Міністерство аграрної політики України

Вінницький національний аграрний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Для виконання лабораторних робіт з дисципліни

«МАШИНИ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ПРОДУКЦІЇ»

для студентів напряму підготовки

0919 – Механізація та електрифікація сільського господарства спеціальності 6.091902 – Механізація сільського господарства

денної та заочної форми навчання

Лабораторна робота № 6 Обладнання для стерилізації продукції (автоклави)

Вінниця

2011

Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт з дисципліни «Машини та обладнання для переробки сільськогосподарської продукції» для студентів напряму підготовки 0919 – Механізація та електрифікація сільського господарства спеціальності 6.091902 – Механізація сільського господарства денної та заочної форми навчання. / Укладачі: В. М. Бандура, Л.В.Фіалковська, І.М. Берник. – Вінниця: ВНАУ, 2010. – с.

Укладачі: к.т.н., доцент кафедри «Процеси та обладнання переробних і харчових виробництв ім. професора П.С. Берника» В. М. Бандура; к.т.н., доцент кафедри «Процеси та обладнання переробних і харчових виробництв ім. професора П.С. Берника» Л. В. Фіалковська.

Відповідальний за випуск І.П. Паламарчук, д. т. н., професор ВНАУ

Рецензенти: д.т.н., професор ВНАУ М.Ф. Друкований; д.т.н., професор Вінницького національного технічного університету І. О. Сивак

Рекомендовано до друку:

- на засіданні методичної комісії факультету механізації сільського господарства ВНАУ протокол № 1 від “ “ 2011 р.

- рішенням навчально-методичної комісії Вінницького національного аграрного університету протокол № від “ “ 2011 р.

Обладнання для стерилізації продукції (періодичної дії – автоклави)

У харчовій промисловості для подовження термінів зберігання харчових продуктів використовуються різні способи обробки. Сьогодні широкого використання майже для всіх харчових продуктів подовженого терміну зберігання набув тепловий метод їх оброблення.

Сучасне технологічне забезпечення технологічних процесів залежить від організації безперервного або циклічного процесу оброблення. Особливе значення при цьому мають температурний режим оброблення продукції, тривалість впливу та вид теплоносія. Для різних харчових продуктів вони неоднакові і залежать від їх фізико-хімічних властивостей, консистенції і від матеріалу та місткості тари.

Нині в м'ясній, молочній та консервній промисловості для пастеризації та стерилізації продуктів у тарі використовують апарати періодичної та безперервної дії. В існуючих конструкціях автоклавів стерилізацію проводять у водяному та паровому середовищі при атмосферному тиску чи при тиску вище атмосферного, температурі робочого середовища до 140°С, зі статичним або ротаційним розташуванням продукту.

Автоклави виготовляють двох типів: вертикальні та горизонтальні. Горизонтальні автоклави застосовують для стерилізації продуктів в металевій тарі, а вертикальні - для стерилізації продуктів в металевій та скляній тарі.

Як нагрівальне середовище в автоклавах використовують гарячу воду та пару.

Пара, як нагрівальне середовище, може використовуватись тільки в тому випадку, коли продукти знаходяться в металевій тарі і стерилізацію проводять при температурі вище 100°С під тиском. Скляну посуду в автоклавах незалежно від температури стерилізують тільки водою, яку підігрівають парою з температурою близько 150°С.

Безперервно діючі стерилізатори мають транспортні органи, виконані у вигляді роторів, барабанів, стрічкових або пластинчастих транспортерів чи ківшових елеваторів. Необхідним пристроєм для стерилізаторів має бути завантажувальний і розвантажувальний механізми.

Стерилізатори періодичної дії

Вертикальний автоклав. Для проведення стерилізації харчових продуктів застосовуються два типи вертикальних автоклавів: двох- і чотирьох кошикові. У промисловості також зустрічаються одно- та трьохкошикові автоклави. Основною конструктивною відмінністю між ними є висота корпусу (табл. 1).

Двохкошиковий автоклав (рис. 1) складається з вертикального циліндричного зварного корпусу 3, кришки 4, кошиків 10, програмного регулятора 9, арматури для підключення до магістралі пари, води, повітря та відводу конденсату.

