а – прямоточный («зигзаг»); б – противоточный.

2.5. Расчет пастеризаторов

Основы теории пастеризации молока разработал советский ученый Г.А. Кук. Теория основывается на том, что гибельно на микроорганизмы действуют два фактора: температура нагрева и длительность выдержки при ней. При этом, чем выше температура, тем меньше нужна выдержка. Существует верхний порог температуры, до которого не происходит изменения физико-механических свойств молока. В связи с этим необходимо строго придерживаться границ между нижним и верхним пределами температур, чтобы обеспечить пастеризацию и не ухудшить качество молока. Эти границы можно представить в виде диаграммы (рис.2.13), из которой видно, что температура нагрева молока и длительность выдержки должны находиться в нейтральной зоне. При этом длительность выдержки является функцией температуры τ = f(t) .

Для молока Г.А. Кук установил эту зависимость:

ln τ = 36,84 - 0,487 t (2.21)

В процессе нагревания молока до требуемой температуры уже происходит его частная пастеризация. Поэтому необходимо знать суммарный эффект пастеризации, учитывающий как время нагревания до заданной температуры, так и выдержку при ней. Г.А. Кук предложил эффективность пастеризации оценивать отношением суммарного времени τф воздействия на молоко различных температур к времени воздействия τп определенной температуры, при которой происходит полная пастеризация продукта.

Диаграмма температур нагрева молока и длительности выдержки.

Это отношение Кук назвал критерием Пастера:

(2.22)

Критерий Pа = 1 в том случае, если ∫dфф = фn , т.е. фактическое суммарное время воздействия различных температур равно расчетному. В пастеризаторах длительного и кратковременного воздействия на молоко в качестве источника тепла используется горячая вода, в пастеризаторах мгновенного действия - насыщенный пар. Для любого типа пастеризаторов их тепловая производительность:

G = Qмсм(tкм - tнм) = kFΔtcp , (2.23)

где, для водяных пастеризаторов:

(2.24)

и для паровых:

(2.25)

поскольку температура конденсации пара – постоянная величина и в начале и в конце аппарата.

Откуда полная теплообменная площадь пастеризатора:

(2.26)

или для паровых пастеризаторов:

(2.27)

где, для парового пастеризатора k ≈ 2500 ккал/м² .ч.град = 105 МДж/м² .ч.град.

Количество пластин в секции пластинчатого пастеризатора:

(2.28)

где: fпл – рабочая поверхность одной пластины.

Расход горячей воды или пара на пастеризацию (нагрев) молока определяется из условия теплового баланса:

(2.29)

где: i1 — теплосодержание горячей воды или пара, Дж/ кг;

i2 — теплосодержание отработавшей воды или конденсата, Дж/ кг;

η - тепловой КПД пастеризатора.

В пастеризаторах мгновенного действия с вытеснительным барабаном молоко под действием составляющей центробежной силы поднимается снизу вверх по параболоидной поверхности барабана. В верхней части барабана имеются лопасти, под действием которых молоко нагнетается в трубопровод.

Напор, развиваемый лопастями:

(2.30)

где: v – окружная скорость лопастей барабана.

Развиваемый напор может расходоваться на преодоление гидравлических сопротивлений молокопровода и геодезический подъем молока. Если учесть, что v = 2πrn, где r — радиус лопастей барабана, потребную частоту вращения барабана для преодоления гидравлического сопротивления, равного Н, можно определить по формуле: