CC BY
1
УДК 637.233.63 DOI 10.52231/2225-4269_2023_1_124
Индукционное устройство для пастеризации молока
Ким Константин Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и теплоэнергетика»
e-mail: kimkk@inbox.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»
Карпова Ирина Михайловна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и теплоэнергетика»
e-mail: legiero@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»
Ключевые слова: молоко, пастеризация, индукционный нагрев, температура, перемешивание, лопасть, асинхронный двигатель.
Аннотация. Предлагается для пастеризации молока использовать индукционный метод нагрева с помощью асинхронного электрического двигателя с модифицированным ротором. Внутренние лопасти ротора осуществляют перемешивание и нагрев молока. Моделирование процесса нагрева осуществлялось путем решения трех взаимосвязанных задач - электромагнитной, тепловой и гидродинамической - численными методами. Доказана возможность использования нагревателя-сме-шивателя на основе стандартного асинхронного двигателя 4A160S4y3 как в режиме выдерживателя, так и в проточном режиме. Рассмотренное устройство рекомендовано для создания серийного производства после детальной проработки отдельных элементов конструкции.
Введение
Пастеризация молока является одной из самых важных и обязательных технологических операций в производстве питьевого молока и молочных продуктов.
Особенностью процесса пастеризации является жесткое требование поддержания равномерной температуры 65-90°С всего объема
молока в течение определенного промежутка времени, зависящего от уровня температуры.
Выбор температурно-временных комбинаций режима пастеризации зависит от вида вырабатываемого продукта и применяемого оборудования, обеспечивающего требуемый бактерицидный эффект (не менее 99,98%), и должен быть направлен на максимальное сохранение первоначальных свойств молока, его пищевой и биологической ценности [1-4].
В данной работе рассматривается пастеризация с помощью индукционного нагрева внутренних деталей пастеризационного устройства с последующим передачей теплоты молоку. Однако этот способ пастеризации характеризуется неравномерным нагревом всего объема молока, что приводит к снижению качества получаемого продукта [5, 6].
Предполагается, что в составе пастеризатора используется асинхронный трехфазный электрический двигатель с модифицированным ротором. Ротор является источником тепловыделений и одновременно выполняет функцию перемешивания молока [7].
Постановка задачи и методы исследования
Исследуемое устройство индукционного нагрева - сложная структура, основными элементами которой являются трехфазный индуктор, создающий вращающееся магнитное поле, полый вращающийся металлический ротор, который за счет действия в нем вихревых токов становится источником тепловыделения, и движущееся нагреваемое молоко. В результате для моделирования процесса нагрева требуется решение трех взаимосвязанных задач - электромагнитной, тепловой и гидродинамической [8, 9].
Сложность решения такой задачи обусловлена неоднородной составной структурой системы «индуктор - металлический ротор - молоко», каждый из элементов которой обладает своими особенностями. Материал статора индуктора характеризуется нелинейными магнитными свойствами. При этом потерями на гистерезис, вследствие их малости по сравнению с потерями от вихревых токов, можно пренебречь. Вращение металлического ротора оказывает влияние на магнитное состояние индуктора. Движение молока определяется как вращением ротора, так и идущим от него тепловым потоком. Все эти процессы еще более усложняются при учете температурных зависимостей теплофи-зических свойств материалов и сред, применяемых в конструкции.
Так как в рассматриваемом процессе температурный режим находится в пределах 20-200°С, можно пренебречь зависимостью магнитной проницаемости от температуры, но необходимо учесть температурную зависимость остальных характеристик материалов.
Электромагнитная задача описывается системой уравнений Максвелла, которая может быть сведена к уравнению Пуассона, записанному относительно векторного магнитного потенциала.
Уравнение Пуассона при анализе кусочно-однородной структуры с линейными свойствами должно быть дополнено соответствующими граничными условиями.
Тепловая задача заключается в построении полей температур в твердых элементах устройства (статоре и роторе). Для этого используется классическое уравнение теплопроводности, а при анализе процессов теплопередачи в движущемся молоке - уравнения конвективного теплообмена и уравнение Навье - Стокса [10].
