5. Охлаждать или нагревать? [1983 Ковалев Ю.Н.

Дальше, по сказке, лукавая невеста советует царю искупаться во всех трех котлах. Хитрый царь, опасаясь подвоха, прежде заставляет крестьянского сына Иванушку испробовать на себе столь сомнительную процедуру. И что же? Простоватый Иванушка превращается в такого пригожего добра молодца, "что ни в сказке не сказать, ни пером не написать".

Но и в самой обыденной действительности, как мы знаем, у молока немало замечательных свойств. Недаром еще древние называли его "соком жизни", "чудесной пищей", "источником здоровья". Того же мнения придерживаются и современные ученые, врачи, диетологии. Однако при всех очевидных достоинствах и молоко не без изъяна: уж очень быстро оно скисает. Создав "изумительную пищу", природа предназначила ее для немедленного, сиюминутного употребления, предоставив человеку позаботиться о сохранности "дарованного" продукта.

Люди издавна подметили, что кипячение или близкое к нему нагревание как бы "омолаживает" молоко, придает ему стойкость против скисания, порчи, позволяет дольше хранить. Видимо, неспроста автор "Конька-горбунка" наделил магическими свойствами именно кипящее ключом молоко. Но известно также, что и противоположный процесс - охлаждение - продлевает срок, в течение которого молоко не портится. Таким образом, термическая обработка, если обратиться к современной терминологии, благотворно влияет на сохранность пищевых продуктов.

Это явление, хорошо известное и широко используемое еще в глубокой древности, получило свое настоящее объяснение благодаря исследованиям великого французского ученого Луи Пастера. В начале второй половины прошлого века Луи Пастер занимался изучением микроорганизмов и вскоре пришел к выводу, что процессы брожения и гниения вызываются деятельностью микробов. Более того, он показал, что каждый вид брожения вызывается определенным возбудителем, установив тем самым понятие специфичности микроорганизмов. В 1857 году появилась первая из тех статей Пастера, посвященных этому вопросу, что составили эпоху в истории науки. Она была посвящена молочнокислому брожению. Спустя год последовало открытие сложных явлений при спиртовом брожении.

В период изучения природы брожения Пастер по Просьбе французских виноделов занялся изучением "болезней вина", наносящих огромный хозяйственный ущерб. Ученый установил, что причиной порчи продукции являются опять, таки специфические микробы, нарушающие нормальные процессы брожения, и разработал действенный способ борьбы, обнаружив, что нагревание вина до 60 градусов обуславливает их гибель и обеспечивает длительный срок хранения в закрытых сосудах, куда не попадали бы микроорганизмы из воздуха.

Так был введен в практику метод предохранения продуктов от порчи, названный в честь исследователя пастеризацией. В общем смысле этот процесс может быть определен как "тепловая обработка, которая обеспечивает уничтожение нежелательных микроорганизмов и при этом не ухудшает потребительской ценности продукта". Эффект пастеризации зависит не только от температуры нагревания, но и от времени, в течение которого продукты выдерживают при данной температуре. Следовательно, подавление патогенных микроорганизмов в молоке возможно при различных комбинациях температуры и длительности ее действия (рис. 23).

Рис. 23. Диаграмма зависимости эффекта пастеризации молока от температуры процесса и длительности теплового воздействия

Предложение о необходимости пастеризации молока вызывало в свое время весьма ожесточенные споры. Однако несомненный положительный эффект подобной обработки говорил сам за себя. Поэтому уже с 80-х годов прошлого века этот метод повышения стойкости молока при его хранении стал постепенно распространяться в крупнейших развитых странах мира.

В настоящее время молоко в обязательном порядке подвергается пастеризации в большинстве государств.

Пастеризация должна гарантировать уничтожение в молоке не менее 99,8-99,9 процента микробов. Если оно повторно не обсеменяется бактериями и содержится при достаточно низкой (2-4 градуса) температуре, то по сравнению с сырым может храниться более чем вдвое дольше.

Для полного же уничтожения всех видов микрофлоры молока применяют другой вид тепловой обработки - стерилизацию (от латинского sterilis - бесплодный). Нагрев до 140 (а иногда и выше) градусов надежно подавляет жизнедеятельность микробов и их спор. Однако столь высокие температуры в сочетании с их продолжительным действием разрушают ряд компонентов молока, определяющих его вкусовые и питательные свойства.

При нагревании в режиме пастеризации физико-химические свойства молока претерпевают лишь некоторые изменения, которые приводят к очень незначительному понижению его питательности. Но вот повторная и тем более последующие пастеризации сказываются на качестве продукта куда сильнее, вызывая разрушение витаминов, преобразование солей, выпадение осадка. Поэтому, заботясь о максимальном сохранении питательной ценности молока, следует добиваться такой организации производства, чтобы молоко до поступления к потребителю подвергалось пастеризации лишь один раз.

