Совершенствование конструкции кожухотрубных аппаратов. Аппаратурное оформление процесса первичного охлаждения молока

            П. А. Галкин







СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНЫХ АППАРАТОВ АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА


Монография
























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 637.1.02
ББК 36.95
      Г16

               Рекомендовано научно-техническим советом ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»




Рецензенты:
д. т. н., профессор кафедры математического моделирования и информационных технологий ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет им. Г. Р. Державина» Ковалев Сергей Владимирович;
д. т. н., профессор кафедры компьютерно-интегрированных систем в машиностроении ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» Соколов Михаил Владимирович




            Галкин, П. А.


Г16 Совершенствование конструкции кожухотрубных аппаратов. Аппаратурное оформление процесса первичного охлаждения молока : монография / П. А. Галкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 96 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1373-2

           Показаны способы повышения эффективности кожухотрубных теплообменников для первичного охлаждения молока, представлена методика, уточняющая число труб для малогабаритных кожухотрубных аппаратов с учетом уменьшения байпасного зазора путем установки дополнительного числа труб в байпасной зоне при сохранении направлений потоков.
           Для специалистов в области пищевой промышленности и агропромышленного комплекса.

УДК 637.1.02
ББК 36.95








ISBN 978-5-9729-1373-2

     © Галкин П. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ..........................................................4
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ ПЕРВИЧНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА.................................................6
 1.1. Первичное охлаждение молока.................................6
 1.2. Классификация теплообменных аппаратов, применяемых при первичном охлаждении молока.......................13
 1.3. Сравнительный анализ кожухотрубных и пластинчатых теплообменников.......................................26
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С УЧЕТОМ ЗАЗОРОВ
В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ........................................32
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА.......................47
 3.1. Описание экспериментальной установки.......................47
 3.2. Экспериментальные исследования и их результаты.............52
4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ......................55
 4.1. Методика расчета аппарата для первичного охлаждения молока.55
 4.2. Алгоритм и описание программы для расчета..................59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................65
ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................68
 Приложение 1. Результаты теоретического исследования влияния зазоров на интенсивность теплообменного процесса........................68
 Приложение 2. Результаты экспериментального исследования зависимости температуры теплоносителей от времени проведения эксперимента....................................................74
 Приложение 3. Программа проектирования кожухотрубных аппаратов для первичного охлаждения молока................................76

3

                ВВЕДЕНИЕ





     Развитие агропромышленного комплекса обуславливает необходимость использования современного высокоэффективного оборудования, в том числе и в животноводстве. Это термоемкости на базе молоковозов, позволяющие перевозить молоко на дальние расстояния с наименьшими изменениями первоначальной температуры продукта, резервуары-охладители, позволяющие снизить температуру молока с 35 °C до 4 °C, холодильные машины, в которых в качестве хладагента применяется аммиак или фреон.
     Молоко теряет свои ценные питательные свойства в течение первых двух-трех часов после доения. Наиболее полное сохранение этих свойств обеспечивается охлаждением. Процесс охлаждения должен быть не только своевременным, но и достаточно интенсивным, чтобы понизить температуру молока после доения в среднем до двух градусов по шкале Цельсия. На животноводческих фермах в молочных линиях для охлаждения применяются пластинчатые аппараты, которые позволяют распределить тепло- и хладоносители тонким слоем по поверхностям теплообмена.
     Однако пластинчатые аппараты имеют целый ряд недостатков, которые связаны с наличием в конструкции большого количества прокладок. Эти прокладки располагаются по периметру соседних пластин и имеют значительные размеры по длине и ширине аппарата. После сжатия пакета пластин и прокладок они образуют герметичные каналы в виде щелей для молока и хладоноси-теля. Отмечаются частые отказы в работе из-за нарушения герметичности. Щели забиваются посторонними частицами, например опилками, шерстью и т. п. Отсюда значительные затраты на разборку и сборку аппарата. Кроме того, конструкция пластинчатого аппарата имеет существенные ограничения для дальнейшей интенсификации теплообменных процессов.
     Создание оборудования для первичного охлаждения молока как для крупных, так и для мелкотоварных производств более приемлемо при использования

4

кожухотрубных теплообменников, так как они изготавливаются на универсальном оборудовании, которое широко известно, и имеют невысокую стоимость по сравнению с пластинчатыми аппаратами. Кроме того, они имеют следующие достоинства:
     1) широкийдиапазониспользования;
     2)  простота изготовления;
     3)  легкость чистки и мойки в процессе эксплуатации.
     Цель работы заключается в установлении способов повышения эффективности кожухотрубных теплообменников для первичного охлаждения молока, уточнении методики их расчета и проектирования.
     В соответствии с этим нами разработана методика проектирования кожухотрубных теплообменных аппаратов, используемых при первичном охлаждении молока. Данная методика уточняет число труб для малогабаритных кожухотрубных аппаратов с учетом уменьшения байпасного зазора.

5

                1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ ПЕРВИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА




1.1. Первичное охлаждение молока

    Качество молока и молочных продуктов во многом зависит от своевременности обработки или переработки их. Молоко представляет собой скоропортящийся продукт. Оно является весьма благоприятной средой для развития всевозможных микроорганизмов. В целях сохранения молока в свежем виде в период доставки потребителям или на молочные заводы его подвергают в хозяйствах первичной обработке. Важнейшим условием первичной обработки молока является его охлаждение [19]. Цельное парное молоко имеет оптимальную температуру для размножения микробов, которые повышают кислотность, вероятность скисания молока. Продолжительность действия бактерицидной фазы представлена в табл. 1. Молоко, не охлажденное уже через час после выдаивания, не отвечает требованиям первого сорта, а через 2 ч после него по кислотности соответствует второму сорту, а по бактериальной обсемененности считается уже несортовым. Через 3 ч после выдаивания кислотность молока достигает 23 °Т, и такую продукцию молокозаводы уже не принимают. Поэтому молоко после выдаивания надо охлаждать сразу до температуры не выше +8 °C. Этого можно достигнуть, используя лед или машинный холод. Нельзя смешивать охлажденное молоко с парным. Смешивать молоко вечернего удоя с утренним можно, если оно охлажденное.
    Доильно-молочное оборудование предназначено для выполнения двух технологических процессов: машинного доения коров и первичной обработки молока, которые, как правило, объединяются в одну поточную линию. Под технологической молочной линией понимают систему, состоящую из источника молока (коров), доильной установки для приема молока (молоковыведение из вымени, сбор молока в емкости, транспортировка и кратковременное хранение


