CC BY
11
УДК: 637.133.3
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА
Каунова Л. М.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВО ВГСХА), Великие Луки, Россия
Одним из наиболее важных и перспективных направлений сельскохозяйственного производства является молочное животноводство, так как только оно сможет в сложившихся экономически сложных условиях импортозамещения обеспечить потребности населения в незаменимом продукте питания отечественного производства. При этом самым перспективным направлением, на наш взгляд, является использование пастбищного содержания коров в летний период для условий Северо-запада Российской Федерации. Однако при использовании эффективной технологии стойлово-пастбищного содержания коров в данных экологических условиях особо важным нерешенным вопросом остается получение высококачественного молока, отвечающего современным требованиям к показателям качества продукта. В связи с ухудшением экологической обстановки в целом молоко, получаемое от животных, зачастую является уже бактериально обсемененным. И основная задача при его получении будет заключаться в снижение воздействия вредных микроорганизмов именно в парном молоке. Для теоретического расчета установки термообработки молока с индуктивным нагревателем использовалась конструкция трубчатого нагревателя, которая обеспечивала равномерный и быстрый нагрев молока при его движении в потоке. Задачей теоретического расчета было выявление математической зависимости конструкционных параметров индукционного сердечника от требуемой для обеспечения процесса пастеризации тепловой мощности при исключении неравномерности нагрева молока в потоке. Были определены параметры элементов конструкции: полная мощность однофазного нагревателя - 5,4 кВА; тепловая мощность нагревателя - 5,0 кВт; коэффициент мощности - 0,86; расчетная удельная мощность 11,0-11,2 Вт/л; расчетная производительность (для температуры пастеризации 78-800С) 430...450 л/ч. При этом длина нагревателя составила 1,1м. Данный расчет может быть использован при конструировании пастеризационных установок с индукционным нагревателем.
Ключевые слова: пастеризация, индукционный нагреватель, молоко, равномерный нагрев, тепловыделение.
Для цитирования: Каунова Л.М. Обоснование конструктивных параметров индукционного нагревателя для пастеризации молока // АгроЭкоИнженерия. 2022. № 3(112). С.141-148
SUBSTANTIATION OF THE DESIGN PARAMETERS OF AN INDUCTION HEATER FOR
MILK PASTEURIZATION
L.M. Kaunova
Federal State Educational Institution of Higher Education "Velikiye Luki State Agricultural Academy", Velikiye Luki, Russia
The current challenging environments feature the economic difficulty in import substitution. Only the dairy farming can meet the population needs of the in an irreplaceable domestic food item. In this regard, the summer pasture grazing of cows shows, in our opinion, the greatest promise in the conditions for the North-West of the Russian Federation. Yet, the effective practice of stall and pasture housing of cows involves a very important, still open issue of producing top-grade milk that would follow the modern quality requirements. The general environmental degradation often causes its bacterial contamination. So the major task will be to reduce the effect of harmful microorganisms in the fresh milk. The study used a tubular heater with a uniform and rapid in-flow heating of milk to perform theoretical calculations of the milk heat treatment unit with an inductive heater. The aim was to identify the mathematical dependences between the structural parameters of the induction core and the thermal power required to ensure the pasteurization process while avoiding the uneven in-flow heating of milk. The study determined the following parameters of the structural elements: 5.4 kVA total capacity of a single-phase heater; 5.0 kW thermal capacity of the heater; a power factor of 0.86; 11.0 to 11.2 W/l estimated specific capacity, and 430 to 450 l/h estimated throughput under the pasteurization temperature of 78-80 °C. The heater length was 1.1 m. This calculation could be applied to design the pasteurization units with induction heaters.
Key words: pasteurization, induction heater, milk, uniform heating, heat dissipation.
For citation: Kaunova L. M. Substantiation of the design parameters of an induction heater for milk pasteurization. AgroEcoEngineeriya. 2022. No. 3(112): 141-148 (In Russian)
Введение
Для бактериального обеззараживания применяется тепловая обработка молока, для сохранения свойств в специальных пастеризационных установках.
Пастеризацию осуществляют при температурах от 63 0С с выдержкой времени до 95 0С без выдержки. Временные и температурные режимы пастеризации можно выбрать в зависимости от продукта и технологического процесса. мы знаем, что пастеризация бактерицидный эффект (не менее 99,98% [1].
