМ ............................................ 125

 
 
Охладители молока ОГ1 ...................................................... 127

Оглавление

Установки для приема и первичного охлаждения 

 
 
молока УМО ........................................................................... 128

 
 
Резервуары-охладители серии «Быстрица» ................... 129

 
 
Резервуары-охладители фирмы ПАКО ........................... 132

 
 
Установка для приемки, учета и охлаждения 

 
 
молока «Протемол» .............................................................. 132

 
 
Установка для приема, учета и охлаждения молока 
в потоке ММР ........................................................................ 133

3.2.  
Емкостное оборудование ......................................................... 135

 
 
Ванны пастеризации ОПА-600, ОПБ-1000 

 
 
и ОПБ-2500 ............................................................................. 135

 
 
Ванны пастеризации Г6-ОПА-600 и Г6-ОПБ-1000 ...... 137

 
 
Ванны длительной пастеризации ВДП-100, 

 
 
ВДП-200 и ВДП -300 ............................................................. 139

 
 
Ванны длительной пастеризации ВСМ-В и ВСМ-П .... 141

 
 
Ванны длительной пастеризации ВН-0,6 и ВН-1,0 ...... 143

 
 
Ванны длительной пастеризации 

 
 
с электронагревом РВПЭ  ................................................... 144

 
 
Ванны длительной пастеризации с паровым 

 
 
обогревом РВПП  .................................................................. 146

 
 
Емкости длительной пастеризации 10.01П  ................... 148

 
 
Емкости длительной пастеризации 

 
 
с комбинированным подогревом 10.01ЭП ..................... 150

 
 
Ванны нормализации ВН ................................................... 151

 
 
Ванны фирмы ПАКО ........................................................... 152

 
 
Танк универсальный Г2-ОТ-2А ........................................ 154

 
 
Заквасочники ОЗ и ОЗУ ..................................................... 155

 
 
Заквасочники У-0,35 и У-0,63 ............................................ 156

 
 
Заквасочные установки РВЗУ ........................................... 158

 
 
Емкости ОСВ ......................................................................... 159

 
 
Емкости РВО .......................................................................... 161

 
 
Емкости ВС ............................................................................ 163

 
 
Емкости фирмы «Creamatic» .............................................. 166

 
 
Емкости фирмы «Coavec» ................................................... 166

3.3.  
Пластинчатые охладительные и нагревательные 
установки ..................................................................................... 167

Оглавление

Пластинчатые охладительные установки ОГО, 
ОГ1 и ООЛ .............................................................................. 167

 
 
Пластинчатые нагревательные установки 

 
 
ОНЛ-5, ОНС-10 и ОНС-25 ................................................. 172

3.4.  
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 
установки ..................................................................................... 173

 
 
Универсальные пластинчатые пастеризационно
 
 
охладительные установки ОГУ-2,5, ОГУ-5 
и ОГУ-10 .................................................................................. 175

 
 
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки ОГМ ..................................................................... 178

 
 
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки ПМР-0,2/1 ........................................................... 181

 
 
Пластинчатая пастеризационно-охладительная 

 
 
установка ПМР-0,2/2 ........................................................... 183

 
 
Пластинчатая пастеризационно-охладительная 

 
 
установка ПМР-0,2/3 ........................................................... 185

 
 
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки ОКЛ и ОПК ........................................................ 187

 
 
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки ОГК ...................................................................... 189

 
 
Пластинчатая пастеризационно-охладительная 

 
 
установка ОГМС ................................................................... 192

 
 
Пластинчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки АГМ ..................................................................... 195

3.5.  
Трубчатые аппараты и пастеризационно
 
охладительные установки ........................................................ 197

 
 
Трубчатые аппараты ОУК-5, ОТЛ-5 и Т1-ОУТ-10 ....... 199

 
 
Трубчатые аппараты Т1-ОУТ-М, П8-ОЛФ-3 

 
 
и П8-ОУП-5/2,5 ..................................................................... 201

 
 
Трубчатые пастеризационно-охладительные 

 
 
установки П8-ОПО-5 и П8-ОПО-10 ................................ 202

3.6.  
Оборудование для охлаждения творога ............................... 204

 
 
Охладитель творога Д5-ОТЕ ............................................. 204

 
 
Охладитель творога 209-ОТД ............................................ 206

 
 
Охладитель творога 209-ОТД-1 ........................................ 208

Оглавление

Охладители творога ОТ-500-П-Ф 
и ОТ-1000-П-Ф ...................................................................... 209

 
 
Установка для охлаждения и прессования 

 
 
творога УПТ ........................................................................... 211

3.7.  
Маслообразователи ................................................................... 213

