板式殺菌機(jī)在飲品特別是乳品工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,板式殺菌機(jī)可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。殺菌溫度是否能達(dá)到要求與板式殺菌的換熱面積及自動(dòng)控制都有關(guān)系,其中換熱面積的計(jì)算是關(guān)鍵。僅以生產(chǎn)處理量為1 500型板式巴氏殺菌機(jī)為例進(jìn)行闡述。
利用蒸汽通過(guò)板式換熱器將常溫水加熱至過(guò)熱水,再利用過(guò)熱水對(duì)物料進(jìn)行間壁加熱,加熱至規(guī)定溫度后保溫,保持時(shí)間通常為幾秒,然后根據(jù)要求降溫或直接進(jìn)入下道工序。降溫方法一般分兩步進(jìn)行:第一步是利用物料對(duì)進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱,第二步是采用冰水對(duì)物料進(jìn)行進(jìn)一步降溫,之后進(jìn)入下道工序。上述過(guò)程要根據(jù)具體生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行確定。
本例殺菌機(jī)工作過(guò)程:蒸汽→板式換熱器殼程→疏水;熱水→板式換熱器殼程→保持。
殺菌后料液→板式間壁預(yù)熱物料(殺菌同時(shí)料液降溫)→殺菌后料液進(jìn)入板式換熱器間壁換熱(或采用冰水進(jìn)一步降溫)→排料。
(1)料液處理量:1 500 kg/h
(2)殺菌溫度:135℃
(3)牛奶比熱容:3.89 k J/kg·℃
(4)使用蒸汽壓力:0.6 MPa
采用蒸汽(0.75 MPa)將常溫水經(jīng)過(guò)板式間壁式換熱器加熱至145℃,然后利用過(guò)熱水通過(guò)板式換熱器加熱物料,使物料溫度升至135℃,即可進(jìn)入保持管保溫5 s后進(jìn)入板式換熱器的預(yù)熱段進(jìn)行降溫,殺菌后料液降溫至所需溫度,即進(jìn)入下道工序。
本板式殺菌機(jī)換熱面積計(jì)算包括兩部分,一部分是物料預(yù)熱段,一部分是物料殺菌段。
物料預(yù)熱分三段完成。經(jīng)過(guò)超高溫殺菌后料液溫度為135℃,最初進(jìn)料溫度按20℃計(jì)算,第一段設(shè)定溫度為20℃的進(jìn)料經(jīng)過(guò)預(yù)熱后升溫至45℃,第二段物料由45℃升溫至65℃,第三段物料由65℃升溫至95℃,殺菌后料液返回經(jīng)過(guò)第二段預(yù)熱段后溫度從135℃降至80℃,進(jìn)過(guò)第一段預(yù)熱段溫度降為35℃。
Δt1=85-45=40℃,Δt2=50-20=30℃,則Δt=(40-30)/ln(40/30)=34.76℃
式中:
F—換熱面積,m2
Q—換熱熱量,k J/h,根據(jù)(1)得出Q=145 875 k J/h
k—傳熱系數(shù),k J/m2·h·℃,這里k=4 186.8 k J/m2·h·℃
Δt—傳熱溫差,℃。
F=145 875/(4 186.8×34.76×0.97)=1.03 m2
實(shí)際換熱面積按1.25選取,則F'=1.25×1.03=1.29 m2
(1)熱量Q=1 500×3.89×(65-45)=116 700 k J/h
(2)按對(duì)數(shù)溫差計(jì)算傳熱溫差
110℃→85℃
65℃↖45℃
Δt1=110-65=45℃,Δt2=85-45=40℃,則Δt=(45-40)/ln(45/40)=42.45℃。
(3)查安德伍德和鮑曼曲線圖得溫度修正系數(shù)為0.97,計(jì)算換熱面積為:
F=116 700/(4 186.8×42.45×0.97)=0.68 m2
實(shí)際換熱面積按1.25選取,則F'=1.25×0.68=0.85 m2
(1)Q=1 500×3.89×(95-65)=175 050 k J/h
(2)按對(duì)數(shù)溫差計(jì)算傳熱溫差
135℃→110℃
95℃↖65℃
Δt 1=1 3 5-9 5=4 0℃,Δt2=110-65=45℃,則Δt=(45-40)/ln(45/40)=42.45℃。
(3)查安德伍德和鮑曼曲線圖得溫度修正系數(shù)為0.97,計(jì)算換熱面積為:
F=175 050/(4 186.8×42.45×0.97)=1.015 m2
實(shí)際換熱面積按1.25選取,則F'=1.25×1.015=1.27 m2。
Q=1 500×3.89×(135-95)=233 400 k J/h
167℃→167℃
25℃↖145℃
Δt 1=1 6 7-2 5=1 4 2℃,Δt2=167-145=22℃,則Δt=(142-22)/ln(142/22)=64.35℃。
計(jì)算得出:F=2 3 3 4 0 0/(4 186.8×64.35)=0.86 m2。
本機(jī)的特點(diǎn)是改原開(kāi)口熱水缸為封閉式熱水缸,并加熱成過(guò)熱水用于超高溫殺菌,實(shí)踐表明效果良好。殺菌溫度是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求,與殺菌過(guò)程的各個(gè)階段換熱面積計(jì)算有關(guān)。過(guò)去殺菌溫度不夠穩(wěn)定,其中主要影響因素是換熱面積計(jì)算偏小,其次是殺菌工藝過(guò)程不合理以及自動(dòng)控制不精準(zhǔn)。
板式巴氏殺菌及超高溫滅菌能否達(dá)到效果,最為關(guān)鍵的影響因素是換熱面積即預(yù)熱面積、殺菌面積是否足夠,控制是否合理,是否精準(zhǔn)。其次是生產(chǎn)必須嚴(yán)格按照自動(dòng)操作規(guī)程進(jìn)行,否則很難滿足生產(chǎn)需要。生產(chǎn)一個(gè)班次結(jié)束后,必須按照設(shè)備自動(dòng)清洗步驟進(jìn)行切換清洗。清洗要徹底,否則會(huì)影響下個(gè)班次的正常使用。
