Расчет и подбор оборудования для обработки и переработки молока

Оборудование для транспортировки, приемки и хранения молока.

Для транспортировки молока на дальние расстояния применяют фляги и различные емкости, называемые транспортными цистернами.

Перемещение молока внутри перерабатывающих предприятий и его доставка с ферм при их незначительном удалении от места переработки осуществляется с помощью молокопроводов.

Для транспортировки молока по трубам и перемещение его через рабочие объемы технологического оборудования, не имеющего собственных напорных устройств, применяются насосы различного типа.

Количество поступающего на переработку молока, а также продукции, вырабатываемой молочными заводами, определяют с помощью молокомеров, счетчиков, расходомеров и весов. Для подсчета штучной продукции используют механические и автоматические счетчики.

Хранение молока на фермах перед его отправкой на перерабатывающие предприятия, а также молока и молочных продуктов на самом предприятии осуществляется в резервуарах общего и специального назначения.

Молоко, поступающее на перерабатывающее предприятие в автомолцистернах, заполненных полностью, принимают по объему без взвешивания. При поступлении молока во флягах или в неполных цистернах, а также при транспортировке его по молокозаводу, приемка осуществляется путем взвешивания на весах.

Пропускная способность (производительность) весов определяется по формуле:

, (5.59)

где П_вес – производительность весов, кг/ч;

G_вес – грузоподъемность весов, кг;

t_ц – продолжительность одного цикла взвешивания, мин.

В зависимости от марки и типа весов продолжительность цикла взвешивания 3…7 мин.

Пересчет объема продукта в массу производится с учетом их плотности:

, (5.60)

где М – масса продукта, кг;

V – объем продукта, м³;

ρ – плотность продукта, кг/м³.

Плотность цельного молока, обезжиренного и молочного жира соответственно 1027, 1030 и 923 кг/м³.

Технологический расчет оборудования для хранения необработанного молока может быть принята равной 100, 80 и 60 % его суточного поступления соответственно для сыродельных, городских молочных и молочноконсервных заводов. Количество и марка резервуаров подбирается исходя из их технической характеристики.

При заполнении, опорожнении цистерн и емкостей с помощью насоса время выполнения этих операций одинаково и определяется по формуле:

, (5.61)

где t - время заполнения и опорожнения цистерн и емкостей, с;

V_Р – рабочий объем цистерны (емкости), м³;

п_Н – подача насоса,м³/с.

В зависимости от типа резервуаров время их опорожнения самотеком определяется по различным формулам.

Для вертикальных резервуаров

, (5.62)

для горизонтальных

, (5.63)

где t_выг – время выгрузки сгустка и сыворотки, с;

f – площадь поперечного сечения патрубка, м²;

μ – коэффициент расхода жидкости, зависящий от ее вязкости (для молока μ = 0,7…0,75, для творога и сыворотки μ = 0,85…0,9);

g – ускорение свободного падения, м/с².

Время заполнения цистерн с помощью вакуумной системы определяют по уравнению:

, (5.64)

где t_зап – время заполнения, с;

h_У – разность уровней, на которых расположены заполняемая и опорожняемая емкости, м;

∆Р – перепад давлений в заполняемой и опорожняемой емкостях, Па.

Время использования резервуаров для хранения молока зависит от интенсивности последующих технологических операций по его обработке и переработке.

Пропускная способность резервуаров (емкостей) определяется из выражения

, (5.65)

где П_рез – пропускная способность резервуаров (емкостей), м³/ в смену;

Т_СМ – время смены, ч;

t_хр – время хранения молока в резервуаре или переработке с его использованием, ч;

В процессе транспортировки или хранения молока происходит изменение его температуры за счет теплообмена с окружающей средой. Поэтому конечную температуру молока после его хранения и транспортировки необходимо учитывать при разработке технологической схемы получения продукта. Она определяется по формуле:

, (5.66)

где t_конеч – конечная температура молока, ⁰С;

k – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·⁰С). Коэффициент теплоотдачи для резервуаров с теплоизоляцией, автомолцистерны, емкостей без тепоизоляции и неукрытых фляг равен соответственно 1,5…3; 1…2; 5…6 и 9…14 Вт/м²·⁰С;

F – площадь поверхности резервуара, м²;

t_тр – продолжительность транспортировки или хранения молока, с;

t_ср – температура окружающей среды, ⁰С;

t_н – начальная температура молока, ⁰С;

М – количество молока, кг;

С_М – удельная теплоемкость молока, Дж/кг·⁰С (зависит от температуры продукта, при 0, 15 и 40 ⁰С равна 3852, 3885 и 3956 Дж/кг·⁰С).

При расчете оборудования для транспортирования по трубам необходимо определить их диаметр, полное гидравлическое сопротивление трубопровода, а также подобрать насос.

Выбор диаметра труб зависит от расхода транспортируемого продукта и его вида. В общем случае при транспортировке молочных продуктов диаметр трубопровода рассчитывается по формуле:

, (5.67)

где d – диаметр трубопровода, м;

V – расход продукта, м³/ч;

n - скорость движения продукта в трубопроводе, м/с.

Скорость движения продукта по трубам зависит от его вязкости и должна обеспечивать ламинарный режим потока в трубопроводе. Оценка режима потока осуществляется по критерию Рейнольдса, который, в свою очередь, вычисляется по формуле:

, (5.68)

где R_е – критерий Рейнольдса;

μ_пр – кинематическая вязкость продукта, м²/с.

Устойчивый ламинарный режим обеспечивается при R_е ≤ 1200…1600. Если R_е > 2320, то режим турбулентный.

Молочные продукты высоковязкие и с большим содержанием жира должны транспортироваться только при ламинарном режиме, с низким содержанием жира (обезжиренное молоко, сыворотка и пахта) могут транспортироваться в турбулентном потоке.

Исходя из этого рекомендуется следующие предельные скорости транспортировки молочных продуктов по трубам: молоко – 0,5…1,5 м/с; сливки и сгущенное молоко – 0,5; сыворотка и пахта – 1…2 м/с.

