КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПИЩЕВЫХ РАСТВОРОВ В ВЫПАРНЫХ УСТАНОВКАХ С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ
Рубрики: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Авторы:
1.
Уральский государственный аграрный университет
2.
Уральский государственный аграрный университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 55
по 58
Статус:
Опубликован
Получено:
25.04.2018
Одобрено:
25.04.2018
Опубликовано:
25.04.2018
Классификаторы:
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
выпарной аппарат, тепловой насос, вторичный пар, греющий пар, технологический раствор, концентрирование, многокорпусные установки, мембранные аппараты
Аннотация (русский):
Рассматриваются различные способы концентрирования технологических пищевых растворов на основе приме- нения однокорпусных и многокорпусных выпарных установок, а также мембранной технологии. Показано, что для условий концентрирования термолабильных растворов (ягодные и фруктовые соки и экстракты) наиболее перспек- тивным может быть использование вакуумных однокорпусных выпарных установок с тепловым насосом и с полной регенерацией теплоты сконцентрированного раствора (продукта) и конденсата выпаренного растворителя (воды). Предложены принципиальная схема такой установки и способ полной регенерации тепловой энергии для этого ме- тода. Представлены результаты численных исследований по определению и сравнительной оценке удельных затрат энергии на концентрирование. При этом удельные затраты энергии на концентрирование растворов определялись как отношение мощности (тепловой или электрической), затраченной на выпаривание, к массовому расходу выпаренной воды. В результате численного анализа показано, что предложенный метод концентрирования и известная мембранная технология концентрирования - наиболее экономичные методы проведения процесса. Отмечено также, что традици- онный метод многокорпусного выпаривания может иметь сопоставимую энергетическую эффективность лишь при большом числе корпусов установки, что технологически несовместимо с задачами концентрирования термолабильных технологических пищевых растворов. Полученные результаты положены в основу разработки опытно-промышленной установки для концентрирования термолабильных и других технологических растворов в однокорпусном выпарном аппарате с тепловым насосом.
Рассматриваются различные способы концентрирования технологических пищевых растворов на основе приме- нения однокорпусных и многокорпусных выпарных установок, а также мембранной технологии. Показано, что для условий концентрирования термолабильных растворов (ягодные и фруктовые соки и экстракты) наиболее перспек- тивным может быть использование вакуумных однокорпусных выпарных установок с тепловым насосом и с полной регенерацией теплоты сконцентрированного раствора (продукта) и конденсата выпаренного растворителя (воды). Предложены принципиальная схема такой установки и способ полной регенерации тепловой энергии для этого ме- тода. Представлены результаты численных исследований по определению и сравнительной оценке удельных затрат энергии на концентрирование. При этом удельные затраты энергии на концентрирование растворов определялись как отношение мощности (тепловой или электрической), затраченной на выпаривание, к массовому расходу выпаренной воды. В результате численного анализа показано, что предложенный метод концентрирования и известная мембранная технология концентрирования - наиболее экономичные методы проведения процесса. Отмечено также, что традици- онный метод многокорпусного выпаривания может иметь сопоставимую энергетическую эффективность лишь при большом числе корпусов установки, что технологически несовместимо с задачами концентрирования термолабильных технологических пищевых растворов. Полученные результаты положены в основу разработки опытно-промышленной установки для концентрирования термолабильных и других технологических растворов в однокорпусном выпарном аппарате с тепловым насосом.
