Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 617098.01.99
Кравченко, В. Н. Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях [Электронный ресурс] / В. Н. Кравченко. - Москва : МГАУ, 2007. - 152 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/422603 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный агроинженерный 
университет им. В.П. Горячкина

На правах рукописи

Кравченко Владимир Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ 

ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ

Специальность
05.20.01 -  Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация 
на соискание ученой степени 
кандидата технических наук

Научный руководитель: 
доктор технических наук, 
профессор Кирсанов В.В.

Москва 2007

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и 

приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, 

9 приложений. Список использованной литературы включает 136 наименований, 

из них 10 на иностранных языках.

Ключевые 
слова: 
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
МОДУЛИ,

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
СЕКЦИИ, 
БЛОКИ, 
ПАСТЕРИЗАЦИОННО 
-  

ОХЛАДИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ, 

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

В диссертации дан анализ существующих пастеризационно-охладительных 

установок, применения термоэлектрических модулей и на их основе предложен 

эффективный способ нагрева и охлаждения жидкости, в частности молока до 

конечных температур.

Дан анализ проведенных исследований процессов нагрева и охлаждения 

термоэлектрических блоков. В результате теоретического анализа получены 

выражения для определения нагреваемого и охлаждаемого расхода жидкости, 

пропускной способности устройства и мощности, потребной на выполнение 

процессов.

Получены математические модели и экспериментальные зависимости 

качественных показателей процессов от конструктивно-режимных параметров 

установки. Обоснованы её оптимальные параметры. Разработана методика 

расчета 
производительности 
пастеризационно-охладительной 
установки 
на 

термоэлектрических модулях.

Результаты исследований внедрены в организациях ЗАО «Импульс», РГАУ- 

МСХА им. К.А. Тимирязева г. Москвы. Годовой экономический эффект от 

внедряемой установки составляет 29100 рублей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДНИЕ............................................................................................  
 
 
5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВНИЯ.............. 
8

1.1 Анализ способов и технических средств для тепловой обработки

молока на фермах................................................................ 
 
 
 
8

1.2 Анализ теплообменных систем с термоэлектрическим охлаждением 
 
21

1.2.1 
Конструкции термоэлектрических преобразователей и их

применение в устройствах различного назначения......................................................  
22

1.2.2 
Методы интенсификации теплопередачи в теплообменных 

аппаратах с термоэлектрическими модулями............................................................. 
30

1.3 Перспектива применения термоэлектрических модулей в 

технологических аппаратах и процессах для охлаждения и нагрева молока... 
36

2 Теоретические исследования режимов работы пастеризационноохладительной установки на термомодулях 
 
.......................................................  
39

2.1 Существующие методы расчета термоэлектрических устройств 
 
39

2.2 Обоснование 
энергетической 
целесообразности 
применения

термоэлектрических 
устройств 
в 
современных 
пастеризационноохладительных установках 
 
 
46

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................................. 
69

3.1 Программа, методика и объекты исследования...............................................  
69

3.2 Лабораторная установка для проведения экспериментальных 

исследований............................................................................................................ 
 
69

3.3 Методика проведения эксперимента..................................................................  
71

3.4 Методика планирования экспериментальных исследований.

Определение оптимальных, конструктивных и режимных параметров ПОУ на 

термоэлектрических модулях........................................................ 
 
 
 
77

РЕЗУЛЬТАТЫ 
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ 
ИССЛЕДОВАНИЙ 
И 

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ............................................................ 
81

4.1 Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки 

для определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева

и охлаждения......................................................................................................................  
81

4.2 Результаты многофакторного планирования эксперимента 

термоэлектрической батареи пастеризационно - охладительной установки 
 
86

4.3 Производственные испытания пастеризационно-охладительной 

установки на термомодулях..................................../...................... 
 
97

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ 
 
100

5.1 Технико-экономическое обоснование эффективности ПОУ ТЭМ 
 
100

5.2 Оценка экономической эффективности от повышения надежности

ПОУ ТЭМ......................................... 
 
 
 
 
104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................. 
 
111

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
 
...................  
 
 
 
 
113

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................  
125

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в 

частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения 

прогрессивных 
форм 
хозяйствования, 
наукоемких 
технологий 
и 

высокоэффективной 
элементной 
базы, 
позволяющих 
существенно 
снизить 

издержки производства и повысить его рентабельность.

