Системы теплообмена в биореакторах. (Лекция 6)

1.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
доктор технических
наук, профессор
ОБОРУДОВАНИЕ
ОТРАСЛИ
Московского
государственного
(биотехнологические
производства)
университета пищевых производств
Лекция 5.
СИСТЕМЫ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ
18.01.2017
18.01.2017
Лекция
Лекция
6
2
© проф.
проф.Федоренко
ФедоренкоБорис
БорисНиколаевич
Николаевич
1

2. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

18.01.2017
Лекция 6
Системы теплообмена
биореактора предназначены
для термостабилизации
процесса культивирования
микроорганизмов.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
2

3. ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ МИКРООРГАНИЗМАМИ В ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ

Из общего количества энергии, полученной
микроорганизмами при окислительных процессах, на
конструктивный и основной обмен расходуется обычно не
более 40...45%. Остальная энергия в виде тепла теряется в
окружающей среде.
В производственных условиях при использовании
аппаратов относительно большой вместимости рост и
развитие микроорганизмов сопровождается выделением
значительных количеств тепла, и пренебрегать
экзотермичностью процесса нельзя, поскольку
температура один из важнейших факторов, влияющих на
удельную скорость роста микроорганизмов.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
3

4. ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ РОСТА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

mt
f1( t )
1
1(t) = / mt
Функция изменяется
от 0 до 1 и носит
экстремальный
характер.
0
t opt
t,оC
В процессе культивирования оптимальную температуру
поддерживают с точностью 1 С с помощью системы
теплообмена биореактора. Для дрожжей, например, tопт
составляет 29…32 С.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
4

5. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ

Удельное
тепловыделение, кДж/( м3ч )
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА
ФЕРМЕНТАЦИИ
Продолжительность
ф ерментации, ч
Зависимость тепловыделений при микробиологическом синтезе имеет
экстремальный характер. При культивировании продуцентов ферментов
удельные тепловыделения могут колебаться от 4000 до 30000, а по
некоторым данным даже 46000 кДж/(м3 ч). Для продуцентов антибиотиков
величина тепловыделений может достигать 55000 кДж/(м3 ч) и более.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
5

6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Qб + Qм + Qв = Qх + Qи + Qп
Qб - количество теплоты, выделяющееся при
микробиологическом синтезе, Дж/ч;
Qм - количество теплоты, выделяющееся при работе
мешалки, Дж/ч;
Qв - количество теплоты, вносимое с аэрирующим
воздухом, Дж/ч;
Qх - количество теплоты, отводимое с хладагентом, Дж/ч;
Qи - количество теплоты, расходуемое на испарение
жидкости, Дж/ч;
Qп - тепловые потери в окружающую среду, Дж/ч.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
6

7. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЕ ИЗ БИОРЕАКТОРА

Qх = Qм + Qб + Qв - Qи - Qп
Qв, Qи, Qп, - обычно невелики и ими можно пренебречь.
Например:
qв = 40…80 кДж/(м3 ч);
qи = 700…1400 кДж/(м3 ч);
qп ≈ 240 кДж/(м3 ч).
Отсюда, с учетом 10%-ного запаса мощности на потери:
Qх = 1,1(Qм + Qб)
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
7

8. УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ СРЕДЫ

qм = 3,6 103 Nуд
где Nуд- удельная рабочая мощность механического
перемешивающего устройства, кВт/м3.
Поскольку при культивировании, чаще всего,
Nуд= 1…3 кВт/м3, то qм = 3600…11000 кДж/(м3 ч), что
сопоставимо с qб = 4000…30000 кДж/(м3 ч).
В отличие от qм, величина qб непостоянна и меняется в
процессе культивирования. Расчет систем теплообмена
биореакторов осуществляют с учетом максимальных
тепловыделений.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
8

9. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ

Наружные системы теплообмена:
охлаждающие рубашки:
гладкостенные рубашки;
секционированные рубашки;
спиральные рубашки;
рубашки с анкерными связями;
циркуляционное перемешивание с выносным
теплообменником.
Внутренние системы теплообмена:
змеевики;
диффузоры с двойными стенками;
пучки труб;
теплообменные аппараты с фазовыми переходами
(ТАФП);
внутренние рубашки с анкерными связями.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
9

