Пароконтактные установки для стерилизации молока в потоке

Пароконтактные установки для стерилизации

молока в потоке

Количество тепла, поступающее  в пароконтактный нагреватель, определяют по следующей формуле:

Тепло, уносимое из вакуумного охладителя вместе со вторичным паром и стерилизованным охлажденным молоком, равно

Условие, которое необходимо соблюдать при стерилизации молока на пароконтактных установках, - это равенство концентраций сухих веществ молока до стерилизации и после нее. Это значит, что из молока следует удалить такое количество влаги, которое было введено в него в виде конденсата при нагревании, т. е.

Действительно, величина удельной теплоемкости молока, разбавленного  небольшим количеством конденсата, незначительно отличается от величины удельной теплоемкости неразбавленного  молока. Подобное допущение не противоречит физическому смыслу процесса, а те неточности, которые могут появиться  в расчетах, настолько незначительны, что ими можно пренебречь.

Из формул выше  следует:

Полученное выражение  является теоретической разностью  между температурой молока перед  нагревателем и температурой молока после охлаждения. В действительности на величину этой разности влияют, помимо всего прочего, потери тепла в  окружающую среду, которые в вышеприведенном  выводе не учитывались, а также содержание влаги в греющем паре.

Расчет и аналитическое  выражение разности температур положены в основу системы автоматического  контроля и регулирования равенства  концентраций сухих веществ в  молоке до стерилизации и после нее.

Если установить температуру  кипения молока в вакуум-камере t₃ и вакуум, обеспечивающий постоянство этой температуры в процессе работы установки, то на входе молока в пароконтактный нагреватель температура его должна быть t₁ = t₃+Δt.

Автоматически это условие  может быть обеспечено включением в  схему регулятора соотношения. Регулятор  соединяется с двумя термочувствительными элементами, один из которых должен быть установлен на входе молока в  пароконтактный нагреватель, а другой - на выходе молока из вакуум-камеры. На задатчике устанавливают значение Δt. В случае несоответствия сигналов, поступающих от термодатчиков, появившийся сигнал рассогласования преобразуется в рабочий импульс и подается к мембранному клапану. Клапан регулирует подачу пара во вторую секцию предварительного нагрева, и в результате изменения температуры t₁ восстанавливается заданное значение Δt.

Одним из существенных недостатков  схемы автоматического контроля и регулирования установки ВТИС является то, что Δt автоматически  не регулируется.

При работе установки ВТИС (см. рис. 2) оператор должен следить  за величиной t₁ по термографу 22 и в случае изменений регулировать температуру молока после второй секции предварительного нагрева или величину вакуума.

Исполнительные механизмы  системы автоматического контроля работают благодаря вакууму, создаваемому водоструйными вакуум-насосами V.

Для нормальной работы установки  необходимо, чтобы давление греющего пара, подаваемого к пароконтактному нагревателю, было постоянным.

В установке предусмотрен регулятор давления пара. Он состоит из двух прессостатов 16 и пневмоклапана с мембранным приводом 10. Регулятор давления пара выравнивает колебания, возникающие при неравномерной подаче пара из котельной.

Установка имеет программное  устройство, представляющее собой командный  электропневматический прибор 23, который  осуществляет последовательность и  продолжительность включения оборудования.

Полный цикл работы установки  состоит из стерилизации установки, стерилизации молока и мойки установки.

В настоящее время фирма  «Альфа-Лаваль» выпускает новую модель пароконтактной установки ВТИС-Ц. В отличие от рассмотренной установка ВТИС-Ц состоит из четырех отдельных узлов: центрального; узла ПТО (пластинчатый теплообменник); узла гомогенизатора; узла БМ (безразборной мойки). При монтаже все узлы легко соединяются трубопроводами.

Центральный узел представляет собой горизонтальную прямоугольную  раму, на которой монтируются пароконтактные нагреватели для молока и воды, пластинчатый теплообменник P13-VB для охлаждения молока, 'возвращаемого на повторную стерилизацию, насос высокого давления, центробежный асептический насос, вакуум-насос, вакуум-камера с конденсатором, приборная панель и соответствующая арматура.

