OPTIMIZACUA TOPLINSKIH PARAMETARA I KONSTRUKTIVNIH SVOJSTAVA POSTROJENJA ZA STERILIZACIJU MLIJEKA

Transcription

1 OPTIMIZACUA TOPLINSKIH PARAMETARA I KONSTRUKTIVNIH SVOJSTAVA POSTROJENJA ZA STERILIZACIJU MLIJEKA Opis postupka (Nastavak) Svetozar STANIŠlC Tehnološki fakultet, Zagreb U Laboratoriju za tehnološke operacije u suradnji s Laboratorijem za tehnologiju mlijeka i mlječnih proizvoda razrađen je postupak i projektirano postrojenje za visokotemperaturnu sterilizaciju mlijeka učinka 3600 Ih"^ Pri projektiranju je ovog postrojenja vođeno računa o mogućnosti proizvodnje postrojenja iz aparata koje proizvode naše tvornice za proizvodnju aparata za prehram.benu industriju. Supara - '-\h I ^ SI. 1 Shema postrojenja za visokotemperaturnu sterilizaciju mlijeka Glavni su aparati ovog postrojenja pločasti izmjenjivač topline (4) za predgrijavanje mlijeka i hlađenje mlijeka nakon samoisparivanja, autoklav (8) za sterilizaciju mlijeka raspršavanjem mlijeka u atmosferi pare, vakuumisparivač (9) za samouparavanje mlijeka, homogenizator (6) za homogenizaciju mlijeka i barometarski kondenzator (11) za održavanje potlaka u vakuumisparivaču (9). Svježe se mlijeko iz prihvatne posude (1) preko balansne posude (2) pumpom (3) protis/kuje kroz pločasti izmjenjivač topline (4), pri čemu se pregrijava. Ogrijevni medij je pločastog izmjenjivača topline (4) sterilno mlijeko iz vakuumisparivača (9) koje se prolazom kroz pločasti izmjenjivač topline (4) hladi. Temperatura se mlijeka na izlazu iz pločastog izmjenjivača topline kontrolira temperaturnim osjetilom (5), koje preko trokrake slavine dovoljno predgrijano mlijeko upušta u homogenizator (6), a nedovoljno predgrijano mlijeko vraća u balansnu posudu (2). Iz pločastog izmjenjivača topline (4) mlijeko se preko homogenizatora (6) doprema u autoklav (8 tzv. komoru za sterilizaciju) gdje se u struji pare pomoću rotacionog raspršivača rasprsuje u sitne kapljice. Dotok se mlijeka i 101

2 pare u autoklav (8) regulira temperaturnim osjetilom (7). Iz autoklava se sterilno mlijeko uvodi u vakuumisparivač (9 tzv. ekspanzionu posudu), gdje se hladi. Supara se iz vakuumisparivača (9) odvodi u barometarski kondenzator (11) gdje se kondenzira vodom a nekondenzirajući se plinovi vakuum pumpom (12) odsisavaju iz barometarskog kondenzatora (11) i ispuštaju u atmosferu. Iz vakuumisparivača (9) se mlijeko pumpom (10) protiskuje kroz pločasti izmjenjivač topline (4) gdje se hladi. Rezultati i diskusija rezultata U tabeli br. 1 navedene su značajke pločastog izmjenjivača topline (4), a u tabeli br. 2 fizički parametri mlijeka u pločastom izmjenjivaču topline. U tabeli br. 3 naveden je postupak pri proračunu pločastog izmjenjivača topline, upotrebljene jednadžbe te rezultati dobiveni proračunom. U pločastom se izmjenjivaču topline hladno mlijeko grije od temperature 5" C na temperaturu 72" C, toplinom toplijeg mlijeka koje se pri tome hladi od temperature 80" C na temperaturu 13,2" C. Tabela br. 1 Značajke pločastog izmjenjivača topline Naziv veličine Oznaka Vrijednost Debljina ploče 6 0,002 m Razmak između ploča X 0,003 m Širina ploče y 0,27 m Visina ploče z 0,74 m Koeficijent toplinske vodljivosti ploče 1 14,55 Wm-iK-i Maseni protok mlijeka m 1 kg s-i Pretpostavljeni koeficijent prolaza topline kp 2500 Wm-^-i Pretpostavljeni pad tlaka P Nm-2 Koeficijent trenja V 0,5 Tabela br. 2 Naziv Fizikalni parametri mlijeka u pločastom izmjenjivaču topline Oznake za mlijeko koje se Vrijednosti za mlijeko koje se grije hladi grije hladi Ulazna temperatura tlu t'u 5»C 80" C Izlazna temperatura tii toi 72" C 13,2" C Specifična toplina Cl C2 3954,2 Jkg-»K-i 3966,0 Jkg-iR 1 Gustoća ,6 kgm-» 1017,6 kgm-3 Koeficijent toplinske vodljivosti >^i l2 0,510 Wm"iK 1 0,516 Wm-'K-i Dinamički viskozitet tii Mž 1,1 10-=5 Nsm-- 9,146 10"^ Nsm - Pretpostavljena srednja razlika temperatura P,~ 'D 8' 'C 102