Для увеличения срока хранения молока на предприятиях молочной промышленности
применяют различные виды
пастеризационных установок прямого и косвенного нагрева. [2,3]
Существующие аппараты косвенного нагрева, для тепловой обработки молока, использующие в качестве промежуточного теплоносителя пар и горячую воду энергетически не эффективны, так как их использование сопряжено с
дополнительными затратами по установке и обслуживанию паровых котлов-
парообразователей, вспомогательного
оборудования, сложной системой
автоматизации поддержания технологических параметров, пожаро-взрывоопасностьюи 142
потерями теплоты при циркуляции теплоносителя в нагревательном контуре [4].
В отличии от водяных и паровых пастеризаторов при индукционном нагреве тепловая энергия выделяется в металлических частях нагревателя и передается напрямую омывающему их молоку. Таким образом тепловые потери в окружающую среду сводятся к минимуму. Установки пастеризации молока с индукционным нагревателем имеют большую энергоэффективностьи меньшую удельную мощность по сравнению с водяными и паровыми установками [5,6,7].
Внедрение энергоэффективной линии переработки молока позволит увеличить срок хранения молока, приведёт к улучшению его качества, а так же к экономичности технологического процесса, существенно снижая расход тепловой и электроэнергии, тем самым, уменьшая себестоимость готового продукта.
Использовать уже существующие конструкции индукционных нагревателей воды в целях пастеризации молока в потоке не представляется возможным, так как нагрев молока не равномерен по сечению нагревателя. Для устранения недостатков надо разработать индукционный нагреватель молока и учесть в конструкции требования, предъявляемые к процессу пастеризации [9].
Целью нашей работы является обоснование конструктивных параметров индукционного нагревателя молока в составе пастеризационной установки.
Материалы и методы
В работе используется методика решения дифференциального уравнения
распределения теплового поля по сечению индукционного нагревателя.
Достижение поставленной цели обусловлено выполнением теоретического анализа процесса нагрева молока в потоке в индукционном нагревателе. Теоретические исследования посвящены получению
зависимостей, обоснованию модели движения молока, влиянию термообработки на изменение температурного режима и выявлению рабочих параметров при обработке.
Молоко на ферме подвергается механическому и бактериальному
загрязнению. Источники: пыль, чешуйки с кожи сосков, частицы подстилки, прилипшие к вымени, навоз и пр. Попадают многочисленные бактерии и микроорганизмы из воздуха и с подстилки, которые быстро размножаются.
Молоко является благоприятной средой для развития и размножения микробов -мельчайших организмов, большинство из которых невидимы вооружённым глазом. В свежевыдоенном молоке при различных способах его получения всегда находится то или иное количество микробов, которые попадают в него из вымени животных, с кожного покрова, а так же с молочных коммуникаций, оборудования для
охлаждения и др.
В молоке, при строгом соблюдении санитарных правил, содержаться
молочнокислые микро организмы.
Свежевыдоенное молоко может содержать большое количество гнилостных и группы кишечной палочки. Непосредственно после доения размножение микроорганизмов в молоке не отмечается. Это объясняется тем, что в свежевыдоенном молоке имеются вещества, способные подавлять
жизнедеятельность микробов и даже частично (разрушать их. К таким веществам относятся лактенины, лактопироксидаза, агглютинины и др. Период, когда в молоке под действием указанных веществ бактерии не размножаются, называется бактерицидной фазой.
Молоко, полученное на фермах с хорошими гигиеническими условиями, сохраняет первоначальное количество бактерий на протяжении 3 часов при 143
температуре тела коровы (бактерицидная фаза).
Со средними гигиеническими условиями сохраняет свои микробиологические условия на уровне первого класса на протяжении 48 часов только при температуре 4...6°С. В молоке, полученном с плохими гигиеническими условиями быстро накапливаются микроорганизмы (в том числе патогенные) при всех температурах хранения на протяжении 48 часов. При большем бактериальным обсеменением длительность бактерицидной фазы в молоке ограничивается 3 часами [11].
Установлено, что для обеспечения сохранности качества молока содержание бактерий в сыром молоке сразу после доения не должно превышать 1000000 штук в 1мл, при этом молоко должно иметь температуру при хранении 8.10 оС в течение 24 часов. При хранении свыше 24 часов температура молока должна составлять не более 3.5 0С. Результаты и обсуждение Для увеличения срока хранения молока-сырья и снижения его бак обсемененности применяют пастеризацию. Рассмотрим процесс нагрева молока в индукционном нагревателе пастеризационной установки (рис.1).