Узел ПТО представляет собой пластинчатый теплообменник  типа P14-RB. Он предназначен для предварительного подогрева молока горячей водой  и окончательного охлаждения стерилизованного молока при строгом соблюдении асептических условий. Для этого входной и  выходной патрубки снабжены специальными асептическими барьерами.

Узел гомогенизатора представляет собой трехплунжерный гомогенизатор с асептическим уплотнением плунжеров. Гомогенизирующая головка - двухступенчатая.

Узел безразборной мойки состоит из двух бачков, в которых приготовляют кислотный и щелочной растворы.

Фирма «Альфа-Лаваль» выпускает три основные модели установки: ВТИС-Ц4; ВТИС-Ц8 и ВТИС-Ц12 производительностью 4000, 8000 и 12 000 л/ч соответственно. Установки промежуточных производительностей 2000, 6000, 10 ООО л/ч могут быть скомпонованы путем перестройки основных моделей.

Кроме того, для проведения научных исследований выпускается  установка производительностью 115 л/ч, снабженная нагревателями пароконтактного и поверхностного типа.

Принципиальная схема  установки ВТИС-Ц4 представлена на рис. 6. Из уравнительного бака I молоко центробежным насосом II подается в секцию предварительного нагрева V пластинчатого теплообменника, где оно нагревается горячей водой до 75° С. Вода поступает из конденсатора вакуум-камеры X, где она использовалась как охлаждающая. Температура ее на выходе равна 70° С.

Далее вода нагревается паром  в пароконтактном нагревателе для воды VI до 78-80° С. Подогретое молоко насосом высокого давления VII нагнетается в пароконтактный нагреватель для молока VIII, и температура его становится равной 140° С. При этой температуре молоко выдерживается 3-5 с в трубопроводе, проложенном от пароконтактного нагревателя до подпорной шайбы, которая находится между возвратным, клапаном и вакуум-камерой.

Пройдя возвратный клапан XI, молоко поступает в вакуум- камеру X, где происходит частичное удаление из него воды, а также охлаждение до 76° С. Из вакуум-камеры асептический центробежный насос XII подает молоко к асептическому гомогенизатору XV, и далее молоко охлаждается до температуры 20° С в секции охлаждения IV пластинчатого охладителя IX.

Недостерилизованное молоко возвращается в уравнительный бак через пластинчатый охладитель IX для возвратного молока. Установка снабжена системой автоматического контроля и регулирования процесса стерилизации, которая обеспечивает регулирование температуры стерилизации, температуры предварительного нагрева молока, величины вакуума, а также возврат недостерилизованного молока.

Регулирование температуры  стерилизации осуществляется регулятором  температуры 11, датчик которого 11а (термобаллон) установлен в потоке молока, выходящем из пароконтактного нагревателя VIII. Сигнал от датчика сравнивается со значением температуры стерилизации, установленным на за- датчике, встроенном в регулятор. В случае несоответствия текущего и заданного значения температур появляется сигнал рассогласования, который после преобразования в регуляторе поступает к мембранному исполнительному механизму регулирующего клапана 116, установленному на линии подачи пара в пароконтактный нагреватель VIII. Изменением количества подаваемого в нагреватель пара регулируется температура стерилизации, которая регистрируется термографом 12. Если температура стерилизации ниже заданного значения, то позиционный регулятор температуры 15 получает сигнал от датчика 15а. Сигнал преобразуется в электропневматическом преобразователе 16 и подается к исполнительному механизму возвратного клапана XI. Возвратный клапан срабатывает и направляет поток молока на повторную стерилизацию.

