Тетра Пак. Технология производства молока
Подождите немного. Документ загружается.
Теплоноситель поступает из водяных или паровых котлов, которые иногда располагаются в
нагревательной установке. В качестве котельноготоплива обычно используются мазут, уголь или газ.
Сжигаемое топливо высвобождает тепловую энергию, которая поглощается теплоносителем.
Коэффициент полезного действия котла обычно колеблется в пределах 80–92%, а тепловые потери в системе
трубопроводов часто доходят до 15%. В конечном счете только 65–70% всей тепловой энергии топлива могут
быть использованы в производственных процессах. С точки зрения эксплуатационных расходов чрезвычайно
важно, чтобы кпд котла не опускался ниже определенного минимума, и поэтому на молочном заводе данная
характеристика котла очень тщательно контролируется.
Температура пара в паропроводящей системе, о которой речь пойдет ниже, должна находиться в
пределах 140–150С. В варианте насыщенного пара это эквивалентно давлению 270–385 кПа (2,7–3,8 бара).
Котлы функционируют при значительно более высоком давлении – как правило, оно составляет 900–1100 кПа
(9–11 бар), поэтому для компенсации потерь тепла и давления в системе можно использовать трубы меньших
диаметров.
На рис. 6.11.4 представлена упрощенная схема системы производства и распределения пара. В воде,
поступающей в котел, часто содержатся соли кальция, которые придают ей жесткость, а также кислород и
двуокись углерода. Поэтому часто бывает необходимо предварительно очистить воду от этих компонентов.
В противном случае в системе осаждаются соли, а на стенках котла будет образовываться накипь, резко
снижающая кпд. Кислород вызовет сильную коррозию деталей, контактирующих с водой и паром. Поэтому
система оснащается фильтрами, предназначенными для умягчения воды (10), которые задерживают соли
кальция и магния, устройством (11), удаляющим из воды газы. Примеси в виде шлама удаляются продувкой
котла. Для поддержания паровой системы в исправном состоянии необходима химическая обработка бойлерной
воды.
Нагнетающий насос поддерживает постоянный уровень воды в котле. Вода в котле нагревается
сгорающим топливом и превращается в пар. Для выпаривания 1 кг воды требуется значительное количество
теплоты – около 2260 кДж (540 кКал) при атмосферном давлении. Эта теплота парообразования впоследствии
высвобождается при конденсации пара на теплопередающих поверхностях устройств, потребляющих пар (5).
Сконденсировавшийся пар (конденсат) собирается в конденсационный горшок (6) и в конденсатный бак
(7), откуда перекачивается обратно в котел насосом для конденсата.
Паровые котлы
Существуют два основных типа паровых котлов: жаротрубный (наиболее часто употребляемый на
молочных заводах) и водотрубный. Выбор определяется необходимым давлением пара и мощностью пара, то
есть количеством пара, потребляемого в единицу времени. Котлы низкой производительности и низкого
давления – это чаще всего котлы трубного типа, в которых газы циркулируют по жаровым трубам.
Рис. 6.11.4 Система производства и распределения пара.
1 Котел
2 Распределительный сосуд для пара высокого давления
3 Редукционный клапан
4 Распределительный сосуд для пара низкого давления
5 Точки потребления
6 Конденсационные горшки
7 Конденсатный бак
8 Конденсатный насос
9 Бак для бойлерной воды
10 Фильтр для умягчения воды
11 Дегазация бойлерной воды
12 Насос для бойлерной воды
Пар
Рис. 6.11.5 Принцип работы жаротрубного котла.
На рис. 6.11.5 показан принцип работы жаротрубного котла (дымогарного).
Горячие дымовые газы прогоняются по трубам вентилятором. Через стенки труб теплота дымовых
газов передается воде, окружающей трубы.
Вода нагревается до кипения, а пар собирается в сухопарнике (паровом колпаке) для дальнейшего
распределения в системе.
Когда давление в сухопарнике достигает расчетного уровня, открывается паровой клапан и пар
направляется к местам потребления. Горелка включается и выключается автоматически, поддерживая
постоянное давление пара.
Вода добавляется в котел по мере необходимости для поддержания ее постоянного уровня. При
превышении максимально допустимого давления пара в сухопарнике открывается предохранительный клапан.
Существует большое разнообразие моделей водотрубных котлов (рис. 6.11.6). Принцип их действия
состоит в том, что находящиеся снаружи дымовые газы нагревают воду, проходящую по трубам, что позволяет
образующемуся в них пару подниматься вверх, к сухопарнику. Перед поступлением в систему распределения
пар через пароперегреватель попадает в два верхних сухопарника. В пароперегревателе пар вторично
нагревается, т.е. перегревается дымовыми газами. В результате пар становится более сухим. В нижнем колпаке
собирается осадок, который состоит из примесей, присутствовавших в бойлерной воде. Этот осадок удаляется
продувкой нижней части котла. В других моделях осадок скапливается на дне котла.
Сбор конденсата
Пар, проходящий по трубам системы, охлаждается окружающим воздухом и, как следствие этого,
начинает конденсироваться. Конденсацию можно уменьшить, изолируя трубы, но полностью избежать ее
невозможно.
