Применение термоэлектрических модулей в пастеризационно-охладительных установках для обработки жидких пищевых продуктов

B.B. Кирсанов 

В.Н. Кравченко 

Р.Ф. Филонов

ПРИМЕНЕНИЕ

терм о эл ек три ч еск и х м одулей

В ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВКАХ ДОЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ 

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Монография

'ш д щ ш т ш я Ш
 щ Ш

Федеральное государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«М осковский государственный агроинженерный 
университет имени В.П. Горячкина»

В.В. Кирсанов, В.Н. Кравченко, Р.Ф. Филонов

ПРИМЕНЕНИЕ 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 

В ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВКАХ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ 

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Монография

М осква

2011

УДК637.1/.3 
ББК  36.95 
К  435

Рецензенты: 
член-корреспондент Россельхозакадемии, 
доктор технических наук, профессор 
Ю.А. Цой

доктор технических наук, профессор 
ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -  
МСХА имени К.А. Тимирязева»
Ю.Г. Иванов

Кирсанов В.В., Кравченко В.Н., Филонов Р.Ф.
Применение термоэлектрических модулей в пастеризационно-охладительных установках для обработки жидких пищевых продуктов: монография. -  М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. -  88 с.
ISBN 978-5-86785-273-3

В монографии представлен анализ процессов и оборудования для тепловой 
обработки молока. Даны теоретические аспекты энергетического применения 
термоэлектрических явлений в оборудовании для охлаждения и нагрева пищевых 

продуктов; приведены результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний пастеризационно-охладительных установок.
Предназначена для специалистов и инженеров молочной отрасли.

УДК637.1/.3 
ББК 36.95

О ригинал-м акет является собственностью  Ф ГО У  В П О  МГАУ 
и его воспр оизвед ен ие в лю бом  виде (включая электронный) 
б е з согласия издателя запрещ ено.

©ФГОУ ВПО МГАУ, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в 
частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения прогрессивных форм хозяйствования, наукоемких технологий и высокоэффективной элементной базы, позволяющих существенно снизить издержки производства и повысить его рентабельность.
В приоритетном национальном проекте по развитию АПК в качестве основных направлений развития агропромышленного комплекса определены ускоренное развитие животноводства и стимулирование малых форм хозяйствования. При этом анализ структуры животноводческой продукции показывает, 
что на долю личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйств (ЛПХ и 
КФХ) в последние годы приходятся значительные объемы производства до 51 
% мяса и 55 % молока. А это ведет к необходимости создания компактных ми- 
ни-цехов по первичной обработке продукции, в частности по переработке молока, что существенно повышает рентабельность производства.
Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими 
на качество молока, а также на энергоемкость его производства являются процессы тепловой обработки (охлаждение и пастеризация), на долю которых приходится более 40 % всех энергозатрат.
Наличие современных технологий и технических средств по первичной обработке и переработке молока у фермеров резко повышает их конкурентоспособность. Поэтому создание компактных малогабаритных недорогих и высокоэффективных технологических установок является важной составляющей в решении общей проблемы обеспечения продовольственной безопасности страны.
Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии 
уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и технологических решений.
Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепловой обработки молока является использование полупроводниковых термоэлектрических модулей (ТЭМ), обеспечивающих построение малогабаритных, высокоэффективных комплектов пастеризационно-охладительного оборудования, 
исключающих применение бойлерного паро-водогрейного и фреонового холодильного оборудования.
Теория термоэлектрических явлений, обобщенная в результате известных 
работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [56, 57], открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических устройств. За последние десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, 
поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные устройства для понижения и повышения температуры, обеспечивать процессы теплопередачи в конструкциях теплообменных аппаратов.
Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффективности 
применения 
термоэлектрических 
устройств 
в 
пастеризационноохладительных установках в качестве тепловых насосов.

1. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА 
НА ФЕРМАХ И ЛИНИЯХ МИНИ-МОЛОКОЦЕХОВ

1.1. Анализ существующих способов и технических средств 
для тепловой обработки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером -  французским ученым, 
основоположником современной микробиологии и иммунологии.
Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванного жизнедеятельностью микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен 
на тепловую обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [93].
Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой 
обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теоретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.
Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при 
определенных комбинациях численных значений температуры и времени и таким образом достигается положительный результат в отношении пищевой 
безопасности молока.
Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные изменения компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потребительских свойств.
С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени 
основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в 
области пастеризации молока являются:
разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко тепловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззараживания и сохранения его качеств;
создание новых конструкций пастеризаторов, обеспечивающих энергоэффективное воплощение процесса пастеризации, удобных и надежных в эксплуатации.
Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными 
аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдерживатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение двух и более 
технологических операций, таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепарирование, нормализация и др.
По источнику использования энергии современные пастеризаторы можно 
подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы 
(ультразвуковые), а также фрикционные с механическим нагревом и ультрафиолетовым воздействием [84].
Схема изменения температуры представлена на рис. 1.1. Заштрихованная 
область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для которых Т > 60 являются пастеризующими.