Рис. 1. Схема поперечного сечения индукционного нагревателя молока 1 - внешний кольцевой зазор; 2 - внутренний кольцевой зазор; 3 - труба-сердечник нагревателя; 4 - вытеснитель; 5 - корпус; 6 - индуктор.
Для расчета процесса нагрева молока возьмем бесконечно длинную
цилиндрическую трубу, которая имеет внутренний радиус Г1, наружный радиус г2, постоянный коэффициент теплопроводности X, и неравномерно распределенные по объему цилиндрической трубы источники тепла производительностью qv. Теплообмен с окружающей средой осуществляется, как с наружной, так и с внутренней поверхности. Поверхность теплообмена торцов трубы ввиду ее малой площади в расчете не учитывается.
Источником теплоты выступают вихревые токи, протекающие по замкнутому контуру в объеме металлической трубы нагревателя [10]. Распределение плотности тока по сечению трубы неравномерно и уменьшается в направлении от внешней поверхности к внутренней. На радиусе г0 в слое с максимальной температурой 1тах находится изотермическая поверхность, разделяющая тепловые потоки на два направления - к внутренней поверхности трубы q1 и к наружной q2. Введем понятие среднего тепловыделения в единице объема для наружного qv1и внутреннего слоя qv2.
Для упрощения модели примем, что интервале г0...г2. qv1=const в интервале г1.г0, а qv2=const в
Следовательно, среднюю тепловую производительность можем определить по формулам(1) и (2):
- для внутреннего слоя:
Г ivdr
(1)
где qv1 - средняя тепловая производительностьпо внутреннему слою, Вт/м3^ -тепловая производительность на радиусег, Вт/м3;г0 - изотермический радиус, м;г1 - радиус внутренней поверхности трубы, м; - для наружного слоя:
4v2 =
[r4vdr
rQ_ , (2.
Г2 " Г0
3.
(2)
где qv2 - средняя по наружному слою тепловая производительность, Вт/м ;г2 -радиус наружной поверхности трубы, м.
Для определения неизвестной величины г0 решим уравнение, описывающее процесс теплопроводности в нагревателе [4].
^ + + ^ = 0 (3)
г2 г ¿г X ,
где t - температура в точке с радиусомг, °С;Х - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-К).
Чтобы выразить г0необходимо ввести коэффициент неравномерности тепловых потоков с внутренней и внешней поверхностей трубы, равный отношению теплового потока с наружной поверхности трубы к внутренней
(4)
Тогда коэффициент неравномерности потоков будет определяться из выражения
г
кн = + + кс . (5)
г1
Величина к определяется экспериментально для цилиндрических труб разной толщины и диаметров. На входе и выходе мы замерили разность температур молока.
Используя выражение (3) найдем величину г0
12 2
2 %2 Г2 + (6) Г0 ,
Чу1 + k9v2
Трубу для изготовления нагревателя возьмем из стандартного ряда типоразмеров стального проката. Расчет параметров нагревателя можно свести к определению внутреннего радиуса корпуса, вытеснителя и длины нагревателя.
Для схемы, приведенной на рис. 1, тепловые мощностиРщ-1 и Рпт2, получаемые потоками жидкости в кольцевых зазорах находятся из выражений
7В _ Н7 „ < \_ Т/_ „ /< , Ч/..2 .2%
РПТ1 = Чт1 РТ = ^С ■ (12 - 11) =УЯ- С ■ (12 - 11 )(>12 - г2 ) (7)
РПТ 2 = Ч Т1Р" + Чк РК =№зС ■ ({2 - Ч) = С ■ ({2 - Ч )(гК - г2 )
где РПТ1 - тепловая мощность в зазоре,ограниченном радиусамигВ и г1, Вт;РПТ2 -тепловая мощностьв зазоре, ограниченном радиусами г2 и гК, Вт;qт1- тепловой поток с
r„ — r
Q
поверхности трубы, Вт/м2;БТВ, РТН - площади поверхности трубы нагревателя, м2;У-скорость движения молока через кольцевые зазоры, м/с;с - теплоемкость молока, Дж / (кг•К);qк - тепловой поток создаваемый, обмоткой индуктора, Вт/м .