По советскому ветеринарному законодательству молоко и молочные продукты, продаваемые населению, должны быть в обязательном порядке обеззаражены, то есть подвергнуты пастеризации на предприятиях молочной промышленности. А вот на животноводческих фермах, чтобы избежать здесь предварительной пастеризации, молоко подвергают первичной обработке - очистке и охлаждению.

Для чего же свежевыдоенное молоко охлаждают? Попросту говоря - чтобы не скисало, прежде чем попадет на завод. Ведь портится оно главным образом в результате деятельности микроорганизмов, для которых оказывается прекрасной питательной средой. Микробы содержатся уже в парном молоке. Во время хранения и транспортировки число их резко возрастает. Так, при комнатной температуре количество всевозможных микробов увеличивается в течение суток в десятки тысяч раз. Для развития и размножения они используют молочный сахар, жир, белок.

Свежевыдоенное парное молоко содержит так называемые бактерицидные вещества (лактенины, лизоцимы, антитела и т. п.), в результате действия которых число микробов в первые часы хранения и транспортирования молока не только не увеличивается, но даже уменьшается. Природа этих веществ пока полностью не изучена. Обнаруженные еще в конце прошлого века, они до сих пор являются объектом пристального внимания ученых. К сожалению, бактерицидные вещества очень нестойки, и сохранить их можно только при быстром охлаждении молока после доения. Период, когда в молоке под воздействием указанных веществ бактерии не размножаются, называется бактерицидной фазой. Ее продолжительность находится в очевидной зависимости от показателя бактериологической обсемененности, а также от скорости и температуры охлаждения молока. В парном и неохлажденном молоке бактерицидные свойства сохраняются в течение 2-3 часов. Чем чище свежевыдоенное молоко и ниже температура его хранения, тем дольше бактерицидная фаза (табл.).

Продолжительность бактерицидной фазы молока в зависимости от условий его получения и температуры хранения (по Р. Б. Давидову и К. К. Горбатовой)

Сохранение молока в свежем состоянии возможно более длительный срок - основная задача в борьбе за повышение качества молочных продуктов. Этого необходимо добиваться, так как из поступающего на перерабатывающие предприятия молока с большим содержанием микроорганизмов и повышенной кислотностью нельзя получить высококачественные и стойкие при хранении продукты питания.

Итак, на вопрос, вынесенный в заглавие, следует ответить, что молоко еще на ферме нужно охлаждать, а затем на заводе нагревать (пастеризовать) и снова охлаждать, причем все виды термической обработки очень важно выполнять своевременно, в кратчайшие сроки.

Однако сделать это не так-то просто: ведь, скажем, на крупных животноводческих фермах промышленного типа ежесуточно надаивают по нескольку десятков тонн молока, а его поступление на перерабатывающие предприятия исчисляется уже сотнями тонн.

Для охлаждения и нагревания молока применяют теплообменные аппараты и установки фермского или производственного назначения самых различных конструкций и мощностей. В качестве теплоносителей (хладоносителей) используют пар, горячую или холодную артезианскую воду, искусственный холод, получаемый в компрессорных установках, и т. д. А чтобы более понятно рассказать об устройстве и работе соответствующих технических средств, приведем краткие сведения по физическим основам теплообмена и теплопередачи.

Даже из повседневного опыта мы знаем, что тело (твердое, жидкое или газообразное) с высокой температурой всегда теряет тепло и охлаждается, а окружающие его тела, имеющие более низкую температуру, получая тепло, нагреваются. Следовательно, тепло может передаваться. Процесс передачи тепла от одного тела к другому или от одной его части к другой называется теплообменом. Заметим, что теплообмен всегда совершается в определенном направлении: от объектов с более высокой температурой к объектам с более низкой температурой.

Теплообмен может осуществляться через стенку или путем смешения теплоносителя и нагреваемого тела, как это происходит, например, в аппаратах для получения горячей воды - инжекторах, где воду нагревают, смешивая ее с паром. Пар, поступающий в инжектор, отдает свое тепло воде, конденсируется и смешивается с ней. Затем вся масса нагретой воды подается на циркуляцию в бойлер, выравнивается по температуре и далее направляется в секцию пастеризации теплообменного аппарата.

Теплообмен между двумя жидкими или газообразными средами, происходящий через разделяющую их стенку, называется теплопередачей. А поскольку применяемые для обработки молока теплообменники представляют собой аппараты, в которых молоко и тепло- или хладоноситель (пар, горячая или холодная вода, фреон и т. п.) обычно разделены металлической стенкой, принцип их действия основан на теплопередаче.