 
 
Мини-маслообразователь П8-ОС-2Т .............................. 213

 
 
Маслообразователь Т1-ОМ-2Т ......................................... 215

 
 
Маслообразователь Я7-ОМ-3Т ......................................... 218

 
 
Маслообразователь Я7-ОМ-3Т-М .................................... 220

 
 
Маслообразователь Р3-ОУА............................................... 222

 
 
Маслообразователи ОМ-3ТМ-4, ОМ-2ТМ 
и ОМ-3ТМ .............................................................................. 224

 
 
Маслообразователи-вотаторы типа МСО  ..................... 227

 
 
Маслообразователь-вотатор МСО-100.3М .................... 231

 
 
Маслообразователи-вотаторы МСО-100.6 

 
 
и МСО-100.6М....................................................................... 231

 
 
Маслообразователь-вотатор ТВФ-1.3 ............................. 233

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ....................................................235
 
К главе 1 ........................................................................................ 235

 
К главе 2 ........................................................................................ 236

 
К главе 3 ........................................................................................ 238

ПРИЛОЖЕНИЯ  ...........................................................................241
 
Приложение 1. Реологические характеристики 

 
смеси мороженого крем-брюле ............................................... 241

 
Приложение 2. Реологические характеристики 

 
смеси мороженого молочно-шоколадного .......................... 243

 
Приложение 3. Реологические характеристики 

 
смеси мороженого пломбира сливочного ............................ 244

 
Приложение 4. Реологические характеристики 

 
смеси мороженого пломбира шоколадного ......................... 246

 
Приложение 5. Реологические характеристики 

 
маргарина бутербродного «Особый» .................................... 248

 
Приложение 6. Реологические характеристики 

 
маргарина cтолового «Эра» ...................................................... 249

Оглавление

Приложение 7. Реологические характеристики 
маргарина «Сливочный» ...................................................................... 251
Приложение 8. Реологические характеристики 
маргарина «Сливочный» ...................................................................... 253
Приложение 9. Реологические характеристики 
кулинарного жира «Прима» ................................................................ 254
Приложение 10. Реологические характеристики 
растительного сала ................................................................................ 256
Приложение 11. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Фруктовый» ........................................................... 257
Приложение 12. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Латвийский» .......................................................... 259
Приложение 13. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Кисломолочный».................................................. 261
Приложение 14. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Рокфор» .................................................................. 264
Приложение 15. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Дружба» .................................................................. 266
Приложение 16. Реологические характеристики 
сыра плавленого «Невский» ................................................................ 268
Приложение 17. Реологические характеристики масла «Веста»....... 270
Приложение 18. Реологические характеристики 
майонеза «Провансаль для салатов» 
с содержанием жира 36 % .................................................................... 271
Приложение 19. Реологические характеристики 
творога жирностью 18 % ...................................................................... 274
Приложение 20. Реологические характеристики 
сметаны жирностью 20 % .................................................................... 275
Приложение 21. Плотность и вязкость 
цельного молока в зависимости от его температуры.................... 276
Приложение 22. Поверхностное натяжение молока 
и сливок в зависимости от температуры, Н/м ................................ 277
Приложение 23. Плотность составных частей 
молока, кг/м3 ............................................................................................ 278
Приложение 24. Плотность сливок различной 
жирности в зависимости от температуры, кг/м3 ........................... 278

Оглавление

Приложение 25. Удельная теплоемкость молочных 
продуктов в зависимости от температуры продукта, 
Дж/(кг∙°С) ................................................................................................. 279
Приложение 26. Теплофизические свойства 
сухих молочных продуктов ................................................................. 279
Приложение 27. Теплофизические свойства 
мороженого при взбитости его 70 % 
и плотности 650 кг/м3 ............................................................................ 280
Приложение 28. Зависимость коэффициента 
теплопроводности сгущенного молока от его температуры ....... 281
Приложение 29. Физические свойства различных 
молочных продуктов ............................................................................. 281
Приложение 30. Коэффициент температуропроводности 
различных молочных продуктов (α∙10–4, м2/ч) ................................ 282
Приложение 31. Физические свойства различных 
растворов хлористого натрия и хлористого кальция ................... 283
Приложение 32. Динамические коэффициенты 
вязкости глицерина ............................................................................... 286
Приложение 33. Средняя удельная теплоемкость 
некоторых твердых материалов при 0…100 °С, кДж/(кг∙К) ........ 286
Приложение 34. Средняя удельная теплоемкость 
некоторых жидкостей, кДж/(кг∙К) ..................................................... 287
Приложение 35. Среднее значение тепловой 
проводимости загрязнений стенок ................................................... 287
Приложение 36. Теплофизические свойства сухого 
насыщенного пара на линии насыщения ......................................... 288
Приложение 37. Теплофизические свойства воды ........................ 289
Приложение 38. Теплофизические характеристики 
различных материалов и веществ ...................................................... 290

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................292

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

В молочной промышленности ряд технологических процессов 
связан с использованием тепла. К тепловым процессам относятся: 
нагревание и охлаждение, процессы, протекающие с изменением 
агрегатного состояния вещества, — конденсация, испарение, затвердевание и плавление, а также процессы кристаллизации и выпаривания.