При подборе насоса нужно знать необходимый расход продуктов, а также полное гидравлическое сопротивление трубопровода. Оно может быть рассчитано по формуле:

, (5.69)

где ∆Р_тр – полное гидравлическое сопротивление трубопровода;

h_пр – высота подачи продукта, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

λ_тр – коэффициент трения продукта по внутренней поверхности трубы;

l – длина трубопровода, м;

d – диаметр трубопровода, м;

∑λ_мс – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Коэффициенты местных сопротивлений существенно зависят от вязкости транспортируемого по трубам продукта.

В связи с этим в формулах или справочных данных, взятых из курса «Процессы и аппараты химических технологий», необходимо учитывать коэффициент β, который определяется из выражения

, (5.70)

где μ_в – кинематическая вязкость воды, м/с².

Напор подобранного насоса должен быть больше, чем полное гидравлическое сопротивление трубопровода. Если продукт подается в емкость, находящуюся под давлением, или в какой-либо аппарат на переработку, то насос следует подбирать с учетом общего гидравлического сопротивления перечисленного оборудования, которое вычисляют по формуле:

, (5.71)

где ∆Р_общ – общее гидравлическое сопротивление оборудования, Па;

∆Р_ап – гидравлическое сопротивление аппарата, Па;

∆Р_о – давление в пространстве резервуара над жидкостью, Па.

Методика определения гидравлического сопротивления различных аппаратов (в основном теплообменников) приводится в специальной литературе.

Оборудование для механической обработки молока.

Под механической обработкой молока и молочных продуктов обычно понимаются технологические процессы, не приводящие к изменению химического состава исходного продукта.

Наиболее распространенный вид механической обработки молока – его разделение на фракции как неоднородной системы. Молоко в этом случае подвергается очистке от загрязнений, или из него выделяют жир в виде сливок. Сыворотка или обезжиренное молоко с помощью мембранных методов разделяются на фильтрат и концентрат. При производстве некоторых молочных продуктов (творог, казеин, сыр и т.д.) после коагуляции молока производится разделение творожной, казеиновой или сырной массы на сгусток и сыворотку.

Другим, не менее распространенным видом механической обработки молока и молочных продуктов является их гомогенизация. Она служит для изменения физических свойств молока и молочных продуктов путем дробления их частиц, предотвращения расслаивания молока или сливок при их хранении. Гомогенизация сливочного масла и плавленого сыра улучшает вкусовые качества продукта и условия их хранения.

Механическая обработка молока и молочных продуктов осуществляется с помощью фильтров, мембранных фильтрационных аппаратов, сепараторов, центрифуг и гомогенизаторов.

Сепараторы различного типа и гомогенизаторы подбирают по часовой производительности с учетом производительности другого оборудования, составляющего проектируемую технологическую линию. При этом, если применяются сепараторы с периодической ручной чисткой барабана, то время их непрерывной работы 2…3 ч.

По технологической характеристике сепаратора определяют объем грязевого пространства его барабана и сравнивают время работы технологической линии с допустимой длительностью непрерывной работы сепаратора-молокоочистителя:

, (5.72)

где Т_доп – допустимая длительность непрерывной работы сепаратора-молокоочистителя, ч;

V_ГР – объем грязевого пространства барабана сепаратора, м³;

З – загрязненность молока, % (З = 0,03…0,06 %);

П_Л – часовая производительность технологической линии, кг/ч.

Если время работы технологической линии значительно выше допустимой непрерывной работы молокоочистителя, то для очистки молока применяют два сепаратора с периодическим их включением и промывкой или очиститель с большим размером грязевого пространства барабана. При незначительной разнице указанных величин в технологической линии возможна установка проточного фильтра, позволяющего снизить загрязненность молока перед его поступлением на центробежную очистку.

Рабочее давление в головке гомогенизатора связано с размерами жировых шариков соотношением

, (5.73)

где d_СР – средний диаметр жировых шариков после гомогенизации, м;

Р – давление гомогенизации, Па.

Рекомендуемое давление гомогенизатора для молока и сливок соответственно 15..17 и 5…7,5 МПа. При этом в гомогенизаторах с двухступенчатой головкой указанная величина давления устанавливается на второй ступени. Давление гомогенизатора первой ступени головки составляет 75 % от рабочего.

В некоторых случаях следует учитывать повышение температуры молока в процессе его гомогенизации. Изменение температуры молока в процессе его гомогенизации можно определить по формуле

, (5.74)

где ∆t – изменение температуры молока в процессе гомогенизации, ⁰С;

С_М – удельная теплоемкость молока при температуре гомогенизации продукта (45…48 ⁰С), Дж/кг·⁰С.

Оборудование для тепловой обработки молока.

Тепловая обработка молока, применяемая в молочной промышленности имеет различное назначение.

Охлаждение молока и молочных продуктов замедляет жизнедеятельность микроорганизмов, вызывающих их скисание и порчу, а, следовательно, увеличивает срок хранения молочной продукции в свежем виде.

Нагревание молока входит в технологический процесс изготовления многих молочных продуктов и служит его интенсификации.

Пастеризация молока и молочных продуктов служит для подавления жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в вегетативной форме.

Уничтожение не только вегетативных, но и споровых форм микроорганизмов обеспечивается стерилизацией молока и молочных продуктов, что позволяет значительно увеличить срок их хранения.

Для удаления из жидких молочных продуктов посторонних запахов и привкусов применяются вакуум-термическая обработка.

Тепловая обработка молока может осуществляться между горячими и холодными средами, разделенными перегородками, а также путем непосредственного воздействия пара или инфракрасных лучей на продукт.

В некоторых случаях пастеризация молока осуществляется не за счет его нагревания до необходимой температуры, а с помощью обработки ультрафиолетовыми лучами на специальных установках.

Применяемое в молочной промышленности оборудование для тепловой обработки молока представляет собой либо отдельные аппараты, либо входит в состав комбинированных очистительно-охладительных, пастеризационно-охладительных или стерилизационно-охладительных установок.

