Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 19 Аппараты для охлаждения и замораживания

пищевых сред

271

Инженерные расчеты. Оценка затрат энергии на замораживание продукта до раз-

личных температур при использовании криопроцессов производится на основе величи-

ны холодильного коэффициента г

/N,

где Фо - расход теплоты, отводимой от продукта при замораживании, кВт; N

—

затраты

мощности на замораживание, кВт.

Расход теплоты Ф

(кВт), отводимой от продукта при замораживании от заданной

начальной до заданной конечной температуры, равен

= (тД/)/т,

где т - масса продукта, кг;

Аг

- разность удельных энтальпий продукта при начальной и

конечной температурах продукта, кДж/кг; т - продолжительность замораживания, с.

Продолжительность замораживания т рассчитывается по формуле Планка как

х = [Дф/(Г

-_-

)Хб/2)(8/4^

1/а)=4Д17(Г

-Т

)]

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м

-К;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;

р - плотность продукта кг/м

; 8 - толщина продукта, м; А = (р8 /

)(б

4Х

/ а) - ком-

плекс, зависящий от вида, размеров продукта и условий замораживания; Т

- темпера-

тура начала замерзания, К; Г

- температура кипения хладагента, К.

Затраты мощности на замораживание N (кВт) рассчитывается в виде

[m{T

-T

){T-T

)j/AT

где

Т—

температура окружающей среды, К.

...Какова бы ни была профессия молодого

специалиста - рабочий ли он, инженер, педагог,

агроном, врач, научный работник, - важно

чтобы он был творческим человеком.

НЕСМЕЯНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ (1899-1980)

химик-органик, академик АН СССР

19.8 ТЕХНИКА БУДУЩЕГО: НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Морозильная камера (Пат. № 2162578 РФ, F25 D13/00) предназначена для ис-

пользования в холодильной технике.

На рис. 19.35 представлена морозильная камера. Морозильная камера содержит

теплоизолированный корпус / с отсеками 2 для размещения продуктов, каждый из

которых образован горизонтальной панелью 3 с встроенным в нее контуром 4 цир-

куляции хладагента, поддон 5 для сбора воды.

Морозильная камера снабжена встроенным в каждую горизонтальную панель 3

контуром 6 циркуляции теплоагента для оттаивания морозильной камеры, съемны-

ми перфорированными вставками 7 с отверстиями 8, выполненными из низкотепло-

проводного материала, например, стеклопластика, и экраном 9. Горизонтальные па-

нели 3 выполнены перфорированными и имеют отверстия 10. Каждая перфориро-

272 Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

ванная вставка 7 размещена над горизонтальной панелью 3, а экран 9 размещен под

панелью 3. Каждый экран 9 образован в виде жалюзи 11 желобообразной формы и

посредством водоотводящего трубопровода 12 сообщен с поддоном 5. При закрытии

жалюзи 11 последние образуют желоба 13, сообщенные с трубопроводом 12.

Рис. 19.35 Морозильная камера

Хладагент, например сжиженный пропан, подают в контур 4 циркуляции, где

жидкий пропан испаряется, отбирая тепло от горизонтальной панели 3 и соприка-

сающегося с ней воздуха, циркулирующего за счет естественной конвекции. Про-

дукты, размещенные в отсеках 2 на вставках 7, охлаждаются и увлажняются от цир-

кулирующего охлажденного воздуха, который проходит по отсекам 2 через отвер-

стия 10 в горизонтальных панелях 3 и отверстия 8 во вставках 7. При работе моро-

зильной камеры в режиме «хранения продуктов» в приоткрытом состоянии обеспе-

чивается свободная циркуляция воздуха между отсеками 2.

При работе морозильной камеры в режиме оттаивания жалюзи 11 в экранах 9

закрывают, прекращают прокачку хладагента в контуре 4 циркуляции и подают в

контур 6 циркуляции теплоагент, который отогревает панели 3. При этом талая вода,

образующаяся при таянии льда, намороженного на панелях 3, стекает в желоб 13 и

посредством водоотводящего трубопровода 12, сообщенного с желобами 13, посту-

пает в поддон 5, откуда по мере накопления удаляется.

