CC BY
15
УДК 536.24:637.5.033
Совершенствование тепломассообменных процессов в аппаратах для стерилизации консервов
Канд. техн. наук Е.И. ВЕРБОЛОЗ Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Theoretical investigation of heat exchange processes in apparatuses for sterilization of canned foods is presented. Formulae for the calculation of a can movement speed in upward and dovjnward current with the optimum operation of the sterilizer were obtained.
В последнее время на пищевых производствах повышенное внимание уделяется глубокой переработке пищевого сырья с получением высококачественных продуктов, в частности консервов. К числу важнейших задач, от решения которых зависит повышение эффективности соответствующего оборудования, по праву относят всестороннее исследование внутреннего и внешнего тепло- и массообмена.
Рассмотрение принципов работы современных стерилизаторов консервов показывает, что процесс нагрева банки до температуры стерилизации и выдержка ее при этой температуре осуществляются за время перемещения банки от точки ее входа в аппарат до точки выхода из него [1,2].
За этот период банка движется последовательно в нисходящем и восходящем потоках, а требуемое время пребывания банки в аппарате х можно определить как
х = (х +т + х + х )г, (1)
4 НК вк н—>в в—иг 4 '
где тпк, твк - время пребывания банки в канале с нисходящим и восходящим потоками соответственно;
тц ]п, тс 1п -время перехода банки из канала в канал; г - количество пар каналов в аппарате.
Так как х|к(хвк) » хн_>в(тв_>н), то с некоторым допущением можно принять
х = + (2)
Очевидно, что это время будет определяться скоростью движения банок в каждом из каналов и длиной каналов, которая из чисто конструктивных соображений принимается одинаковой, т.е.
/ ч НиК Н,
т = (тш= + твк)г = — +
^б„ ибв
(3)
где Ник, Явк— длина канала с нисходящим и восходящим потоками;
£/6н и £/бв- скорость движения банок в нисходящем и восходящем потоках.
Отсюда становится очевидным, что для определения времени пребывания банки в аппарате необходимо знать скорость движения банки в каждом их каналов 1Г. и иг.
он бв
Другим важным моментом, определяющим эффективность процесса теплопередачи, является частота переворотов банки с донышка на крышку.
Вращение банки происходит, как правило, при переходе банки из канала в канал. Наиболее эффективной будет такая частота, при которой жидкая фаза внутри банки будет находиться постоянно в движении, т.е. как только переток жидкой фазы, вызванный предыдущим переворотом, закончился, наступает очередной переворот.
Продолжительность процесса перетока жидкости внутри банки тп, в свою очередь, определяется временем т или т . Если т > х , значит, длина канала
НК ВК П НК 7 >~г
необоснованно занижена, так как переток жидкости еще не закончился, а очередной переворот уже произошел. Поэтому время пребывания банки в канале и время перетока жидкости внутри банки должно быть одинаковым, т.е. условием оптимальной работы аппарата будет
х (х ) = х . (4)
НК 4 вк' п 4 '
Следовательно, необходимо определить скорости движения банки в восходящем и нисходящем потоках, а также время перетока жидкости внутри банки с продуктом.
При движении банок в восходящем вертикальном потоке наблюдается достаточно сложный и практически неизученный процесс перемещения твердой
і'бв
№
Баланс сил, действующих на единичную банку: а — в восходящем потоке; б — в нисходящем потоке
рг - плотность газа.
Принимая во внимание, что рж » рг и (1 - фг) > фг, можно полагать, что рг фг = 0. Тогда
р.„ = Рж - Фг)’ (!2)
откуда
V, 8 [Рб - (1 - Фг) Рж] =
= СкРх(1-Ч>г)(\Усм-ибвУ5ш/2 (13)
или
одиночной частицы газожидкостным потоком.
Учитывая, что в данный момент времени в определенном сечении канала будет находиться лишь одна банка, перемещение ее можно представить как процесс гидротранспортирования единичной твердой частицы газожидкостной смесью и рассматривать его без учета влияния других банок, находящихся в канале.
Баланс сил, действующих на банку и определяющих ее скорость в вертикальном направлении, схематично изображен на рисунке.
На банку, находящуюся в газожидкостном потоке, действуют сила тяжести Р(., Архимедова сила Р'Л и сила сопротивления Г.
Тогда
Ро-Ра-^
пиі
бв
Л
(5)
В случае равномерного движения банки в канале
Гс-ГА-Гк = 0.
(6)
(7)
В свою очередь,
/V = Угр £,
А б~ см°7
где У6- объем банки; рсм- плотность газожидкостной смеси;
£ - ускорение свободного падения.
рс = УМ- (8)
где р6- условная плотность банки;
Р„ = (9)
где Ск- коэффициент сопротивления банки;
\УСМ- приведенная скорость смеси.
Подставляя эти соотношения в уравнение баланса, получим
УбРбЯ - УбРсм£ - С* рсм (1УСМ - и6в)У2 = 0. (10)
Известно также, что
Рсм= Р.П-Ф.) +РгФг’ С11)
где р — плотность жидкости; фг- доля газа в смеси;
Мш-и6в=,
2_ 1Уб8 Рб-РжО-ф,,).
^ті<іСя Рж(1-Фг)
1 2^ Рб -Рж(1~Фг).
1 Рж(1-Фг)
1 2У6£ й -1.
3ШСК Рж(1-<Рг)
(14)
где IV = УУ + .
СМ ж г
Таким образом, скорость движения банки в восходящем газожидкостном потоке определяют: геометрические размеры и условная плотность банки; скорость несущего потока и его газосодержание, а также коэффициент сопротивления банки Ск.
В опускных каналах банка движется нисходящим прямотоком в свободной от газовой фазы жидкости.
Составляя баланс сил, действующих на банку при ее нисходящем движении (по аналогии с предыдущим случаем), получим:
г а- Г, + Г». = °;
+ с« р. < и* - И'.т = о, (15)
откуда после ряда преобразований можно получить уравнение для расчета £/6н:
ґ \
бн
2 У6д
Ь-1
(16)
Входящий в приведенные уравнения коэффициент сопротивления банки Ск требует либо теоретического, либо экспериментального определения, и в общем случае является функцией числа Рейнольдса и фактора формы.
Список литературы
1. А.с. 1517918 СССР. Аппарат непрерывного действия для термической обработки продуктов в банках / Е.И. Верболоз и др. -БИ, 1989, №40.
2. Касьянов Г.И., Иванова Е Е. Технология переработки рыбы и морепродуктов. - Ростов-на-Дону: МарТ, 2001.