Следовательно, трубы нужно монтировать с небольшим наклоном в направлении сборников
конденсата, которые находятся в различных точках системы трубопроводов.
В этих точках устанавливаются конденсационные горшки. Они пропускают конденсат (и желательно
воздух), но не пропускают пар. Таким же образом собирается конденсат в различных местах нахождения
потребителей пара и возвращается конденсатными насосами по трубопроводам в сборный бак нагревающей
установки. Конденсат также может быть возвращен в водяной бак и давлением пара без применения
конденсатного насоса или конденсатного бака. Такая система нашла широкое применение.
Другое оборудование
Топочное оборудование промышленных паровых котлов состоит из собственно топки. Чаще всего это
мазутная топка с распылителем, в котором мазут превращается в мельчайшую взвесь. Эта взвесь
воспламеняется высоковольтными электродами, а образовавшиеся в результате ее сгорания газы
распределяются внутри котла вентилятором.
Котел также оснащен системой безопасности для исключения риска несчастных случаев или поломок.
На современных паровых котлах установлены системы автоматического управления, позволяющие их
эксплуатировать без постоянного надзора со стороны оператора.
Система паровых трубопроводов
Принципиальная схема системы распределения пара и сбора конденсата показана на рис. 6.11.7. Пар
проходит через главный клапан в сухопарнике котла и через редукционный клапан к распределительному
сосуду, от него – к различным потребителям. Часто редукционный клапан устанавливается непосредственно
перед потребителем для точной регулировки давления пара. Система паровых трубопроводов подвергается
большим температурным перепадам. Это приводит к значительному тепловому расширению труб. Поэтому
трубы нужно монтировать так, чтобы ничто не препятствовало их осевому перемещению.
Охлаждение
Технологический процесс производства продукта должен протекать при строго определенных
температурных условиях. Повышение температуры обычно приводит к активизации микроорганизмов, которые
могут присутствовать в продукте, а также к ускорению протекания ферментативных реакций. Такой активности
нужно всячески избегать, для этого необходимо как можно быстрее после завершения определенного этапа
технологического процесса снизить температуру продукта. Следовательно, на молочных заводах потребность в
охлаждении достаточно велика, при этом эксплуатационные расходы на холодильное оборудование составляют
заметную статью бюджета предприятия.
Принцип охлаждения
Принцип охлаждения основан на поглощении тепла при превращении жидкости в пар. Это явление,
теплота испарения, уже упоминалось при описании парового котла. Внутреннее давление в паровом котле выше
атмосферного давления, и поэтому вода в котле закипает при более высокой температуре. Когда давление
повышено до 1000 кПа (10 бар), вода закипает при 183С.
И наоборот, если давление понижено, вода закипает при более низкой температуре. При атмосферном
давлении вода кипит при 100С (рис. 6.11.8 В). Если давление ниже атмосферного, создается вакуум, и вода
кипит при температуре ниже 100С. Подключив вакуумный насос к сосуду с водой и снизив абсолютное
давление до 50 кПа (0,5 бара), можно заставить воду кипеть при 80С. А если давление снизить до 1,25 кПа
(0,0125 бара), вода закипит при 10С.
Если в последнем случае сосуд поместить в изолированное помещение, в котором температура воздуха
равна 20С, тепло будет передаваться от воздуха к воде, находящейся в сосуде. Вода в этом случае превратится в
пар. Если образовавшийся таким образом пар непрерывно удаляется, так что давление внутри емкости не
превышает 1,25 кПа, воздух в помещении будет охлаждаться в процессе передачи тепла воде, находящейся в
сосуде, то есть вода будет играть роль хладагента. 1,25 кПа – это очень низкое давление, и поэтому было бы
слишком дорого использовать воду в качестве хладагента. Существуют другие жидкости, которые закипают при
той же температуре, но гораздо более высоких давлениях. У такой жидкости давление насыщенного пара выше,
чем у воды. Возьмем, например, эфир. Если капля этой жидкости попадет на кожу, мы сразу ощутим холод.
Причина в том, что тепло от кожи переходит к жидкому эфиру в момент его кипения и преобразования в пар.
Эфир кипит при температуре ниже 37С при атмосферном давлении. Если давление на поверхности жидкости
снижать с помощью вакуумного насоса, можно заставить ее закипеть при температурах ниже нуля.
В качестве хладагента широко используется аммиак. Он кипит при атмосферном давлении при
температуре минус 33С. Если давление снизить до 50 кПа (0,5 бара), аммиак будет кипеть при минус 45С.
Фреон R22 – еще один известный хладагент, который, в отличие от аммиака, не токсичен и не имеет запаха, а
также не горит и не взрывается. Как хладагент он имеет примерно одинаковое с аммиаком давление
насыщенного пара при различных температурах. Применение таких хладагентов, как R12 и R22, сегодня в
большинстве стран ограничено, так как они способствуют разрушению озонового слоя в стратосфере земли.