Вставки 7, выполненные из низкотеплопроводного материала, исключают кон-

такт продуктов с горизонтальной панелью 3, а, следовательно, продукт предохраня-

ется от примерзания к панели 3 и от нагрева при оттаивании камеры. Кроме того,

съемная вставка 7 служит в качестве полки, которая позволяет выгружать и загру-

жать продукты в морозильную камеру.

Морозильная камера отличается тем, что она снабжена встроенным в каждую

горизонтальную панель контуром циркуляции теплоагента для оттаивания моро-

зильной камеры, съемными перфорированными вставками из низкотеплопроводного

материала и экраном, при этом горизонтальные панели выполнены так, что каждая

перфорированная вставка размещена над горизонтальной панелью, экран - под по-

следней, причем каждый экран образован жалюзи желобообразной формы и посред-

ством водоотводящего трубопровода сообщен с поддоном.

Глава 19 Аппараты для охлаждения и замораживания

пищевых сред

273

Скороморозильный аппарат непрерывного действия для продуктов расти-

тельного происхождения (Пат. № 2162 992 РФ, F25 D13/00) предназначен для ис-

пользования в пищевой и сельскохозяйственной промышленности для холодильной

обработки продуктов растительного происхождения.

Исходный продукт

б)

в)

Рис.

19.36 Скороморозильный аппарат непрерывного действия

На рис. 19.36 изображен скороморозильный аппарат непрерывного действия

для продуктов растительного происхождения: а - общий вид; б - схема размещения

лопаток в каскаде; в - звукоизолирующее устройство.

Скороморозильный аппарат непрерывного действия содержит камеру 1, нагне-

тающие вентиляторы 2 и 3, теплообменник 4, холодильную машину 5, газораспреде-

лительную систему, выполненную ступенчато в форме трех каскадов 6, 7, 8 охлажде-

ния, газоотводящий канал 9, загрузочный и разгрузочный желобы 10 и 11. Каждый

каскад состоит из воздухораспределительной решетки 12 с направляющими лотками

13,

расположенными под углом а. Причем линия АВ центров направляющих лопаток

274

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

13 (например, CD) расположена по диагонали АВ каскада охлаждения под углом р\

определяемым соотношением:

Н tga

где L - длина воздухораспределительной решетки 12 каскада охлаждения; Н— высо-

та входа потока воздуха в каскад охлаждения.

Линия центров направляющих лопаток - прямая АВ, на которой расположены

точки пересечения касательных к криволинейной поверхности направляющей ло-

патки.

Радиус скругления лопаток 13 находится по формуле:

ск

ял*'

где t

(0,25 - 0,5) Н - хорда дуги скругления.

Для регулировки подачи хладоносителя в каждом каскаде аппарата предусмот-

рены заслонки 14. Второй каскад 7 имеет звукоизлучающие устройства, вмонтиро-

ванные в стенки камеры и подключенные к генератору 75 низкой частоты. Они со-

стоят из электродинамических излучателей 16 и щелевых концентраторов 17 звука

для усиления воздействия на продукт.

Мелкоштучный продукт непрерывно подается в камеру /. На первом каскаде 6

продукт предварительно охлаждается до криоскопической температуры (например,

0...-5

°С), а на втором каскаде 7 происходит его замораживание в звуковом поле

при криоскопической температуре, на третьем каскаде 8 продукт дозамораживается

до заданной температуры (например -10...-20 °С). Направляющие лопатки 13, уста-

новленные таким образом, как описано выше, обеспечивают прохождение воздуха

между ними, подвод его к продукту и равномерное охлаждение последнего. Все это

способствует направленному движению продукта в псевдоожиженном состоянии от

загрузочного желоба к разгрузочному желобу //. Отработанный воздух по газоот-

водящему каналу 9 поступает на теплообменник 4, а затем вентиляторами 2 и 3 по-

дается на замораживаемый продукт, в результате чего создается замкнутый цикл

циркуляции воздуха внутри аппарата.