Уравнение теплопроводности дополняется граничными условиями, характеризующими различные виды теплообмена с окружающей средой. Теплообмен излучением не учитывается из-за невысоких температур в исследуемом устройстве. Учет движения молока усложняет уравнение теплообмена из-за появления конвективных составляющих переноса теплоты. Расчет сводится к решению пяти дифференциальных уравнений конвективного теплообмена в частных производных: дифференциального уравнения переноса энергии в текучей среде (уравнение Фурье - Кирхгофа); дифференциального уравнения переноса импульса в текучей среде (уравнение Навье - Стокса) для трех составляющих вектора скорости; дифференциального уравнения неразрывности среды. Эти уравнения дополняются уравнением состояния, учитывающим зависимость плотности жидкой среды от давления и температуры. В результате расчета определяются поле температур, поле скоростей и поле давления.
Решение перечисленных дифференциальных уравнений также требует введения граничных условий, определяющих вид взаимодействия потока молока с твердыми стенками, условий на входе/выходе потока из расчетной зоны или условий на открытой (невозмущенной) границе.
Система из перечисленных уравнений весьма сложна для решения. Учет нелинейного характера температурных зависимостей физических свойств материалов также не упрощает расчет. Отмеченное приводит к необходимости использовать численные методы. В этом случае появляется возможность постановки и решения задачи оптимизации как конструкции сложной системы, так и рабочего режима устройства.
Описание конструкции устройства
Конструкция индукционного нагревательного и перемешивающего устройства иллюстрируется рисунком 1, где 1 - статор; 2 - пазы статора с трехфазной обмоткой; 3 - лопасти крыльчатки ротора; 4 - полый цилиндрический ротор [11].
з / / 2/ 1
Рисунок 1 — Схема устройства
Габаритные размеры нагревателя-миксера определялись внутренним диаметром статора стандартного асинхронного двигателя. Задаваясь мощностью двигателя, равной 5,5-7,5кВт, был выбран двигатель 4А160S4У3, параметры которого представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные параметры статора двигателя
Параметр Значение
Внутренний диаметр статора, мм 200
Внешний диаметр статора, мм 270
Диаметр вала, мм 32
Количество зубцов (пазов) статора, шт. 48
Высота ярма статора, мм 15
Длина статора, мм 400
Материал статора Сталь 2013
Номинальное фазное напряжение статора, В 220
Частота питающей сети, Гц 50
Класс нагревостойкости изоляции обмотки В
Синхронная частота вращения ротора, об/мин 750
Статор плотно охватывает трубу, изготовленную из пищевого полипропилена. Толщина пластиковой трубы равна 5 мм.
При использовании нагревателя в режиме выдерживателя, вместо трубы используется полипропиленовый бак той же толщины 5 мм.
Между трубой (баком) и ротором есть зазор величиной 2 мм._
Толщина стенки ротора равна 10 мм.
В качестве материала для ротора в работе были проанализированы различные проводящие материалы (алюминий, сплав алюминия, нержавеющая сталь).
Моделирование гидродинамических процессов
Стационарная задача передачи теплоты решалась в рамках осе-симметричной постановки [11]. Модель с одной крыльчаткой представ-
Расчетная область справа ограничена стенкой бака радиусом Р1Б; слева - поверхностью вала радиусом Я0. Высота модели равна высоте бака 2Н, которая больше, чем длина ротора L. Высота лопасти равна dЛ. При анализе гидродинамических процессов были рассмотрены варианты с одной, тремя и четырьмя крыльчатками [12, 13].
Задачи теплопередачи решалась во всей расчетной области. При этом область ротора рассматривалась как источник тепловыделения с удельной мощностью ц (Вт/м3). Для всех материалов задавались коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность.
Были установлены следующие граничные условия: 1) на поверхности вала и бака - условие теплоизоляции; 2) при работе нагревателя в режиме выдерживателя на верхней и нижней крышках бака - условие конвективного теплообмена с окружающей средой; 3) при работе нагревателя в проточном режиме на верхней границе - условие входного потока с заданной температурой, на нижней границе - условие выхода потока.