Значительная часть проблем, встречающихся при решении 

производственных задач в молочной промышленности, относится 
к проблемам теплотехнического хозяйства. Следствием этого является необходимость решения различных вопросов, связанных 
с тепловыми процессами. 

Теплопередача в теплообменных аппаратах осуществляется 

в различных условиях. Например, в одних аппаратах теплообмен 
протекает при больших скоростях и высокой температуре теплоносителя, в других — при малых скоростях и невысокой температуре теплоносителя. 

Правильному выбору мероприятий по интенсификации тепло
обмена должен предшествовать тщательный анализ соотношения 
частных термических сопротивлений, величина которых зависит 
от ряда факторов — скорости движения продукта и рабочей среды, физических свойств жидкости, расположения теплопередающей поверхности и наличия загрязнений на ней, теплопроводности материала, поверхности теплообмена и др. 

Для эффективной работы теплообменных аппаратов сущес
твенное значение имеет и ряд других факторов. Так, например, 
при обработке продуктов, создающих дополнительные термические сопротивления на поверхности теплообмена в результате образования пригара, эти продукты целесообразно пропускать по трубам, так как очищать от осадков внутреннюю 
поверхность труб значительно легче и проще, чем наружную. 
Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду жидкость 

Введение

с высокой температурой целесообразно пропускать по трубам 
и т. д. 

Продолжительность работы теплового оборудования мо
лочной промышленности и получение продукции высокого 
качества тесно связаны со знанием устройства теплообменных 
аппаратов, особенностями работы их, умением рассчитывать 
производительность аппаратов, потребное количество холода, 
пара и пр.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
О ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ 
МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. Основные требования к теплообменным аппаратам

Современные теплообменные аппараты должны отвечать следующим требованиям.

1. Теплообменный аппарат должен обеспечить оптимальные 

условия для ведения технологического процесса с заданными параметрами при получении высококачественного продукта (технологические условия), которые зависят от типа процесса, химического состава продукта, его физических свойств и агрегатного 
состояния.

Важнейшими параметрами технологического процесса при теп
ловой обработке продукта являются температурный режим, продолжительность теплового воздействия, характер движения продукта и его физические свойства, давление, при котором протекает 
процесс, и характер механического воздействия на продукт.

2. Аппарат должен иметь высокие технико-экономические по
казатели. В качестве таких параметров обычно принимают расход 
энергии, пара, воды, холода, размер занимаемой площади, общую 
массу аппарата, стоимость его изготовления и эксплуатационные 
расходы.

Анализ этих показателей при сравнении различных конструк
ций аппарата дает возможность судить об их достоинствах и недостатках.

Важнейшими факторами являются высокая производитель
ность и экономичность работы аппарата, которые связаны с интенсивностью ведения процесса и снижением гидравлических сопротивлений.

Интенсивность процесса, протекающего в аппарате, — это его 

удельная производительность, т. е. производительность, отнесен

1.1.  Основные требования к теплообменным аппаратам

ная к основной единице, характеризующей данный аппарат. Например, интенсивность работы выпарного аппарата характеризуется количеством испаренной воды с 1 м2 греющей поверхности 
в течение одного часа.

Таким образом, чем интенсивнее протекает процесс в аппарате, 

тем меньше его размеры и стоимость при одной и той же производительности. Поэтому интенсификация процесса является важным фактором технического прогресса.

3. Пути интенсификации процессов, протекающих в теплооб
менных аппаратах молочной промышленности, очень разнообразны и различны для разных типов аппаратов. Однако существуют 
некоторые способы повышения интенсивности работы аппаратов, 
которые имеют общий характер (т. е. пригодны для всех типов 
аппаратов). Например, замена периодического процесса непрерывным исключает вспомогательные операции, а следовательно, 
сокращает общее время рабочего цикла. Параметры непрерывного технологического процесса постоянны во времени; это создает 
лучшие условия для автоматизации всего процесса. Автоматизация же не только уменьшает трудовые затраты, но и обеспечивает 
лучшие условия труда и поддерживает постоянным режим работы 
аппарата, что важно для получения продукта высокого качества.