Скороморозильный аппарат непрерывного действия отличается тем, что газо-

распределительная система выполнена ступенчато в форме трех каскадов, а линия

центров направляющих лопаток расположена по диагонали под углом р\

Эскимогенератор (Пат. № 2176888 РФ, А23 G9/08) предназначен для произ-

водства мороженого в виде брикетов со вставленными палочками (эскимо).

На рис. 19.37, а изображен фрагмент общего вида эскимогенератора, разрез А-

А, разрез Б-Б; б - носитель со щеткой; в - установка щетки и крепление. Эскимоге-

нератор содержит горизонтальную вращающуюся карусель 1 с формочками 2, короб

выполненный в виде замкнутого кольца и установленный под каруселью 1, ванну

4 для замораживания мороженого с двойным перфорированным дном 5, боковыми

стенками 6 и торцовыми стенками 7 в виде волосяных щеток, имеющих разную вы-

соту в соответствии с профилем формочек и зазором между ними, расположенных

на носителе 8, движущихся по направляющей 9 с помощью коромысла 10 и стержня

Глава

Аппараты для охлаждения и замораживания

пищевых сред

275

11 с закрепленным на конце роликом 12, который движется по копиру 13, патрубки

14 для подачи теплоносителя в виде холодного рассола или горячей воды.

Эскимогенератор работает следующим образом: радиальные ряды формочек 2,

находящиеся на карусели /, передвигаются прерывисто по окружности, проходя

зоны замораживания и оттайки, теплоноситель через патрубок 14 подается в меж-

донное пространство ванн 4 и через перфорированное дно к формочкам, проходя-

щим через ванну 4.

Рассол полностью заполняет ванну, омывая формочки 2 по всей высоте, и сли-

вается через верх боковых стенок, и только часть теплоносителя сливается через

а)

276

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

торцевые стенки, просачиваясь через щетки. При этом щетки, закрепленные на но-

сителе 8, движутся по направляющей 9 возвратно-поступательно с помощью под-

пружиненного коромысла 10, на конце которого шарнирно закреплен стержень 11,

на другом конце установлен ролик 12, который движется по копиру 13, закреплен-

ному на карусели 1, что позволяет увеличить теплоотдачу от теплоносителя к моро-

женому за счет уменьшения термического сопротивления, так как щетки убирают

излишки оставшегося рассола и не дают ему испаряться и оставлять соли, что ведет

к увеличению производительности.

Эскимогенератор, отличается тем, что щетки размещены на носителе, установ-

ленном с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющей.

Устройство для хранения продуктов при низких температурах (Пат. №

2162577 РФ, F25 D13/00) предназначено для установки, например, в бортовых холо-

дильниках, применяемых на борту космической орбитальной станции типа «Мир».

На рис. 19.38 показано устройство для хранения продуктов при низких темпера-

турах, оно содержит теплоизолированный контейнер 1 с вертикальными боковыми

стенками 2, размещенный в нем испаритель 3 с контуром 4 циркуляции хладагента,

закрепленный на стенке 5 контейнера 1 вентилятор 6 для принудительного охлаж-

дения, отсеки 7 для размещения продуктов, образованные съемными полками 8,

расположенными одна под другой под испарителем 3. Устройство снабжено допол-

нительным контуром 9 циркуляции хладагента, подключенным посредством гибких

связей 10, выполненных, например, из пластичных фторопластовых труб, металли-

ческих рукавов и так далее, к основному контуру 4 циркуляции хладагента в испа-

рителе 3. Дополнительный контур 9 циркуляции хладагента размещен в одной из

съемных полок 77. В вертикальных противоположных боковых стенках 2 контейне-

ра 7 выполнены пазы 72 для перемещения по ним одной из полок 77, снабженной

защелками 13 для фиксации ее в требуемом положении по высоте контейнера 7. До-

полнительный контур 9 циркуляции хладагента имеет элементы для подключения к

автономной установке 16 прокачки хладагента, содержащие магистрали 14 прокачки

хладагента с отсечными клапанами 75.