Процесс перехода тепла от более нагретой жидкой среды к менее нагретой через металлическую стенку теплообменного аппарата можно представить себе следующим образом. Тепло от горячей среды переходит к соприкасающейся с ней поверхности стенки, так как между ними существует разность температур. Далее тепло по металлу проникает на противоположную сторону стенки, поскольку и они находятся в разных температурных условиях (одна контактирует с горячей, а другая с холодной средой). Наконец, тепло передается от нагревшейся поверхности стенки к более холодной среде. Процесс продолжается, пока температуры всех элементов не выравняются.

На теплопередачу аппаратов, предназначенных для тепловой обработки молока, влияют: размеры и формы теплопередающих поверхностей, средняя разность температур теплоносителя и молока, скорости движения теплоносителя и молока, вязкость жидкостей, участвующих в теплообмене, теплопроводность металла и толщина стенок, толщина молочного пригара (осадка) и накипи (наслоений) на теплопередающих стенках.

При слоистом (ламинарном) движении теплообменных сред, которое возникает при больших вязкостях жидкости и невысоких скоростях потока, тепло передается через стенку значительно хуже, чем при вихревом (турбулентном) движении. Поэтому в теплообменных аппаратах обычно стремятся создавать турбулентное движение молока и теплоносителя, что может быть достигнуто благодаря увеличению скорости движения жидкостей, применения перемешивающих рабочих органов, использования волнистых и рифленых теплообменных поверхностей, способствующих образованию вихревых потоков.

Движение теплоносителя и молока в теплообменных аппаратах относительно друг друга может быть попутным (прямоток) или встречным (противоток).

Анализ конкретных кривых изменения температур жидкостей для охладителей одинаковой производительности и при одних и тех же расходах молока и хладоносителя показывает, например, что в противоточной системе молоко, нагретое до 85 градусов, можно охладить водой с начальной температурой 10 градусов до 22 градусов, в то время как в прямоточной системе при тех же условиях его температура снижается только до 32 градусов. Это происходит потому, что при прямотоке продукт и теплоноситель поступают с одной стороны аппарата и движутся в одном направлении. Вначале теплообмен между жидкостями весьма интенсивен, затем разность температур между ними уменьшается, причем на первых порах резко, а потом медленнее. Следовательно, в такой системе эффективность теплообмена невелика.

При противотоке же продукт и теплоноситель поступают в аппарат с разных сторон и движутся навстречу друг другу. Температурный перепад здесь сначала несколько меньше, чем при прямотоке, но все же значительный. По мере продвижения жидкостей перепад температур становится гораздо большим по сравнению с ранее рассмотренной системой. Значит, запас холода (в нашем примере) и вообще тепла в противоточных устройствах используется значительно лучше, благодаря чему можно добиться необходимого эффекта с меньшей подачей теплоносителя. Поэтому в настоящее время для тепловой обработки молока на животноводческих фермах и предприятиях молочной промышленности выпускаются теплообменные аппараты только противоточного типа.

Основные конструктивные идеи и принципы, послужившие основой последующего развития и совершенствования пастеризационных аппаратов, сложились уже в прошлом столетии.

В 1827 году французский изобретатель Жервэ сделал аппарат для консервирования плодового сока (рис 24, а). В этом аппарате сырой сок из верхней емкости можно направить с помощью соответствующего крана в трубчатый теплообменник-рекуператор, где сок отбирает тепло от уже нагретого продукта, затем проходит по змеевику, помещенному в водогрейном котле, и подвергается тепловой обработке при более высокой температуре, после чего опять попадает в рекуператор, но уже в охладительный тракт, отдавая часть тепла вновь поступающему продукту, и, наконец, поступает в нижний сборный резервуар. Если же открыть левый кран на верхней емкости, сок потечет в змеевик водогрейного котла, потом пройдет по наружному тракту трубчатого теплообменника и поступит прямо в нижний резервуар, минуя тракт рекуперации. Аппарат Жервэ послужил прототипом целого ряда трубчатых теплообменных аппаратов для пастеризации и охлаждения различных пищевых жидкостей, в том числе молока и его производных.