Основу этих хладагентов составляют хлорированные фторуглероды (ХФУ). И именно хлор оказывает
разрушительное воздействие на озон. Кроме того, ХФУ – одни из виновников нарастания так называемого
парникового эффекта. При выборе системы охлаждения желательно по возможности заменять хладагенты ХФУ
безопасными для окружающей среды веществами.
Работа системы охлаждения
Система охлаждения – это замкнутая схема, в которой хладагент непрерывно преобразуется из газового
состояния в жидкое, и наоборот, поочередно подвергаясь воздействию то пониженного давления (расширение),
то повышенного (сжатие). Основными узлами системы являются:
• Испаритель
• Компрессор
• Конденсатор
• Расширительный клапан.
Хладагент находится под низким давлением в испарителе, где он поглощает тепло из окружающего
пространства. Это приводит к непрерывному испарению части хладагента. Пар непрерывно извлекается из
испарителя компрессором, который таким образом удерживает на постоянном уровне давление хладагента и его
температуру испарения.
В компрессоре находящийся в парообразном состоянии хладагент сжимается до более высокого
давления. Затем горячие пары хладагента вытесняются из компрессора в конденсатор для охлаждения. Сжатие
приводит к повышению и температуры парообразования, и температуры конденсации хладагента. При
использовании аммиака в качестве хладагента рабочая температура парообразования часто составляет около
20С ниже нуля, что соответствует абсолютному давлению парообразования 200 кПа (2 бара).
Давление испарившегося газа повышается примерно до 1000 кПа (10 бар) в компрессоре, что
соответствует температуре испарения 25С. При этом аммиачный газ конденсируется, то есть переходит из
парообразного в жидкое состояние. Это происходит в конденсаторе путем охлаждения водой или воздухом.
Тепло, поглощенное аммиаком в испарителе, высвобождается в конденсаторе.
Сконденсированный жидкий аммиак должен затем быть возвращен из конденсатора в испаритель.
Жидкость пропускается через расширительный клапан для снижения давления. При этом также снижается
температура жидкости. Расширительный клапан настроен на снижение давления до строго определенного
уровня (при котором жидкость приобретает то же давление, что и в испарителе). Небольшая часть жидкости
испаряется в расширительном клапане при снижении давления. Необходимая теплота парообразования
забирается от жидкости, которая вследствие этого охлаждается.
Испаритель
Испаритель – это та часть холодильной установки, в которой происходит испарение хладагента.
Конструкция испарителя зависит от типа используемого хладагента. На молочных заводах, главным образом,
эксплуатируются три вида испарителей:
• Испарители с воздушной циркуляцией
• Кожухотрубные и пластинчатые испарители
• Испарители-змеевики для накопления льда.
В испарителе с воздушной циркуляцией (рис. 6.11.10) воздух охлаждается, проходя через батарею труб,
оснащенных ребрами для максимального увеличения площади теплопередачи. Хладагент, циркулирующий по
трубам, поглощает тепло из воздуха и испаряется. Испарители этого типа применяются для охлаждения
складских помещений и для охлаждения воздуха в установках кондиционирования воздуха.
Кожухотрубные и пластинчатые испарители широко применяются на молочных заводах, где их
основная функция – извлечение тепла у циркулирующих хладагентов, которые охлаждают продукцию в
производственных теплообменниках. В числе этих хладагентов – ледяная вода, рассол и спирты (алкоголь и
гликоль), которые замерзают при температурах ниже нуля.
Испаритель-змеевик (на рис. 6.11.11), предназначенный для накопления льда, помещают в сосуд с
водой для ее сильного охлаждения. В ночное время на трубах испарителя, по которым циркулирует хладагент,
образуется слой льда. Это позволяет использовать дешевую электроэнергию для работы охладительной
установки. Днем лед тает, увеличивая количество ледяной воды и производительность охладительной
установки.
Компрессор
Пар хладагента сжимается в компрессоре до высокого давления. Это повышает температуру пара.
Работа, выполненная компрессором, передается газу в виде тепла. Это означает, что газ, покидающий
компрессор, содержит больше тепла, чем было поглощено в испарителе. Вся эта теплота должна быть,
следовательно, изъята при охлаждении в конденсаторе. Наиболее широко используемым холодильным
компрессором является компрессор поршневого типа.
Газ затягивается в цилиндры и сжимается в них поршнями. Количество цилиндров изменяется в
зависимости от холодильной мощности машины, которая может составлять от 0,1 до 400 кВт.
В последнее время так же широко применяется и винтовой компрессор (рис. 6.11.12), особенно когда
требуются большие мощности. Его основные детали – два винтовых ротора, установленных в общем корпусе.
При вращении роторов газ затягивается в промежутки между выступами (см. также раздел об объемных
насосах, глава 6.7) и захватывается в зазорах. Пространство между выступами постепенно сужается по мере
перемещения газа вдоль роторов, поэтому газ постепенно сжимается, и давление нарастает. Сжатый пар
направляется в конденсатор.