Тепловой поток, создаваемый при протекании электрического тока индукторанаходим по формуле
Чк =
Роб
I2 R
2 -ж- гК - 1К
(8)
где Роб - мощность выделяющаяся в индукторе при работе, Вт;БК - часть площади корпуса участвующая в теплообмене с молоком, м ;11-сила тока обмотки индуктора, А;Я -сопротивление переменному току обмотки индуктора, Ом;1К - длина корпуса, м. Из системы уравнений (7) найдем гк и гв
гп = r -
2qTlrll
V - c - (t2 - ti)
(9)
Чкl WqKl2 + V2c2(t2 - ti)2r22 + 2V - c - (t2 - ti)qTl - Г2 . (10)
V - c - (t 2 - ti)
Длина трубы
l = -
Pr
ж(Ч 1 r2 + Ч2ri )
(11)
где РТ - тепловая мощность, которая выделяется в трубе нагревателя, Вт.
r
К
По приведенным выше теоретическим расчетам и для их подтверждения в лаборатории Великолукской ГСХА была разработана экспериментальная установка пастеризации молока индукционным нагревом [8].
Изготовление экспериментальной установки было произведено на базе ПМР-02-ВТ с модернизацией нагревателя. Штатный гидродинамический нагреватель был заменен на экспериментальный индукционный. Выводы
Установленные технические
характеристики установки для пастеризации молока с индукционным нагревателем: полная мощность однофазного нагревателя - 5,4 кВА;
тепловая мощность нагревателя - 5,0 кВт; коэффициент мощности - 0,86; расчетная удельная мощность 11,0-11,2 Вт/л; расчетная производительность (для температуры пастеризации 78-800С) 430...450 л/ч [2]. При этом геометрические размеры нагревателя составили: г2=21мм; г1 - 17мм; г0 - 19,3мм; гк -25мм; гв - 10мм; длина нагревателя I - 1,1м.
Для определения параметров и режима работы индукционного нагревателя молока можно использовать представленный в статье порядок расчета. Полученные нами энергетические и технические характеристики индукционного нагревателя показали перспективность разработки и исследования индукционных установок для нагрева молока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крусь Г.Н., Храмцов А.Г., Волокитина З.В., Карпычев С.В. Технология молока и молочных продуктов / Под ред. А.М. Шалыгиной. М.: КолосС, 2006. 455 с.
2. Соловьёв С.В., Морозов В. В., Радкевич Е. В., Карташов Л. П., Макаровская З. В. Обоснование параметров конструктивных элементов индукционного нагревателя для
пастеризации молока в потоке // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019, №1. С. 100-103
3. Ведищев С.М., Милованов А.В. Технологии и механизация первичной обработки и переработки молока: учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 152 с.
4. Бузоверов С. Ю., Воробьев Ф. Н. Анализ процесса термообработки и модернизация технологического оборудования для переработки молока // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2016. № 10(144). С. 142-146.
5. Бобровский, С. О., Багаев А. А. Перспективы применения индукционного нагрева для пастеризации молока / Аграрная наука - сельскому хозяйству: Сб. матер. XVI Международной научно-практической конференции в 2 кн., Барнаул, 09-10 февраля 2021 г. Барнаул: Алтайский государственный аграрный университет, 2021. С. 6-7.
6. Немков В.С., Демидович В.Б.. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энероатомиздат. 1988. 280 с.
7. Шутов A.A. Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации // Молодой ученый. 2010. №12-1. С. 46-48.
8. Макарова Г.В., Соловьев С.В. Экспериментальное исследование пастеризационной установки с индукционным нагревателем // Аграрная наука XXI века: проблемы и перспективы. Материалы Международной научно-практической конференции. 18-19 апреля 2013 года. Великие Луки: ВГСХА. 2013. С. 315-319.
9. Лосяков К.А., Каунова Л.М. Оптимизация конструктивных параметров трехфазного индукционного нагревателя жидкости / Приоритетные направления развития АПК и сельских территорий. Материалы научно-практической конференции. Великие Луки: ВГСХА. 2021. С. 58-61
10. Макарова Г. В., Соловьёв С.В., Шилин В.А. Индукционный нагреватель жидкости с выдерживателем. Патент на полезную модель RU 137709 U1. Заявлено 10.07.2013, опубликовано 27.02.2014. Бюл. № 6.