Рис. 24. Первые конструкции пастеризационных аппаратов: а - аппарат Жервэ - прототип трубчатых пастеризаторов: 1 - резервуар с сырым продуктом; 2 - термометр; 3 - водогрейный котел со встроенным змеевиком; 4 - трубчатый теплообменник-рекуператор; 5 - резервуар с пастеризованным продуктом; б - аппарат Пастера - прототип устройств для пастеризации в тонком слое: 1 - пастеризатор; 2 - рекуператор; 3 - топка; 4 - вода; 5 - дымоход; в - аппарат Россиньоля - прототип установок для длительной пастеризации: 1 - пастеризуемый продукт; 2 - теплоноситель (вода); 3 - топка; 4 - термометр

Знакомясь с работой этого простого аппарата, нетрудно понять, что рекуперацией тепла называют непрерывный процесс обратной его передачи от прежде нагретой, а теперь охлаждаемой среды к первичному продукту, поступающему па подогрев, с целью Дополнительного использования (утилизации) тепла. Способ рекуперации (или регенерации) тепла нашел в дальнейшем самое широкое применение в разнообразных термических установках, в том числе и в аппаратах для тепловой обработки пищевых жидкостей. Предназначенные для утилизации тепла поверхностные теплообменники называют рекуператорами или, если они входят в целый теплообменный комплекс, секциями рекуперации (регенерации). В схеме теплообменного аппарата Луи Пастера (рис. 24, б) также осуществлялась рекуперация тепла.

Характерно, что с самого начала конструкторы теплообменных аппаратов избегали непосредственного нагревания продукта огнем. В качестве теплоносителя применялась вода. В лекции, прочитанной 11 ноября 1867 года в городе Орлеане, Луи Пастер одобрительно отозвался об аппарате для пастеризации вина конструкции местного виноторговца Луи Россиньоля (рис. 25, в). В его аппарате вино получало тепло через воду, находящуюся в полом дне, которое обогревалось огнем топки. В целом же рассмотренные выше конструкции представляют собой три разновидности теплообменных аппаратов, которые в дальнейшем получили широкое развитие.

Рис. 25. Емкостные пастеризационные аппараты: а - паровой пастеризатор с вытеснительным барабаном; б - ванна длительной пастеризации: 1 - сменная вставка; 2 - воронка молокоприемника; 3 - поплавковый регулятор напора; 4 - труба подвода молока; 5 - сливная труба; 6 - патрубок подвода пара; 7 - труба переливная; 8 - кран; 9 - труба отвода молока; 10 - патрубок подвода пара в барабан; 11 - верхний сборник конденсата; 12 - винт; 13 - лопатка; 14 - паровая рубашка; 15 - труба слива конденсата; 16 - паровой клапан; 17 - воздушный клапан; 18 - ванна; 19 - капельные кольца; 20 - нижний сборник конденсата; 21 - сливной кран

Практическое использование принципов пастеризации применительно к молоку началось, как мы уже писали, не сразу после открытий Луи Пастера, но уже в 1882 году берлинцем Альбертом Феском была сделана заявка на конструкцию теплообменного аппарата для "консервирования молока теплом".

Первые теплообменные пастеризаторы молока серийного заводского изготовления представляли собой ванны или цистерны с двойными стенками (рис. 25, а), прототипом которых послужил аппарат Россиньоля. В межстенное пространство ванн подавалась горячая вода, нагревавшая через металлическую стенку молоко. Эти установки работали в режиме так называемой длительной пастеризации, когда молоко подогревалось до температуры 63 градуса и так выдерживалось не менее получаса. Метод длительной пастеризации был выбран потому, что достаточно легко осуществим, предусматривает сравнительно низкие температуры, сопровождается, хотя и при медлительных темпах, исключительной устойчивостью процесса, дает возможность без особого труда ликвидировать отклонения от предписанного режима. Высокие температуры представлялись тогда опасными, медленный процесс казался более надежным, гарантирующим высокое качество продукции. Словом, метод длительной пастеризации неуклонно внедрялся в практику молочной промышленности.

Однако в начале нашего века наряду с установками для длительной тепловой обработки широкое распространение получили средства интенсивного типа: паровые пастеризаторы с мешалками или с вытеснительными барабанами (рис. 25, б). Такие аппараты долгое время применялись в цельномолочной промышленности, а в настоящее время они иногда используются при необходимости для пастеризации молока на отдельных животноводческих фермах.

Как мы знаем, молоко надо не только нагревать, но и охлаждать, а для этого нужны свои методы и средства. Наиболее прост и доступен в фермской практике способ охлаждения и кратковременного хранения молока во флягах, помещенных в бассейн, заполненный холодной (лучше вместе со льдом) водой. С той же целью нередко используют ванны длительной пастеризации, в рубашку которых пускают холодную воду.