10. ПРЕИМУЩЕСТВА НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

18.01.2017
Лекция 6
не загромождается внутреннее
пространство аппарата, что
облегчает его эксплуатацию;
исключается возможность
попадания в аппарат посторонней
микрофлоры из-за нарушения
герметичности теплообменного
устройства;
рубашка может быть изготовлена из
более дешевого материала, чем сами
аппараты.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
10

11. НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

18.01.2017
Лекция 6
удельная поверхность теплообмена с
увеличением вместимости
биореактора увеличивается;
коэффициент теплоотдачи от стенки
аппарата к охлаждающей воде
невелик из-за малой скорости
охлаждающей воды (обычно не более
250 Вт/(м2 К);
по условиям механической прочности
толщина стенки рубашки растет с
увеличением диаметра сосуда, что
ведет к большому расходу металла;
© проф. Федоренко Борис Николаевич
11

12. НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (продолжение)

18.01.2017
Лекция 6
теплообменное устройство в виде
гладкой рубашки обладает большой
тепловой инерцией, что затрудняет
регулирование температуры
культивирования;
необходимость тепловой изоляции
аппарата, для сокращения тепловых
потерь рубашки;
эффективна лишь одна сторона
рубашки, сопряженная со стенкой
аппарата.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
12

13. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ РУБАШЕК БИОРЕАКТОРА

а) гладкостенная;
18.01.2017
Лекция 6
б) секционированная;
в) спиральная
секционированная
© проф. Федоренко Борис Николаевич
13

14.

НАРУЖНАЯ ТЕПЛООБМЕННАЯ РУБАШКА С
АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
14

15. ВНУТРЕННИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ СИСТЕМЫ В БИОРЕАКТОРАХ

а) змеевики;
18.01.2017
Лекция 6
б) пучок труб.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
15

16. ПРЕИМУЩЕСТВА ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

18.01.2017
эффективна вся поверхность
внутреннего теплообменного устройства,
которая полностью контактирует с
охлаждаемой средой;
отпадает необходимость тепловой
изоляции.
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
16

17. НЕДОСТАТКИ ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

загромождается внутреннее пространство аппарата,
что усложняет его эксплуатацию;
возникает опасность попадания в аппарат
посторонней микрофлоры из-за нарушения
герметичности теплообменного устройства;
материал встроенного теплообменника должен быть
биологически инертным и коррозионностойким.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
17

18. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАДИЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

Невысокие коэффициенты теплопередачи (около 250...350 Вт/м2 К), а
это приводит к необходимости увеличения поверхности
теплообмена, т.е. увеличению материалоемкости, габаритов
теплообменных устройств и уменьшению рабочего объема
биореактора. Например, в ферментере Б-50 общая длина труб
теплообменных устройств из нержавеющей стали составляет 28 000
м.
Снижение коэффициента теплопередачи в процессе эксплуатации
вследствие образования на внутренней поверхности слоя отложений
(песка, шлаков, ракушечника и т.д.). С одной стороны это приводит к
уменьшению коэффициента теплопроводности, а с другой – к
уменьшению потока охлаждающего агента.
Не синхронность отвода теплоты и кинетики тепловыделений,
поскольку в процессе периодического культивирования
микроорганизмов тепловыделение культуры изменяется в
зависимости от фаз роста. Запаздывание отвода теплоты связано с
инерционностью клапанов, датчиков температуры и теплообменных
устройств.
Нарушение термостабилизации процесса биосинтеза в жаркое время
года. Так, при производстве БВК в летнее время года температура
культуральной жидкости в ферментере Б-50 может достигать 40
вместо 32...34 С, предусмотренных регламентом, что приводит к
снижению выхода продукта.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
18

19. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Q = К F t
К - коэффициент теплопередачи - количество теплоты,
которая передается в единицу времени через
единицу поверхности при разности температур в
1 К.
18.01.2017
Повышение эффективности теплообмена возможно
за счет:
увеличения поверхности теплообмена;
повышения коэффициента теплопередачи;
увеличения разности температур.
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
19

20. ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

1
К =
Сопротивление
тепловому потоку со
стороны хладагента
1
Хлад
+Σ
sСт
+
Ст
Тепловое
сопротивление
стенки аппарата
1
Ср
Сопротивление тепловому
потоку со стороны
охлаждаемой среды
⇨ Скорость процесса обратно пропорциональна сопротивлению!
= коэффициенты теплоотдачи
= теплопроводность материала стенки
s = толщина стенки
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
20

21.

СООТНОШЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В РУБАШКЕ
⇨ Основное сопротивление теплопереносу
сосредоточено со стороны охлаждаемой среды!
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
21

22. НОВЕЙШАЯ СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕНА – ВНУТРЕННЯЯ РУБАШКА С АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ

Нагревательная рубашка с анкерными связями расположена на
внутренней поверхности стенки.
Её поверхность состоит из многочисленных надутых «карманов», в которые подают хладагент или теплоноситель.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
Образование
микрозавихрений
интенсифицирует
теплообмен.
22

23. ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОЗАВИХРЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Перемешивание
среды
Микрозавихрения
18.01.2017
Лекция 6
Пограничный
слой
“Карманы” паровой рубашки
© проф. Федоренко Борис Николаевич
23

24. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Q = k F t
Теплообмен зависит от
гидродинамических условий у
поверхности теплопередачи;
Завихрения среды у
поверхности теплопередачи
способствуют повышению
коэффициента теплоотдачи
αСР, и, тем самым, повышению
коэффициента теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи:
k=
18.01.2017
1
ХЛАД
Лекция 6
+
1
sCТ
Σ
СТ
+
1
СР
© проф. Федоренко Борис Николаевич
24

25.

1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
18.01.2017
б
116%
100%
а) наружная
спиральная
рубашка
83%
а
66%
50%
33%
17%
0%
б) внутренняя
рубашка с
анкерными
связями
25
00
50
00
75
00
10
00
0
12
50
0
15
00
0
50
0
Коэффициент
теплопередачи, Вт/(м2К)
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В РУБАШКАХ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
25

26. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТАХ

18.01.2017
Лекция 6
Благодаря значительному повышению
коэффициента теплопередачи можно частично
сократить (или даже исключить!!!) площадь
теплообмена на днище аппарата.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
26

27. УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

Q = k F t
Увеличение разности температур между реакционной
средой и охлаждающим агентом, возможно двумя
способами:
за счет использования термофильных микроорганизмов;
за счет использования охлаждающих агентов с низкой
температурой, например, артезианской воды или
«ледяной» воды с температурой +2…3 С, получаемой
после охлаждения с помощью холодильной установки. Для
более глубокого охлаждения используют аммиак,
пропиленгликоль, этиленгликоль и пр.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
27

28. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

5
Р1 = 5…9 ати;
Р2 = 2…4 ати;
tК1 > tК2
7
4
3
6
2
8 9
Вода
1
ТАФП
Холодильная установка
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
28

29. ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

3
4
5
2
7
6
8 9
1
ТАФП
Холодильная установка
Вода
Недостатком
системы
ТАФП является то, что
перед тепловой стерилизацией биореактора ее
нужно
опорожнять,
а
затем вновь заполнять
хладагентом.
Реализация
замкнутого
термодинамического
цикла
с
использованием процесса «кипение – конденсация» в
испарительной и конденсаторной зонах ТАФП позволяет
обеспечить
более
высокие
значения
коэффициента
теплопередачи.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
29

30. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТАФП

охлаждение в двухконтурном режиме, когда
работают оба контура системы при разном
давлении хладагента.
при необходимости резкого захолаживания в
процессе культивирования возможен переход на
одноконтурную систему непосредственного
захолаживания в цикле холодильной установки.
охлаждение в режиме обычного теплообменника
с использованием в качестве хладагента воды
после градирни. Вода стекает по стенкам труб в
виде тонкой пленки. Холодильная установка при
этом отключается. Этот режим используют
обычно в холодное время года, когда
температура воды достаточно низка.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
30

31. СРАВНЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (при производстве Бацитрацина)