3 Tabela br. 3 Pločasti izmjenjivač topline (IT) Naziv Toplinsko opterećenje na strani mlijeka koje se: Jednadžba na strani mlijeka koje se Q = mici (tii tlu) Q = macs (t2u t2i) Vrijednost W W Razlika temperatura koje se: mlijeka Att = tii tlu Q Ato = - ^ m-žca 670 C 66,7" C Temperatura na izlazu iz IT mlijeka koje se: Atii ti tlu At2i = t2u t2 72» C 13,1^^0 Temperaturni kriterij koje se: mlijeka % = tii tlu 8,375«C tsu t2i 8,35"C Orijentaciona brzina mlijeka koje se: Broj kanala u sloju koje se: strujanja mlijeka ni = n2 = / kp App \ /» woi = 2 1 \ >^' Cl 9i«\i)i / / kpappz \ Wo2 = 2 -^ \ A C2 02 tl'2 / mi xy woi 91 m2 Xy Wo2 Q2 0,3868 0, m s m Brzina strujanja mlijeka koje se: Wi W2 mi 0,403 Qi xy ni s m2 m 92 xy n2 0,404 s Ekvivalentni promjer kanala između ploha 2xy do = X + y 0, m 103

4 Nastavak tabele br. 3: Naziv Jednadžba na strani mlijeka koje se Vrijednost Re-broj mlijeka koje se: Rei = Wi de Qi 2221 Re2 = Pr-broj mlijeka koje se: Pri = Pr2 = W2 de P2 M-2 Hl Cl li Ll2 C ,529 7,028 Koeficijent prenosa topline na strani mlijeka koje se: Koeficijent prolaza topline: k = ai = 0,2536 Re/'^s PnO-" de l2 a2 = 0,2536 Re2<''«5 Pra*"* de ai Ai a-z Ulazna razlika temperature Atu t2i tlu 8,2» C Izlazna razlika temperature Ati t2u tii 8»C Srednja razlika temperature Potrebna površina izmjene topline Ats In kats tu ti ti 8,1» C W m^k W m^l^ W m^k 12,776 m2 Površina jedne ploče Ai = yz 0,1998 m2 Potrebni broj ploča A n = Ai 63, Duljina kanala na strani mlijeka koje se: Vrijeme a) grijanja mlijeka b) hlađenja mlijeka li = n-i zn n2 Gi=- Wi 02 W2 15,787 m 13,299 m 39,15 s 39,15 s 104

5 Tabela br. 4 Značajke autoklava i fizički parametri mlijeka i pare u autoklavu Naziv Oznaka Vrijednost Maseni protok mlijeka m 1 kgs-i Entalpija ogrijevne pare i" Jkg-i Entalpija kondenzata i' Jkg-i Specifična toplina mlijeka c» 4001,5 Jkgi Temperatura mlijeka na ulazu u autoklav tau 78^0 Temperatura mlijeka na izlazu iz autoklava t3i 142» C Tlak ogrijevne pare u autoklavu P ,2 Nm-' Temperatura kondenzata iz ogrijevne pare t 142» C Broj okretaja diska ns 3 s-i Gustoća ogrijevne pare 9P 2,073 kgm-3 Visina autoklava Zl 2 m Brzina strujanja pare u autoklavu w 0,12 ms"^ Gustoća mlijeka u raspršivaču ,3 kgrn^ Površinska napetost mlijeka a 0,04 Jm-2 Promjer diska raspršivača do 0,05 m Specifična toplina kapljice sa slojem kondenzata Cs 4002,5 Jkg-iR-i Gustoća kapljica i kondenzata kgm^ Tabela br. 5 Autoklav i raspršivač u autoklavu Naziv Jednadžbe Vrijednost Toplinsko opterećenje Qa = mc3 (t3i tsu) W Maseni protok pare ogrijevne Qa i" i' 0, kgm-i Promjer kapljice mlijeka Masa kapljice mlijeka 1 / 0 \»- dk = 32 - n \ do 0 / mn/ = 4 (Om5 dk)^ JtQa 3 0,00468 m 0, kg 105