Область, занятая молоком, выделена в отдельный блок (на рис. 2 она отмечена белым цветом). Здесь для учета переноса теплоты посредством конвекции дополнительно решалась задача гидродинамиче-
ского течения. Теплофизические свойства молока были дополнены коэффициентом динамической вязкости и показателем адиабаты.
Движение молока рассматривалось как ламинарное. Это было допустимо в связи с малыми угловыми скоростями вращения ш подвижных частей.
Граничные условия задавились следующие: 1) граница А (см. рис. 2) - условие вращающейся границы; 2) граница В - неподвижная граница без прилипания; 3) в режиме выдерживателя границы С и й - неподвижные границы без прилипания; 4) в проточном режиме на границе С - условие входного потока заданной скорости, на границе й - условие выхода потока.
Моделирование электротермических процессов
Рассматривалась плоскопараллельная задача. Предполагалось, что геометрия расчетных областей, свойства сред и параметры, характеризующие источники поля, постоянны в направлении оси z, а плоскость построения модели является плоскостью xy.
Так как электромагнитные процессы по сравнению с тепловыми можно считать практически безынерционными, решение электромагнитной и тепловой задач выполнялось раздельно. Расчетная модель дана на рисунке 3. Здесь 1 - статор с 48 пазами, 2 - паз с обмоткой, 3 -полый ротор, 4 - бак (труба) из пищевого полипропилена, 5 - лопасть, 6 - вал [14].
Исследовалось магнитное поле переменных токов. Поэтому дифференциальное уравнение в частных производных записывалось для комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала. Вектор магнитной индукции содержит только х- и /-компоненты, а векторный магнитный потенциал - только z-компоненту.
Обмотка представлялась одним витком, расположенным в пазу, в котором задавалось значение плотности тока с учетом фазы. Проводимость материала проводов не учитывалась.
По внешней поверхности статора было задано условие равенства нулю z-компоненты векторного магнитного потенциала.
Рисунок 3 — Геометрическая модель нагревателя-смесителя
(поперечное сечение).
Ток в трехфазной обмотке является источником удельной тепловой мощности, которая может быть рассчитана при известных значениях плотности тока и проводимости материала. Все пазы находятся в одинаковых тепловых условиях.
Шихтованный статор представляет собой гетерогенное тело, так как листы электротехнической стали разделены слоями изоляции. Поэтому аксиальным теплоотводом можно пренебречь, а в радиальном направлении считать, что коэффициент теплопроводности пакета вдоль листов равен коэффициенту теплопроводности стали.
Теплопроводности электрической обмотки вдоль и поперек проводов существенно различаются. Для тепловых потоков, идущих поперек проводов, значение коэффициента теплопроводности было принято, равным 0,925 Вт/(К-м) [15].
В дальнейшем исследовались обмотка статора и прилегающие к ней области (см. рис. 3). Благодаря симметрии тепловых процессов рассматривался сектор, на границах которого ставилось условие симметрии (нулевой тепловой поток). На внешней поверхности статора использовалось условие конвекции (теплоотдача в окружающую среду). На внутренней поверхности трубы предполагалось постоянство температуры, определяемой температурой нагреваемого молока.
Определение оптимальных конструкционных и термических параметров устройства пастеризации молока
Определялись скорость вращения ротора и мощность тепловыделения в нем, обеспечивающие требуемый режим нагрева молока. За-
тем корректировалась конструкция асинхронного двигателя - основы устройства, определялось количество крыльчаток, необходимое для равномерного нагрева всего объема молока [14, 15].
Так как пастеризация молока связана не только с нагревом молока при проточном режиме, но и с выдержкой молока определенное время при температуре 70-85°С, исследовались оба режима.
Режим выдерживателя
На рисунке 4 а, б приведены результаты расчета теплового поля и поля скоростей при ш =0,08 рад/с, q=104 Вт/м3 высоте бака 40 см, длине статора 36 см. Симметрия распределения температур обусловлена симметрией конструкции. Для упрощения расчета лопастная конструкция крыльчатки имитировалась диском с двумя отверстиями посередине. Правомерность такой замены была подтверждена сравнением расчетных данных по распределениям температур и скоростей для турбины Раштона и диска с отверстием. Максимальное расхождение не превысило 10%.
Затем определялось оптимальное количество крыльчаток при их разном расположении на валу.