В большинстве винтовых компрессоров на сопрягающиеся поверхности распыляется масло для
уменьшения утечки через зазоры между роторами. Таким образом, можно обеспечить высокий коэффициент
полезного действия даже при работе на малых скоростях. Масло отделяется от пара в маслоуловителе,
расположенном перед конденсатором.
Винтовые компрессоры используются в крупных установках. Самым существенным преимуществом
компрессоров этого типа является то, что их производительность при необходимости может быть снижена до
10% от максимально возможной без чрезмерных потерь электроэнергии.
Конденсатор
Тепло, поглощенное испарителем, и тепло, отданное пару в компрессоре, отводится при охлаждении в
конденсатор. Конденсаторы подразделяются на три типа:
• Конденсаторы воздушного охлаждения
• Конденсаторы жидкостного охлаждения
• Испарительные конденсаторы.
Выбор конденсатора определяется внешними факторами, такими как водоснабжение, стоимость воды и
продолжительность работы установки.
Конденсаторы воздушного охлаждения до последнего времени, как правило, использовались в
небольших холодильных установках, но сейчас находят все более широкое применение в крупных установках.
Причина – в быстром росте стоимости воды, а иногда в неуверенности в ее постоянных поставках. В
конденсаторе воздушного охлаждения хладагент проходит сквозь охлаждающий змеевик с ребрами, вокруг
которого циркулирует охлаждающий воздух. При охлаждении в змеевике хладагент конденсируется, после чего
направляется к дроссельному клапану.
Конденсатор водяного охлаждения – наиболее экономичный вариант в тех местах, где имеется дешевое
водоснабжение. Самая распространенная конструкция – трубный конденсатор. Его работа построена на
циркуляции охлаждающей воды по трубам, что приводит к конденсации хладагента на внешних поверхностях
труб.
Конденсатор водяного охлаждения часто объединяют с градирней.
Охлаждающая вода охлаждается воздухом в градирне, а затем перекачивается в конденсатор, где
поглощает теплоту конденсации хладагента. Из конденсатора вода обратно перекачивается в градирню для
очередного цикла охлаждения воздухом. Испарительный конденсатор представляет собой объединение
конденсатора воздушного охлаждения с градирней. К такому варианту прибегают при недостатке или в случае
высокой стоимости охлаждающей воды.
Прочее оборудование
Описанная выше охладительная установка сильно упрощена с целью иллюстрации принципа ее работы.
Для работы данной установки необходимо множество компонентов – например, баки для хладагента, фильтры,
маслоотделители, предохранительные клапаны, отсечные клапаны, датчики уровня, давления и температуры и
прочие виды контрольного оборудования, обеспечивающего безопасную работу установки. Данная установка
может быть также оборудована устройствами автоматического управления, устраняющими необходимость
постоянного наблюдения за установкой и обеспечивающими более экономичную работу.
Производство сжатого воздуха
К оборудованию и приборам, используемымна предприятиях молочной промышленности для
автоматического управления, наблюдения и регулирования различных производственных процессов
предъявляются особые требования.
Автоматические системы с пневматическим управлением доказали свою надежность во влажной
атмосфере молочного завода и поэтому нашли там широкое применение.
Для обеспечения надежной работы этих систем сжатый воздух должен быть очищен от примесей, что
предъявляет определенные требования к конструкции пневматической системы. Сжатый воздух также
используется и для выполнения других задач:
• Энергоснабжение приводов некоторых машин, в том числе фасующих
• Вытеснение продукта из трубопроводов
• Перемешивание в накопительных емкостях
• Пневматические инструменты в мастерских.
Требования, предъявляемые к сжатому воздуху
В соответствии с функциями, которые приходится выполнять сжатому воздуху на молочном
предприятии, предъявляются различные требования к его давлению, сухости, чистоте и количеству. В
зависимости от степени чистоты сжатый воздух делится на три категории качества: • Сжатый воздух,
находящийся в непосредственном контакте с продукцией. Этот воздух должен быть чистым, свободным от
примесей масла, сухим, не иметь запаха и быть практически стерильным. Используются относительно
небольшие количества этого воздуха высшей категории качества. Обычно он подается под давлением от 200 до
300 кПа (2–3 бар).
• Сжатый воздух, не соприкасающийся с продукцией, но который должен быть чистым, сухим и
желательно без примесей масла, так как он предназначается для управления приборами и использования в
качестве источника энергии для привода пневматических механизмов, клапанов и т.д. Этот тип сжатого воздуха
подается под давлением 500–600 кПа (5–6 бар)
• Сжатый воздух, в котором не должно быть твердых частиц и который должен быть как можно более
сухим, так как он используется для привода пневматического инструмента и т.п. Подается под давлением
порядка 600 кПа (6 бар).
В неочищенном атмосферном воздухе всегда много примесей. Они же сохраняются и в неочищенном
сжатом воздухе, к которому еще добавляются примеси из компрессора. Это могут быть частички
изнашивающихся деталей и капли масла. В атмосферном воздухе также содержатся водяные испарения,
которые должны быть удалены, если к качеству сжатого воздуха предъявляются соответствующие требования.
Рис. 6.11.14 Комбинированная установка, включающая трубный конденсатор и градирню.