Обычно оборудование данной группы классифицируется по следующим основным признакам:

- по характеру соприкосновения продукта и окружающего воздуха – открытые и закрытые;

- по форме рабочих органов – плоские и круглые;

- по профилю поверхности рабочих органов – трубчатые и пластинчатые;

- по конструкции – однорядные и многорядные (пакетные);

- по числу секций – односекционные и многосекционные;

- по направлению движения охлаждающей жидкости по отношению к охлаждаемому продукту – прямоточные и противоточные.

Среди аппаратов для охлаждения молока наибольшее распространение получили охладители открытого (оросительные и резервуарные) и закрытого (трубчатые и пластинчатые) типов.

Для нагрева молока применяются подогреватели резервуарного, трубчатого и пластинчатого типов.

В качестве резервуарных подогревателей обычно используются резервуары специального назначения и ванны длительной пастеризации.

Трубчатые и пластинчатые подогреватели несущественно отличаются от охладителей подобных типов. В этих аппаратах вместо охлаждающей жидкости подается пар или реже – горячая вода.

Оборудование для пастеризации и стерилизации молока в зависимости от характера выполнения операции делится на аппараты непрерывного и периодического действия. Источник использования энергии для выполнения этих технологических процессов является основание для деления аппаратов на паровые, электрические и комбинированные.

Наибольшее распространение среди оборудования этой группы получили пластинчатые и трубчатые установки непрерывного действия, а также ванные длительной пастеризации молока, относящиеся к оборудованию периодического действия.

Тепловая обработка консервированных молочных продуктов осуществляется в автоклавах и стерилизаторах различного типа.

Оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов (охладители, подогреватели, пастеризаторы и пастеризационно-охладительные установки) подбирают по часовой производительности с учетом особенностей выполняемого технологического процесса. В связи с тем, что из технической характеристики теплообменных аппаратов обычно известны количество, тип и размеры пластин, а также температурный режим их работы, задачей технологического расчета является адаптация выбранного оборудования к условиям конкретного производственного процесса. С этой целью определяется расход тепла и холода для обработки молока при принятых значениях температур продукта, горячей и холодной воды, а также рассола.

В некоторых случаях, когда изменение теплового режима работы и производительности пластинчатого аппарата достигается за счет его перекомпоновки, следует провести проверочный расчет оборудования. Он позволяет определить площадь поверхности теплообмена и количество пластин каждой секции, а также получить расчетные данные для построения температурного графика пластинчатого аппарата.

Расход тепла при нагревании продукта рассчитывается по формуле:

, (5.75)

где Q_Т – расход тепла при нагревании продукта, Дж/кг;

М_ч – массовый расход продукта, кг/ч;

С_n – удельная теплоемкость продукта, Дж/ (кг·⁰C);

t_кон и t_нач – соответственно конечная и начальная температура продукта, ⁰С.

Если пластинчатый аппарат имеет регенератор, то расчет расхода тепла проводится с учетом коэффициента регенерации:

(5.76)

где Е – коэффициент регенерации.

Расход пара, необходимого для получения горячей воды, определяют по формуле:

, (5.77)

где Q_п – расход пара, кг/ч;

i" и i' – энтальпия соответственно греющегося пара и конденсата, Дж/кг;

η_Т – тепловой КПД аппарата (η_Т = 0,75...0,85).

Расход холода, необходимого для охлаждения продукта в рассольной секции пластинчатого аппарата, определяется по формуле:

(5.78)

где Q_Х – количество холода, необходимое для охлаждения, Дж/ч;

t_вх и t_вых – температура продукта на входе и выходе рассольной секции ⁰С.

Полученный расход холода является основанием для выбора марки и количества холодильных машин:

, (5.79)

где n_хм – количество холодильных машин, шт;

k_х – коэффициент, учитывающий потери холода в окружающую среду (k_х = 1,05... 1,10);

П_x – производительность холодильной машины, кВт.

Площадь поверхности теплопередачи многосекционного аппарата определяется для каждой секции в отдельности по формуле:

, (5.80)

где F – площадь поверхности секции, м²;

М – массовый расход продукта, кг/с;

k – общий коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²∙⁰С);

Δt_cp – средний температурный напор, ⁰С.

В технологических расчетах этими величинами задаются исходя из следующих рекомендаций.

Для пастеризационно-охладительных установок производительностью 1,5...2 кг/с коэффициент теплопередачи секций пастеризации, регенерации, охлаждения водой и рассолом можно принять соответственно 2550..2620; 2100...2300; 1200...1500; 1050... 1150 Вт/(м²∙⁰С).

Для установок производительностью меньше 1 кг/с эти величины принимаются равными соответственно 1200, 1150, 1100 и 950 Вт/(м²∙⁰С).

Средний температурный напор определяют из температурного графика (рис. 4), для построения которого определяют недостающие значения температур:

, (5.81)

, (5.82)

, (5.83)

где t₂ – температура регенерации, ⁰С;

t₁ – начальная температура молока, ⁰С, задается (6...10 ⁰С);

t₃ – температура пастеризации, ⁰С, задается (74...76 ⁰С при выработке питьевого молока и 86...88°С – кефира);

Е – коэффициент регенерации (задается 0,8...0,85);

t₄ – температура молока между секциями регенерации и водяного охлаждения, ⁰С;

t₅ – температура молока между секциями водяного и рассольного охлаждения, ⁰С;

– начальная температура охлаждающей воды, ⁰С (задается 8... 10 ⁰С).

Рисунок 4. Температурный график пластинчатого аппарата:

I - секции пастеризации; II - секция регенерации; III- секция водяногоохлаждения; IV - секция рассольного охлаждения; V – выдерживатель.

Температуру горячей воды (), холодной воды () и рассола () при их выходе из секций рассчитывают по формулам:

(5.84)

(5.85)

(5.86)

где – начальная температура горячей воды, °С();

С_M, С_Г, С_В, С_Р – удельная теплоемкость соответственно нагреваемого продукта, горячей воды, холодной и рассола, Дж/ (кг∙⁰C);

n_Г n_В, n_P – кратность расхода горячей воды (n_Г = 4...8), холодной (n_В = 3), рассола (n_Р = 2...2,5);

– начальная температура рассола, ⁰С (задается минус 4... 5 ⁰С);

– конечная температура пастеризованного молока, ⁰С (задается 4 ⁰С).