В конце прошлого века для охлаждения молока в потоке стали применять оросительные устройства. Сначала появились открытые плоские оросительные охладители Лоуренса (рис. 26, а). Они были изготовлены из двух медных, хорошо пролуженных с наружной поверхности гофрированных листов. Снизу в межстенное пространство подавалась под давлением холодная вода. Молоко наливали в верхний распределительный желоб, откуда оно сквозь мелкие отверстия в дне медленно стекало пленкой по гофрированным поверхностям, отдавая свое тепло через тонкие стенки движущейся противотоком холодной воде, и собиралось в нижнем приемном желобе. В более поздней конструкции Больда и Фогеля охладитель изготовлен не из волнообразных листов, а из горизонтальных трубок, расположенных одна над другой (рис. 26, б). При помощи перегородок в коллекторах концы трубок соединены попарно так, что образуется плоский змеевик, внутри которого перекрестным противотоком по отношению к молоку движется хладоноситель (вода или рассол).

Рис. 26. Оросительные охладители молока: а и б - схемы движения молока и хладоносителя соответственно при параллельном и перекрестном противотоках; в - двухсекционный трубчатый охладитель: 1 - секция охлаждения проточной водой; 2 - секция охлаждения ледяной водой или рассолом; г - цилиндрический охладитель: 1 - распределительная воронка; 2 - регулирующий кран; 3 - крышка; 4 - рифленая охлаждающая поверхность; 5 - патрубок для отвода воды; 6 - приемный желоб; 7 - патрубок для холодной воды; 8 - внутренний цилиндр; 9 - молокосливной патрубок

На молочных фермах чаще применялись односекционные трубчатые оросительные охладители. Предприятия же молочной промышленности преимущественно оснащались двухсекционными трубчатыми оросительными охладителями (рис. 26, в). Их верхняя секция обычно омывалась водопроводной водой, а нижняя - рассолом или водой, охлаждаемой льдом или с помощью холодильной установки. Такая система была экономичнее и позволяла доводить молоко до температур, близких к нулю. Если же возвратиться к установкам фермского назначения, имеющим необходимую производительность, следует упомянуть предложенную Шмид том конструкцию круглого оросительного охладителя (рис. 26, г) в котором молоко распределялось по винтовой рифленой поверхности.

В 30-40-х годах нашего века были созданы многосекционные (пакетные) оросительные охладители, объединяющие несколько плоских охладителей на одной станине и под общим кожухом. Это позволило увеличить поверхность охлаждения в аппарате и добиться большой компактности конструкции: при промывке каждая секция поворачивалась на шарнирах, подобно листам книги.

Несколько позже во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) под руководством З. Я. Жука были разработаны очистительно-охладительные установки ОХМ-500 и ООМ-1000 фермского назначения, в которых применялись центробежные очистители и четырехсекционные пакетные охладители оросительного типа (рис. 27). С появлением доильных установок, оснащенных молокопроводом, их стали комплектовать закрытыми оросительными охладителями, в которых молоко охлаждается, не выходя из закрытой вакуумной системы. Такие охладители получили название вакуумных. Их разработка велась под руководством Ю. В. Краснокутского.

Рис. 27. Технологическая схема первичной обработки молока с применением многосекционного створчатого охладителя ООМ-1000: 1 - кран; 2 - молокоприемник; 3 - сепаратор-молокоочиститель; 4 - бак со льдом; 5 - водяной насос; 6 - молочная фляга; 7 - сливной патрубок; 8 - сборный желоб; 9 - охладительные секции; 10 - распределительный желоб

Глубокие теоретические обоснования тепловых и гидродинамических процессов, протекающих в пастеризаторах с мешалками и с вытеснительными барабанами, а также в оросительных охладителях и рекуператорах, принадлежат видному советскому ученому Г. А. Куку, который разработал теорию движения жидкости в этих аппаратах. В 40-50-х годах эта теория позволила существенно улучшить подобные установки.

Однако с развитием молочной промышленности прежние средства уже не удовлетворяли возросшим требованиям производства. Аппараты для длительной обработки молока не способны обеспечить поточную технологию, без которой невозможно представить крупное перерабатывающее предприятие, а кроме того, они громоздки, требуют больших производственных площадей и соответствующих материальных затрат. Конечно, метод высокотемпературной кратковременной пастеризации позволил во многом преодолеть эти недостатки. Но применение паровых пастеризаторов с мешалками и вытеснительными барабанами и оросительных охладителей имело свои границы в повышении интенсификации и эффективности производства. В частности, это связано с невозможностью увеличения скоростей потока молока в оросительных охладителях до пределов перехода ламинарного движения в турбулентное, так как в противном случае происходит отрыв капель жидкости, обтекающей ребристую поверхность. Кроме того, выяснилось, что обработка молока в мешалочных пастеризаторах заведомо сопряжена с изменениями качества продукта. К тому же следует отметить, что во всех описанных выше теплообменных аппаратах (ванны длительной пастеризации, паровые пастеризаторы с вытеснительными барабанами и мешалками, оросительные охладители и рекуператоры) молоко не защищено от соприкосновения с окружающей средой, а значит, в него из воздуха могут попадать посторонние частицы, микробы, да и сами процессы нагревания или охлаждения молока в контакте с воздухом, как выяснилось, отрицательно отражаются на качестве продукта.