Наибольшие количества сжатого воздуха используются в пневматических механизмах на молочном
заводе и в мастерских. Воздух должен поступать под давлением около 600 кПа (6 бар).
Для этого необходим компрессор, развивающий рабочее давление 700 кПа (7 бар) для компенсации
потерь давления в системе распределения.
Сжатый воздух более низкого давления по сравнению с давлением в системах управления приборами и
силовых системах требуется лишь в небольших количествах. Следовательно, было бы неэкономично держать
для производства этого воздуха специальный компрессор, которому к тому же потребовалась бы и отдельная
система воздухопроводов. Поэтому сжатый воздух для всех систем вырабатывается одним центральным
компрессором и уже затем проходит индивидуальную обработку в соответствии с конкретным назначением.
Установка для производства сжатого воздуха
Сжатый воздух вырабатывается воздушным компрессором. Когда в воздухе не допускается присутствие
примесей масел, нельзя использовать компрессоры, в которых для повышения кпд камера сжатия смазывается
маслом. Для этого применяются безмасляные компрессоры. Из сжатого воздуха практически невозможно
удалить все масло, тем не менее можно удерживать остаточное содержание масла в пределах всего лишь 0,01
ppm (частей на миллион).
Как правило, для удовлетворения потребности молочного завода в сжатом воздухе используются два
одинаковых компрессора. Обычно применяются компрессоры с масляной смазкой, винтовые компрессоры с
безмасляными камерами сжатия, специальные поршневые компрессоры с несмазываемыми цилиндрами и
устройством для предотвращения попадания масла из картера в камеру сжатия, а также турбокомпрессоры.
На рис. 6.11.16 показана одна из таких установок. Воздух из компрессора подается в осушитель, в
котором из него удаляются водяные пары охлаждением и конденсацией. Далее осушенный воздух перемещается
в ресивер. Забираемый из этой емкости сжатый воздух используется для управления приборами, активизации
клапанов и энергоснабжения силовых цилиндров и для других подобных целей.
Сжатый воздух высочайшего качества, который непосредственно соприкасается с продукцией при ее
пневматическом перемешивании в танках и при вытеснении ее из трубопроводов, подвергается дополнительной
сушке в абсорбционных фильтрах, а затем стерилизуется в специальных фильтрах, после чего направляется по
назначению.
Осушение воздуха
В воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров. Максимальное количество водяного
пара ( в г/м
3
), которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры.
Воздух, содержащий максимально возможное количество водяных паров, считается насыщенным. При
30С в насыщенном воздухе содержится 30,1 грамма воды на кубический метр.
Если температура опустилась до 20С, максимальное содержание пара уменьшится до 17,1 г/м
3
. Это
означает, что пар в количестве 30,1 – 17,1 = 13,0 г/ м
3
сконденсируется в виде свободной воды.
Температура, при которой пар начинает конденсироваться, называется точкой росы. Атмосферный
воздух при температуре 20С содержит не более 17,1 г/м
3
воды. Степень сухости воздуха, при тех же условиях в
котором содержится всего 6,8 г/м
3
воды, может быть охарактеризована как “относительная влажность”, то есть
соотношение между фактическим содержанием воды и максимально возможным ее содержанием.
Относительная влажность воздуха при этом составит:
6,8 × 100 17,1 = 40%
Точка росы воздуха в данном случае составляет 5С. Пар будет конденсироваться с образованием
свободной воды, если он охлажден ниже 5С.
Если атмосферный воздух, давление которого составляет 100 кПа (1 бар), сжать до половины его
объема, не меняя его температуру, давление возрастет до 200 кПа (2 бар). В кубическом метре этого сжатого
воздуха будет в данном случае содержаться 2 × 6,8 = 13,6 грамма воды. Точка росы воздуха в результате
происшедшего сжатия также возрастет с 5С до 16С.
Если мы еще раз сожмем воздух до половины его объема, давление вырастет до 400 кПа (4 бар).
В кубическом метре сжатого воздуха будет содержаться 2 × 13,6 = 27,2 грамма воды. Но при
температуре 20С в воздухе может содержаться не более 17,1 грамма воды, независимо от давления. Значит,
излишек 27,2 – 17,1 = 10,1 г сконденсируется в виде свободной воды.
И наоборот, можно понизить точку росы, если позволить воздуху расшириться с понижением давления
(увеличением объема).
Воздух, который был сжат в компрессоре, содержит большое количество воды.
Он также сильно разогрет (до 140–150С) и должен быть охлажден. Для этого его пропускают через
доохладитель, в котором большая часть воды конденсируется благодаря охлаждающему воздействию воды или
воздуха. Затем сжатый воздух попадает в охладитель-осушитель, где происходит дальнейшее охлаждение до
температуры 2С (точка росы). Теперь давление просушенного воздуха составляет 700 кПа (7 бар), температура
– 2С и влажность – 5,6 г/м
3
.