6 Nastavak tabele br. 5: Naziv Jednadžbe Vrijednost Masa pare koja se ukapljuje m,)' = mm' Cs (tai tsu) i" + Cst 0, kg Masa kapljice nakon dostizanj a temperature 142» C dks = \ 4rt Q4 / 0,0024 m Promjer autoklava da = / 4mp \«'S \ nw Q / 0,3 m Značajke isparivaca i raspršivača u isparivacu i fizički parametri mlijeka i pare u isparivacu Tabela br. 6 Naziv veličine Oznaka Vrijednost Koeficijent brzine ß 0,6 Tlak u isparivacu Pi 74356,31 Nm-2 Gustoća mlijeka u raspršivaču kgm'» Koeficijent suženja mlaza qp 0,78 Promjer rupice raspršivača dr 0,002 m Obračunski promjer rupice do 0,001 m Maseni protok supare nis 0, ms-i Gustoća supare Os 0,2434 kgm-3 Brzina strujanja supare Ws 2,5 ms'i Tabela br. 7 Isparivac i raspršivač isparivaca Naziv Jednadžba Vrijednost Maseni protok sterilnog mlijeka mst = m + mp 1, kgs-i Pad tlaka u raspršivaču Apr = p pi ,9 Nm-2 Brzina isticanja mlijeka iz raspršivača ^/ 2 A P2 \ 0>5 15,24 ms-i 106

7 Nastavak tabele br. 7: Naziv Jednadžba Vrijednost Volumni protok mlijeka kroz jednu rupicu Potreban broj rupica za raspršavanje mlijeka dr^jt V ep Wg 4 mst na- Q4 V 0, m^s-i 32 Promjer isparivača j / 4ms \o,5 \ JTWsQs / 0,4 m Značajke barometarskog kondenzatora, supare i vode u barometarskom kondenzatoru Tabela br. 8 Naziv Oznaka Vrijednost Specifični volumen supare V 3,679 m^kg-i Obračunska brzina supare Wos 10 ms'i Toplina ukapljivanja supare rs Jkg» Specifična toplina kondenzata supare Csk 4.207,5 Jkgi Temperatura supare u barometarskom kondenzatoru tsk 78» C Temperatura kondenzata na izlazu iz barometarskog kondenzatora tk 750 c Specifična toplina vode Cvv 4.180,1 Jkg-i Temperatura vode na ulazu u barometarski kondenzator t\v 16» C Gustoća vode 0W 990 kgm-3 Promjer otvora u podu dp 0,003 Koeficijent protoka cpi 0,62 Razmak između podova Zp 0,4 m Broj podova na 8 Brzina strujanja kondenzata u barometarskoj cijevi Wb 0,2 ms Visina vode na podu z Gustoća vode u barometarskoj cijevi cpb 972 kgm3 107

8 Nastavak tabele br. 8: Naziv Oznaka Vrijednost Viskozitet vode u barometarskoj cijevi Pb 0, Nsm-2 Tlak u barometarskom kondenzatoru l-ib 43649,4 Nm-2 Koeficijent mjesnog otpora na ulazu u barometarsku cijev ^1 0,5 Koeficijent mjesnog otpora na izlazu iz barometarskft cijevi t2 1 Tabela br. 9 Barometarsk' kondenzator Naziv Jednadžba Vrijednost Promjer barometarskog kondenzatora dk / 6 Vsm«\ 0,5 = 0,30 m Površina poprečnog presjeka barometarskog kondenzatora Ak = : 0,25 dk- 0,0661 Širina podova barometarskog kondenzatora Yi = 0,5 dk + 0,005 0,250 m Volumni protok vode u ikondenzatoru Vw = msrs + ms c,k iuk tk) OwCw (tg t;v) 0,0013 m^s"! Protok kroz otvor u podu Vo = (pi 0,25 do (2 gz2)0,3 0, mvi Broj otvora u podu n = 2Vo 342 Korisna visina kondenzatora Zk = nizp Protok vode kroz barometarsku cijev Vc = Ww + ms Ow 3,2 m 0, m^"» Unutarnji promjer barometarske cijevi db / AV^. \o,5 = 0,09 m Reynoldsov broj vode u barometarskoj cijevi Re = WbdbOb Ub