Рис. 6. Схема установки  ВТИС-Ц4:

I- уравнительный бак; II- центробежный насос; III- трехходовой пневмоклапан с мембранным приводом; IV - секция охлаждения; V - секция предварительного нагрева; VI- пароконтактный нагреватель для воды; VII - насос высокого давления; VIII - пароконтактный нагреватель для молока; IX - пластинчатый охладатель; X - вакуум-камера; XI- возвратный клапан; XII - асептический центробежный насос; XIII - вакуум-насос; XIV - насос для откачки конденсата; XV - асептический гомогенизатор; 1 - поплавковый регулятор уровня; 2 - двухходовой пневмоклапан с поршневым приводом; 3 - трехходовой пневмоклапан с поршневым приводом; 4 - запорный клапан; 5 - вентиль; 6 - дренажный клапан- 7 - циклон; 8 -фильтр; 9 - показывающие манометры; 9а - места установки показывающих манометров; 10 - регулятор вакуума; 10а - датчик регулятора; 10б- регулирующий клапан с мембранным приводом; 11 -регулятор температуры стерилизации; 11а - датчик регулятора; 11б - регулирующий клапан с мембранным приводом; 12 - термограф температуры стерилизации; 12а - датчик термографа; 13 -регулятор температуры предварительного подогрева; 13а - датчик регулятора; 13б - регулирующий клапан с мембранным приводом; 14 - термограф разности температур; 14а - датчики термографа; 15 - позиционный регулятор температуры; 15а -датчик регулятора; 16 - электропневматический преобразователь; 17 - переключатель; 18 - переключатели программного устройства; 19 - программное устройство; 20-переключатель звукового сигнала; 21 - электропневматический преобразователь. 

 

Равенство концентраций сухих  веществ в исходном и стерилизованном  молоке система автоматического  регулирования обеспечивает следующим  образом. С помощью регулятора вакуума 10в в вакуум-камере устанавливается  определенная величина вакуума, которой  соответствует определенная температура  кипения молока. Датчик регулятора вакуума установлен перед вакуум-насосом XIII. Сигнал от датчика поступает  в регулятор и в преобразованном  виде к исполнительному механизму  регулирующего клапана 106. Установленная  величина вакуума и температуры  кипения сохраняются благодаря  подсосу воздуха из атмосферы. Между  температурой кипения в вакуум-камере и температурой молока после предварительного подогрева должна сохраняться определенная разница Δt, при которой обеспечивается равенство сухих веществ в  исходном и стерилизованном молоке. Эта разница регистрируется термографом 14, датчики 14а которого установлены  в потоке молока после секции предварительного нагрева и вакуум-камеры. Регулирование  Δt осуществляется путем  регулирования температуры молока перед пароконтактный нагревателем VIII.

На задатчике, который встроен в регулятор 13, устанавливают значение температуры, которую должно иметь молоко перед пароконтактный нагревателем с учетом необходимой величины Δt. От датчика 13а в регулятор поступает сигнал, который сравнивается с установленным значением. В случае несоответствия возникает сигнал рассогласования, поступающий после преобразования к мембранному исполнительному механизму регулирующего клапана 13б. В результате изменяются количество пара, подаваемого в пароконтактный нагреватель VI и, следовательно, температура горячей воды, поступающей в секцию предварительного нагрева. Установка имеет два регулятора уровня 1, один из которых предназначен для регулирования уровня в уравнительном баке I, что обеспечивает стабильность работы центробежного насоса II. Другой установлен после вакуум-камеры. Он обеспечивает стабильность работы центробежного насоса XII. Когда уровень молока перед насосомпонижается, начинается замкнутая циркуляция стерилизованного молока, в результате которой устраняется нежелательный подсос воздуха и газов из вакуум-камеры.

Как и в схеме управления установкой ВТИС, в рассмотренной схеме разность между температурой молока после вакуум- камеры и температурой молока перед пароконтактным нагревателем автоматически не регулируется. Это является ее большим недостатком.

Автоматическая система  снабжена программным устронством 19, обеспечивающим последовательность и продолжительность операций стерилизации установки, стерилизации молока и мойки установки.

