CC BY
82
УДК 62І.365.5
Е.В. Фоминых ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ ИК ПАСТЕРИЗАТОРА
Рассмотрены источники ИК излучения, тепловой режим ИК нагревателя пастеризатора, оптимизация схемы и параметров ИК нагревателя.
E.V. Fominyh OPTIMIZATION OF IR-PASTEURIZER SCHEME AND PARAMETERS
The IR-radiation, thermal mode of pasteurizer IR-heater, optimization of IR-pasteurizer scheme and parameters are reviewed.
Известно, что при выборе излучателя для ИК пастеризатора необходимо учитывать множество различных факторов: особенности технологического процесса, свойства
пастеризуемой жидкости, санитарно-гигиенические требования, а также экономические показатели [І].
Наибольшее распространение получили электрические ИК нагреватели, в которых источником ИК излучения является нагретая электрическим током металлическая (нихромовая, хромоникелевая или вольфрамовая) проволока, изготовляемая, например, в виде спирали и помещаемая в стеклянную трубку [2].
В ИК пастеризаторах молока А1-ОП7.1000 и ИНПАС-3 использованы кварцевые трубки диаметром Ю; І8; и 25 мм с толщиной стенок 2-3 мм с нихромовой спиралью диаметром G,5; G,63; G,8 мм, помещенной на внешней стороне трубки с коэффициентом навивки 2-8 (рис. І). С применением теплоизоляции и теплового экрана, по данным ГНПП «Контакт», удается получить ИК излучение с КПД ~7G-85%. Максимум ИК излучения приходится на диапазон длин волн 2,8-3,2 мкм. В таких пастеризаторах можно подавить возбудителей туберкулеза бычьего вида с концентрацией І млн. микробных тел в І л молока.
3
5
Рис. 1. ИК нагреватель пастеризатора ИНПАС-3:
1 - поток молока; 2 - кварцевая трубка; 3 - выводы спирали; 4 - тепловой экран;
5 - теплоизоляция; 6 - спираль нагревателя
Тепловой режим ИК нагревателя пастеризатора определяется энергией инфракрасного излучения, идущей на нагрев потока молока, геометрией канала, по которому транспортируется поток, и режимом движения молока [3]. На него влияет также величина тепловых потерь в окружающих спираль элементах конструкции и отражательная способность (коэффициент отражения) молока. Температурный напор молока в потоке с учетом осевой симметрии ИК излучения описывает уравнение
д®+иУгг0 = аУ2г,г0+ , (1)
дt , ср
где 0(r,z)=T(r,z)-To; Т(г,г), Т0 - температура молока и окружающей среды; а -коэффициент температуропроводности; с, р - удельная теплоемкость и плотность молока; Руд - энергия излучения, поглощаемая единицей объема молока, причем
~к2
Руд (г, 2) = I Чу (г , z, ^ 0) ^ . (2)
А.1
Здесь дУт,гД,0) - энергия монохроматического излучения, проникающего в глубь молока и поглощаемого в единицу времени в единице объема, рассчитанная на единицу интервала излучаемых спиралью волн (Вт/м3-мкм).
Для надежной пастеризации требуется равномерная термообработка, чему способствует турбулентное движение потока по трубе ИК нагревателя. По координате г температурный напор можно считать постоянным, а при однородной спирали чу не зависит и от г.
д д2 д
В условиях установившегося режима в (1) — = 0, —- = 0, — = 0, и тогда (1)
дt дг дг
с О д0 = 7 , (3)
дг I
где О - производительность пастеризатора (кг/с); Р0 - мощность излучения, поглощенного потоком; I - длина трубы со спиралью ИК нагревателя. Тогда из (3)
Р 2
0 = -О-. • (4)
сО1
Такой подход к определению температурного режима позволяет сосредоточить внимание на температуре потока молока, избежать усложнения задачи учетом температурных полей в других элементах конструкции нагревателя. Но при этом следует учесть КПД ИК нагревателя, а именно
Р0 = КР , (5)
где Р - мощность, рассеиваемая спиралью; К~0,7 - КПД ИК нагревателя; тогда (4) можно переписать в виде
К Р
0 = -777 . (6)
сО1
Для того чтобы оптимизировать схему и параметры ИК нагревателя, необходимо определить количество и размеры кварцевых трубок, схему их включений в гидравлический тракт пастеризатора, параметры и режим работы спиральных нагревателей на их внешних
примет вид
поверхностях, обеспечивающих надежную пастеризацию в потоке заданной производительности.
Главное требование, предъявляемое к ИК нагревателю, - надежная пастеризация молока, а ее можно установить только опытным путем. Поэтому имеет смысл рекомендовать к применению в ИК пастеризаторе параметры и режимы работы элемента ИК нагревателя, экспериментально отработанного и испытанного в эксплуатации ИК пастеризатора, разработанного ГНПП «Контакт»:
- диаметр кварцевой трубки 25 мм;
- длина кварцевой трубки 1000 мм,
- диаметр нихромового провода спирали 0,5 мм;
- длина навивки спирали 940 мм;
- мощность, подаваемая на нагреватель, 2,2 кВт;
- коэффициент навивки спирали, соответствующий максимальному коэффициенту поглощения энергии (максимальному КПД), 5;
- оптимальный ток спирали 4,65 мА;
- КПДмах=86,7%.
Таким образом, с учетом КПД собственно на нагрев молока на одном ИК нагревателе идет 1900 Вт.
Для регулировки производительности ИК пастеризатора нагреватели должны быть включены последовательно по потоку молока, на каждом нагревателе спираль должна быть выполнена из двух половин с автономным включением в сеть каждой из них (шаг регулировки 900 Вт) (рис. 2).
Выход Вход
б
Рис. 2. ИК нагреватель пастеризатора молока в потоке: а - ИК нагреватель (1 - входной патрубок, 2 - теплоотражающий кожух, 3 - элементы ИК нагревателя,
4 - каналы для соединения кварцевых трубок); б - элемент ИК нагревателя
(1 - кварцевая трубка, 2 - теплоизоляция, 3 - спираль, 4 - крепящий хомут)
Если у производителя 10-50 голов дойных коров, то производительность пастеризатора должна регулироваться в пределах 10-100 кг/ч, причем для пастеризации молока в потоке требуется полезная мощность 800-22800 Вт. Следовательно, для реализации пастеризации с помощью ИК нагревателя с приведенными выше параметрами требуется от 0,5 до 12 штук таких элементов.
Выводы
В трубке ИК нагревателя имеет место турбулентное движение за исключением предельно низкой производительности пастеризатора. Для обеспечения турбулентного движения на входе и выходе элементов ИК нагревателя следует разместить местные или распределенные неоднородности, возмущающие поток молока.
Все вышеизложенное позволяет говорить о целесообразности применения ИК нагревателей для пастеризации молока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фоминых Е.В. Пастеризаторы молока, использующие инфракрасное излучение / Е.В. Фоминых, Ю.С. Архангельский // Электро- и теплотехнологические процессы и установки - 2: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С. 37-40.
2. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов / И.А. Рогов. М.: Агропромиздат, 1988.
3. Островский Л.В. Инфракрасный нагрев в общественном питании / Л.В. Островский. М.: Экономика, 1978.
Фоминых Елена Вячеславовна -
ассистент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета
