CONCENTRATION OF TECHNOLOGICAL FOOD SOLUTIONS IN EVAPORATORS WITH HEAT PUMP
Rubrics: TECHNICAL SCIENCE
Authors:
1.
Ural'skiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet
2.
Ural'skiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet
Type:
Article
Pages:
from 55
to 58
Status:
Published
Received:
16.01.2019
Accepted:
17.01.2023
Published:
25.04.2018
Subject area:
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Language:
Russian
Keywords:
evaporator, heat pump, secondary stream, heating stream, technological solution, concentration, vacuum pump, multi-body plants, membrane devices
Abstract (English):
Various methods for concentrating technological food solutions based on the use of single-hull and multi-hull evaporators, as well as membrane technology, are considered. It is shown that for concentration conditions thermolabile solutions (berry and fruit juices and extracts) the most promising is the use of vacuum single-hull evaporators with a heat pump and with the complete regeneration of the heat of the concentrated solution (product) and the condensate of the evaporated solvent (water). A schematic diagram of such an installation and a method for the complete regeneration of thermal energy for this method are proposed. The results of numerical studies on the determination and comparative estimation of the specific energy consumption for concentration are presented. At the same time, the specific energy consumption for the concentration of solutions was determined as the ratio of the power (thermal or electrical) expended for evaporation to the mass flow of evaporated water. As a result of numerical analysis, it is shown that the proposed method of concentration and the known membrane concentration technology are the most economical methods of carrying out the process. It is also shown that the traditional method of multi-body evaporation can have comparable energy efficiency only with a large number of installation housings, which is technologically incompatible with the problems of concentrating thermolabile technological food solutions. The obtained results are the basis for the development of a pilot plant for concentrating thermolabile and other process solutions in a single-hull evaporator with a heat pump.
Various methods for concentrating technological food solutions based on the use of single-hull and multi-hull evaporators, as well as membrane technology, are considered. It is shown that for concentration conditions thermolabile solutions (berry and fruit juices and extracts) the most promising is the use of vacuum single-hull evaporators with a heat pump and with the complete regeneration of the heat of the concentrated solution (product) and the condensate of the evaporated solvent (water). A schematic diagram of such an installation and a method for the complete regeneration of thermal energy for this method are proposed. The results of numerical studies on the determination and comparative estimation of the specific energy consumption for concentration are presented. At the same time, the specific energy consumption for the concentration of solutions was determined as the ratio of the power (thermal or electrical) expended for evaporation to the mass flow of evaporated water. As a result of numerical analysis, it is shown that the proposed method of concentration and the known membrane concentration technology are the most economical methods of carrying out the process. It is also shown that the traditional method of multi-body evaporation can have comparable energy efficiency only with a large number of installation housings, which is technologically incompatible with the problems of concentrating thermolabile technological food solutions. The obtained results are the basis for the development of a pilot plant for concentrating thermolabile and other process solutions in a single-hull evaporator with a heat pump.
Keywords:
evaporator, heat pump, secondary stream, heating stream, technological solution, concentration, vacuum pump, multi-body plants, membrane devices
evaporator, heat pump, secondary stream, heating stream, technological solution, concentration, vacuum pump, multi-body plants, membrane devices