Наименование показателя
Рубашка
ТАФП
Расход воды за цикл ферментации, м3/м3
КЖ
43
20
Объем, занимаемый теплообменником
внутри реактора, м3
-
0,5
Удельный тепловой поток при расходе
охлаждающей воды 28 м3/ч, кВт
4
26
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)
210
1750
Продолжительность цикла ферментации,
ч
57
51
Среднее отклонение температуры от
значения, установленного регламентом
+6
0
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
31

32. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТАФП

Увеличение
активности
КЖ, %
Увеличение
объема
биомассы с
одной операции,
%
Бацитрацин
8,05
9,06
Битоксибациллин
33,7
46,4
Препарат
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
32

33. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ (ПРЯМОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА

Бродильный аппарат
Газообразный аммиак
Жидкий аммиак
Холодильная установка
Циркуляционный насос

34. ПРЕИМУЩЕСТВА НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

экономичность (расход энергии на
15…20%
меньше);
отсутствие промежуточного оборудования;
возможность
применения
более
высоких
температур хладагента (-5…-6 °С вместо -10 °С);
потребность в насосах с меньшей подачей,
поскольку требуется перекачивать меньшее
количество хладагента;
применение трубопроводов меньшего диаметра;
снижение затрат на теплоизоляцию и монтаж
трубопроводов системы охлаждения;
бóльшая точность температурного контроля;
бóльшая гибкость системы охлаждения.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
34

35. НЕДОСТАТКИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

повышенное рабочее давление в охлаждающих
рубашках и, следовательно, более высокие
инвестиционные и эксплуатационные затраты;
непостоянство температуры испарения;
невозможность
эксплуатации
холодильной
установки в стационарном режиме;
применение большего количества аммиака;
более высокие затраты на арматуру для
обеспечения безопасности;
невозможность накопления холода;
повышенная экологическая опасность при утечке
хладагента.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
35

36. КОСВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА

Бродильный аппарат
Промежуточный сборник
Холодильная установка
Пропиленгликоль
Циркуляционный насос
Циркуляционный насос

37. ПРЕИМУЩЕСТВА КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

более низкое рабочее давление в охлаждающих
рубашках;
равномерность
нагрузки
на
установку при использовании
лятора (накопителя холода);
постоянство температуры испарения;
потребность в меньшем количестве опасного
аммиака (или отказ от него при использовании
фреоновой холодильной установки).
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
холодильную
энергоаккуму-
37

38.

НЕДОСТАТКИ КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
ЦКБА:
более высокие затраты энергии;
потребность в трубопроводах большего диаметра, в насосах с большей подачей, в большей
площади теплоизоляции коммуникаций системы
охлаждения;
потребность в промежуточном оборудовании для
охлаждения теплоносителя.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
38

39. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ

Наружные системы теплообмена:
охлаждающие рубашки:
гладкостенные рубашки;
секционированные рубашки;
спиральные рубашки;
рубашки с анкерными связями;
циркуляционное перемешивание с выносным
теплообменником.
Внутренние системы теплообмена:
змеевики;
диффузоры с двойными стенками;
пучки труб;
теплообменные аппараты с фазовыми переходами
(ТАФП);
внутренние рубашки с анкерными связями.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
39

40.

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

41. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
41

42. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

18.01.2017
Лекция 12
© проф. Федоренко Борис Николаевич
42

43. СХЕМА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Продукт
Вода
Вода
Продукт
Пропиленгликоль
Пропиленгликоль
Водяная
секция
Пропиленгликолевая
секция
Пакет - часть пластинчатого теплообменника, состоящая из
группы смежных пластин, между которыми поток продукта (или
теплоносителя) движется параллельно в одном направлении.
Одними и теми пластинами может быть организовано разное
количество пакетов по продукты и теплоносителю (или хладагенту).
Секция – часть пластинчатого теплообменника, состоящая из
одного или более пакетов, в которой применяется один и тот же
теплоноситель или хладагент.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
43

44. ФОРМУЛА СБОРКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Продукт
Вода
Вода
Продукт
Пропиленгликоль
Пропиленгликоль
Водяная
секция
Пропиленгликолевая
секция
3+3 2+2
3+3 4
Используя различные схемы компоновки пластин,
можно изменять производительность теплообменника
(за счет числа параллельных потоков в пакетах) и
степень охлаждения или нагревания продукта (за счет
числа последовательно работающих пакетов и секций).
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
44