В рабочем цикле установки  при интенсивном образовании  осадка на поверхностях теплообменников  и, следовательно, нарушении температурного режима предусматривается промежуточная  мойка установки.

Основные конструктивные изменения установки ВТИС-Ц по сравнению с установкой ВТИС относятся  к пароконтактному нагревателю для молока, конструкция которого описана в следующей главе.

Фирма «Альфа-Лаваль» выпускает установки: ВТИС-Ц4 производительностью 4000 л/ч; ВТИС-Ц8- 8000 л/ч; ВТИС-Ц12 - 12 000 л/ч. Установки расходуют соответственно: пара при Р=600 кПа - 600, 1200, 1800 кг/ч; воды при Р = 300 кПа и t= 10° С - 5000, 9500, 14 000 л/ч; воздуха при Р=600-Ь Н-800 кПа - 3000 л/ч. Установленная мощность (без гомогенизатора): 9,5; 10; 10,2 кВт. Масса: 3940; 6050; 8060 кг соответственно.

Установка ВТИС-Ц4 эксплуатируется  на молочном заводе в г. Киеве.

К типу пароконтактных установок относится также установка «Уперизатор» фирмы APV (Англия).

Сырое молоко из уравнительного бака I (рис. 7) центробежным насосом II подается в трубчатые теплообменники, где  оно нагревается до 78° С. В первой секции предварительного подогрева III молоко нагревается вторичным паром, поступающим из вакуум-камеры, до 60° С. Эта секция является регенеративной. Во вторую секцию предварительного нагрева IV поступает пар из котельной при давлении 300-400 кПа. Насос высокого давления V подает молоко в пароконтактный нагреватель VI типа «пар в молоко», где оно, смешиваясь с паром, нагревается до температуры стерилизации (150° С). При этой температуре молоко выдерживается 2 с в выдерживателе VII.

Из молока в вакуум-камере VIII удаляется вся вода, попавшая в него в виде конденсата в процессе нагревания. При этом температура  его понижается до 80° С. Стерилизованное молоко откачивается из вакуум-камеры асептическим насосом IX и гомогенизируется в асептическом гомогенизаторе X при давлении 3*10⁴-3,5*10⁴ кПа. Окончательно (до 15° С) молоко охлаждается в асептическом охладителе трубчатого типа XI. Затем молоко направляют в асептический резервуар и на фасовку, производящуюся в асептических условиях.

Вакуум в камере устанавливают  и поддерживают с помощью конденсатора смешения XIII и вакуум-насоса XIV. Смесь  охлаждающей воды и конденсата откачивается насосом XV.

Температуру стерилизации регулируют электронно-пневматическим регулятором 7, в который поступает сигнал от датчика 7а (термометр сопротивления), установленного после выхода молока из пароконтактного нагревателя.

:

I- уравнительный бак; II- центробежный насос; III- первая секция предварительного нагрева; IV- вторая секция предварительного нагрева; V -насос высокого давления: VI - пароконтактный нагреватель типа «пар в молоко»; VII - выдерживатель; VIII - вакуум-камера; IX - асептический насос; X - асептический гомогенизатор; XI - асептический охладитель; XII - возвратный клапан; XIII - конденсатор смешения;

XIV - вакуум-насос; XV - насос  для откачки смеси воды и  конденсата; 1 - поплавковый регулятор  уровня; 2 - вентили с ручным приводом; 3 - регулятор давления пара; 4 - показывающие  манометры; 4а - места установки  показывающих манометров; 5 - манометрические  термометры; 5а датчики манометрических  термометров; 6 - регулятор соотношения; 6а, 6б - датчики регулятора; 6в - задатчик; 6г - регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 7 -регулятор температуры стерилизации; 7а - датчик регулятора; 7б - задатчик; 7в - регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 7г - мембранный привод возвратного клапана; 8 - регулятор уровня; 8а - датчик регулятора; 8б - задатчик; 8в - регулирующий клапан; 9 - программное устройство; 10 - реле времени; ЛС - сигнальная лампочка.