Положительная рецензия представлена Г. Б. Пищиковым, доктором технических наук, профессором Уральского государственного экономического университета. Как известно, концентрирование жидких пище- вых продуктов (фруктовых и овощных соков, молока, сыворотки, экстрактов и др.) методом выпаривания является одним из распространенных способов кон- сервирования, при котором можно наиболее полно Е - внешняя мощность, затрачиваемая при кон- центрировании, Вт. Для однокорпусных и многокорпусных выпар- ных установок значение затрачиваемой мощности Е определится соотношением: сохранить их полезные свойства [1]. Однако достичь E D0 i1 i2 , (2) такого эффекта удается лишь при определенных усгде D0 - массовый расход пара, поступающего от ловиях, основными из которых являются невысокие температуры выпаривания, порядка 42-50 °С. Это означает, что выпаривание жидких пищевых про- дуктов должно протекать при кипении выпаривае- мых растворов в условиях вакуума при абсолютном давлении над кипящим раствором 8-12 кПа [2]. При этом разработчики выпарного оборудования стал- киваются с проблемой снижения затрат энергии на выпаривание, которая не может быть решена на ос- нове общеизвестного способа использования много- корпусных установок [3-4], так как их применение приводит к необходимости работы при высоких тем- пературах кипения (100 °С и выше) в первых по ходу греющего пара корпусах выпарной установки [5]. Известный метод повышения концентрации тех- нологических растворов с помощью мембранных ап- паратов [3-4, 6-8] является достаточно экономичным современным способом концентрирования раство- ров. Однако возможность эффективного использова- ния мембранной технологии снижается при высоких степенях конечного концентрирования растворов. Предварительный анализ путей решения постав- ленной задачи позволил предложить для концентри- рования жидких пищевых растворов известный, но в определенной степени забытый способ выпаривания в однокорпусной выпарной установке с тепловым насосом [9-10]. цель и методика исследований Целью настоящей работы явился сравнительный анализ эффективности концентрирования жидких пищевых сред следующими конкурентными спо- собами: известный метод использования многокор- пусных выпарных установок, установок для концен- трирования на основе мембранного метода и способ концентрирования с использованием однокорпусно- го выпарного аппарата с тепловым насосом. Основной оценкой энергетических затрат в уста- новках, предназначенных для концентрирования технологических растворов (удаление из растворов воды), выступает соотношение, которое определяет значение коэффициента удельной затраты внешней энергии на единицу массы выпаренного растворите- ля (воды) φ: внешнего источника в греющую камеру первого корпуса выпарной установки, кг/с; i1 - теплосодержание пара, поступающего в гре- ющую камеру первого корпуса выпарной установки, Дж/кг; i2 - теплосодержание конденсата греющего пара, удаляемого из греющей камеры первого корпуса выпарной установки, Дж/кг. Таким образом, в предложенном к анализу методе выпаривания с тепловым насосом мощность E пред- ставляет собой мощность, затрачиваемую на сжатие вторичного пара, удаляемого из сепаратора и направ- ляемого с помощью этого насоса в греющую камеру выпарного аппарата. В аппаратах мембранной тех- нологии мощность Е представляет собой мощность, затрачиваемую на прокачивание исходного раствора через пористые стенки соответствующих мембран. В типовых однокорпусных и многокорпусных вы- парных установках мощность Е представляет собой мощность тепловой энергии пара, поступающего от внешнего источника в греющую камеру первого кор- пуса выпарной установки. Принципиальная схема принятой к сравнитель- ному анализу однокорпусной выпарной установки с тепловым насосом представлена на рис. 1. Установка включает в себя выпарной аппарат 1, состоящий из греющей камеры А и сепаратора Б, а также теплово- го насоса 2 и вакуумного насоса 3. Греющая камера А представляет собой кожу- хотрубный паровой теплообменник со стекающей пленкой жидкости по внутренней поверхности гре- ющих труб. Межтрубное пространство теплообмен- ника служит камерой для конденсации пара, теплота конденсации которого обеспечивает нагрев и выпа- ривание стекающей пленки жидкости. Отделение пара, полученного при кипении стекающей пленки жидкости в трубках (вторичный пар), осуществля- ется в сепараторе Б, которая представляет собой емкость, в которой пар как более легкий компонент удаляется через верхний штуцер, а упаренная (скон- центрированная) жидкость - через нижний штуцер сепаратора Б. Для обеспечения непрерывного про- ведения процесса давление вторичного пара с помо- щью теплового насоса 2 повышается до параметров Е W , Дж/кг (1) греющего пара в греющей камере аппарата 1, куда он подается для повторного использования в качестве где W - расход количества выпаренного раство- рителя (воды) из концентрируемого (выпариваемого) раствора, кг/с; греющего пара. Вакуумный насос 3, предусмотренный в схеме установки, обеспечивает возможность работы вы- Рис. 1. Схема однокорпусной выпарной установки с тепловым насосом. Установка: 1 - выпарной аппарат; 2 - тепловой насос; 3 - вакуумный насос. Коммуникации: 1 - исходный