Дальнейшее совершенствование процессов пастеризации и охлаждения в молочном хозяйстве связано с созданием трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратов для высокотемпературной кратковременной тепловой обработки молока в потоке.

В 1926 году во французском специализированном журнале появилась статья изобретателя А. Стассано "О сохранении и оздоровлении молока", где предлагалось использование трубчатого пастеризационного аппарата. Спустя три года были проведены всесторонние испытания первых образцов, которые подтвердили высокие технологические и эксплуатационные характеристики аппаратов этого типа. Довольно быстро трубчатые паровые пастеризаторы получили всеобщее признание специалистов и практиков. И это понятно. Они рассчитаны на поточную технологию, достаточно производительны и свободны от многих недостатков, присущих аппаратам открытого типа. Все процессы тепловой обработки происходят в закрытых каналах без доступа воздуха. Теплообменивающиеся массы движутся в них под напором, со значительными скоростями, которые обеспечивают турбулентный режим, обуславливающий интенсивную теплопередачу (рис. 28).

Рис. 28. Трубчатая пастеризационная установка: (устройство пастеризационного аппарата): 1 - патрубок для входа молока; 2 - внутренняя труба; 3 - соединительный калач; 4 - патрубок для выхода молока; 5 - патрубок для входа теплоносителя; 6 - наружная труба

На основе теплообменных аппаратов данного типа были разработаны автоматизированные трубчатые пастеризационные установки, в состав которых дополнительно входят насосы, инжектор, бойлеры, клапаны, терморегулятор, уравнительный молочный бак, пульт управления с приборами, трубопроводы и другое оборудование, благодаря чему удалось полностью автоматизировать процесс обработки молока.

Но и трубчатые теплообменные аппараты оказались не лишенными отдельных недостатков. Один из них, весьма осложняющий эксплуатацию, заключается в том, что трубчатую систему очень трудно прочистить, да к тому же со стороны торцов необходимо значительное свободное пространство, чтобы при чистке пользоваться длинными ершами. Поэтому одновременно с улучшением трубчатых аппаратов велись работы и по созданию теплообменников других типов.

Стремление интенсифицировать процессы конвективного теплообмена, повысить технологические, эксплуатационные и экономические показатели аппаратов привело к созданию, последовательному совершенствованию и широкому внедрению в практику теплообменных аппаратов пластинчатого типа. Их отличительная особенность - разборная конструкция, позволяющая быстро и качественно проводить чистку аппарата и другие операции технического обслуживания. Но изготовление таких установок потребовало применения многих новых конструктивных материалов, в том числе специальной резины для прокладок - одного из важнейших элементов пластинчатых теплообменных аппаратов.

Первые же сведения о принципах устройства пластинчатых аппаратов для нагревания и охлаждения жидкостей в тонком слое относятся к концу XIX века (предложения Драхе, Брейтвиша, Мальвизина). В 1917 году Гаррисон сконструировал теплообменную пластину с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.

Но широкое практическое применение разборных пластинчатых аппаратов началось только с 1923 года, после существенных усовершенствований, предложенных Зелигманом, который использовал в конструкции пластинчатого теплообменника принцип устройства фильтр-пресса. В таком аппарате имеются теплообменные пластины двух видов: толстые бронзовые с фрезерованными каналами с обеих сторон (рис. 29) и тонкие медные. По контуру пластины сделана канавка для резиновой прокладки, охватывающей всю рабочую поверхность и угловые отверстия. В сборе толстые и тонкие пластины расположены строго поочередно и установлены в вертикальном положении на станине, состоящей из двух горизонтальных направляющих и двух стоек. Весь набор пластин плотно сжат при помощи винтового зажимного механизма. Позже Зелигман и Фельдмейер предложили теплообменные пластины удлиненной формы, штампованные из тонколистовой волнистой нержавеющей стали. В дальнейшем пластинчатые теплообменные аппараты конструировались уже на базе подобных пластин различного профиля.

Рис. 29. Теплообменная пластина аппарата Зелигмана

Достоинства разборных пластинчатых теплообменных аппаратов оказались настолько существенными, что они затем нашли самое широкое применение не только в молочном деле, но в ряде других отраслей промышленности.