Таблиця 1 -Технічна характеристика вертикальних автоклавів

Показники	Б6-КАВ-2	Б6-КАВ-4
Об’єм автоклава, л	1570	2750
Внутрішній діаметр, мм	1000	1000
Робочий надлишковий тиск в автоклаві, МПа	0,35	0,35
Кількість кошиків	2	4
Конструктивні розміри, мм	1350х2200х2750(3350)	1350х2200х4200(5000)
Маса, кг	2370	3534

*В дужках вказана висота автоклава з відкритою кришкою

1 - врівноважу вальний пристрій, 2 - зажим; 3 - корпус; 4 - кришка; 5 - запобіжний клапан; 6 - пробно-спусковий кран; 7 - термометр; 8 - манометр; 9 - програмний регулятор; 10 - корзина; 11 - кільцевий барометр

Рис. 1 – Вертикальний автоклав

На корпусі встановлені манометр 8, термометр 7 і датчик програмного регулювання 9. У нижній частині корпусу розташований кільцевий барометр 11 для подавання пари чи зтисненого повітря і зливний патрубок із стаканом.

Фланці кришки та корпусу притискаються за допомогою пристрою 2, який складається з п'ятнадцяти секторних захватів, які в свою чергу закріплені на кільці з пружинної листової сталі та важільної системи для стягування та розведення поясного зажиму. На кришці передбачені штуцери для запобіжного клапану 5, який спрацьовує при величині тиску більше 0,35 МПа і пробно-спускового крану 6.

Пара і повітря подаються в нижню частину автоклава; відведення води може проводитися як у верхній частині, так і в нижній, подавання води для охолодження - тільки у верхній частині.

Кришка 4 оснащена врівноважувальним пристроєм 1, що зменшує зусилля при її відкриванні та закриванні.

Застосування програмного регулятора 9 дозволяє проводити процес стерилізації в автоматичному режимі.

Парова стерилізація продуктів у банках проводиться наступним чином.

Наповнені банками циліндричні дірчасті стальні кошики, місткістю біля 500 л, встановлюють в автоклав один на другий, герметизують за допомогою кришки 4, після чого відкривається продувний кран і паровий вентиль, що сприяє видаленню з автоклава повітря парою. При появі пари з продуктового крана його закривають і ведуть нагрівання продукту до встановленої температури. Тривалість нагрівання встановлюється заданим режимом стерилізації. Після закінчення процесу стерилізації паровий вентиль закривають і поступово знижують тиск і температуру, випускаючи при цьому пару через продувний вентиль. Оброблені банки з продуктом проходять стадію охолодження до температури 40-50 ^аС в самому автоклаві чи на відкритому повітрі.

Стерилізація продуктів у скляній тарі в воді з водяним протитиском проводиться наступним чином.

Наповнені банками кошики встановлюють в автоклав один на другий, герметизують за допомогою кришки 4. Апарат наповнюють водою, температура якої на 10-15 °С вища від температури тари з продуктом. Через паровий барботер в автоклав подається пара з поступовим підвищенням температури в ньому до встановлених технологічних режимів. Повітряним компресором створюється та підтримується в системі постійний тиск. Після закінчення стерилізації пара та гаряча вода поступово відводяться з апарату через зливну трубу за рахунок подавання в нього холодної води.

Особливу увагу слід приділяти процесу охолодження тари з продуктом, особливо скляної. Це пов'язано з тим, що при нагріванні в зовнішніх шарах стінок скляної тари виникають стискаючі зусилля, в той час як при охолодженні в них виникають розтягуючі зусилля. Встановлено, що найбільш небезпечним з технологічної точки зору є охолодження тари від температури стерилізації до 70 °С. У зв'язку з цим при охолодженні температура в автоклаві повинна знижуватись поступово та рівномірно.

Завантаження та розвантаження автоклавних кошиків банками проводиться різними способами: ручним, автоматизованим, із застосуванням водяної подушки.