Ключевые слова:
выпарной аппарат, тепловой насос, вторичный пар, греющий пар, технологический раствор, концентрирование, многокорпусные установки, мембранные аппараты
выпарной аппарат, тепловой насос, вторичный пар, греющий пар, технологический раствор, концентрирование, многокорпусные установки, мембранные аппараты
Положительная рецензия представлена Г. Б. Пищиковым, доктором технических наук, профессором Уральского государственного экономического университета. Как известно, концентрирование жидких пище- вых продуктов (фруктовых и овощных соков, молока, сыворотки, экстрактов и др.) методом выпаривания является одним из распространенных способов кон- сервирования, при котором можно наиболее полно Е - внешняя мощность, затрачиваемая при кон- центрировании, Вт. Для однокорпусных и многокорпусных выпар- ных установок значение затрачиваемой мощности Е определится соотношением: сохранить их полезные свойства [1]. Однако достичь E D0 i1 i2 , (2) такого эффекта удается лишь при определенных усгде D0 - массовый расход пара, поступающего от ловиях, основными из которых являются невысокие температуры выпаривания, порядка 42-50 °С. Это означает, что выпаривание жидких пищевых про- дуктов должно протекать при кипении выпаривае- мых растворов в условиях вакуума при абсолютном давлении над кипящим раствором 8-12 кПа [2]. При этом разработчики выпарного оборудования стал- киваются с проблемой снижения затрат энергии на выпаривание, которая не может быть решена на ос- нове общеизвестного способа использования много- корпусных установок [3-4], так как их применение приводит к необходимости работы при высоких тем- пературах кипения (100 °С и выше) в первых по ходу греющего пара корпусах выпарной установки [5]. Известный метод повышения концентрации тех- нологических растворов с помощью мембранных ап- паратов [3-4, 6-8] является достаточно экономичным современным способом концентрирования раство- ров. Однако возможность эффективного использова- ния мембранной технологии снижается при высоких степенях конечного концентрирования растворов. Предварительный анализ путей решения постав- ленной задачи позволил предложить для концентри- рования жидких пищевых растворов известный, но в определенной степени забытый способ выпаривания в однокорпусной выпарной установке с тепловым насосом [9-10]. цель и методика исследований Целью настоящей работы явился сравнительный анализ эффективности концентрирования жидких пищевых сред следующими конкурентными спо- собами: известный метод использования многокор- пусных выпарных установок, установок для концен- трирования на основе мембранного метода и способ концентрирования с использованием однокорпусно- го выпарного аппарата с тепловым насосом. Основной оценкой энергетических затрат в уста- новках, предназначенных для концентрирования технологических растворов (удаление из растворов воды), выступает соотношение, которое определяет значение коэффициента удельной затраты внешней энергии на единицу массы выпаренного растворите- ля (воды) φ: внешнего источника в греющую камеру первого корпуса выпарной установки, кг/с; i1 - теплосодержание пара, поступающего в гре- ющую камеру первого корпуса выпарной установки, Дж/кг; i2 - теплосодержание конденсата греющего пара, удаляемого из греющей камеры первого корпуса выпарной установки, Дж/кг. Таким образом, в предложенном к анализу методе выпаривания с тепловым насосом мощность E пред- ставляет собой мощность, затрачиваемую на сжатие вторичного пара, удаляемого из сепаратора и направ- ляемого с помощью этого насоса в греющую камеру выпарного аппарата. В аппаратах мембранной тех- нологии мощность Е представляет собой мощность, затрачиваемую на прокачивание исходного раствора через пористые стенки соответствующих мембран. В типовых однокорпусных и многокорпусных вы- парных установках мощность Е представляет собой мощность тепловой энергии пара, поступающего от внешнего источника в греющую камеру первого кор- пуса выпарной установки. Принципиальная схема принятой к сравнитель- ному анализу однокорпусной выпарной установки с тепловым насосом представлена на рис. 1. Установка включает в себя выпарной аппарат 1, состоящий из греющей камеры А и сепаратора Б, а также теплово- го насоса 2 и вакуумного насоса 3. Греющая камера А представляет собой кожу- хотрубный паровой теплообменник со стекающей пленкой жидкости по внутренней поверхности гре- ющих труб. Межтрубное пространство теплообмен- ника служит камерой для конденсации пара, теплота конденсации которого обеспечивает нагрев и выпа- ривание стекающей пленки жидкости. Отделение пара, полученного при кипении стекающей пленки жидкости в трубках (вторичный пар), осуществля- ется в сепараторе Б, которая представляет собой емкость, в которой пар как более легкий компонент удаляется через верхний штуцер, а упаренная (скон- центрированная) жидкость - через нижний штуцер сепаратора Б. Для обеспечения непрерывного про- ведения процесса давление вторичного пара с помо- щью теплового насоса 2 повышается до параметров Е W , Дж/кг (1) греющего пара в греющей камере аппарата 1, куда он