Рис. 1.1. Изменение температуры молока в пастеризаторе:
Гр -  температура подогрева в рекуператоре; Г60 -  температура начала 
проявления пастеризационного эффекта; Г„ -  температура пастеризации

Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эффекта, выше теоретического из-за неравномерного распределения скоростей и 
температур по сечению молочного потока.
Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей, в 
нем не должно быть воздушных пузырьков, желательна минимальная бактериальная обсемененность пастеризуемого молока.
При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит 
изменение физико-химических свойств молока.
Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурновременных режимов и типа аппарата [44, 93,94,127].
При длительной пастеризации (температура 63 °С, выдержка 30 мин) выделяется до 5 % от общего количества альбумина, наблюдается небольшое 
ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение кислотности молока на (0,5... 1) °Т.
При температуре 75 °С начинается денатурация альбумина, который не 
осаждается, а переходит в свертывающуюся форму от воздействия кислот сернокислого магния.
При нагревании молока до 85 °С в течение 1 мин большая часть альбумина 
денатурируется, а при 95 °С денатурируется весь альбумин, кроме того частично изменяется казеин.
При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли 
переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокислых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных 
поверхностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»).
Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции тепловых аппаратов, которые отличаются друг от друга не только источниками

использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуатационными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

Односекционные
Многосекционные
Плоские
~Ж
Открытые
оросительные

Закрытые
проточные

Под напором и с 
использованием 
вакуума

Использование 
собственной 
массы продукта

По числу секций
По форме

КЛАСС ОХЛАДИТЕЛЕН

По характеру 
соприкосновения с 
окружающим воздухом

По воздействиям, 
вызывающим 
продвижение продукта

По профилю 
рабочей 
поверхности

По конструкции

По относительному направлению движения 
теплообменивающихся сред

Прямоточные
Прогивоточные
С параллельным 
движением сред

Круглые

Трубчатые

Пластинчатые

Однорядные

Многорядные
(пакетные)

С переносным 
движением сред

Рис. 1.2. Классификация применяемых 
пастеризационно-охладительных установок

Наибольшее распространение для пастеризации молока получили пластинчатые пастеризационно-охладительные установки с электронагревом, которые по сравнению с другими типами тепловых обменных аппаратов имеют 
ряд преимуществ:
малые габариты аппарата; 
минимальные тепловые потери;
существенная экономия до 80 % тепла в секциях регенерации; 
существенно меньший расход энергии в пластинчатых аппаратах (в 2...3 
раза), чем в трубчатых;
возможность изменения числа пластин и производительности; 
возможность безразборной циркуляционной мойки оборудования.

молоко 
пар 
горячи воде 
холодная вода 
ледяная
вода

Рис. 1.3а. Принципиальная схема пластинчатой 
пастеризационно-охладительной установки:
1 — уравнительный бак; 2 — насос для молока; 3 — ротаметрический 
регулятор; 4 — пластинчатый теплообменный аппарат;
5 -  сепаратор-молокоочиститель; 6 — насос горячей воды;
7 -  бачок-аккумулятор; 8 -  пароконтактный нагреватель воды;
9 -  выдерживатель; I — первая секция рекуперации; I I -вторая секция 
рекуперации; I I I — секция пастеризации; I V -  секция охлаждения холодной 
воды; V — секция охлаждения ледяной водой

Горячая вода для нагрева молока (рис. 1.3а) подается в секцию пастеризации водяным центробежным насосом 6 из бачка-аккумулятора 7. Охлажденная 
вода из секции пастеризации возвращается в бачок, предварительно нагреваясь 
в парокантактом нагревателе 8, установленном на трубопроводе возврата воды.
Вместо пароконтактного нагревателя также используются электрические 
нагреватели воды.

На рис. 1.36 представлена базовая технологическая схема пластинчатой 
пастеризационно-охладительной установки, разработанной НПК «Прогрессивные технологии».

Рис. 1.36. Технологическая схема пластинчатой пастеризационноохладительной установки НПК «Прогрессивные технологии»:
1 -  пластинчатый теплообменный аппарат; 2 -  возвратный клапан;
3 -  уравнительный бак; 4 -  насос продуктовый; 5 -  гомогенизатор;
6 -  пластинчатый теплообменник для нагрева воды; 7 -  выдерживатель;
8 -  насос для подачи воды в теплообменник

НПК «Прогрессивные технологии» также разработаны и изготавливаются 
пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОКЛ.
В табл. 1.1 приводятся технические характеристики установок различной 
производительности.
Таблица 1.1
Базовая номенклатура и технические характеристики 
________________пастеризационно-охладительных установок ______________
Основные параметры
ОКЛ-1.25-М
ОКЛ-2.5-М
ОКЛ-5-М
1
2
3
4
Производительность, л/ч
1250
2500
5000
Количество секций
4
4
4
Поверхность теплообмена пластины, м2
0,2
0,2
0,55

Количество пластин
120
155
98
Начальная температура, °С
40...45
40...45
40...45
Температура гомогенизации, °С
80...85
80...85
80...85
Температура пастеризации, °С
85 ± 2
85 ± 2
85 ±2