Такой автономной установкой 16 может

быть, например, холодильная машина.

Хладагент, например сжиженный

пропан, подают в контур 4 циркуляции

хладагента испарителя 3, где жидкий

пропан испаряется, отбирая тепло от сте-

нок испарителя 3 и соприкасающегося с

ним воздуха. Охлажденный воздух от

испарителя 3 поступает в отсеки 7, где

охлаждает и увлажняет размещенный

там продукт. Перемещение воздуха в

контейнере 7 производится посредством

вентилятора 6 или естественной конвек-

цией.

Хладагент, подаваемый в дополни-

тельный контур 9 циркуляции по гибким

Рис.

19.38 Устройство для хранения продуктов СВЯЗЯМ 10 ОТ КОНТура ЦИркуЛЯЦИИ 4 ИСПа-

при низких температурах

Глава 19 Аппараты для охлаждения и замораживания 277

пищевых сред

рителя 3 или от автономной установки 16 прокачки хладагента, охлаждает полку 11

и дополнительно доохлаждает продукт, размещенный в отсеках 7, и циркулирую-

щий в них воздух. В зависимости от температуры прокачиваемого хладагента в до-

полнительном контуре 9 циркуляции осуществляют регулировку охлаждения про-

дуктов по отсекам 7, перемещая полку 11 выше или ниже и фиксируя ее посредст-

вом защелок 13 по высоте контейнера 1. Гибкие связи 10 обеспечивают работу кон-

тура 9 и перемещение полки 11 по пазам 12 между отсеками 7.

Полки 8, образующие отсеки 7 и предназначенные для размещения на них про-

дуктов, выполнены съемными и при необходимости вынимаются из контейнера 1,

например, при размещении негабаритных продуктов или для обеспечения передви-

жения полки 77 в соседний отсек 7 (по высоте контейнера 7) достигают заданный

температурный уровень в любом отсеке 7, при этом полку 77 используют в качестве

полки 8 для размещения на ней продуктов. Полка 77 и полка 8 содержат отверстия

18 для циркуляции воздуха внутри контейнера 7.

Устройство для хранения продуктов при низких температурах отличается тем,

что оно снабжено дополнительным контуром циркуляции хладагента.

Установка для вымораживания восковых веществ из растительных масел

(Пат. № 2156280 РФ, СП ВЗ/00) предназначена для вымораживания (винтеризации)

восковых веществ.

На рис. 19.39 изображена схема установки для криогенного вымораживания

восковых веществ из растительных масел: а - технологическая линия; б

—

криоген-

ный аппарат для вымораживания восковых веществ из растительных масел; в - вид

трубчатой мешалки. Технологическая линия для криогенного вымораживания вос-

ковых веществ из растительных масел состоит из насосов 1, 3,9, 12 и 14, емкости 2,

теплообменника 4, охладителя 5, криогенного аппарата 6, фильтров 7, сборника

осадка 8, промежуточного сборника 10, смесителя 77 и нагревателя 13.

Аппарат криогенного замораживания (рис. 19.39, б) включает в себя металлический

корпус 7 с привернутой к нему крышкой 2, медленно вращающимся перфорированным

валом 3 и приваренной к нему трубчатой мешалкой с отверстиями для равномерного

распределения паров азота по объему аппарата, и скребками 4 для очистки боковых

стенок аппарата от налипшего продукта, а также осевого вентилятора 5, установленного

на раме 6, имеющей возможность установки оси вентилятора перпендикулярно поверх-

ности масла для аналогичных целей, патрубков для загрузки 7 и выгрузки 8 продукта,

патрубка для подсоединения центробежного вентилятора для отвода паров азота 9.