Средний температурный напор определяют по формуле:

(5.87)

где Δt _СР – средний температурный напор, ⁰С;

Δt_Б и Δt_M – соответственно большая и меньшая разность температур на концах секций, ⁰С.

Количество пластин в секциях определяется по формуле

(5.88)

где Z – количество пластин в секциях, шт;

f – площадь поверхности теплообмена одной пластины, м² (принимается исходя из паспортных данных оборудования).

Оборудование для производства сливочного масла.

Оборудование для производства сливочного масла делится на оборудование для подготовительных операций и оборудование для выработки сливочного масла.

Подготовительные операции по производству сливочного масла осуществляются с помощью заквасочников и сливкосозревательных резервуаров.

Для выработки сливочного масла служат маслоизготовители и маслообразователи.

В маслоизготовителях масло получают методом сбивания сливок жирностью 30…40 % путем механического воздействия на них рабочих органов аппарата.

Сущность метода преобразования высокожирных сливок в сливочное масло в маслообразователях заключается в том, что сливки жирностью 62…83 % и температурой 60…70 ⁰С охлаждаются до 16…18 ⁰С с одновременным механическим воздействием рабочих органов аппарата на кристаллизирующийся продукт.

Для получения масла методом сбивания сливок нормальной жирности применяют маслоизготовители периодического и непрерывного действия.

Преобразование высокожирных сливок в масло осуществляется с помощью маслообразователей барабанного и пластинчатого типов, а также вакуум-маслообразователей.

Технологический расчет данной группы оборудования зависит от метода получения сливочного масла. При получении кисломолочного масла методом сбивания сливок в маслоизготовителях периодического действия их производительность определяется по формуле

, (5.89)

где П_мас – производительность маслоизготовителя периодического действия, кг/ч;

V_мас – геометрический объем барабана маслоизготовителя, м³ (берется из технической характеристики оборудования);

k_Б – коэффициент заполнения барабана маслоизготовителя (k_Б = 0,4…0,5);

t_ц – продолжительность одного цикла сбивания масла, включающего в себя операции наполнения барабана сливками, их сбивания, выпуска пахты, промывки, посолки, механической обработки и выгрузки масла из маслоизготовителя, ч (принимается 2…2,5 ч).

Оборудование для подготовки сливок к сбиванию (нагрев, охлаждение, выдержка и созревание) подбирают также по его производительности. Пропускную способность сливкосозревательных ванн находят по формуле

, (5.90)

где П_В – пропускная способность сливкосозревательных ванн, кг/ч;

V_В – рабочая вместимость ванны, м³;

_ц – продолжительность цикла созревания,ч.

Зная температуру тепловой обработки и охлаждения сливок, по формулам (2.63) и (2.66) определяют температуру тепла и холода на эти технологические операции.

Подбор маслоизготовителей непрерывного действия и маслообразователей осуществляется на основании потребной часовой или сменной производительности.

Количество холода, необходимое для технологического процесса маслообразования, рассчитывают по формуле (2.66), учитывая, что температура хладоносителя (хладона) на входе в аппарат минус 7…10 ⁰С. Расход холода можно также рассчитать исходя из часовой производительности маслообразователя и изменения температуры высокожирных сливок в процессе их преобразования в масло. Сливки подаются в аппарат при 65…75 ⁰С, температура масла на выходе из маслообразователя зависит от расхода и температуры рассола и обычно составляет 12…16 ⁰С. Теплоемкость сливок и сливочного масла можно принять равной соответственно 3270 и 1380 Дж/(кг∙⁰С).

Оборудование для производства творога.

Оборудование применяемое, как для производства традиционным способом, так и раздельным, можно разделить на три группы: оборудование для получения и обработки сгустка, оборудование для охлаждения, перетирания и перемешивания творожной массы, фасовочное оборудование.

Конструктивные особенности технологического оборудования для производства творога и твороженных изделий определяются способами его производства. Существуют традиционный и раздельный способы производства творога.

При производстве творога обычным (традиционным) способом нормализованное молоко сквашивается в аппаратах непрерывного или периодического действия. К непрерывному оборудованию относят коогуляторы и многосекционные творогоизготовители. К оборудованию периодического действия принадлежат творогоизготовители и творожные ванны.

После сквашивания молока отделение сывортки от образовавшегося сгустка осуществляется либо в самих творогоизготовителях, либо в аннах самопрессования, пресс-тележках или барабанных обезвоживателях.

При производстве творога раздельным способом сквашивание обезжиренного молока и образование сгустка осуществляется в емкостях, а для отделения сыворотки от творожного сгустка применяют сепараторы для обезвоживания творожного сгустка.

В линиях производства творога малой и средней мощности вместо сепараторов-творогоотделителей используют ванны самопрессования и пресс-тележки. В комплектных технологических линиях по производству творога, имеющих более высокую производительность (2,5…5,0 м³/ч по перерабатываемому молоку), творожный сгусток получают в резервуарах, а затем последовательно пропускают его через аппарат тепловой обработки и сепаратор для обезвоживания творожного сгустка.

Изготовленный творог подлежит охлаждению до температуры не выше 8 ⁰С. Творог охлаждается в охладителях открытого и закрытого типов, а также комбинированных аппаратах, позволяющих совмещать эту операцию с обезвоживанием творожного сгустка.

Перетирание и перемешивание творожной массы может осуществляться с помощью вальцовок, смесителей и куттеров.

Обычный способ производства творога позволяет получить требуемую жирность продукта непосредственно в процессе переработки молока соответствующей жирности.

При раздельном способе необходимая жирность продукта обеспечивается смешиванием обезжиренного творога с соответствующим количеством охлажденных пастеризованных сливок. Охлажденные сливки резко снижают температуру творога, что препятствует повышению кислотности готового продукта и повышает его вкусовые качества.