9 Nastavak tabele br. 9: Naziv Jednadžba Koeficijent trenja vode u barometarskoj cijevi r = 0,14 + 1,056 Re»'*2 0,1516 Visina stupca vode u barometarskoj cijevi Potrebna visina barometarske cijevi Zb = 10,33 Pb Po 2g \ db + U + ^ + Zw + 0,5) 4,45 m 5,05 Vrijeme grijanja odnosno hlađenja mlijeka u pločastom izmjenjivaču topline je relativno kratko i iznosi 39,1 s. Srednja logaritamska razlika temperatura u pločastom izmjenjivaču topline od 8" C omogućuje da se mlijeko u potpunosti predgrije toplinom steriliziranog mlijeka koje se hladi, tj. regeneracije topline u pločastom izmjenjivaču topline iznosi loo'^/o. Duljina kanala između ploča od 15,787 m dovoljna je da se mlijeko ugrije od 5" C na 72^^6, što znači da je tlak u pločastom izmjenjivaču topline relativno mali i da nema poteškoća s brtvljenjem ploča. Temperatura se mlijeka na izlazu iz pločastog izmjenjivača topline kontrolira temperaturnim osjetilom. Predgrijano se mlijeko prije sterilizacije homogenizira, pri čemu mu se temperatura povećava za 6 10" C. / Homogenizacijom se mlijeka prije sterilizacije izbjegava- Sl. 2 to-dijagram sterilizacije mlijeka ju česte kontaminacije mlijeka pri homogenizaciji. Autoklav je izveden kao valjkasta posuda promjera 0,3 m i visine 2 m. Mlijeko se u autoklav raspršava pomoću rotirajučeg raspršivača u struji pare. Promjer kapljice mlijeka dobivenih raspršivanjem iznosi cea 5 m mm čime se temperatura mlijeka za dijelić sekunde poveća od 78" C na 142" C. Pri povećanju se temperature na površini kapljice kondenzira para a toplinom se kondenzacije povećava temperatura kapljice. Visina autoklava od 2 m dovoljna je da se temperatura kapljice pri padanju poveća od 78" C na 142" C. Raspršivač je izveden tako da je u autoklav moguće uvoditi predgrijano mlijeko 109

10 samo ako je tlak para dovoljno velik. Temperatura se mlijeka na izlazu iz autoklava kontrolira temperaturnim osjetilom (13). Iz autoklava (8) sterilizirano se mlijeko uvodi u isparivač (9) pri čemu se raspršava u sitne kapljice. U isparivaču (9) se pomoću barometarskog kondenzatora (11) održava tlak od 74356,31 Nm"^. Zbog nastale razlike tlaka mlijeko se samouparava na račun topline pregrijavanja pri čemu se hladi od 142" C na 80" C i postiže postotak suhe tvari sirovog mlijeka. Osim viška vode samouparavanjem se mlijeko oslobađa stranih mirisa koji se sastoje od lako hlapivih tvari. Zahvaljujući raspršavanju u sitne kapljice difuzija tih tvari prema površini kapljice i isparavanju s površine kapljice traje vrlo kratko vrijeme. Isparivač (9) je kao i autoklav (8) valjkastog oblika, visine 2 m i promjera 0,4 m. Iz isparivača (9) se mlijeko pumpom (10) protiskuje kroz pločasti izmjenjivač topline (4), gdje se hladi na 13,2" C a zatim se odvodi u prihvatni spremnik odakle se odvodi u postrojenje za pakovanje. Barometarski kondenzator ima 8 podova između kojih je razmak 0,4 m tako da je ukupna visina barometarskog kondenzatora 3,6 m. Promjer je barometarskog kondenzatora 0,3 m. Utrošak vode u barometarskom kondenzatoru iznosi 1,3 kg vode po kg mlijeka. Temperatura je vode na izlazu iz barometarskog kondenzatora 75" C. Za,klj učci Predgrijavanje mlijeka i hlađenje steriliziranog mlijeka u pločastom izmjenjivaču topline om'ogućuje kratku toplinsku obradu, mali pad tlaka i 100"/o regeneraciju topline. Sterilizacijom se mlijeka u autoklavu u struji pare temperatura mlijeka povećava od 78"C do 142 C za dijelić sekunde, može se lagano regulirati vrijeme zadržavanja na toj temperaturi čime se otklanja mogućnost zagorijevanja mlijeka. Hlađenjem se mlijeka samoisparavanjem u isparivaču smanjuje temperatura od 142" C na 80" C za dijelić sekunde pri čemu se uklanjaju strani mirisi do te mjere da se dobije mlijeko prirodnog okusa. Održavanje potlaka u isparivaču pomoću barometarskog kondenzatora omogućuje mali utrošak vode, mogućnost iskorištenja topline kondenzata iz barometarskog kondenzatora za predgrijavanje nekog drugog medija van ovog postrojenja. Obzirom na jednostavnost rješenja cijena koštanja postrojenja i pogonski troškovi pri radu postrojenja su mali. Literatura 1. Clark J. G., Milk processing: on up-to-date survey. Dairy Inds., 1963, 28. No. 1, 40 46; 1963/1, str Farrall A. W., Heating systems for high temperature treatment of milk, Proc. 13th Annual National Diary Engng. Conf., East Lansing, Mich., 1965, S. 1, s.a., 19 26; 1966/1, str. 357, 1967/11, str