В зоне загрузки жидкого продукта установлен стакан 10 из пищевого фторопла-

ста с целью исключения образования наростов загустевшего масла на стенках кор-

пуса. Вал выполнен с различной степенью перфорации по длине.

Трубчатая мешалка (рис. 19.39, в) представляет собой перфорированные трубки

10, приваренные к валу под углом 120°, в количестве 6 штук с приваренными к ним

шайбами 75 для обеспечения равномерного распределения азота через торцевые по-

верхности трубок.

Вал 3 (рис. 19.39, б) вращается в подшипниковых опорах, состоящих из под-

шипников 77 и крышки 72. Во избежание попадания в подшипники продукта они

уплотняются с одной стороны стаканом 70, а с другой - металлическим пружинным

кольцом с фторопластовой оболочкой 13.

278

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред __

С целью исключения теплопритоков из окружающей среды в рабочую зону ап-

парата и во избежание образования снеговой шубы аппарат снабжен теплоизоляци-

ей 14 из супертонкого стекловолокна.

Отработанные

пары азота

Жидкий

азот"

1 •»

а)

Рис.

19.39 Установка для вымораживания восковых веществ

10 5 6 3 14 „

7 w^"" <w

А(2:1)

б)

Рис.

19.39 Продолжение

в)

Масло насосом 3 подается в регенерационный теплообменник 4, где охлаждает-

ся вымороженным маслом, затем поступает в охладитель 5, в котором температура

масла понижается до 4... 12 °С, далее направляется в аппарат криогенного замора-

живания 6. Из него масло насосом 14 через нагреватель 13 перекачивается в фильт-

ры 7. Для улучшения условий фильтрования масло подогревается горячей водой до

20 °С в нагревателе 13, а на фильтре создают дренажный слой. Для этого в смеси-

тель 11 подают фильтрованное масло из фильтров 7 и дренажный материал (обычно

кизельгур). Готовят при перемешивании 3...5 %-ную суспензию дренажного мате-

риала в масле и насосом 12 ее непрерывно подают в линию масла в количестве

0,1...0,5 % к массе масла, поступающего на фильтрование. Для создания условий

Глава 19 Аппараты для охлаждения и замораживания 279

пищевых сред

лучшей кристаллизации периодически в криогенный аппарат 6 при помощи насоса

12 подается суспензия в количестве 0,05...0,1 % к массе масла для образования цен-

тров кристаллизации.

Криогенный аппарат

(рис.

.-19.39,

6) работает следующим образом. Масло пода-

ется непрерывно в верхний патрубок 7, попадает на мешалку 16, из отверстий кото-

рой и из перфорированного полого вала поступают пары азота. Азот подается из

емкости для хранения в отверстия вала под давлением 0,25 МПа, что препятствует

попаданию масла в отверстия.

При вращении вала 3 масло поступательно движется из патрубка загрузки 7 к

патрубку выгрузки 8, претерпевая стадии охлаждения, переохлаждения и кристал-

лизации. Осевой вентилятор 5 в процессе работы равномерно распределяет пары

азота по всему объему аппарата.

Поступательное движение обрабатываемого масла удается создать за счет воз-

можности изменения высоты стоек аппарата 17. Левые стойки должны быть выпол-

нены в виде двух соединенных нержавеющих труб, различного диаметра, располо-

женных соосно одна другой с просверленным отверстием для регулировочного вин-

та, находящегося в этом отверстии, или с помощью накладной гайки 18, закреплен-

ной под стойками.

Вымороженное таким образом масло (рис. 19.39, а) поступает на фильтры 7, в

которых возможно использование теплоты паров сконденсировавшегося азота для

плавления восков при очистке фильтров путем направления этих паров в подогрева-

тель 13.