В процессе переработки молока на творог часть жира теряется. При этом, чем больше исходная жирность сырья, тем больше относительные потери жира. Таким образом, несмотря на необходимость проведения дополнительных операций (сепарирование молока и смешивание обезжиренного творога со сливками), раздельный способ производства творога имеет определенные преимущества по сравнению с обычным.

Технологический расчет оборудования для производства творога зависит от объема перерабатываемого сырья. При переработке до 5 тонн молока в смену применяют обычный способ производства творога с использованием творожных ванн различной вместимости. Для производства творога из 10…15 тонн молока рекомендуется творогоизготовители конструкции ВНИМИ. Творог из 20 тонн молока и больше целесообразно производить раздельным способом с помощью сепараторов для обезвоживания творожного сгустка.

Оборудование с периодическим циклом работы подбирают исходя из сменной производительности ванн:

, (5.91)

где П_в – сменная производительность ванн, м³/в смену;

V – рабочая вместимость ванн, м³;

Т_СМ – продолжительность смены, ч;

t_ц – продолжительность одного цикла переработки молока в творог, включающего в себя операции наполнения ванны, нагревания нормализованной смеси до температуры сквашивания (32 ⁰С), сквашивания, выгрузки из ванны сгустка с сывороткой и её мойкой, ч.

Время наполнения ванны нормализованным молоком и его нагревания до температуры сквашивания зависит от графика организации технологических процессов и оборудования самой линии (температура поступающего в ванны молока, подача молочного насоса и т.д.).

Продолжительность выгрузки сгустка и сыворотки из ванны самотеком можно определить по формуле (2.51), используя соответствующие коэффициенты расхода μ (0,85…0,9).

Время сквашивания можно принять 7…7,5 ч.

Расход тепла и пара для нормализованной смеси в ваннах определяется по формулам (2.63) и (2.65).

Оборудование для охлаждения (охлаждения и прессования) подбирается по часовой производительности, указанной в его технической характеристике.

Потребное количество холода, необходимое для охлаждения творога, находят по формуле

, (5.92)

где Q_х – количество холода, необходимое для охлаждения творога, Дж/ч;

k_х – коэффициент, учитывающий потери холода в окружающую среду (для открытых охладителей k_х = 1,3, закрытых k_х = 1,2);

n_хм – количество холодильных машин, шт;

П_x – производительность холодильной машины, кВт.

t_вх и t_вых – температура творога на входе в охладитель (t_вх = 25…30 ⁰С) и выходе из него (t_вых = 8…14 ⁰С).

При расчете оборудования для производства творога раздельным способом технологические емкости подбирают с учетом их рабочего объема, времени участия в технологическом процессе и сменной производительности. Сепараторы для обезвоживания творожного сгустка, а также насосы для перекачивания сырья и готового продукта подбирают исходя из их часовой подачи.

Оборудование для производства сыра.

Оборудование для производства сыра делится на оборудование для выработки сырного зерна, формования и прессования сырной массы и оборудование сырохранилищ.

Оборудование для производства плавленого сыра делится на оборудование для подготовки сырной массы к плавлению и для ее плавления.

Расчет оборудования этой группы заключается в определении пропускной способности за смену аппаратов для выработки сырного зерна и прессов, расхода пара на нагрев молока, а также подборе оборудования с непрерывным принципом работы.

Пропускная способность сыродельных ванн рассчитывается по формуле

, (5.93)

где П_св – пропускная способность сыродельных ванн, кг/в смену;

ρ – плотность сырной массы, кг/м³;

Т_см – продолжительность смены, ч;

t_ц – продолжительность одного цикла переработки молока на сыр, включающего в себя операции наполнения, заквашивания и сквашивания молочной смеси, обработки сырной массы, формования (если сырное зерно формуется в ванне), разгрузки и мойки ванны, ч. При расчетах для мелких сыров _ц = 2…2,5 ч, крупных _ц = 3…3,5 ч.

Расход тепла и пара на нагрев молока находят по формулам (2.63) и (2.65), причем в последнем выражении вместо теплового КПД аппарата подставляется коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду η_ср, который для ванн с теплоизоляцией и без нее соответственно равен 0,8…0,85 и 0,5…0,75.

Пропускная способность пресса определяется по формуле

, (5.94)

где П_пр – пропускная способность пресса, кг/ч;

m_С – масса прессуемых сыров, кг;

t_ц – длительность прессования сыра, ч (для твердых сыров типа «Российский» t_ц = 8 ч).

Количество контейнеров, необходимых для созревания сыров, рассчитывается по формуле

, (5.95)

где n_К – количество контейнеров, шт;

t_с – длительность созревания сыра в камере, сутки (зависит от сорта сыра и составляет 60…160 суток);

g_К – вместимость контейнера, кг.

Оборудование для посолки сыров, их мойки, обсушки, маркировки, а также парафинирования, подбирается по часовой производительности.

Если для посолки сыров применяется бассейн или ванна, то их площадь определяется по формуле

, (5.96)

где F_б – площадь бассейна или ванны для посолки сыров, м²;

f_К – площадь, занимаемая одним контейнером с сыром, м²;

n_К – число контейнеров, находящихся в бассейне;

k_б – коэффициент использования площади бассейна (k_б = 0,8…0,85.

Размеры бассейна обычно принимают с учетом длины и ширины стандартных контейнеров (габаритные размеры контейнера для посолки сыров РЗ-ОКУ 1100х951х1454 мм).

В связи с тем, что длительность нахождения сыров в посолочном бассейне различна для каждого вида и составляет 1…10 суток, площадь бассейна проще определить исходя из расчетной нагрузки на его единицу площади. В зависимости от массы головок сыра нагрузка на 1 м² бассейна при размещении контейнеров в два яруса может составлять 400…800 кг продукта.

Оборудование для производства плавленого сыра (машины для измельчения сыра и аппараты для плавления сырной массы непрерывного действия) подбираются по часовой производительности с учетом графика организации технологического производства.

Аппараты для плавления сырной массы периодического действия подбираются с учетом вместимости котла и длительности цикла технологического процесса загрузки аппарата, плавления сырной массы и ее выгрузки. Для однокотлового аппарата длительность цикла 25…30 мин. В двухкотловом аппарате он сокращается до 15 мин благодаря совмещению основного процесса в одном котле с загрузкой или выгрузкой продукта во втором.

Оборудование для производства мороженого.

При производстве мороженого применяют оборудование для приготовления смеси, частичного замораживания в ней влаги, закалки, фасовки и упаковки мороженого, а также оборудования для выпечки вафель.

Приготовление смеси включает в себя такие операции, как составление смеси, ее пастеризации, гомогенизации и охлаждение. Для их выполнения можно использовать оборудование, применяемое при механической и тепловой обработки молока.

В крупных специализированных цехах по производству мороженого могут применяться охладители марки А1-ООВ производительностью 1250, 2500 или 5000 кг/ч и комбинированные пастеризационно-охладительные установки для смесей мороженого марки А1-ОКВ производительность 2500 кг/ч.

Особенностью их являются теплообменные аппараты, у которых в зазоре между каждой парой теплообменных пластин, где проходит охлаждаемая или нагреваемая смесь, установлены диски с прорезями (ножи). Вращаясь с помощью вала с приводом, они интенсифицируют процесс теплообмена и не позволяют оседать продукту на стенках пластин.

При небольших объемах производства мороженого смесь готовится в емкостях, имеющих теплообменную рубашку и мешалку. Для смешивания сырьевых компонентов при приготовлении смесей мороженого используют сыродельные ванны (Д7-ОСА-1, П-663, СВ-1000, СВ-2000, ВС-2500), сливкосозревательные ванны (ВСГМ-400, ВСГМ-800, ВСГМ-1200, ВСГМ-2000), ванны длительной пастеризации (ВДП-300, ВДП-600, ВДП-1000, ВДП-ЮООМ, ВДП-2500), универсальные резервуары (ТУМ-1200, Г2-ОТ2-А), пастеризаторы змеевикового типа (ОЗП-1000, ОЗП-2000) и другое оборудование.

Для фильтрования смеси применяется фильтр А1-ОШФ.

Для тепловой обработки смесей используются пастеризаторы.

Основным технологическим процессом при производстве мороженного является частичное замораживание влаги в специально приготовленной смеси с одновременным ее взбиванием и насыщением мелкодиспергированным воздухом. Этот процесс получил название фризерование и осуществляется в специальных аппаратах – фризерах. В них определённая часть (25…60 %) воды переходит в лед и объем смеси увеличивается в 1,5…2 раза.

Фризеры классифицируются на аппараты периодического и непрерывного действия. Фризеры имеют рассольную, фреоновую или аммиачную систему охлаждения. На основе одной и той же системы охлаждения во фризерах может быть размещено от одного до шести цилиндров с последовательным или параллельным прохождением продукта. В таких аппаратах вырабатывается мороженое нескольких наименований или один вид повышенного качества.

После фризерования смесь мороженого подвергается закаливанию, в результате чего 85…90 % воды вымораживается, а размеры кристаллов льда в нем увеличивается до 80…100 мкм. Закаливание мороженого проводится в аппаратах камерного или карусельного типа (скороморозильные аппараты или эскимогенераторы).

Фасовка и упаковка мороженого могут осуществляться как отдельная технологическая операция или совмещаться с его закаливанием. Упаковка мороженого, поступающего из эскимогенератора, выполняется с помощью заверточного автомата. Для фасовки и упаковки мороженого в коробки из кашиованной фольги, вафельные и бумажные стаканчики, а также брикетного мороженого на вафлях служат специальные линии фасования и закаливания. В их состав входят фасовочный автомат, скороморозильный аппарат и другое оборудование.

Выпечка вафель и вафельных стаканчиков осуществляется с помощью специальных электропрессов, полуавтоматов и автоматов.

Технологический расчет оборудования для производства мороженого условно делится на две части.

В первой производится подбор оборудования для приготовления смеси (гомогенизаторы, охладители, пастеризационные установки, емкости). При этом для специализированных предприятий по производству мороженого рекомендуется подбирать комбинированные пастеризационно-охладительные установки, предназначенные для работы с высоковязкими жидкостями или специально разработанные для тепловой обработки смесей мороженого (А1-ОКЛ-2,5; А1-ОКВ-2,5). Методика технологического проектирования оборудования изложена выше, в соответствующих разделах.

Во второй части расчета осуществляется подбор оборудования для частичного замораживания влаги в смеси (фризеры), закалочных камер (морозильные аппараты), а также в некоторых случаях и другого оборудования (аппараты для выпечки вафельных стаканчиков, фасовки и упаковки мороженого и т.д.).

Производительность фризера периодического действия находят по формуле

, (5.97)

кде П_Ф.П – производительность фризера периодического действия, кг/ч;

V_Ф – вместимость цилиндра, м³;

t_ц – продолжительность технологического цикла фризера, включающего в себя операции загрузки смеси мороженого, её фризерование и разгрузки, ч.

Продолжительность технологического цикла фризера зависит от его конструктивных особенностей и для аппаратов небольшой производительности (10…20 кг/ч), вырабатывающих мягкое мороженое, составляет 0,8…1 ч. Фризеры большей производительности, устанавливаемые в технологических линиях производства мороженого, имеют _ц = 0,1…0,2 ч.

Производительность фризера непрерывного действия находят по формуле

, (5.98)

где П_Ф.Н – производительность фризера непрерывного действия, кг/ч;

z_ж – число ножей;

s – толщина срезаемого слоя, мкм (для фризеров небольшой производительности s = 10…12 мкм, остальных s = 20…25 мкм);

n – частота вращения ножей, с^-1 (n = 3…5 с^-1);

k_Ф – коэффициент, учитывающий неравномерностьсрезания намороженного слоя (k_Ф = 0,7…0,8);

F_Ф – площадь поверхности охлаждения цилиндра, м²;

ρ_см и ρ_м – плотность соответственно смеси и мороженого, кг/м³ (ρ_см = 1100 кг/м³).

