CC BY
101
УДК 621.365
Т. Ю. Дунаева, Д.А.Давыдов СВЧ ПАСТЕРИЗАТОР ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Представлена конструкция пастеризатора жидкостей в потоке с комбинированным (СВЧи ЭК) энергоподводом.
СВЧ пастеризатор молока, рабочая камера, тепловой режим, электронагрев, комбинированный энергоподвод
T.Yu. Dunaeva, D.A. Davidov MICROWAVE PASTEURIZATOR OF LIQUID PRODUCTS
The pasteurization applicator design is under review in this article. This type of microwave applicators is intended for liquid products pasteurization in stream by combine (microwave and thermal-electric) power supply.
Microwave pasteurization applicator, chamber, thermal regime, heat-treatment, combine power supply
Для технологического процесса пастеризации жидких пищевых продуктов, как известно, можно использовать установки с различными способами энергоподвода. Исторически сложившийся способ пастеризации молока проводят в тепловых аппаратах (пастеризаторах), нагревая молоко, как правило, в потоке с помощью горячей воды либо пара. С развитием электротехнологий появились пастеризаторы молока, использующие инфракрасное излучение, электротермические процессы (нагрев сопротивлением), ВЧ и СВЧ диэлектрический нагрев [1-4]. Такие типы пастеризаторов используются, как правило, для хозяйств небольшой производительности (фермерских).
Основы расчета СВЧ пастеризатора приведены, например, в [4]. Рабочая камера является основным элементом СВЧ пастеризатора, поскольку в ней происходит процесс термообработки молока, и от ее параметров в решающей мере зависят компоновка и характеристики пастеризатора в целом. С уменьшением частоты генератора коэффициент затухания электромагнитной волны в линии, на которой построена рабочая камера, уменьшается как из-за увеличения поперечного сечения линии, так и из-за уменьшения tg52 молока, причём, естественно, сильно возрастает вес погонного метра волновода. По этой причине предпочтение следует отдать пастеризатору, работающему на частоте 2450 МГц, тем более что на этой частоте турбулентный режим в камере будет достигнут при меньшем объеме пастеризуемого молока.
По совокупности критериев можно рекомендовать для построения рабочей камеры СВЧ пастеризатора круглой волновод с квази-^0 волной с молоком, протекающим по круглой трубке по оси волновода (рис. 1), когда расчет рабочей камеры проведен на второй ми-
1
Рис.1. Круглый волновод с поглощающим стержнем
КПД рабочей камеры максимален, если энергия СВЧ колебаний поглощается лишь в молоке, а потому диэлектрическая труба, по которой в камере прокачивается молоко, должна быть из материала, тангенс угла диэлектрических потерь которого много меньше, чем у молока. Но тогда в расчетах камеры можно не учитывать потери СВЧ энергии в диэлектрической трубе.
Поскольку для равномерного прогрева по поперечному сечению потока молока его движение в камере должно быть турбулентным, то, используя, как обычно, усредненные параметры, характеризующие движение молока, задача о тепловом режиме рабочей камеры СВЧ пастеризатора сводится к решению системы уравнений теплового баланса молока и диэлектрической трубы.
д2^^ д0 д0
^1S1 -Ч 2 c1p1US1 nd1h101 + nd1h102 — c1p1S1 = —Pn ,
OZ OZ 0t (1)
0 20 00
X 2S2~^r22 + nd1h101 — nd1h102 — nd2h202 — c2p2S2 ^ = 0,
где 0i,2, ^i,2, сі,2, Pi,2, Si,2 - температурные напоры, коэффициенты теплопроводности, удельные теплоёмкости, плотности и площади поперечных сечений молока и трубы; d1;2 - внутренний и внешний диаметры трубы; h12 - коэффициенты теплоотдачи от молока к трубе и от трубы к воздуху; Pn - удельная погонная мощность СВЧ, рассеиваемая в молоке. где 01;2, ^1;2, с1;2, р1;2, S1;2 - температурные напоры, коэффициенты теплопроводности, удельные теплоёмкости, плотности и площади поперечных сечений молока и трубы; d1;2 - внутренний и внешний диаметры трубы; h12 - коэффициенты теплоотдачи от молока к трубе и от трубы к воздуху; Pn - удельная погонная мощность СВЧ, рассеиваемая в молоке.