слабоконцентрированный раствор; 2 - упаренный раствор; 3 - вторичный пар; 4 - конденсат греющего пара; 5 - греющий пар; 6 - неконденсирующиеся газы Fig. 1. Scheme of single-hull evaporator with heat pump. Installation: 1 - evaporator; 2 - heat pump; 3 - vacuum pump. Communications: 1 - initial weakly concentrated solution; 2 - evaporated solution; 3 - secondary steam; 4 - steam condensate; 5 - heating steam; 6 - noncondensing gases Рис. 2. Результаты численного анализа сравнительной энергетической эффективности сопоставляемых методов концентрирования пищевых сред. 1 - многокорпусные установки; 2 - мембранные установки; 3 - однокорпусные установки с тепловым насосом Fig. 1. Results of numerical analysis of the comparative energy efficiency of the comparative methods of concentrating food. 1 - multi-hull installation; 2 - membrane plants; 3 - single-hull evaporators with heat pump парного аппарата под вакуумом, т. е. при пониженных температурах кипения выпариваемого раствора. Назначение этого насоса - удаление неконденсиру- ющихся газов из греющей камеры и поддержание в ней требуемого вакуума. Схема, представленная на рис. 1, свидетельствует, что в установке, по существу, обеспечивается про- цесс самовыпаривания поступающего раствора, т. е. путем использования тепловой энергии вторичного пара, полученного при его выпаривании. Это достигается за счет повышения давления вторичного пара до параметров греющего пара с помощью специаль- ного компрессорного устройства 2. Такое устрой- ство, которое обеспечивает перекачивание вторич- ного пара и повышение его теплового потенциала до параметров греющего пара, по сути представляет собой тепловой насос. Его работа обеспечивается за счет внешней энергии, подведенной к двигателю это- го насоса. результаты исследования Результаты численного исследования эффектив- ности известных способов концентрирования, вклю- чающих многокорпусные выпарные установки, мем- бранные установки и рассматриваемые в настоящей работе выпарные установки с тепловым насосом, позволили провести их сопоставление по величине удельной затраты энергии на выпариваниет φ. Результаты этого анализа представлены на рис. 2. Как видно из результатов сопоставления, предло- женный метод концентрирования, как и мембранная технология, обладают удельными затратами энергии на концентрирование значительно меньшими, чем затраты энергии при многокорпусном выпаривании. Эти показатели эффективности для сравниваемых методов сближаются лишь при большом числе кор- пусов выпарной установки, которые резко повышают металлоемкость оборудования и значительно услож- няют управляемость процессом концентрирования. выводы. рекомендации Таким образом, проведенный численный анализ показывает, что однокорпусные выпарные установки с тепловым насосом оказываются высокоэкономич- ными и эффективными. Однако их практическое вне- дрение требует проведения специальных исследова- ний на натурных моделях по отработке режимов их использования и запуска.
1. Ascheulov A. S. Issledovanie kinetiki potokov v rotorno-plenochnom vyparnom apparate // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2016. № 3. S. 98-103.
2. Magomedov G. O. Razrabotka ustanovki dlya proizvodstva koncentrirovannyh past iz fruktovo-ovoschnogo syr'ya / G. O. Magomedov i dr. // Vestnik Voronezhskogo gos. universiteta inzhenernyh tehnologiy. 2015. № 3. S. 13-16.
3. Voblikova T. V. Processy i apparaty pischevyh proizvodstv : ucheb. posobie / T. V. Voblikova, S. N. Shly- kov, A. V. Permyakov. SPb. : Lan', 2017. 204 s.
4. Bredihin S. A. Processy i apparaty pischevoy tehnologii : ucheb. posobie / S. A. Bredihin i dr. SPb. : Lan', 2014. 544 s.
5. Minuhin L. A. Teplovoe varochnoe oborudovanie predpriyatiy pischevyh proizvodstv i obschestvennogo pitaniya : ucheb. posobie / L. A. Minuhin, S. V. Shihalev. Ekaterinburg, 2014. 34 s.
6. Timkin V. A., Minuhin L. A., Gal'chak I. P., Lazarev V. A. Razrabotka baromembrannoy tehnologii pere- rabotki molochnoy syvorotki // Agrarnyy vestnik Urala. 2013. № 7.
7. Timkin V. A. Baromembrannye processy v molochnoy promyshlennosti // Agrarnyy vestnik Urala. 2017. № 6.
8. Timkin V. A., Gorbunova Yu. A. Issledovanie processov mikro- i ul'trafil'tracii v proizvodstve tvo- roga // Pischa. Ekologiya. Kachestvo : mat. XIII mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Krasnoyarsk, 2016.
9. Minuhin L. A., Men'shenin G. A. Issledovanie vozmozhnosti sozdaniya vysokoeffektivnyh vyparnyh ustanovok // Agrarnoe obrazovanie i nauka. 2013. № 4. S. 5.
10. Gurevich P. Yu., Man'kov A. V., Minuhin L. A. Eksperimental'naya vakuum-vyparnaya ustanovka s teplo- vym nasosom s vozmozhnost'yu polnoy avtonomnoy raboty // Molodezh' i nauka : mezhdunar. agrarnyy nauch. zhurn. 2017. № 3.