а)
б)
-50
тт
Рисунок 4 — а) распределение температур (в °С) по объему нагревателя; б) поле скоростей (х 10-2м/с)
На рисунке 5 приведены поля температур и поля скоростей для системы из трех крыльчаток при их различном расположении на валу.
Рисунок 5 — а) распределение температур (в °С) по объему нагревателя; б) поле скоростей (х 10-3м/с) при разном расположении крыльчаток
Видно, что предпочтительным является расположение верхней и нижней крыльчаток на концах вала. Тогда конвективная составляющая теплообмена затрагивает бо'льший объем нагреваемого молока при равных прочих условиях.
Далее была проанализирована модель с симметричным расположением четырех крыльчаток. Результаты расчетов, полученные для угловой скорости вращения 1,1 рад/с для трех- и четырехлопастной моделей, показали, что при использовании четырех лопастей максимальные температуры занимают большую область молока. Однако средняя по объему нагреваемого молока температура для случая трехлопастной конструкции составляет 68,6°С, а для четырехлопастной - 69,7°С. Поэтому использование четвертой лопасти для данного конкретного устройства следует считать неэффективным, и дальнейшие исследования были проведены для нагревательной системы с тремя лопастями.
Влияние угловой скорости вращения на минимальную и максимальную температуры объема нагреваемого молока показано на рисунке 6. Видно, что по достижении определенной скорости вращения максимальная и минимальная температуры выравниваются и сближаются друг с другом (уже при скорости ш =6 рад/с разность между эти-
ми температурами составит примерно 5°С). Оценочное значение такой скорости составляет около 50 рад/с. Однако характер течения становится турбулентным, что не позволяет провести расчеты по описанной выше модели.
73 72
71 70
63 68 67 66 65
64 63 62 61 60
0 1 2345 678 9 10 11
Рисунок 6 — Зависимости максимальной и минимальной температур молока от угловой скорости вращения
Большое значение для достижения требуемого температурного режима имеет удельная мощность тепловыделения в роторе. Предыдущие результаты были получены для случая q=10000 Вт/м3, при этом расчетные температуры соответствовали необходимым условиям работы устройства. В связи с этим возникла необходимость оценить диапазон значений мощности тепловыделений, не приводящих к значительному изменению результата. Такое исследование было проведено для конструкции с тремя лопастями. На рисунке 7 приведены зависимости средней температуры нагреваемого объема молока от удельной мощности тепловыделения для двух значений угловой скорости вращения. Этот рисунок позволяет провести выбор удельной мощности тепловыделения в соответствии с угловой скоростью вращения.
т оС
■ И 'Тшак
■Ттт
»___
►*—
« Р ад.'с
но 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
- ?
<с
к
»-0,078 р
ад/е
—А—1,14 рад/с
Вт
4000 6000 8000 10000 12000 14000 15000 18000
Рисунок 7 — Зависимости средней температуры объема молока от удельной мощности тепловыделения
Проточный режим предварительного нагрева
При исследовании этого режима изменялись граничные условия на верхней и нижней границе расчетной области (см. рис. 2) в задачах теплопередачи и гидродинамики. В стационарном режиме интерес представляет увеличение температуры по сравнению с температурой на входе и равномерность ее распределения по потоку. Влияют на это скорость вращения ротора и скорость потока на входе. Воздействие двух скоростных фактов даже при небольшом изменении скорости потока приводит к переходу течения молока в турбулентный режим. Удельная мощность тепловыделения в роторе принята равной 10000 Вт/м3, входная температура потока 30°С.
О характере процессов в проточном нагревателе можно судить по данным рисунка 8, на котором приведены характерные зависимости поля температур для разных входных скоростей потока. Угловая скорость вращения принята 0,314 рад/с. Видно, что при увеличении входной скорости потока уменьшается нагретая область и увеличивается неравномерность температур на выходе.
0,5-10-4 м/с; б) при входной скорости потока 0,2-10-3 м/с; в) при входной скорости потока 0,5-10-3 м/с
На рисунке 9 приведены зависимости приращения средней температуры молока на выходе из нагревателя от входной скорости потока V. Зависимости носят гиперболический характер. Следует отметить отсутствие влияния угловой скорости вращения, что связано с малым диапазоном изменения этого параметра, в котором течение еще можно считать ламинарным.