При фильтровании первые мутные порции масла отводятся в смеситель 11, про-

зрачное масло поступает в промежуточный сборник 10, откуда насосом 9 через теп-

лообменник 4 подается в емкость 2 и насосом 1 - к потребителю.

Установка для вымораживания восковых веществ из растительных масел отли-

чается тем, что в качестве кристаллизатора используют криогенный аппарат.

* * *

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты:

Способы охлаждения и замораживания пищевых сред различаются по

принципу переноса теплоты и по контактированию с холодильным агентом.

Продолжительность процессов охлаждения и замораживания зависит

от теплофизических характеристик продуктов, условий теплообмена и опре-

деляется либо из уравнения теплопроводности, либо по закону регулярного теп-

лового режима.

Расход холодильного агента, циркулирующего в системе, зависит от те-

пловой нагрузки на холодильную установку и от ее удельной холодильной

мощности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Как определить теплоту, отводимую от продукта при охлаждении и при замораживании?

Каков физический смысл образования «снеговой шубы» при замерзании конденсирующейся

влаги?

Что характеризует криоскопическая температура пищевого продукта и как ее рассчитать?

Почему происходит вымораживание воды и как объяснить процесс льдообразования в биологи-

ческом объекте?

Каковы основные требования к пластинчатым охладительным установкам?

280 Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

6. Какие факторы влияют на интенсивность процесса теплообмена в пастеризационно-

охладительных установках?

Чем отличается открытый охладитель творога от закрытого?

8. Каковы основные направления повышения эффективности работы трубчатого охладителя?

9. В чем заключается сущность теплового расчета установок для охлаждения?

10.

Каково устройство и каков принцип действия камер охлаждения и замораживания?

11.

Чем закалочная камера отличается от камеры замораживания?

12.

Какие типы морозильных аппаратов применяют в современной холодильной технике?

13.

Какова техническая характеристика скороморозильных аппаратов?

14.

Каков принцип действия и каково устройство плиточного морозильного аппарата?

15.

Каковы принципиальные отличия фризеров, эскимо- и льдогенераторов?

16.

Что представляет собой цилиндр фризера с приемным бункером и впускным клапаном?

17.

Чем отличаются льдогенераторы снежного и чешуйчатого льда?

18.

Как определяется удельная работа компрессора холодильной машины?

19.

«-Как классифицируются бытовые холодильники и морозильники по способу получения холода?

20.

В чем заключается особенность работы установок криогенного замораживания?

УПРАЖНЕНИЯ

Предложите в виде эскизов Ваши решения инженерных задач, связанных с развитием конструкций:

- охладительных установок и охладителей;

- камер охлаждения и замораживания;

- морозильных аппаратов;

- фризеров, эскимо- и льдогенераторов;

- бытовых холодильников и морозильников;

- установок криогенного замораживания.

Эти решения должны предполагать совершенствование, модернизацию оборудования с целью дос-

тижения одного или нескольких следующих результатов:

- повышение производительности;

- повышение качества продукции;

- улучшение условий труда рабочего с точки зрения эргономики, техники безопасности и охраны

труда;

- экономию времени на санитарное обслуживание оборудования;

- экономию времени на техническое обслуживание оборудования;

- экономию энергоресурсов;

- экономию конструкционных материалов;

- повышение технологичности конструкции с точки зрения изготовления и ремонта;

- улучшение дизайна оборудования;

- снижение себестоимости продукции другими, кроме перечисленных выше, путями.

Вместе с этими, преимущественно машиноведческими, аспектами рассмотрите возможность раз-

вития конструкций машин и аппаратов с точки зрения повышения качества самих технологических про-

цессов, которые реализуются этим оборудованием. Речь идет об увеличении точности, устойчивости,

надежности, управляемости и стабильности технологических процессов, а также о снижении их чувст-

вительности к возмущающим факторам окружающей среды.

По результатам Вашей работы сделайте заключение о том, в какой мере Ваши предложения повы-

шают готовность машин и аппаратов к эффективной автоматизации данных технологических процессов.