Найбільш широкого використання набув спосіб завантаження із застосуванням водяної подушки. При цьому способі пуста сітка занурюється в резервуар з водою, рівень якої вище від верхнього кільця сітки. Банки подаються в воду, яка запобігає їх деформації та биттю. Кошики із заповненими банками витягуються з резервуару та вкладаються в автоклав.

Для розвантаження банок з кошиків після їх стерилізації використовується такий же резервуар, але заповнений розчином, питома вага якого більше від питомої ваги банок.

Горизонтальний автоклав.

Горизонтальний автоклав (рис. 2) складається з корпусу 1, який з торцевих сторін має кришки 2, що герметично закриваються за допомогою зажимного пристрою 3. Всередині корпусу встановлено барботер 4 для пари та змонтована спеціальна колія для переміщення візків з оброблюваним продуктом. Горизонтальні автоклави виготовляють на один, чотири та шість візків і конструктивно вони відрізняються між собою лише довжиною корпусу (табл. 2). Аналогічно вертикальним автоклавам горизонтальні автоклави комплектуються відповідними контрольно-вимірювальними приладами та комунікаціями.

1 – корпус, 2 – кришка, 3 – заживний пристрій, 4 – барботер

Рис. 2 – Горизонтальний автоклав

Наявність двох кришок дає можливість завантажувати продукцією апарат з одного боку, а розвантажувати з протилежного, що в свою чергу забезпечує поточність технологічного процесу.

Горизонтальні стерилізатори розраховані на роботу при температурі до 140 °С та тиску до 500 кПа.

Встановлено, що надання посуду механічного обертального руху дозволяє значно скоротити загальну тривалість стерилізації та покращити умови теплопередачі, що в свою чергу підвищує якість оброблюваного продукту.

Таблиця 2 - Конструктивні розміри горизонтальних автоклавів

Показники	Горизонтальний автоклав на
	1 візок	4 візки	6 візків
Довжина, мм	1863	5140	7278
Ширина, мм	1862	1862	2050
Висота, мм	1917	1917	1917
Маса, кг	2262	3047	4990

У промисловості застосовується стерилізатор періодичної дії з каркасом, що обертається. Корпус стерилізатора представляє сталевий циліндр з двома сферичними кришками. Усередині циліндра поміщений каркас з подовжніми осередками для завантаження банок, що обертається. На корпусі стерилізатора змонтовані електродвигун, редуктор, запобіжний клапан, патрубок для манометра, повітряний кран і патрубки для входу пари і води. У кришці зроблений люк для завантаження і вивантаження продукту. Каркас обертається від електродвигуна через редуктор зі швидкістю 6-10 об/хв.

На рис. 3 подано схеми завантаження візків, що надають посуду обертального руху навколо його осі та обертання з дна на кришку. Обертання барабана здійснюють за допомогою електродвигуна, який в комплектований варіатором швидкостей.

а - горизонтальний; б - вертикальний

Рис. 3 – Способи завантаження тари з продуктом в сітки, що обертаються

Слід зазначити, що для апаратів періодичної дії поряд з неможливістю дотримання оптимальних умов оброблення для кожного виду продукції за технологічними режимами (наявність зниження біологічної цінності продукту) характерні велика енергоємність (на 600 кг продукції витрачається близько 375 кг пари, 8,0 м³ охолоджувальної води та 7,0 м³ повітря), малопродуктивність та значні витрати ручної праці.

Методика розрахунку параметрів автоклавів

Продуктивність автоклава (банок за секунду)

(1)

де - тривалість повного циклу роботи автоклава, с; - кількість банок в автоклаві, яке визначається або з таблиць, або по формулі

(2)

де - діаметр сітки (корзини) автоклава, м; - зовнішній діаметр банки, м; - відношення висоти сітки до висоти банки (приймаємо ближнє ціле менше число); – число сіток (корзин) в автоклаві.

Необхідне число автоклавів

(3)

де - продуктивність лінії, банок в секунду.

Перерва між наступними загрузками автоклавів, с

(4)

Тривалість заповнення однієї сітки (корзини), с

, (5)

де - число банок в одній сітці.