дтус
=в-1),078 рад/с
А 0,314 рад/с
*
—*-
-6.51Е-1 1Е-С4 0,0002 0,0001 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0005 0,0003 0,001
Рисунок 9 — Приращение средней температуры молока на выходе из нагревателя в зависимости от входной скорости потока
Заключение
Доказана возможность использования нагревателя на основе стандартного асинхронного двигателя 4А160S4У3 с полым ротором как в
режиме выдерживателя, так и в проточном режиме.
В режиме выдерживателя рационально использовать три лопастные крыльчатки, причем верхняя и нижняя крыльчатки расположены на концах вала. В проточном режиме для обеспечения равномерного распределения температур в выходном потоке молока рекомендуется использовать малые скорости входного потока.
Показано, что по достижении определенной скорости вращения ротора максимальная и минимальная температуры молока выравниваются и сближаются друг с другом (уже при скорости 411 разность между этими температурами составит примерно 5°С). Оценочное значение такой скорости составляет около 50 рад/с.
Зависимость приращения средней температуры молока на выходе из нагревателя от входной скорости потока носит гиперболический характер, и при входных скоростях, превышающих, примерно, 0,0005 м/с, указанная зависимость не наблюдается
Несмотря на приближенный характер исследований, полученные результаты позволяют сформулировать необходимые требования к параметрам асинхронного двигателя - удельной мощности тепловыделения и скорости вращения ротора.
Учитывая результаты проведенных исследований, рассмотренное устройство индукционного нагрева и перемешивания молока может быть рекомендовано для создания на его основе пастеризатора молока после детальной проработки отдельных элементов конструкции перед запуском в серийное производство.
Литература:
1. Бредихин, С.А. Тепловая обработка молока / С.А. Бредихин, К.А. Рашкин, // Молоко и молочные продукты: производство и реализация. - 2012. - № 5. - С. 40-48.
2. Соловьев, С.В. Сравнительная оценка современных электропастеризаторов молока / С.В. Соловьев, К.А. Лосяков // Приоритетные направления развития АПК и сельских территорий: сб. науч. трудов науч.-практ. конф. 6 декабря 2021. - Великие Луки, 2021. - С. 70-73.
3. Зубенко, Е.В. Применение индукционного нагрева для обеспечения экологичности и безопасности при тепловой обработке пищевых продуктов / Е.В. Зубенко, С.В Шихалев // Экологическая безопасность в техносферном пространстве: сб. науч. трудов V Междунар. науч.-практ. конф. преподавателей, молодых ученых и студентов. 20 мая 2022. - Екатеринбург, 2022. - С. 164-169.
4. Методика исследований элементов теплообменников с использованием индукционного нагрева / А.Р. Лепешкин [и др.] // Промышленная энергетика. - 2020. - № 12. - С. 17-21.
5. Янгиров, И.Ф. Математическая модель новой конструкции ин-
дукционного нагревателя / И.Ф. Янгиров, Р.А. Сафиуллин // Технология машиностроения. - 2020. - № 12. - С. 42-46.
6. Соловьев, С.В. Теоретические предпосылки к обоснованию конструктивных параметров индукционного нагревателя в составе пастеризационной установки молока / С.В. Соловьев, Г.В. Макарова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2014. - № 8. - С. 120-125.
7. Кинев, Е. С. Комбинированное включение обмоток при модернизации индукционного нагревателя / Е.С. Кинев, А.А Тяпин, С.Н. Ефимов // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2020. - № 4. - С. 39-48.
8. Бобровский, С.О. Перспективы применения индукционного нагрева для пастеризации молока / С.О. Бобровский, А.А. Багаев // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сб. науч. трудов Междунар. науч.-практ. конф. - В 2 т. - Т. 2. - Барнаул, 09-10 февраля 2021. - Барнаул, 2020. - С. 6-7.
9. Иванов, С.Н. Теплогенерирующие электромеханические устройства и комплексы: монография / С.Н. Иванов, К.К. Ким, В.М. Кузьмин. - СПб.: ОМ-Пресс, 2009. - 348 с.