В молочном производстве необходимо, чтобы точка росы была как минимум на 10С ниже наименьшей
температуры окружающей среды, до которой могут охладиться воздухопроводы. В большинстве случаев в
качестве точки росы приемлемой считается температура 2С. Если воздухопроводы проложены в местах, где
температура опускается ниже 0С, воздух необходимо просушивать до еще более низких значений точки росы
во избежание конденсации воды в трубопроводах пневмосистемы, так как это может привести к
неисправностям. В таких случаях следует применять абсорбционные осушители. Влага в них вытягивается из
воздуха сушильным агентом типа силикагеля.
Стерильный воздух получают, пропуская сжатый воздух сквозь стерильные фильтры.
Их фильтрующие элементы состоят из химически чистого хлопка, сложного полиэфира или
полипропилена. Микроорганизмы, содержащиеся в воздухе, погибают при нагреве в компрессоре. Повторное
попадание микроорганизмов может произойти в трубах, и поэтому непосредственно перед оборудованием, в
котором используется сжатый воздух, устанавливаются стерилизующие фильтры.
Стерилизация фильтров осуществляется паром.
Система трубопроводов
Наиболее целесообразным представляется иметь одну компрессорную установку и единую сеть
распределения сжатого воздуха на весь молочный завод. Для современного, высокоавтоматизированного
предприятия очень важно, чтобы приборы и системы управления всегда были обеспечены сжатым воздухом под
необходимым давлением и в требуемом количестве. В некоторых случаях устанавливают регуляторы,
направляющие сжатый воздух в систему управления, так что, если возникает тенденция к падению давления в
линии нагнетания, подача сжатого воздуха к менее чувствительным потребителям может быть перекрыта.
Электроснабжение
Молочные заводы обычно покупают электроэнергию у местных поставщиков. В большинстве случаев
она предоставляется в виде высокого напряжения – от 3000 до 30 000 вольт, но предприятия, которым нужна
электроэнергия мощностью примерно до 300 кВт, могут также нуждаться в поставках низкого напряжения,
порядка 200–440 В.
Основными узлами системы заводского электроснабжения являются:
• Высоковольтное распределительное устройство
• Силовой трансформатор
• Низковольтное распределительное устройство
• Генератор
• Центр управления электродвигателями (ЦУЭ).
Высоковольтное распределительное устройство
Высоковольтное распределительное устройство – это основной распределительный щит
высоковольтного напряжения.
Он состоит из ряда панелей с центральной шинной системой, к которой подсоединены различные типы
выключателей. Одна или несколько панелей предназначены для приема поступающей от продавца
электроэнергии. Каждая из этих панелей снабжена изолирующим выключателем.
После принимающих панелей следует панель, на которой размещены приборы для измерения
потребляемой электроэнергии. Затем идут щиты, отвечающие за раздачу электричества заводским
потребителям,– по одному щиту на трансформатор.
Обычно на молокозаводе имеется от одного до четырех трансформаторов. Каждый трансформатор
защищен выключателем (прерывателем цепи или выключателем нагрузки с плавким предохранителем),
который прерывает подачу энергии в случае неисправности или перегрузки.
Если на молочном заводе имеются электродвигатели очень большой мощности, например, мощностью
от 300 кВт и выше, целесообразным представляется их питание высоковольтным электричеством от отдельных
панелей распределительного устройства.
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор получает электроэнергию по кабелям, связывающим его с высоковольтным
распределительным устройством. Силовой трансформатор преобразует высокое напряжение в низкое, обычно
от 200 до 440 В. Размеры трансформатора зависят от потребляемой электроэнергии. Обычный диапазон
мощности – в пределах 400–2000 кВА. Существуют два основных типа трансформаторов:
• С масляной изоляцией для установки в помещениях и вне помещений
• С сухой изоляцией для установки в помещениях.
Трансформаторы с масляной изоляцией дешевле, но их необходимо устанавливать в отдельных,
пожаробезопасных помещениях из-за применения легковоспламеняемого масла. В помещении под таким
трансформатором должен находиться маслосборник для вытекающего масла.
В трансформаторах с сухой изоляцией не используется легковоспламеняемое масло, поэтому они могут
устанавливаться рядом с нагрузкой. В трансформаторах происходят потери электроэнергии, обычно порядка 1
кВт на 100 кВА, преобразующиеся в тепловую энергию, которая должна отводиться вентиляцией.
Распределительное устройство высокого напряжения Силовой трансформатор Распределительное
устройство низкого напряжения Центр управления электродвигателями (ЦУЭ)
Низковольтное распределительное устройство
Это распределительное устройство получает энергию по кабелям или шинам, соединяющим его с
силовым трансформатором. Распределительное устройство низкого напряжения является основным
распределительным щитом низковольтной сети. В нем находится оборудование для переключения, контроля и
защиты распределяемой энергии. Размеры главного выключателя и системы шин распределительного
устройства зависят от размеров силового трансформатора.
В состав распределительного устройства входят:
• Один блок на входе с главным выключателем для отключения распределительного устройства и
приборами контроля за напряжением, силой тока и т.д.
• Несколько блоков на выходе для крупных потребителей типа центров управления электродвигателями
(ЦУЭ), гомогенизаторов и т.д.; у каждой линии питания имеется прерыватель цепи и плавкий предохранитель
для защиты кабелей и аппаратуры • Один блок с оборудованием для компенсации коэффициента мощности (не
всегда).