4. На интенсивность процесса влияют также следующие факто
ры: степень механического воздействия на обрабатываемый продукт; равномерность распределения тепловой нагрузки по всей 
поверхности теплообмена; характер относительного движения рабочих сред (обычно лучше противоток) и степень их турбулентности; величина термических сопротивлений по обеим сторонам 
стенки; своевременное и достаточно полное удаление конденсата 
и неконденсирующихся газов при паровом обогреве; чистота поверхности нагрева.

На интенсивность процесса влияют и частные факторы, прису
щие определенной конструкции аппарата.

Уменьшение массы аппарата может быть достигнуто не только 

применением более интенсивного процесса, но и за счет наиболее 
рациональной его конструкции, т. е. выбора такой геометрической 
формы, при которой расход материала на единицу объема аппара

Глава 1. Общие сведения о теплообменных аппаратах молочной промышленности

та будет минимальным. Масса аппарата снижается также за счет 
уменьшения запаса прочности и применения материалов, выдерживающих более высокие нагрузки.

Поверхности аппарата, соприкасающиеся с продуктом в про
цессе его обработки и транспортировки, а также рабочие органы 
(мешалки и пр.) должны быть из износоустойчивого материала, 
обладающего коррозийной стойкостью. Материалы, не обладающие этими свойствами, быстро истираются или ржавеют, и их частицы, попадая в продукт, могут снизить его качество.

Поверхности теплообмена аппарата и арматура, соприкасаю
щиеся с продуктом, должны быть изготовлены из материала, который не вступает с продуктом в химические реакции и не изменяет 
его свойства.

5. Основные узлы и детали аппаратов должны быть унифици
рованы, нормализованы и технологичны. Это позволяет монтировать аппараты из отдельных блоков. В процессе эксплуатации 
изношенные блоки могут быть быстро заменены новыми или 
отремонтированными, что значительно сокращает время, необходимое для ремонта, облегчает операции по сборке и разборке, 
а также транспортировку аппарата.

Унификация узлов и деталей способствует их серийному про
изводству с применением более прогрессивных способов их изготовления (штамповка и пр.).

Одним из факторов сравнительной оценки различных конс
трукций аппаратов может служить их технологичность — это 
оптимальный вариант, который отвечает требованиям наиболее 
выгодного технологического процесса изготовления для данного 
масштаба производства. Технологичность является одним из основных факторов повышения технико-экономических показателей аппаратов; она снижает трудоемкость, уменьшает расход материалов и, следовательно, массу аппарата.

О технологичности конструкции можно судить по общей трудо
емкости, материалоемкости и массе (по себестоимости из делия).

6. Аппарат должен быть надежным, т. е. способным выполнять 

технологические операции в течение определенного, заранее установленного времени при сохранении технических показателей 

1.1.  Основные требования к теплообменным аппаратам

в заданных пределах. Надежность аппарата (прибора и т. д.) характеризуется его безотказностью, долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью.

Надежность работы теплообменных аппаратов зависит, на
пример, от компенсации температурных деформаций, прочности 
и плотности разъемных соединений, сальниковых устройств, от 
доступности для осмотра и очистки отдельных узлов и деталей, от 
правильного подбора материала узлов и деталей в соответствии 
с условиями их работы, а также от правильной эксплуатации.

7. Конструкция аппарата должна отвечать эксплуатационным 

требованиям, важнейшими из которых являются:

а) простота конструкции, удобство монтажа и демонтажа, раз
борки и сборки при ремонте и обслуживании в процессе 
эксплуатации;

б) возможность гибкой регулировки параметров рабочего 

процесса, так как очень часто пищевое сырье отличается по 
своему химическому составу, поэтому возникает необходимость частичного изменения параметров технологического 
процесса в ту или другую сторону для получения высококачественного продута;

в) низкие эксплуатационные затраты, т. е. минимальные расхо
ды электроэнергии, пара, воды, холода, затраты на обслуживание и т. д.

8. Аппарат должен быть оснащен приборами и средствами ав
томатического контроля и регулирования параметров технологического процесса, обеспечивая их оптимальные значения в течение всего технологического цикла. Наиболее законченной формой 
автоматизации является осуществление дистанционного контроля и управления ходом технологического процесса с пульта по заранее заданной программе.

9. Конструкция аппарата должна отвечать санитарно-гигие
ническим требованиям. Обработка пищевых продуктов должна 
производиться в условиях, которые исключают возможность его 
бактериального заражения или загрязнения посторонними веществами. С этой целью внутренние поверхности аппарата не должны 
иметь щелей, зазоров, неровных выступов, углов, которые могут