10. Prosolovich A.A., Kim K.K., Ivanov S.N., Khismatulin M.I., Prichodchenko O.V. Modeling of Mass Transfer Processes in Special Applications Energy Devices // Lecture Notes in Networks and Systems. Current Problems and Ways of Industry Development: Equipment and Technologies. 2021. Vol 200. P. 438. https://doi.org/10.1007/978-3-030-69421-0_47.
11. Prosolovich A.A., Kim K.K., Ivanov S.N. Algorithmic Bases of Research of Combined Energy Converters by Engineering Analysis Methods // Lecture Notes in Networks and Systems. Current Problems and Ways of Industry Development: Equipment and Technologies 2021. Vol 200. P. 427. https://doi.org/10.1007/978-3-030-69421-0_46.
12. Карпова, И.М., Титков, В.В. Компьютерные технологии в науке и производстве. Расчет физических полей в электроэнергетике: учебное пособие / И. М. Карпова, В. В. Титков. - СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2010. - 212 с.
13. Пат. 203009 Российская Федерация, МПК A23C 3/02, A01J 11/0. Термосмешивающая установка для сквашивания кисломолочных продуктов / К.К. Ким К.К., С.Н. Иванов С.Н., И.М. Карпова; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ПГУПС. - 2020125999; заявл. 30.07.2020; опубл. 18.03.2021. Бюл. № 8.
14. Карпова, И.М., Подклетнова, И.Ю., Саттаров, Р.Р. Оптимизация режима работы установки индукционного нагрева вязкой жидкости / III Бетанкуровский международный инженерный форум: сб. трудов. В 2 т. Т. 1. Санкт-Петербург, 2-3 декабря 2021 года / редколлегия: Т.С.
Титова, А.В. Бенин; отв. за выпуск: О.В. Гимазетдинова, М.С. Панова. -Санкт-Петербург: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. - С. 156-158.
15. Гандшу, В.М. Особенности расчета нагревания электромагнитных устройств с помощью пакета программ ELCUT / В.М. Гандшу. -Режим доступа: https://elcut.ru/publications/gandshout1.pdf
References:
1. Bredikhin S.A., Rashkin K.A. Heat treatment of milk. Moloko i molochnye produkty: proizvodstvo i realizatsiya [Milk and Dairy Products: Their Production and Sale], 2012, no. 5, pp. 40-48. - Text direct. (In Russian).
2. Solov'ev S.V., Losyakov K.A. Comparative evaluation of modern electric pasteurizers of milk. Sbornik nauchnykh trudov nauchno-prakticheskoy konferentsii «Prioritetnye napravleniya razvitiya APK i sel'skikh territoriy» [Proc. of Scient. and Pract. Conf. «Priority ways in agro-industrial complex and rural territory development»]. Velikiye Luki, 2021, pp. 70-73. - Text direct. (In Russian).
3. Zubenko E.V., Shikhalev S.V. Induction heating for ensuring ecological properties and safety under heat treatment of food products. Sbornik nauchnykh trudov pyatoy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii prepodavateley, molodykh uchenykh i studentov «Ekologicheskaya bezopasnost' v tekhnosfernom prostranstve [Proc. of the Fifth Int. Scient. and Pract. Conf. of teachers, young scientists and students "Environmental safety in the technosphere»]. Ekaterinburg, 2022, pp. 164169. - Text direct. (In Russian).
4. Lepeshkin A.R., Kuvaldin A.B., Verbanov I.S., Remizov A.E., Fetisov M.V., Kartavtsev A.S. Methods of researching heat exchanger elements using induction heating. Promyshlennaya energetika [Industrial Power Engineering], 2020, no. 12, pp. 17-21. - Text direct. (In Russian).
5. Yangirov I.F., Safiullin R.A. Mathematical model of a new induction heater design. Tekhnologiya mashinostroeniya [Technology of Mechanical Engineering], 2020, no. 12, pp. 42-46. - Text direct. (In Russian).
6. Solov'ev S.V., Makarova G.V. Theoretical prerequisites for substantiating the design parameters of an induction heater as part of a milk pasteurization unit. Vestnik Altayskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai State Agrarian University], 2014, no.8, pp. 120 - 125. - Text direct. (In Russian).