Министерством сельского хозяйства разработан приоритетный национальный 

проект «Развития АПК». В нем в качестве основных направлений развития 

агропромышленного комплекса определены ускоренное развитие животноводства 

и 
стимулирование 
развития 
малых 
форм 
хозяйствования. 
Актуальность 

выбранных направлений определяется вкладом животноводства в общий объем 

сельхозпроизводства. При этом анализ структуры животноводческой продукции 

показывает, что на долю личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйств 

(ЛПХ и КФХ) в последние годы приходятся значительные объемы производства 

51% мяса и 55% молока. А это ведет к необходимости создания компактных 

миницехов по первичной обработке продукции, в частности переработки молока, 

что существенно повышает рентабельность производства.

Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими на 

качество молока, а так же на энергоемкость его производства являются процессы 

тепловой обработки (охлаждение и пастеризация) на долю которых приходиться 

более 40 % всех энергозатрат.

Наличие современных технологий и технических средств по первичной 

обработке 
и 
переработке 
молока 
у 
фермеров, 
резко 
повышает 
их 

конкурентоспособность. 
Поэтому 
создание 
компактных 
малогабаритных 

недорогих и высокоэффективных технологических установок является важной 

народно-хозяйственной проблемой, решаемой в рамках национального проекта по 

развитию малых форм хозяйствования в животноводстве.

Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии 

уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и 

технологических решений.

Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепловой 

обработки 
молока 
является 
использование 
полупроводниковых 

термоэлектрических 
модулей 
(ТЭМ), 
обеспечивающих 
построение 

малогабаритных, 
высокоэффективных 
комплектов 
пастеризационноохладительного 
оборудования, 
исключающим применение бойлерного пароводогрейного и фреонового холодильного оборудования.

Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная 

в результате известных работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [48, 49], 

открыла 
широкие 
возможности 
для 
использования 
полупроводниковых 

термоэлектрических охлаждающих и нагреваемых устройств. За последние 

десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, поскольку появилась 

реальная возможность создавать малогабаритные устройства для понижения и 

повышения температуры, обеспечивать процессы теплопередачи в конструкциях 

теплообменных аппаратов.

Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффективности 

применения термоэлектрических устройств в пастеризационно -  охладительных 

установках.

Научная новизна

-  разработаны математические модели расчета термоэлектрических блоков 

пастеризации и охлаждения молока на блочно-модульной основе.

- 
разработана обобщенная 
структурно-технологическая 
схема новой 

пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях.

- обоснованы энергетические циклы работы установки с расширенной зоной 

рекуперативных 
теплообменных 
процессов, 
повышающих 
общий 
к.п.д. 

установки.

Практическая ценность. Обоснована целесообразность и эффективность 

применения высокотехнологических тепловых насосов (термоэлектрических

модулей) 
для 
одновременного 
охлаждения 
и 
нагревания 
молока 
в 

пастеризационно-охладительных установках.

Предложена новая конструкция теплообменных пластин со встроенными 

термоэлектрическими модулями. Получено положительное решение о выдаче 

патента на изобретение № 2002117059/13(018071).

На защиту выносятся:

функционально 
-  
технологическая 
схема 
пастеризациионно 

охладительной установки на термоэлектрических модулях.

математические модели и методы расчёта основных параметров 

термоэлектрических блоков нагрева и охлаждения молока;

- 
результаты экспериментальных исследований и производственных 

испытаний предлагаемой установки;

оценка экономической эффективности данной установки.

Реализация 
результатов 
работы. 
По 
результатам 
исследований 

выполнено два Госконтракта с МСХ РФ в 2001 и 2005 г.г. По теме «Проведение 

исследований и разработка макета пастеризационно-охладительной установки на 

термоэлектрических модулях». Разработана конструкторская документация и 

опытные образцы термоэлектрических блоков охлаждения и нагрева молока.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации 

доложены на заседаниях секций 5 - й  международной научно -  практической 

конференции «Концепция механизации и автоматизации животнаводства в 21 

веке» (апрель 2002г.-2003, г. Подольск), международному симпозиумому по 

машинному доению г. Казань в 2002 г., на научно-практической конференции 

МГАУ 2002-2005 гг..

По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе имеется 

положительное решение на выдачу патента России.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВА]

1.1 Анализ существующих способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером - французским ученым, основоположником современной микробиологии и иммунологии.

Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванную жизнедеятельностью 

микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала 

называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен на тепловую 

обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [88].

Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теоретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.

Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при определенных комбинациях численных значений температуры и времени и, таким образом, достигается положительный результат в отношении пищевой безопасности молока.

Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные факты изменения 

компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потребительских свойств.

С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в области пастеризации молока являются:

разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко тепловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззараживания и сохранения его качеств;

создание конструкций пастеризаторов, обеспечивающих четкое и эффективное исполнение процесса пастеризации, удобных и надежных в эксплуатации.

Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдер- 

живатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение 2-х и более технологических 

операций обработки молока таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепарирование, нормализация и др.

По источнику использования энергии на нагрев и обеззараживание молока современные пастеризаторы можно подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы (ультразвуковые), а так же фрикционные с механическим нагревом и ультрафиолетовым воздействием.

Схема изменения температуры молока в таком аппарате представлена на рисунке 

1.1. Заштрихованная область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для которых t > 60 являются пастеризующими. Остальные части аппарата 

для определения критерия Ра не имеют значения.

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ 
РЕКУПЕРАТОР

Рисунок 1.1- Изменение температуры молока в пастеризаторе

тр - температура подогрева в рекуператоре;

Тбо - температура начала проявления пастеризационного эффекта; 

тп - температура пастеризации

Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эффекта, выше теоретического ввиду ряда обстоятельств, в частотности из-за неравномерности полей скоростей и температур по сечению потока, из-за пастеризации молока низкого качества или не подготовленного соответствующим образом.

Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей. В 

молоке не должно быть воздушных пузырьков. Желательна минимальная бактериальная обсемененность пастеризуемого молока.

При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит 

изменение физико-химических свойств молока.

Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурновременных режимов и типа аппарата [44, 88, 89, 127].

При длительной пастеризации (температура 63 °С, выдержка 30 мин.) выделяется до 5% от общего количества альбумина, наблюдается небольшое ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение 

кислотности молока на (0,5-1 )°Т.

При температуре 75°С начинается денатурация альбумина, который не 

осаждается, а переходит в форму свертывающегося от воздействия кислот, сернокислого магния.

Продолжительное нагревание при 75°С или увеличение температуры усиливает денатурацию альбумина, но его свертывание наступает только при под- 

кислении молока.

При нагревании молока до 85°С в течение 1 мин большая часть альбумина 

денатурируется, а при 95°С денатурируется весь альбумин.

При нагревании до температуры выше 85°С, кроме альбумина, частично 

изменяется казеин.

При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли 

переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокислых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных поверхностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»).

Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции тепловых аппаратов, которые резко отличаются друг от друга не только источниками 

использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуатационными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

Рисунок 
1.2 
- 
Классификация 
применяемых 
пастеризационноохладительных установок

Наибольшее распространение для пастеризации молока, получили пластинчатые пастеризационно-охладительные установки с электронагревом, которые по 

сравнению с другими типами тепловых обменных аппаратов имеют ряд преимуществ:

малый объем аппарата;

минимальные теплоперетоки и потери тепла и холода;

существенная экономия (80-90 %) тепла в секциях регенерации;

удельный расход энергии в пластинчатых аппаратах в 2-3 раза ниже, чем 

в трубчатых;

возможность менять число пластин;

возможность безразборной циркуляционной мойки аппаратуры.

молоко 
пар 
горячая вода 
холодная вода 
ледяная
вода

Рисунок 
1.3, а - Принципиальная схема пластинчатой пастеризационноохладительной установки: 1 - уравнительный бак; 2 - насос для молока; 3 - ро- 

таметрический регулятор; 4 - пластинчатый теплообменный аппарат; 5 - се- 

паратор-молокоочистителъ; 6 - пароконтактный нагреватель воды; 7 - бачок- 

аккумулятор; 8 - насос горячей воды; 9 - выдерживателъ; I  - первая секция рекуперации; II - вторая секция рекуперации; III - секция пастеризации; IV - секция 

охлаждения холодной воды; V - секция охлаждения ледяной водой

Горячая вода для нагрева молока подается в секцию пастеризации водяным 

центробежным насосом 16 из бачка-аккумулятора 17. Охлажденная вода из

секции пастеризации возвращается в бачок, предварительно нагреваясь в паро- 

кантактом нагревателе 21, установленном на трубопроводе возврата воды.

Вместо пароконтактного нагревателя также используются электрические 

нагреватели воды.

На рисунке 1.3, б представлена базовая технологическая схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки, разработанной НПК «Прогрессивные 
технологии».

Выход ноющего распора

Рисунок 1.3, б - Базовая технологическая схема пластинчатой пастеризационноохладительной установки НПК «Прогрессивные технологии»: 1 - пластинчатый 

теплообменный аппарат; 2 - возвратный клапан; 3 - бак-балансер; 4 - насос 

продуктовый; 5 - гомогенизатор; 6 - пластинчатый теплообменник для нагрева 

воды; 7 - выдерживателъ; 8 - насос для подачи воды в теплообменник

Также НПК «Прогрессивные технологии» разработаны и изготавливаются 

пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОКЛ.

В таблице 1.1. приводятся технические характеристики установок различной производительности.