Витрата теплоти на нагрівання автоклава, кДж

, (6)

де - маса автоклава, кг; - питома теплоємність сталі [=0,48 кДж/(кг·град)]; - температура стерилізації, ; - початкова температура автоклава (приймається рівній температурі води в автоклаві, яка в свою чергу рівна температурі продукту +10…+15).

Витрата теплоти на нагрівання сіток, кДж

(7)

де - маса сіток, кг; - питома теплоємність матеріалу сіток ( - початкова температура сіток, , рівна температурі повітря в цеху.

Витрата теплоти на нагрівання банок, кДж

(8)

де - маса банок, кг; - питома теплоємність скла [=0,835 кДж/(кг·град)]; - початкова температура банок, (.

Витрата теплоти на нагрівання продукту, кДж

(9)

де - маса продукту в банках, кг; - питома теплоємність продукту, кДж/(кг·град); - початкова температура продукту,

Витрата теплоти на нагрівання води в автоклаві, кДж

(10)

де - маса води, кг; - питома теплоємність води, кДж/(кг·град); - початкова температура води в автоклаві, .

Втрати теплоти в зовнішнє середовище, кДж

(11)

де - площа зовнішньої поверхні автоклава, м²; - загальний коефіцієнт тепловіддачі в період нагрівання, кВт/(м²·град); - тривалість нагрівання, с; - температура поверхні стінки автоклава, температура повітря в автоклавному відділенні,

Сумарний коефіцієнт тепловіддачі, визначається з імперичної формули

де t_CT - температура зовнішньої стінки автоклава з урахуванням теплоізоляції, приймається рівною половині середньої температури води в початковий період

t_CT -(₁ + f_f)/(2*2)°C; (16)

де t_CT - температура повітря в приміщенні, °С.

Загальна витрата теплоти в період нагрівання, кДж

(12)

Витрата пару в період нагрівання, кг

(13)

Секундна витрата пару, кг/с

= (14)

Витрата теплоти в період власної стерилізації, кДж

де - загальний коефіцієнт тепловіддачі в період власної стерилізації, кВт/(м²·град); – тривалість стерилізації, с.

Витрата пару в період власної стерилізації, кг

(15)

Секундна витрата пару в період стерилізації, кг/с

= (16)

Витрата пару за цикл роботи, кг

(17)

Витрата води для охолодження продукту, кг

(18)

де - початкова температура охолоджувальної води, ; - температура стерилізації, - кінцева температура продукту, - кінцева температура автоклава, сіток, банок і води, яка приймається на 5 нижче кінцевої температури продукту; - вага автоклаву, сіток, банок і води, кг; - приведена питома теплоємність, кДж/(кг·град).

(19)

Секундна витрата води, кг/с

(20)

де - тривалість охолодження, с.

При наближених розрахунках автоклавів Б6-КАВ можна користуватись нижченаведеними формулами (при умові, що автоклав заповнений водою, тара – скляна, а тиск гріючої пари 0,4 МПа):

• витрата пару на стерилізацію консервів в автоклаві Б6-КАВ-2 (в кг за цикл):

; (21)

• витрата пару на стерилізацію консервів в автоклаві Б6-КАВ-4 (в кг за цикл):

; (22)

де – кількість банок в автоклаві, шт.; - номінальна ємність банки, л; - температура стерилізації, ; - початкова температура автоклава і води в ньому, - початкова температура сіток, - початкова температура банок з продуктом, - вага банки (без продукту), кг; - вага продукту в банці, кг; - питома теплоємність продукту, кДж/(кг·град); – тривалість нагрівання і стерилізації (загалом), хв.

При стерилізації паром консервів, фасованих в жерстяну тару і складених в автоклав без води, витрата пару (в кг за цикл) х врахуванням продувки апарату визначають по наступним наближеним формулам:

• Б6-КАВ-2

; (23)

• −КАВ-4

(24)

де прийняті ті ж позначення величин, що і в формулах (23)…(24).