Первые отечественные пластинчатые теплообменники для обработки молока были изготовлены еще в 1940 году. Разработка же основ теории, расчета и конструирования пластинчатых теплообменников для жидких пищевых продуктов связана в нашей стране с именем профессора Н. В. Барановского. Под его руководством были проведены широкие исследования по изучению закономерностей движения жидкостей между пластиками и процессов теплопередачи в этих аппаратах. В пластинчатом теплообменном аппарате (рис. 30, а) пластины 13, нанизаны на горизонтальные штанги, концы которых заделаны в стойках 1 и 7. При помощи нажимной плиты 6 и винта 8 пластины в собранном стоянии плотно сжаты и образуют пакет (на схеме для более понятного изображения потоков жидкостей показаны только пять пластин в разомкнутом положении). Зазоры между пластинами зависят от толщины резиновых прокладок 11 (обычно 3-6 миллиметров). Система резиновых уплотнительных прокладок такова, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются два изолированных друг от друга канала - для потока молока (сплошная линия) и потока жидкостного теплоносителя (штриховая линия). Группа таких пластин в рабочем положении показана на рисунке 30, б. Штампованные из тонких листов нержавеющей стали, они обеспечивают достаточно высокий теплообмен между соседними потоками жидкостей. Отметим, что выпускаемые серийно пластинчатые теплообменные аппараты обычно выполняются по более сложным компоновочным схемам.

Рис. 30. Современный пластинчатый теплообменный аппарат: а - схема: 1 - передняя стойка; 2 - верхнее угловое отверстие; 3 - кольцевая резиновая прокладка; 4 - граничная пластина; 5 - штанга; 6 - нажимная плита; 7 - задняя стойка; 8 - винт; 9, 10, 14, 15 - штуцеры; 11 - большая резиновая прокладка; 12 - нижнее угловое отверстие; 13 - теплообменная пластина; б - группа пластин в рабочем положении

Большое распространение получили двух- и многосекционные аппараты этого типа. Примером комбинированного теплообменника, осуществляющего комплексную тепловую обработку жидких пищевых продуктов, может служить пластинчатый аппарат для пастеризации и охлаждения молока, который входит в состав автоматизированной пластинчатой пастеризационной установки (рис. 31). Он состоит из четырех секций (пакетов) теплообменных пластин, установленных на общей раме. Каждая секция подобна по устройству рассмотренной ранее конструкции (см. рис. 30, а, б), Кроме теплообменных пластин в комбинированном аппарате устанавливают промежуточные плиты, расположенные между секциями и имеющие патрубки для подвода и вывода молока и теплоносителя.

Рис. 31. Автоматизированная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка: (принципиальная схема): 1 - комбинированный пластинчатый теплообменный аппарат; 2 - насос горячей воды; 3 - бойлер; 4 - инжектор; 5 - щит управления; 6 - трубчатый выдерживатель молока; 7 - клапан автоматического возврата недопастеризованного молока; 8 - танк; 9, 11 - молочные насосы; 10 - уравнительный бак; 12 - стабилизатор потока; 13 - секция пастеризации; 14 - секция рекуперации; 15 - секция охлаждения водопроводной водой; 16 - секция охлаждения ледяной водой; 17 - молокоочистители; I - неочищенное молоко; II - очищенное пастеризованное молоко; III - пастеризованное молоко; IV - недопастеризованное молоко; V - горячая вода; VI - холодная вода; VII - ледяная вода

Процесс тепловой обработки начинается с того, что сырое молоко с температурой около 35 градусов поступает во входной контур секции рекуперации, где подогревается до 60-70 градусов горячим пастеризованным продуктом, движущимся по другому контуру секции. Затем подогретое молоко проходит в секцию пастеризации, в которой, получая тепло от воды, нагретой в бойлере паром, приобретает температуру 85-90 градусов. Температуру контролируют по термометру, установленному на молокопроводе, соединяющем секции пастеризации и рекуперации. Если процесс не предусматривает фазы выдержки, то молоко из секции пастеризации идет во второй контур секции рекуперации. В зависимости от размеров этой секции пастеризованный продукт охлаждается в большей или меньшей степени потоком сырого молока, затем поступает в секцию водяного охлаждения (проточной водой) и, наконец, попадает в секцию рассольного охлаждения (или ледяной водой), откуда выходит с температурой 3-5 градусов.

Современные автоматизированные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки представляют собой сложные комплексы, включающие также сепараторы-очистители и нормализаторы молока и средства автоматизации для обеспечения контроля и "регулирования работы всего оборудования в целом. Типичным примером здесь может служить установка ОП-2-У5, производительностью 5 тонн молока в час.

Таким образом, в комбинированных пластинчатых теплообменных аппаратах молоко после пастеризации подвергают охлаждению. Горячее молоко, идущее на охлаждение при температуре 71-92 градусов, содержит большое количество тепла, которое может быть утилизировано. С этой целью пастеризованный продукт направляют в специальную секцию аппарата для предварительного подогрева поступающего сырого молока. В результате пастеризованное молоко в значительной степени теряет температуру (обычно на 20-30 градусов) и в дальнейшем требует уже меньшего окончательного доохлаждения.

