板式殺菌機在飲品特別是乳品工業生產中應用廣泛,板式殺菌機可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。殺菌溫度是否能達到要求與板式殺菌的換熱面積及自動控制都有關系,其中換熱面積的計算是關鍵。僅以生產處理量為1 500型板式巴氏殺菌機為例進行闡述。
利用蒸汽通過板式換熱器將常溫水加熱至過熱水,再利用過熱水對物料進行間壁加熱,加熱至規定溫度后保溫,保持時間通常為幾秒,然后根據要求降溫或直接進入下道工序。降溫方法一般分兩步進行:第一步是利用物料對進料進行預熱,第二步是采用冰水對物料進行進一步降溫,之后進入下道工序。上述過程要根據具體生產工藝要求進行確定。
本例殺菌機工作過程: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→板式間壁預熱物料(殺菌同時料液降溫)→殺菌后料液進入板式換熱器間壁換熱(或采用冰水進一步降溫)→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)將常溫水經過板式間壁式換熱器加熱至145℃,然后利用過熱水通過板式換熱器加熱物料,使物料溫度升至135℃,即可進入保持管保溫5 s后進入板式換熱器的預熱段進行降溫,殺菌后料液降溫至所需溫度,即進入下道工序。
本板式殺菌機換熱面積計算包括兩部分,一部分是物料預熱段,一部分是物料殺菌段。
物料預熱分三段完成。經過超高溫殺菌后料液溫度為135℃,最初進料溫度按20℃計算,第一段設定溫度為20℃的進料經過預熱后升溫至45℃,第二段物料由45℃升溫至65℃,第三段物料由65℃升溫至95℃,殺菌后料液返回經過第二段預熱段后溫度從135℃降至80℃,進過第一段預熱段溫度降為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(1)得出Q=145 875 k J/h
k—傳熱系數,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)按對數溫差計算傳熱溫差
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為0.97,計算換熱面積為:
F=116 700/(4 186.8×42.45×0.97)=0.68 m2
實際換熱面積按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)按對數溫差計算傳熱溫差
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為0.97,計算換熱面積為:
F=175 050/(4 186.8×42.45×0.97)=1.015 m2
實際換熱面積按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℃。
計算得出:F=2 3 3 4 0 0/(4 186.8×64.35)=0.86 m2。
本機的特點是改原開口熱水缸為封閉式熱水缸,并加熱成過熱水用于超高溫殺菌,實踐表明效果良好。殺菌溫度是否能夠達到設計要求,與殺菌過程的各個階段換熱面積計算有關。過去殺菌溫度不夠穩定,其中主要影響因素是換熱面積計算偏小,其次是殺菌工藝過程不合理以及自動控制不精準。
板式巴氏殺菌及超高溫滅菌能否達到效果,最為關鍵的影響因素是換熱面積即預熱面積、殺菌面積是否足夠,控制是否合理,是否精準。其次是生產必須嚴格按照自動操作規程進行,否則很難滿足生產需要。生產一個班次結束后,必須按照設備自動清洗步驟進行切換清洗。清洗要徹底,否則會影響下個班次的正常使用。