Витрата пару в цілому по автоклавному відділенню, кг/год,

. (25)

Витрата гріючого пару в гідростатичного стерилізатора безперебійної дії, кг/с,

(26)

де - продуктивність стерилізатора, банок/с; - різниця кінцевої і початкової температури продукту, - вага банки (без продукту), кг; - питома теплоємність матеріалу банки, кДж/(кг·град); - вага продукту в банці, кг; - питома теплоємність продукту, кДж/(кг·град); - витрати води на доливання, кг на банку; - різниця кінцевої і початкової температури води, – вага 1м довжини транспортного пристрою, кг; - швидкість руху транспортного пристрою, м/с; – різниця кінцевої і початкової температури конвеєра, - площа поверхні стерилізатора, м²; - загальний коефіцієнт тепловіддачі конвекції і випромінюванням, кВт/(м²·град); - різниця температур поверхні стінки стерилізатора і повітря в приміщенні, де він встановлений, - питома ентальпія гріючого пару, кДж/кг.

примітка. Значення кінцевої температури банок, продукту, з доливанням води, транспортного пристрою приймають рівним температурі стерилізації.

Приклад. Розрахуйте витрату пару і охолоджуючої води при стерилізації в автоклаві Б6-КАВ-2, розфасованих в банки t-82-500 консервів. Режим стерилізації: тривалість нагрівання , власно стерилізації охолодження Вага автоклаву вага корзин Початкова температура автоклаву і води в ньому сіток банок і продукту 70 Температура стерилізації Площа зовнішньої поверхні автоклаву м². Вага води в автоклаві кг. Вага продукту в банці 0,53 кг, а вага скляної банки 0,255 кг. Питома теплоємність продукту сталі автоклаву і сіток кДж/(кг·град), а також скла банок =0,835 кДж/(кг·град) і продукту кДж/(кг·град). Тиск гріючого пару перед апаратом P=0,4 МПа.

Знаходимо кількість теплоти, яка йде на нагрівання автоклаву:

кДж.

Витрата теплоти на нагрівання сіток

кДж.

Витрати теплоти на нагрівання банок (в двох корзинах із 870)

кДж.

Витрати теплоти на нагрівання продукту

кДж.

Витрата теплоти на нагрівання води в автоклаві

кДж.

Загальний коефіцієнт тепловіддачі в період нагрівання при наявності теплоізоляції

кВт/(м²·град).

Втрати теплоти в навколишнє середовище

кДж

Загальна витрата теплоти в період нагрівання

кДж.

Витрата пару в період нагрівання

кг

Витрата пару

кг/с.

Витрата теплоти в період власної стерилізації, кДж

З врахуванням того, що автоклав вкритий теплоізоляцією і температура стінки в період нагрівання і власно стерилізації практично однакова приймаємо = кВт/(м²·град).

Тоді

кДж.

Витрата пару в період власної стерилізації

кг

Витрата пару за цикл роботи

=150,5 кг

Приведена питома теплоємність

кДж/(кг·град)

Витрата води на охолодження продукту

кг

Секундна витрата води:

кг/с.

Завдання. Використовують автоклав типу Б6-КАВ-2. Визначити витрати граючої пари та витрати охолоджуючої води при стерилізації абрикосового компоту в банках І-82-500. Варіанти даних наведені в таблиці: тиск граючої пари Р_гп, температура охолоджуючої води t_о. Число банок в автоклаві 870, маса банки нетто 0,56 кг. Початкова температура продукту 50 ⁰С, температура стерилізації 110 ⁰С. Тривалість піднімання температури 20 хв, пастеризації 15 хв, охолодження 20 хв. Температура продукту після охолодження 40 ⁰С. Місткість автоклаву 1800 л, його маса 980 кг, площа зовнішньої поверхні 8,4 м². Початкова температура води в автоклаві 40 ⁰С, сіток 25 ⁰С. Маса однієї сітки 110 кг.

Вихідні дані	Варіант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Ргп, МПа	0,5	0,4	0,3	0,5	0,5	0,4	0,4	0,3	0,3	0,4
tо, ^0С	15	20	25	20	15	20	20	15	25	20