Рекуперация позволяет существенно сократить затраты тепла, расходуемого на пастеризацию. По данным профессора Н. В. Барановского, в современных комбинированных пластинчатых аппаратах экономия достигает 90 процентов количества тепла, необходимого для нагревания массы продукта от начальной до конечной температуры. Благодаря рекуперации расход пара при тепловой обработке молока может быть снижен в десять раз.

Параллельная расстановка плоских теплообменных пластин с малыми промежутками между ними позволяет добиться хорошей компактности конструкции, значительно уменьшить габариты таких аппаратов в сравнении жидкостными теплообменниками других типов. Так, они в 7-8 раз компактнее трубчатых и в десятки раз - оросительных и объемных аппаратов. Узкие промежутки между пластинами дают возможность обрабатывать молоко в тонком слое при быстром движении теплоносителя и при малых температурных напорах (до 1,5-2 градусов), что обуславливает "мягкий" обогрев, не сопровождающийся пригоранием или коагуляцией продукта.

Целый ряд технологических и технико-экономических достоинств пластинчатых теплообменных аппаратов обусловил их широкое распространение в ряде отраслей промышленности, а если говорить об оборудовании для тепловой обработки молока, то они здесь заняли главенствующее положение.

В настоящее время ведутся большие работы по совершенствованию установок и систем для тепловой обработки молока. Они преследуют цель улучшить все технико-экономические показатели пластинчатых теплообменных аппаратов, усовершенствовать их автоматизацию, более полно, комплексно использовать энергию в фермских и заводских поточных молочных технологических линиях, а также внедрить новые физические методы обработки молока. В частности, и у нас в стране, и за рубежом развернуты исследования по применению электронагрева для пастеризации молока, по созданию электропастеризационных установок. Так, среди экспонатов проходившей в Москве международной выставки "Молмаш-81" демонстрировались первые опытные образцы таких аппаратов. Для тех районов планеты, где отмечается стабильно высокий уровень солнечной радиации, несомненный интерес представляют опыты по разработке аппаратов, использующих соленую энергию.

Среди конструктивных усовершенствований следует отметить предложенный фирмой "Альфа-Лаваль" способ бесклеевого крепления резиновых прокладок тепло-именных пластин для пластинчатых аппаратов охладительных и пастеризационно-охладительных установок. Такое крепление возможно благодаря увеличению глубины и ширины канавок в теплообменных пластинах, куда помещают резиновые прокладки несколько большего сечения. На выставке "Молмаш-81" были показаны пластины со значительной поверхностью теплообмена, имеющие неприклеенные резиновые прокладки. Сейчас разрабатываются теплообменные пластины средней и малой величины с таким же креплением прокладок. Той же фирмой разработана и новая система по первичной обработке молока, получившая название "Ультра-терм". В этой системе, которая удачно "вписывается" в технологическую цепочку современных ферм и комплексов, свежевыдоенное молоко сначала поступает в ее первую ступень - специальный мембранный фильтр, где от продукта отделяется часть жидкой фракции, содержащей лактозу, некоторые растворимые соли и небелковый азот. Кстати, фильтрат оказался отличным кормом для молодняка. Затем профильтрованное молоко поступает во вторую ступень системы, где в течение 17 секунд пастеризуется при температуре 72 градуса. В результате двухступенчатой обработки в молоке практически полностью уничтожаются все виды микрофлоры, так что его можно до двух недель хранить на ферме в обычных молочных емкостях.

Все большее внимание ученых и практиков привлекают вопросы экономии энергии на фермах, причем не только, как говорится, "в большом", но и "в малом". Скажем, много ли тепла содержит свежевыдоенное молоко? Вроде бы настолько мало, что и говорить о нем не стоит. А вот использование этого тепла для подогрева воды на поение, гигиенические операции ухода за животными, на отопление помещений позволило кооперативу Нойкирхен в округе Карлмарксштадт (ГДР) только за один год сэкономить 140 тонн бурого угля. В последнее время около 200 молочных ферм в ГДР использовали оборудование для утилизации тепла свежевыдоенного молока.

Научная мысль ведет поиск по широкому спектру вопросов. Так, уже на протяжении нескольких десятилетий внимание отечественных и зарубежных исследователей привлекает проблема создания установок для обработки молока, основанных на непосредственном воздействии на него оптического излучения (например, ультрафиолетового и инфракрасного). Если же говорить в целом, то интенсивное совершенствование техники для тепловой обработки молока успешно продолжается и следует ожидать в этой области интересных открытий, новых оригинальных конструктивных решений.