Генераторная установка
Генераторная установка используется для выработки собственной электроэнергии непосредственно на
молочном заводе. Она может работать как в непрерывном режиме, так и использоваться в качестве резервного
источника тока в случае перерыва в поступлении электричества от местной электросети. Обычно генераторная
установка имеет привод от дизельного двигателя, собственные щитки управления и вырабатывает ток низкого
напряжения. При необходимости можно одновременно использовать несколько параллельно соединенных
генераторных установок.
Центры управления электродвигателями (ЦУЭ)
ЦУЭ получает электроэнергию по кабелям, соединяющим их с распределительным устройством
низкого напряжения. ЦУЭ осуществляет контроль, защиту и передачу энергии конечным потребителям, на
молокозаводе.
В состав ЦУЭ входят приемный блок с главным выключателем для изоляции и выходные блоки для
подачи питания к машинам и двигателям. Наиболее типичными потребителями являются:
• Однофазные и трехфазные рубильники (или предохранители)
• Пускатели электродвигателей для непосредственного оперативного запуска
• Пускатели электродвигателей для запуска по схеме типа “звезда” или “треугольник”
• Двухскоростные пусковые устройства.
Обычно ЦЭУ имеет ряд точек подключения. У некоторых машин имеется щиток управления ЦЭУ со
всем необходимым оборудованием.
Управление ЦЭУ можно производить:
• Вручную с помощью кнопок на передней панели
• Вручную с помощью кнопок на панелях, размещенных на производственных участках
• С помощью систем электронного управления, расположенных внутри ЦУЭ или на центральном
пульте управления.
Отдельные машины и электродвигатели получают питание по кабелям, протянутым к ним от ЦУЭ.
Обычно кабели прокладываются по специальным кабелепроводам или по трубам. Рядом с каждым
электродвигателем устанавливается аварийный выключатель, который используется при техническом
обслуживании двигателя. В соответствии с международным стандартом IP (International Protection), все
используемые материалы и оборудование должны иметь надлежащую защиту от контакта с твердыми
предметами и с водой, соответствующую специфике помещений (или окружающей среды), в которых они
установлены. Классификация помещения может быть определена с помощью международных стандартов. Для
помещений обычно необходимо пользоваться стандартом IP 54.
Проектирование технологической линии
На молочном заводе сырое молоко проходит несколько стадий обработки на различных типах
технологического оборудования, прежде чем поступит к потребителю в виде готового продукта.
Производственный процесс обычно происходит непрерывно в замкнутой линии, основные
элементы которой соединены между собой системой трубопроводов. Вид применяемой обработки и схема
процесса зависят от вида конечного продукта.
Процесс, описанный в данной главе,– это процесс общей пастеризации молока. Он является базовой
операцией переработки молока и представляет собой важный этап предварительной обработки в цепи
технологических процессов на молочном заводе, таких как производство сыра и кисломолочных продуктов.
Нашей целью является представление хода рассуждений инженера-проектировщика при проектировании
установки для пастеризации цельного молока.
Основы проектирования технологического процесса
Имеется множество аспектов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании
технологической линии. Они могут меняться, усложняться, что предъявляет серьезные требования к лицам,
ответственным за предварительное проектирование. Техническая реализация проекта всегда является
компромиссом между различными требованиями:
• Связанными с продукцией – относящиеся к сырью, его обработке и качеству конечного продукта
• Связанными с технологией – относящиеся к производительности завода, выбору элементов и их
совместимости, степени управления процессом, доступности теплоносителей и хладагентов, очистке
технологического оборудования, и т.д.
• Экономическими – чтобы полные издержки производства товара требуемого качества были
минимальными
• Юридическими – требованиями законодательства к параметрам процесса, а также выбору
компонентов и системных решений.
На рис. 7.1 представлена технологическая схема производства питьевого молока, включающая
тепловую обработку – пастеризацию цельного молока.
Некоторые юридические требования
В большинстве стран, где из молока вырабатывается широкий ряд молочных продуктов, законом
установлены определенные требования для защиты потребителей от заражения патогенными
микроорганизмами через молочные продукты. Формулировки и рекомендации могут различаться, но группа
приведенных ниже требований охватывает большинство из обычно предъявляемых.
• Тепловая обработка
Молоко должно подвергаться тепловой обработке таким образом, чтобы все патогенные
микроорганизмы были убиты. Минимальная температура и время выдержки должны составлять 15 секунд при
72С.
• Регистрация
Температура нагрева должна регистрироваться автоматически, а записи должны сохраняться в течение
предписанного периода времени.
• Очистка перед тепловой обработкой
Так как молоко часто содержит твердые частицы, такие как частицы грязи, лейкоциты (белые кровяные
тельца), и соматические клетки (ткани вымени), его необходимо очистить. Поскольку пастеризация наименее
эффективна, если микроорганизмызащищены хлопьями и частицами, присутствующими в молоке, то очистка
должна осуществляться перед нагреванием. Молоко может быть очищено с помощью фильтров или, что
наиболее эффективно, сепараторов-молокоочистителей.
