2.3. Тепловой баланс процесса охлаждения и расчет охладителей

Тепловой поток, отбираемый хладоносителем от молока, определяется по формуле:

G = Qмсм(tн м - tк м) , (2.7)

где: Qм – подача молока, кг/с;

см – теплоемкость молока, Дж/ кг·град;

tн м и tк м – начальная и конечная температуры молока, соответственно.

Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, то это же количество теплоты приобретает хладагент:

G = Qxсx(tн x - tк x) , (2.8)

где: Qх – подача хладагента, кг/с;

сх - его теплоемкость, Дж/ кг.град;

tн x и tк x – конечная и начальная температуры хладагента, соответственно.

Процесс охлаждения в пластинчатых охладителях идет непрерывно, т.е. подача молока и хладагента осуществляется непрерывно. Но в зависимости от температурного режима охлаждающей жидкости требуется больше, чем охлаждаемой. Отношение расхода хладагента к расходу охлаждаемой жидкости называют коэффициентом кратности расхода хладагента:

(2.9) или Qx = Kk Qм

Подставив (2.9) в уравнение (2.8) и приравняв (2.7) и (2.8), можно определить коэффициент кратности:

(2.10)

Практикой установлено, что значение Kk для водяных секций охладителей находится в пределах 2,5...3, для рассольных — 1,5...2,5.

Если охладитель двухсекционный (водяной и рассольный), то общий поток тепла от молока к хладагентам:

G = Gв + Gp , (2.11)

где: Gв – поток тепла, получаемого водой, Вт;

Gp – поток тепла, получаемого рассолом, Вт.

Эти потоки определяются аналогично зависимости (2.8).

Поток тепла, проходящий через стенки охладителя, можно выразить уравнением

Ньютона:

G = k F Δtcp Вт, (2.11)

где: k – коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/м² ·град;

F – общая теплообменная поверхность;

Δtcp – средний градиент температур между теплообменными средами.

Приравняв (2.7) и (2.11), можно определить общую теплообменную поверхность:

(2.12)

Средний градиент температур или температурный напор определяется как среднее логарифмическое:

(2.13)

где: Δtmax и Δtmin – максимальный и минимальный температурные напоры между теплообменными жидкостями, обычно как для прямотока, так и для противотока максимальный температурный напор наблюдается в начале охлаждения молока, а минимальный – в конце.

В противоточных охладителях средний температурный напор всегда выше, чем в прямоточных. Если Δtmax / Δtmin < 2 , то средний температурный напор можно определить как среднее арифметическое с погрешностью в большую сторону, не превышающей 3 %:

(2.14)

Коэффициент теплопередачи зависит от многих факторов (температуры теплообменных жидкостей, конструкции теплообменника, условия течения жидкостей и т.п.) и в каждом конкретном случае определяется экспериментально. Имеется ряд экспериментальных зависимостей для его определения. Ориентировочно можно принять, что при передаче от воды к воде k ≈ 1000 ккал/м² .ч.град = 4,18 МДж /м² .ч.град.

Число рабочих пластин в секции (теплообменных поверхностей):

(2.15)

где: fпл – площадь рабочей поверхности одной пластины.

Чтобы молоко успело охладиться до заданной температуры, оно должно находиться в охладителе определенное время и это можно представить, как необходимое количество тепла для охлаждения молока, находящегося одновременно в охладителе (количество каналов для молока Zпл / 2):

(2.16)

Выражая (2.16) через количество тепла общеизвестного по формуле Ньютона определим время нахождения молока в охладителе:

(2.17)

Это же время можно определить по скорости движения молока в охладителе vм :

(2.18)

Приравняв (2.17) и (2.18), определим скорость движения молока в охладителе:

(2.19)

Производительность охладителя:

(2.20)

поскольку hb = fпл .

Пользуясь приведенными формулами, по заданной производительности можно определить параметры охладителя. Если охладитель многосекционный (водяные секции, рассольные), расчет производится для каждой секции отдельно.