6

молока) и комплекта машин для первичной обработки молока (очистка, охлаждение, длительное хранение, транспортировка к местам реализации) [22].


Таблица 1

Продолжительность действия бактерицидной фазы, ч.

Температура Условия получения молока  
молока, °С  хорошие      плохие      
    37        3,0          2,0       
    30        5,0          2,3       
    16       12,7          7,6       
    13       36,0         19,0       

     В зависимости от способа содержания коров в зимний и летний периоды, а также от принятой системы организации машинного доения применяют доильные установки разных типов.
     В настоящее время промышленность выпускает доильные установки четырех типов: 1) для доения в стойлах со сбором молока в переносные ведра -АД-100А и ДАС-2Б; 2) для доения в стойлах со сбором молока через молоко-провод в общую емкость - АДМ-8; 3) для доения на пастбищах и площадках со сбором молока в общую емкость - УДС-ЗА; 4) для доения на площадках со сбором молока в общую емкость - УДТ-6 типа «Тандем», УДЕ-8 типа «Елочка» и УДА-100 типа «Карусель» [19].
     В доильной установке АДМ-8 с молокопроводом выдоенное молоко учитывается и затем транспортируется по стеклянному молокопроводу в молочное отделение, где охлаждается и собирается в общую емкость для хранения.
     Доильная установка АДМ-8 (рис. 1.1) состоит из 12 аппаратов ДА-2М, вакуум-провода, двух главных вакуум-регуляторов 2, шести вкауум-подъемни-ков, молокопровода 12 и двух унифицированных вакуумных насосов 13 (уста


7

новок УВУ-60/45). Оборудование молочной линии включает два групповых счетчика 4 надоя молока, шесть устройств зоотехнического учета молока, молоко-сборник 5, насос молочный универсальный 6, фильтр 7 и пластинчатый охладитель 8 молока. Кроме того, доильная установка снабжена устройством 9 для автоматической циркуляционной промывки молокопровода и доильной аппаратуры, источником тепла - электрическим водонагревателем-термосом ВЭТ-400, шкафом управления и шкафом запасных частей.


Рисунок 1.1. Принципиальная схема доильного агрегата АДМ-8:
1 - доильный аппарат; 2 - главный вакуум-регулятор;
3 - дифференциальный клапан; 4 - счетчик надоя молока групповой;
5 - молокосборник; 6 - насос молочный универсальный;
7 - фильтр; 8 - пластинчатый охладитель молока;
9 - автомат промывки; 10 - разделитель; 11 - вакуум-провод;
12 - молокопровод; 13 - вакуумный насос

     Обязательное условие получения доброкачественного молока - ежедневная обработка доильного и молочного оборудования дезинфицирующими веществами (0,1%-ным раствором хлорамина Б, раствором гипохлорита кальция

8

той же концентрации). Ими же ежедневно промывают молокосборники, молочные танки, ванны и другое оборудование [2].
     Классификация оборудования, применяемого для охлаждения молока, представленанарис. 1.2 [5].


Рисунок 1.2. Классификация оборудования для охлаждения молока

9

     Выделяют несколько схем сбора и охлаждения молока:
     -  охлаждение и хранение в резервуарах-охладителях;
     -       предварительное охлаждение в тонкослойном пластинчатом охладителе, доохлаждение в резервуаре-охладителе, хранение в резервуаре-термосе;
     -       охлаждение в пластинчатом охладителе, хранение в резервуаре-термо-се[1,2].
     Охлаждение в резервуарах-охладителях может быть непосредственным и косвенным [15]. При непосредственном охлаждении хладагент холодильной машины отбирает тепло от молока, при косвенном охлаждении - от промежуточного хладоносителя.
     Преимуществасистемы с непосредственным охлаждением (рис. 1.3):
     -  удобство эксплуатации в условиях фермы;
     -       высокий КПД, так как нет дополнительных затрат энергии на охлаждение хладоносителя;
     -  сравнительно небольшие металлоемкость и габаритные размеры.


Рисунок 1.3. Система с непосредственным охлаждением

10

     Система с косвенным охлаждением (рис. 1.4) включает в себя установку охлаждения жидкости, в состав которой может входить льдоаккумулятор. Преимущества системы:
     -       возможность использования одной установки охлаждении на несколько резервуаров;
     -       высокая скорость охлаждения молока (температура хладоносителя от8 °Си ниже);
     -       выравнивание суточного графика тепловых нагрузок на холодильную установку за счет снижения «пикового» потребления холода во время доения;
     -       снижение затрат на электроэнергию, так как аккумуляция холода происходит в ночные часы с использованием льготного ночного тарифа [23].


Рисунок 1.4. Система с косвенным охлаждением

     Каждая система имеет свои преимущества, но благодаря простоте обслуживания больше распространены системы с непосредственным охлаждением. С другой стороны, косвенное охлаждение при правильно организованной эксплуатации оборудования обеспечивает значительную экономию электроэнергии. Поскольку энергосберегающим технологиям придается все большее зна

11