11. Вагин Б.И., Герасимова О.А., Соловьев С.В.Анализ способов первичной обработки молока / Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения. Сб. научных трудов международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «Научное обеспечение развития сельского хозяйства и снижение технологических рисков в продовольственной сфере»: в 2-частях. СПб: СПбГАУ. 2017. Часть I. С. 442-445
REFERENCES
1. Krus' G.N., Khramtsov A.G., Volokitina Z.V., Karpychev S.V. Tekhnologiya moloka i molochnykh produktov / Pod red. A.M. Shalyginoi [Technology of milk and dairy products / Ed. A.M. Shalygina]. Moscow: KolosS, 2006. 455 p. (In Russian)
2. Soloviev S.V., Morozov V. V., Radkevich E. V., Kartashov L. P., Makarovskaya Z. V. Obosnovanie parametrov konstruktivnykh elementov induktsionnogo nagrevatelya dlya pasterizatsii moloka v potoke [Rationale of parameters of constructive elements of an induction heater for pasteurizing milk in a stream]. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019 No. 1(75): 100-103 (In Russian)
3. Vedishchev S.M., Milovanov A.V. Tekhnologii i mekhanizatsiya pervichnoi obrabotki i pererabotki moloka: uchebnoe posobie [Technologies and mechanization of primary treatment and processing of milk: a tutorial]. Tambov: Tambov State Technical University, 2005. 152 p. (In Russian)
4. Buzoverov S. Yu., Vorobyev F. N. Analiz protsessa termoobrabotki i modernizatsiya tekhnologicheskogo oborudovaniya dlya pererabotki moloka [The analysis of heat treatment process and modernization of milk processing equipment]. Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. No. 10(144): 142-146 (In Russian)
5. Bobrovskii, S. O., Bagaev A. A. Perspektivy primeneniya induktsionnogo nagreva dlya pasterizatsii moloka [Prospects for the use of induction heating for milk pasteurization]. In: Agrarnaya nauka - sel'skomu khozyaistvu [Agricultural science to agriculture]. Proc. XVI Int. Sci. Prac. Conf. in 2 books, Barnaul, 09-10 February 2021 Barnaul: Altai State Agrarian University, 2021:6-7 (In Russian)
6. Nemkov V.S., Demidovich V.B. Teoriya i raschet ustroistv induktsionnogo nagreva [Theory and calculation of induction heating devices]. Leningrad: Eneroatomizdat. 1988. 280 p. (In Russian)
7. Shutov A.A. Obosnovanie neobkhodimosti teplovoi obrabotki moloka-syr'ya na ferme i rezul'taty eksperimental'nykh issledovanii po optimizatsii ustanovki dlya termizatsii [Justification of the need for heat treatment of raw milk on the farm and the results of experimental studies to optimize the installation for thermization ]. Molodoi uchenyi. 2010. No.12-1: 46-48 (In Russian)
8. Makarova G.V., Solov'ev S.V. Eksperimental'noe issledovanie pasterizatsionnoi ustanovki s induktsionnym nagrevatelem [Experimental study of a pasteurization plant with an induction heater]. Agrarnaya nauka XXI veka: problemy i perspektivy. [Agrarian science of the XXI century: problems and prospects]. Proc. Int. Sci. Prac. Conf. 18-19 April 2013. Velikie Luki: VGSKhA. 2013: 315-319 (In Russian)
9. Losyakov K.A., Kaunova L.M. Optimizatsiya konstruktivnykh parametrov trekhfaznogo induktsionnogo nagrevatelya zhidkosti [Optimization of the design parameters of a three-phase induction liquid heater]. Prioritetnye napravleniya razvitiya APK i sel'skikh territorii. [Priority directions for the development of the agro-industrial complex and rural areas]. Proc. Sci. Prac. Conf. Velikie Luki: VGSKhA. 2021: 58-61 (In Russian)
10. Makarova G. V., Solov'ev S.V., Shilin V.A. Induktsionnyi nagrevatel' zhidkosti s vyderzhivatelem [Induction liquid heater with holding device]. Patent on utility model of RF No. 13770, 2013 (In Russian)
11. Vagin B.I., Gerasimova O.A., Solov'ev S.V.Analiz sposobov pervichnoi obrabotki moloka [Analysis of the methods of primary milk processing]. Nauchnoe obespechenie razvitiya APK v usloviyakh importozameshcheniya [Scientific support for the development of the agro-industrial complex in conditions of import substitution]. Proc. Int. Sci. Prac. Conf. of Professors and Lecturers Nauchnoe obespechenie razvitiya sel'skogo khozyaistva i snizhenie tekhnologicheskikh riskov v prodovol'stvennoi sfere: v 2-chastyakh [Scientific support for the development of agriculture and the reduction of technological risks in the food sector: in 2 Parts]. Saint Petersburg: SPbGAU. 2017. Part I: 442-445 (In Russian)