• Предупреждение повторного бактериального обсеменения
Теплообменники должны рассчитываться таким образом, чтобы обеспечивать более высокое давление
со стороны потока пастеризованного молока по сравнению с непастеризованным молоком и сервисными
средами. Если в теплообменнике происходит утечка, пастеризованное молоко может попасть в сырое молоко
или охлаждающую жидкость, но не наоборот. Для обеспечения этого требования, часто требуется
вспомогательный насос, создающий разницу давлений, причем в некоторых странах он является обязательным.
В случае падения температуры пастеризованного продукта вследствие временного дефицита
нагревающей среды в состав установки должен быть включен клапан обратного потока для возврата
недостаточно прогретого молока в балансный танк.
Состав оборудования
Для дистанционного управления процессом требуется следующее оборудование:
• Башенные танки для хранения сырого молока
• Пластинчатый теплообменник для нагревания и охлаждения, труба выдержки и узел горячей воды
• Центробежный молокоочиститель (в данном примере при переработке цельного молока
центробежный сепаратор не требуется)
• Промежуточный танк для временного хранения перерабатываемого молока
• Трубопроводы и фитинги для соединения основных элементов оборудования и пневматические
клапаны для управления процессом и распределения потоков продукта и моющих жидкостей
• Насосы для транспортировки молока через все производственные помещения завода
• Оборудование для управления производительностью участка, температурой пастеризации и
положением клапанов
• Различные вспомогательные системы:
– подача воды
– производство пара
– охлаждение хладагента
– сжатый воздух для пневматических систем
– электроснабжение
– системы дренажа и сточных вод.
Большая часть различных вспомогательных систем описана в главе 6.11.
Требования к сервисным средам рассчитываются после согласования проекта завода. Так, должна быть
известна температурная программа пастеризации, а также спецификации для всех прочих рабочих зон, где
требуется нагревание или охлаждение (хранение при пониженных температурах, системы мойки, и т.д.), еще до
определения количества и мощности электрооборудования, количества пневматических узлов, графика рабочего
времени производства и т.д. Подобные расчеты в настоящей книге не представлены.
Выбор оборудования
Резервуары
Количество и емкость резервуаров определяются графиками поставки молочного сырья, графиками и
объемом каждой партии. Для непрерывной работы завода без остановок, вызванных недостатком сырья,
необходимо обеспечить 7-часовые поставки сырого молока.
Желательно, чтобы молоко было выдержано по меньшей мере 1–2 часа до начала процесса
переработки, так как за это время происходит процесс естественной деаэрации молока. Допускается
кратковременное Требования законодательства к:
• Тепловой обработке
• Регистрации
• Очистке перед тепловой обработкой
• Предупреждению повторного обсеменения микроорганизмами
В соответствии с предписаниями, установленными странами Европейского сообщества, оборудование
для тепловой обработки должно быть одобрено или разрешено к применению компетентными органами и
снабжено по крайней мере следующим:
• Автоматическим регулятором температуры
• Регистрирующим термометром
• Автоматическим предохранительным устройством для предотвращения недостаточного нагрева
• Соответствующей системой, предохраняющей от смешивания пастеризованного или
стерилизованного молока с неполностью прогретым молоком
• Устройством автоматической регистрации для предохранительной системы, указанной в предыдущем
пункте перемешивание, хотя в действительности оно является необходимым лишь в течение 5–10 минут перед
подачей для равномерного распределения составляющих молока.
Это позволяет избежать нарушения процесса естественной деаэрации.
Пластинчатый теплообменник
Основной целью пастеризации молока является уничтожение патогенных микроорганизмов.
Для ее достижения молоко обычно нагревают до температуры не ниже 72С и выдерживают при этой
температуре в течение по меньшей мере 15 секунд, а затем быстро охлаждают. Эти параметры законодательно
утверждены во многих странах.
Если известны требуемые режимы тепловой обработки, можно рассчитать параметры пластинчатого
теплообменника. В настоящем примере эти параметры будут таковы:
• Производительность завода 20 000 л/ч
• Температурная программа 4С – 72С – 4С
• Эффект регенерации 94%
• Температура теплоносителя 74–75С
• Температура хладагента +2С.
Также необходимо рассчитать и потребность во вспомогательных средах (пар, вода и ледяная вода), так
как это существенно влияет на выбор кранов для регулировки подачи пара и ледяной воды.
Входные и выходные трубопроводы для продукта и сервисных сред могут располагаться как на
боковых поверхностях пластинчатого теплообменника (раме, прижимной плите), так и на соединительных
пластинах между его секциями. Входные и выходные соединения могут быть ориентированы вертикально и
горизонтально.
Данные для расчета параметров пластинчатого теплообменника приведены в главе 6.1.
Системы подогрева горячей водой
В пастеризаторах в качестве нагревающих сред могут использоваться горячая вода или насыщенный
пар при атмосферном давлении. Однако горячий пар не применяется для этой цели из-за большой разницы в