Нагрев молока при пастеризации осуществляется до температуры не более 100° С [2], а поэтому система (1) записана в пренебрежении потерями тепла за счет теплового излучения.
С момента включения генератора в потоке молока, протекающего через рабочую камеру, происходит переходной тепловой процесс, когда температура молока меняется во времени и по координате z, но затем устанавливается режим динамического равновесия, при ко-
00
тором —1 = 0, но 0 = 0(z). Обычно интересуются именно таким режимом.
3t
Характеристическое уравнение системы (1) представляет собой уравнение четвертой степени. Решение этого уравнения сводится к нахождению действительного корня кубического уравнения. В этом случае получить аналитическое решение не удается. Но следует помнить, что теплопередача вдоль оси z в молоке определяется главным образом движением
°
молока по трубе, а не его теплопроводностью. Кроме того, при Т1<100 С теплоотдача к трубе невелика, а тепловой режим молока вдоль оси z главным образом определяется скоростью движения потока и и распределением по z величины Рп.
Если камера собрана на нерегулярном короткозамкнутом волноводе круглого сечения с молоком, протекающим по трубе на оси волновода, то Pn определяется соотношением
P. = R f-exp[f lmZZ"(z) dz ]. . (2)
ReZBX (l) Jz Z^( z)
Это соотношение при выполнении согласующего экрана по [6] приводит к
P
p. = ~° = const, (3)
где I - длина рабочей части нагрузки.
Пастеризатор с комбинированным (СВЧ и ЭК) энергоподводом имеет более высокую производительность и лучшие технические характеристики по сравнению с пастеризатором только с СВЧ энергоподводом. В таком пастеризаторе молоко в потоке нагревается до температуры пастеризации в три этапа (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема пастеризатора с комбинированным энергоподводом: 1,3,11,13,17,20 - вентили; 2 - бак для сырого молока с электронагревом и механической мешалкой; 4 - молочный насос; 5,18 - разветвители потока;
7 - СВЧ блок; 81...і - СВЧ рабочие камеры; 91_; - СВЧ генераторы (магнетроны);
101_; - источники питания СВЧ генераторов; 11 - холодильная машина;
12 - испаритель; 14 - бак холодильной машины; 15 - теплообменник для подогрева сырого молока пастеризованным молоком; 16 - регулятор потока; 19,21 - задвижки
Сначала сырое молоко предварительно нагревается в теплообменнике15, затем нагревается в баке 2 с помощью электронагрева, а затем уже поступает в СВЧ блок 7, где доводится до температуры пастеризации с помощью энергии СВЧ электромагнитного поля:
- предварительный ЭК нагрев ог 350С до 500С;
- окончательный СВЧ нагрев от 500С до 900С.
Сырое молоко сначала поступает через вентиль 1 в бак 2, где подвергается предварительному нагреву с помощью электронагревателей (нагрев сопротивлением), перемешивается металлической мешалкой и прокачивается молочным насосом 4 по цепи 1,5,3,2. При этом вентиль 3 открыт, а вентиль 6 закрыт.
После достижения молоком температуры предварительного нагрева вентиль 3 должен быть закрыт, а вентиль 6 открыт, и молоко поступает в СВЧ блок 7. Система автоматического управления пастеризатором включает источник СВЧ энергии после того, как датчик зарегистрирует заполнение рабочей камеры молоком. Однако первоначально заполняющая СВЧ блок порция молока выйдет из камеры недогретой до температуры пастеризации (начальный брак) и через регулятор расхода (производительности) пастеризатора 6, через разветвитель 18, вентиль 20 вновь поступает в бак сырого молока 2. При этом вентиль 17 закрыт. Когда датчик температуры на выходе СВЧ блока зафиксирует достижение температуры пастеризации, вентиль 3 автоматически закрывается, а вентиль 6 открывается, выключается электронагрев молока в баке 2. Когда датчик температуры на выходе молока из рабочей камеры фиксирует температуру молока, равную температуре пастеризации, вентиль 20 закрывается, вентиль 17 открывается, и молоко через разделитель 18 и вентиль 17 поступает в камеру охлаждения пастеризованного молока, откуда охлажденное проточной водой молоко поступает в бак 14 холодильной машины 11, в котором окончательно охлаждается с помощью испарителя 12.