подается для повторного использования в качестве где W - расход количества выпаренного раство- рителя (воды) из концентрируемого (выпариваемого) раствора, кг/с; греющего пара. Вакуумный насос 3, предусмотренный в схеме установки, обеспечивает возможность работы вы- Рис. 1. Схема однокорпусной выпарной установки с тепловым насосом. Установка: 1 - выпарной аппарат; 2 - тепловой насос; 3 - вакуумный насос. Коммуникации: 1 - исходный слабоконцентрированный раствор; 2 - упаренный раствор; 3 - вторичный пар; 4 - конденсат греющего пара; 5 - греющий пар; 6 - неконденсирующиеся газы Fig. 1. Scheme of single-hull evaporator with heat pump. Installation: 1 - evaporator; 2 - heat pump; 3 - vacuum pump. Communications: 1 - initial weakly concentrated solution; 2 - evaporated solution; 3 - secondary steam; 4 - steam condensate; 5 - heating steam; 6 - noncondensing gases Рис. 2. Результаты численного анализа сравнительной энергетической эффективности сопоставляемых методов концентрирования пищевых сред. 1 - многокорпусные установки; 2 - мембранные установки; 3 - однокорпусные установки с тепловым насосом Fig. 1. Results of numerical analysis of the comparative energy efficiency of the comparative methods of concentrating food. 1 - multi-hull installation; 2 - membrane plants; 3 - single-hull evaporators with heat pump парного аппарата под вакуумом, т. е. при пониженных температурах кипения выпариваемого раствора. Назначение этого насоса - удаление неконденсиру- ющихся газов из греющей камеры и поддержание в ней требуемого вакуума. Схема, представленная на рис. 1, свидетельствует, что в установке, по существу, обеспечивается про- цесс самовыпаривания поступающего раствора, т. е. путем использования тепловой энергии вторичного пара, полученного при его выпаривании. Это достигается за счет повышения давления вторичного пара до параметров греющего пара с помощью специаль- ного компрессорного устройства 2. Такое устрой- ство, которое обеспечивает перекачивание вторич- ного пара и повышение его теплового потенциала до параметров греющего пара, по сути представляет собой тепловой насос. Его работа обеспечивается за счет внешней энергии, подведенной к двигателю это- го насоса. результаты исследования Результаты численного исследования эффектив- ности известных способов концентрирования, вклю- чающих многокорпусные выпарные установки, мем- бранные установки и рассматриваемые в настоящей работе выпарные установки с тепловым насосом, позволили провести их сопоставление по величине удельной затраты энергии на выпариваниет φ. Результаты этого анализа представлены на рис. 2. Как видно из результатов сопоставления, предло- женный метод концентрирования, как и мембранная технология, обладают удельными затратами энергии на концентрирование значительно меньшими, чем затраты энергии при многокорпусном выпаривании. Эти показатели эффективности для сравниваемых методов сближаются лишь при большом числе кор- пусов выпарной установки, которые резко повышают металлоемкость оборудования и значительно услож- няют управляемость процессом концентрирования. выводы. рекомендации Таким образом, проведенный численный анализ показывает, что однокорпусные выпарные установки с тепловым насосом оказываются высокоэкономич- ными и эффективными. Однако их практическое вне- дрение требует проведения специальных исследова- ний на натурных моделях по отработке режимов их использования и запуска.
1. Ащеулов А. С. Исследование кинетики потоков в роторно-пленочном выпарном аппарате // Техника и технология пищевых производств. 2016. № 3. С. 98-103.
2. Магомедов Г. О. Разработка установки для производства концентрированных паст из фруктово-овощного сырья / Г. О. Магомедов и др. // Вестник Воронежского гос. университета инженерных технологий. 2015. № 3. С. 13-16.
3. Вобликова Т. В. Процессы и аппараты пищевых производств : учеб. пособие / Т. В. Вобликова, С. Н. Шлы- ков, А. В. Пермяков. СПб. : Лань, 2017. 204 с.
4. Бредихин С. А. Процессы и аппараты пищевой технологии : учеб. пособие / С. А. Бредихин и др. СПб. : Лань, 2014. 544 с.
5. Минухин Л. А. Тепловое варочное оборудование предприятий пищевых производств и общественного питания : учеб. пособие / Л. А. Минухин, С. В. Шихалев. Екатеринбург, 2014. 34 с.
6. Тимкин В. А., Минухин Л. А., Гальчак И. П., Лазарев В. А. Разработка баромембранной технологии пере- работки молочной сыворотки // Аграрный вестник Урала. 2013. № 7.
7. Тимкин В. А. Баромембранные процессы в молочной промышленности // Аграрный вестник Урала. 2017. № 6.
8. Тимкин В. А., Горбунова Ю. А. Исследование процессов микро- и ультрафильтрации в производстве тво- рога // Пища. Экология. Качество : мат. XIII междунар. науч.-практ. конф. Красноярск, 2016.
9. Минухин Л. А., Меньшенин Г. А. Исследование возможности создания высокоэффективных выпарных установок // Аграрное образование и наука. 2013. № 4. С. 5.
10. Гуревич П. Ю., Маньков А. В., Минухин Л. А. Экспериментальная вакуум-выпарная установка с тепло- вым насосом с возможностью полной автономной работы // Молодежь и наука : междунар. аграрный науч. журн. 2017. № 3.