Плотность мороженого зависит от степени его взбитости и может быть ориентировочно определена из зависимости

, (5.99)

где а – степень взбитости мороженого, % (для молочного и сливочного мороженого а = 70…90 %)

Иногда в технической характеристики фризера указывается его производительность для конкретной степени взбитости мороженого. В этом случае производительность фризера не рассчитывается, а уточняется с учетом формулы (2.87) для заданной (или принятой) степени взбитости продукта.

Фризеры по производству мягкого мороженого имеют встроенный холодильный агрегат и небольшую производительность (10…30 кг/ч).

Более производительные фризеры, применяемые в цехах по производству мороженого и хладокомбинатах, обычно подключены к общецеховой циркуляционной холодильной системе, преимущественно аммиачного типа. Поэтому для работы этой системы необходимо знать расход холода каждым её потребителем. Расход холода для фризера определяется по формуле

, (5.100)

где Q_Ф – расход холода, кДж/ч;

П_Ф – производительность фризера, кг/ч;

С_см и С_м – теплоемкость смеси мороженого и готового мороженого, кДж/(кг∙⁰С). Для ориентировочных расчетов их можно принять соответственно 2,93 и 1,63 кДж/(кг∙⁰С);

t_см – температура поступающей во фризер смеси, ⁰С (t_см = 6 ⁰С);

t_м – температура мороженого, ⁰С (t_м = минус 5…6 ⁰С);

М_В – масса воды в 1 кг мороженого, кг;

N – мощность, потребляемая фризером, кВт;

η_Ф – механический КПД фризера (η_Ф = 0,7…0,8);

k_Ф – коэффициент, учитывающий потери холода (k_Ф = 0,85…0,9).

Значение 3,36∙М_В введено в формулу для учета количества холода, затрачиваемого на замораживание воды, находящейся в мороженом. Для компенсации тепла, выделяемого при работе мешалки фризера (перемешивающее и срезающее устройство), в формулу вводится значение 3600∙N_Ф∙η_Ф.

Следует отметить, что расход холода, полученный по формуле (5.100), обычно на 20…30 % ниже реального значения, приводимого в паспорте аппарата.

Аппараты для закалки мороженого конвейерного типа и эскимогенераторы подбираются в зависимости от их часовой производительности, морозильные аппараты камерного типа – исходя из массы загружаемого продукта и времени его обработки.

Оборудование для производства сгущенных молочных продуктов.

Оборудование для производства сгущенных молочных продуктов включает в себя выпарные установки, оборудование для приготовления сахарного сиропа, охлаждения сгущенного молока и кристаллизации молочного сахара.

Аппараты, в которых сгущают продукты, называют выпарными. Они бывают атмосферными или вакуумными. По сравнению с атмосферными аппаратами вакуум-выпарные установки имеют следующие преимущества:

возможность сгущать жидкости, кипение которых при атмосферном давлении ведет к изменению физико-механических свойств и потере питательной ценности продукта;

использование в рабочем цикле отработанного и вторичного пара;

эффективное использование пара ввиду значительного перепада температур между теплоносителем (паром) и выпариваемой жидкостью.

Указанные преимущества вакуум-выпарных установок объясняют их широкое применение при переработке молока.

Используемые в молочной промышленности выпарные установки в зависимости от классификационных признаков делятся на следующие группы:

- по количеству корпусов – одно- и многокорпусные;

- по принципу работы – периодического и непрерывного действия;

- по конструкции – циркуляционные и пленочные;

- по типу греющей поверхности – трубчатые и пластинчатые;

- по типу конденсатора – с поверхностным и барометрическим конденсаторами;

- по способу подогрева продукта – с использованием водяного пара, паров аммиака и фреона;

- по использованию вторичного пара – аппараты, в которых не используется вторичные пар и аппараты с его использованием.

В технической характеристике вакуум-выпарной установки приводится часовая производительность по исходному сырью, выпаренной воде и сгущенному продукту. В принципе подбор оборудования может быть осуществлен по любому из этих показателей. Однако на практике следует учитывать массовую долю сухих веществ в исходном и сгущенном продуктах, что делает более предпочтительным выбор оборудования по количеству испаряемой влаги. Массу выпаренной при сгущении продукта влаги рассчитывают по формуле

, (5.101)

где W_сг – масса выпаренной при сгущении продукта влаги, кг;

М_сг – масса сырья, поступившего на сгущение, кг;

w₁ и w₂ – содержание сухих веществ соответственно в сырье и готовом продукте, %

Часовая производительность вакуум-выпарных установок определяется с учетом времени их непрерывной работы:

, (5.102)

где П_СГ – часовая производительность вакуум-выпарных установок, кг/ч;

Т_ЭФ – время эффективной непрерывной работы установки между мойками, ч (Т_ЭФ = 12..17,5 ч для установок непрерывного действия).

Полученное значение является основанием для выбора соответствующего вакуум-выпарного аппарата.

Оборудование для приготовления сахарного сиропа, а также охлаждения сгущенного молока и кристаллизации молочного сахара подбирается по часовой производительности. Пропускную способность вычисляют по формуле

, (5.103)

где П_сах – пропускная способность оборудования для приготовления сахарного сиропа, кг/ч;

V – вместимость оборудования, м³;

ρ – плотность обрабатываемого продукта, кг/м³;

t_ц – продолжительность цикла обработки продукта, ч.

В технологический цикл сироповарочных котлов входят такие операции, как загрузка их сахарным песком и заливка водой, нагревание и перемешивание продукта, выгрузка сиропа. Длительность этих операций можно принять равной 2…25,5 ч.

Технологический процесс кристаллизаторов-охладителей периодического действия состоит из операций загрузки продукта, его охлаждения с одновременным перемешиванием и выгрузки. Длительность технологического цикла этих аппаратов 10…20 ч.

Оборудование для производства сухих молочных продуктов.

В молочной промышленности применяют следующие виды сушки: распылительная, пленочная и сублимационная.