После пастеризации всего удоя молока СВЧ генератор выключается до вытекания из рабочей камеры последней порции молока. При этом тут же закрывается вентиль 7, а оставшееся в трубопроводе (в рабочей камере) молоко представляет собой конечный брак. Эта порция молока вытесняется из пастеризатора водой, подаваемой через вентиль 1, через который могут быть поданы в гидросистему также и моющие среды.
СВЧ блок 7 может быть выполнен с одной рабочей камерой, запитываемой от одного генератора, или с несколькими рабочими камерами, включенными по потоку молока последовательно и запитываемыми от своих СВЧ генераторов меньшей мощности.
Одним из преимуществ рассматриваемой конструкции является использование теплоты пастеризованного молока для предварительного подогрева холодного, что позволяет повысить энергетическую эффективность установки.
В [5] было проведено технико-экономическое сравнение пастеризатора предлагаемой конструкции с альтернативными - ИК и трубчатым пастеризатором, в котором технологический процесс осуществляется с помощью пара. Расчеты показали, что для пастеризаторов небольшой производительности СВЧ установка выгоднее, чем трубчатая и ИК. Это связано с дополнительными расходами на парогенератор, а также на электроэнергию для выработки пара в тепловой установке. При увеличении производительности ИК пастеризатор становится экономически выгоднее, чем СВЧ вследствие меньшего удельного потребления электроэнергии. Однако разница между доходами от применения выбранных типов пастеризаторов небольшая. Применяемые пастеризаторы окупаются достаточно быстро - в течение одного года. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью молока и с высокими темпами роста цен на молоко [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Горбатова К. К. Биохимия молока и молочных продуктов: учеб. для студ. сред. спец. учеб. зав. по спец. «Технология молока и молочных продуктов» / К.К. Горбатова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос,1996. 288 с.
2. Крусь Г. Н. Технология молочных продуктов / Г. Н. Крусь, Л. В. Чекулаева. М.: Агро-промиздат, 1988. 367 с.
3. Ковалев Ю. Н. Установки для пастеризации молока / Ю. Н. Ковалевю М.: Россельхозиз-дат, 1981. 80 с.
4. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С.Архангельский. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1998. 408 с.
5. Дунаева Т. Ю. Обеспечение конкурентоспособности СВЧ электротермических установок и мероприятия по ее повышению на стадиях проектирования и эксплуатации: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.10 / Т. Ю. Дунаева; науч. рук. Ю.С. Архангельский. Саратов, 2009. 214 с.
6. Трефилова Н.. Цены на молоко «отпустили» до нового подорожания // http://www.bigness.ru/articles/2008-04-30/milk-prise/4908
BIBLIOGRAPHY
1. Gorbatova K. The Milk and Milk Products Biochemistry. M.: Kolos, 1996.
2. Krus G., Chekulaeva L., Shalygina G. and Tkal T. The Technology of Milk Products. M.: Ag-ropromisdat, 1988.
3. Kovalev Yu. The Milk Pasteurization Applicators. M.: Rosselchosisdat, 1981.
4. Arkhangelsky Yu. The Microwave Electrothermy. Saratov: SSTU, 1998.
5. Dunaeva T. The Microwave Electro Technological Applicators Competitiveness Guaranteeing and it Improving Measures at the Design and Exploitation Stage.. Saratov State Technical University, 2009.
6. Trefilova N. The Prices of Milk was realizes before New Increasing” // http://www.bigness.ru/articles/2008-04-30/milk-prise/4908
Дунаева Татьяна Юрьевна -
ассистент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета Давыдов Дмитрий Алексеевич -доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета
Dunaeva Tatyana Yuryevna -
lecturer of the Automated Electrical-Technological Plants and Systems Chair, Saratov State Technical University
Davidov Dmitry Alekseevich-
lecturer of the Automated Electrical-Technological Plants and Systems Chair, Saratov State Technical University