45. ОДНО- И ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕНИК

Одноступенчатое
охлаждение
Предварительное
охлаждение
Сусло
Вода
85…88 °C
6…8 °C
Окончательное
охлаждение
Технологическая вода
+1…2 °C
85…88°C
Сусло
6…8 °C
Сусло
Сусло
95…98 °C
95…98°C
1…2 °C
Технологическая ледяная вода
10…15 °C
Технологическая вода
Бак технической ледяной воды
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
45

46. ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

компактность конструкции, вследствие высокой
плотности упаковки - площади поверхности
теплообмена, размещаемой в единице объема
теплообменника, которая может достигать 200 м2/м3 (в
то время как, например, в трубчатых теплообменниках
лишь 40 м2/м3);
возможность быстрого и легкого изменения
поверхности теплообмена в результате установки
различного числа пластин, что позволяет изменять
производительность аппарата;
возможность осуществления в одном аппарате разных
теплообменных процессов - нагревания и охлаждения
продукта, а также регенерации теплоты (как, например,
в поточном пастеризаторе);
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
46

47. ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА (продолжение)

более высокие коэффициенты теплопередачи
благодаря энергичной турбулизации потоков (за счет
малой толщины и рельефа пластин) при движении
жидкости в очень узких каналах; это позволяет
эффективно применять пластинчатые
теплообменники при малых температурных
перепадах между продуктом и теплоносителем;
относительная дешевизна в изготовлении, поскольку
основные элементы теплообменника –
гофрированные пластины - изготавливают методом
штамповки;
возможность быстрой разборки для тщательной
мойки и очистки пластин (но обычно используют для
этого безразборную мойку).
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
47

48. НЕДОСТАТКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

18.01.2017
Лекция 7
Большое количество резиновых
уплотнений, общая протяженность
которых значительна, которые со
временем теряют свою
эластичность и не обеспечивают
герметичность теплообменника,
вследствие чего образуются
протечки;
Необходимость регулярной
(обычно раз в 3 года) замены
уплотнительных прокладок.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
48

49. СХЕМА ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

4
3
Возврат хладагента
Хладагент
Продукт
Пар
6
2
7
Пастеризованный
продукт
1
10
9 8
5
Конденсат
Вода холодная для подпитки
В современных поточных пастеризаторах коэффициент рекуперации
теплоты может достигать 92%.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
49

50. ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
50

51. ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА НАПИТКОВ В ПОТОКЕ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
51

52. ДИАГРАММА ПАСТЕРИЗАЦИИ ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

t, С
60
40
20
0о
-0,5 С
о
Секция
охлаждения
80
Секция рекуперации
2
1
о
10 С
о
4
1
С
о
-5 С
77оС
70 С
3
о
74 С
о
70 С
Секция
пастеризации
о
1 – продукт исходный; 2 – продукт пастеризованный; 3 – вода горячая;
4 – хладагент.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
52

53. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ

Эп =
60
1,393( t 60) ,
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ
Эффективность процесса пастеризации
оценивают по количеству пастеризационных
единиц (ПЕ):
Эп=
× 1,393(t6060)
где - продолжительность выдерживания напитка, с;
t – температура нагрева, С.
Под одной пастеризационной единицей понимают
биологический эффект от тепловой обработки
продукта при температуре 60 ºС в течение 1 минуты.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
53

54.

РЕКУОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К
ИЗУЧАЕМОЙ ТЕМЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ”
Б. Н. Федоренко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ
Часть 1. БИОРЕАКТОРЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Федоренко Б.Н. Технологическое оборудование микробиологических производств.
Часть 1. Биореакторы. – М.: МГУПП, 2006.
– 66 с.
МОСКВА 2006
18.01.2017
Лекция 1
© проф. Федоренко Борис Николаевич
54

55.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
доктор технических наук, профессор
Кафедра “Технологические машины и
оборудование”
Московского государственного
университета пищевых производств
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
тел. 8 (499) 158-72-11
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
55