Распылительная сушка позволяет получить продукт наиболее высокого качества, так как белки молока в процессе ее осуществления не подвергаются критическому нагреву. Полученное таким способом сухое цельное молоко имеет растворимость 96…98 %. Вместе с этим применяемое для распылительной сушки оборудование имеет высокую стоимость и большие габаритные размеры, а расход пара на выпаривание из продукта 1 кг влаги достигает 3 кг.

При пленочной сушке удельный расход пара значительно ниже (1,1…1,25 кг/кг); оборудование для такой сушке дешевле и имеет значительно меньшие размеры. Недостатком же этого вида сушки являются более низкие качество и растворимость (80…85 %) получаемого продукта.

Сублимационная сушка получила распространение для сушки твердых молочных продуктов. Оборудование для ее реализации имеет довольно сложную конструкцию и невысокую производительность.

Классификацию оборудования для сушки молочных продуктов можно (сушилок) осуществить по следующим классификационным признакам

- по способу подвода тепла – конвективные и контактные;

- по типу используемого теплоносителя – воздушные, газовые и паровые;

- по величине давления в сушильной камере – атмосферные и вакуумные;

- по способу действия – периодического и непрерывного действия;

- по взаимному направлению движения материала и теплоносителя в конвективных сушилках – прямоточные, противоточные и с перекрестным током.

Сушилки для молока и жидких продуктов подбирают по количеству испаряемой влаги из сырья за один час работы оборудования:

, (5.104)

где W_В – количество испаряемой влаги из сырья, кг/ч;

М_с – масса продукта, поступившего на сушку, кг/ч;

ω₁ и ω ₂ – содержание влаги соответственно до и после сушки, %

Как правило, жидкие молочные продукты, подвергаемые сушке, предварительно сгущают на вакуум-выпарных установках. Поэтому содержание влаги в цельном молоке, подвергаемом сушке, обычно составляет 50…52, а в обезжиренном – 54…56 %. Содержание влаги в сухом продукте зависит от конструктивных особенностей сушильных установок и составляет 4…12 %. Оборудование для сушки твердых молочных продуктов рассчитывается исходя из вместимости сушилки и времени цикла технологического процесса (загрузки, сушки и выгрузки). Сушилка с непрерывным циклом работы подбирается по часовой производительности.

Оборудование для розлива, фасовки и упаковки молока и молочных продуктов.

Оборудование для розлива, фасовки и упаковки молока и молочных продуктов обычно входит составной частью в технологические линии по производству того или иного продукта.

По назначению и конструкции оно весьма разнообразно, однако в общем устройстве и принципе работы имеет много одинакового.

В состав каждого фасовочно-упаковочного автомата входят следующие основные части:

- общий привод;

- распределительный механизм для привода в действие различных исполнительных механизмов;

- механизм транспортировки продукта, тары, этикеток, крыше и т.д;

- исполнительные механизмы для фасовки и розлива, изготовления пакетов, колпачков, коробок и их упаковка и др.

- механизм блокировки и защиты, срабатывающий в случае каких-либо неполадок или нарушений технологического процесса.

Основным условием работы автомата в заданном режиме является синхронизация действия всех входящих в его состав исполнительных механизмов.

В зависимости от выбранных классификационных признаков оборудование для розлива, фасовки и упаковки молочных продуктов можно разделить на автоматы для розлива, фасовки и упаковки жидких, вязких, твердых и сыпучих молочных продуктов.

В свою очередь, оборудование каждой из этих групп может классифицироваться в зависимости от типа дозирующего устройства, общей компоновки автомата, упаковочного материала и т.д.

Оборудование для розлива молока и жидких молочных продуктов обычно подразделяется на фасовочно-укупорочные машины и фасовочные автоматы. Фасовочно-укупорочные машины предназначены для розлива молочных продуктов в бутылки различной вместимости с последующей укупоркой колпачками. Автоматы позволяют фасовать молоко и жидкие молочные продукты в пакеты из полимерных материалов или в картонную тару.

Оборудование для упаковки вязких молочных продуктов классифицируется в зависимости от принципа работы и общей компоновки. В первом случае автоматы делятся на машины с непрерывным и циклическим (периодическим) принципом работы. В зависимости от взаимного расположения основных механизмов автоматов они могут относиться к карусельному или линейному типу.

Фасовочные автоматы могут работать как с готовой тарой, так и изготавливать ее в процессе своей работы.

Для фасовки сгущенного молока в жестяные банки применяется специальное оборудование, в состав которого входят дозировочно-наполнительный и закаточный автоматы. Классификация оборудования для упаковки сыпучих продуктов и твердых молочных продуктов в основном зависит от видов применяемой тары или упаковочного материала.

Основание для выбора оборудования этой группы является потребная часовая производительность линии розлива (фасовки, упаковки), определяемая из графика организации технологического производства в целом. В технической характеристике разливочных и упаковочных автоматов приводятся данные о числе бутылок, пакетов, баночек, упаковок и т.д., заполняемых продуктами за минуту и их вместимость.

Часовая производительность этих автоматов может быть рассчитана по формуле

, (5.105)

где П_р-ф – часовая производительность автоматов для розлива, фасовки, упаковки, кг/ч;

- производительность автомата в минуту, упаковки;

m₁ – масса продукта в одной упаковке, кг;

k – коэффициент, учитывающий допустимое отклонение массы дозируемого продукта (k = 1,02…1,04).

Для жидких молочных продуктов в формуле (2.93) необходимо учитывать плотность разливаемого в бутылки или пакеты продукта, т.к. в технической характеристике разливочных автоматов указывается не масса продукта, а объем дозы.

Вспомогательное и транспортное оборудование любого производства подбирают в соответствии с принципом работы основного технологического оборудования и организации технологического процесса.

Расчет результатов сводят в таблицу (табл. 5.4) и стоят график работы оборудования с учетом расхода массы сырья и полуфабрикатов на каждой операции: измельчение, составление фарша и т.д. для каждого вида продукции (например, рисунок 3).