7. Kinev E. S., Tyapin A.A., Efimov S.N. Combined inclusion of windings in an induction heater modernization. Energobezopasnost' i energosberezhenie [Energy Security and Energy Saving], 2020, no. 4, pp. 39-48. - Text direct. (In Russian).
8. Bobrovsky S.O., Bagaev A.A. Prospects for using induction heating for milk pasteurization. Sbornik nauchnykh trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Agrarnaya nauka - sel'skomu khozyaystvu»
[Proc. of Int. Scient. and Pract. Conf. «Agrarian Science to Agriculture»]. Barnaul, 2021, V. 2, pp. 6-7. - Text direct. (In Russian).
9. Ivanov S.N., Kim K.K., Kuzmin V.M. Teplogeneriruyushchie elektromekhanicheskie ustroystva i kompleksy [Heat-generating electromechanical devices and complexes]. St. Petersburg, LLC «Izdatel'stvo OM-Press» Publ., 2009. 348 p. - Text direct.
10. Prosolovich A.A., Kim K.K., Ivanov S.N., Khismatulin M.I., Prichodchenko O.V. Modeling of Mass Transfer Processes in Special Applications Energy Devices [Lecture Notes in Networks and Systems]. Vol 200. 2021. Current Problems and Ways of Industry Development: Equipment and Technologies, pp. 438-449. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-030-69421-0_47
11. Prosolovich A.A., Kim K.K., Ivanov S.N. Algorithmic Bases of Research of Combined Energy Converters by Engineering Analysis Methods [Lecture Notes in Networks and Systems]. Vol 200. 2021 Current Problems and Ways of Industry Development: Equipment and Technologies, pp. 427437. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-030-69421-0_46
12. Karpova I.M., Titkov V.V. Komp'yuternye tekhnologii v nauke i proizvodstve. Raschet fizicheskikh poley v elektroenergetike [Computer technologies in science and production. Calculation of physical fields in the electric power industry]. St. Petersburg, Polytechnic University Publ., 2010. 212 p. - Text direct.
13. Kim K.K., Ivanov S.N., Karpova I.M. Termosmeshivayushchaya ustanovka dlya skvashivaniya kislomolochnykh produktov [Thermo-mixing plant for fermentation of fermented milk products]. Patent RF, no. 203009, 2021. - Text direct.
14. Karpova I.M., Podkletnova I.Yu., Sattarov R.R. Optimizing the operation mode of the induction heating of a viscous liquid. Sbornik trudov «Tretiy Betankurovskiy mezhdunarodnyy inzhenernyy forum»: [Proc. of the 3rd Betancourt Int. Engineering Forum]. St. Petersburg, 2021, v. 1, pp. 156-158. - Text direct. (In Russian).
15. Gandshu V.M. Osobennosti rascheta nagrevaniya elektromagnitnykh ustroystv s pomoshch'yu paketa programm ELCUT [Considerations in calculating electromagnetic device heating using the ELCUT software package]. Available at: https://elcut.ru/publications/ gandshout1.pdf .
Induction device for milk pasteurization
Kim Konstantin Konstantinovich, Doctor of Science (Technics), Professor, Head of the Electrical Engineering and Heat Power Engineering Chair
e-mail: kimkk@inbox.ru
Federal State Budgetary Educational Institution for Higher Education Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
Karpova Irina Mikhaylovna, Candidate of Science (Technics), Associate Professor, Associate Professor of the Electrical Engineering and Heat Power Engineering Chair
e-mail: legiero@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution for Higher Education Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University9
Keywords: milk, pasteurization, induction heating, temperature, mixing, blade, asynchronous motor.
Abstract. Induction heating that can be obtained by using an asynchronous electric motor with a modified rotor is proposed for milk pasteurization. The internal rotor blades mix and heat the milk. The heating process is modelled by solving three interrelated problems - electromagnetic, thermal and hydrodynamic with numerical methods. The possibility of using a heating mixer based on 4A160S4U3 standard asynchronous motor both in the withstand mode and in the flow mode is proved. The considered device is recommended for mass production after the detailed study of the individual design elements.
