Змеевиковые вакуум-аппараты. Змеевиковые вакуум-аппараты непрерывного действия предназначены главным образом для приготовления карамельной массы путем выпаривания избыточной влаги из карамельного сиропа.
В последнее время змеевиковые аппараты широко применяются также в сироповарочных станциях при приготовлении сиропа, в агрегатах для уваривания фруктово-ягодных начинок, в универсальных станциях для уваривания конфетных, ирисных, желейных, мармеладных и других масс.
Кондитерская промышленность в настоящее время оснащена в основном унифицированными змеевиковыми аппаратами выпуска времен СССР.
Унифицированный змеевиковый вакуум-аппарат 33-А с ручной выгрузкой массы (рис. III.11) состоит из трех частей: греющей I, выпарной II и сепаратора-ловушки III. Греющая и выпарная части соединены между собой трубопроводом. Ловушку устанавливают на трубопроводе, соединяющем выпарную камеру с конденсатором смешения и вакуум-насосом.
Греющая часть I представляет собой цилиндрический стальной корпус 4 с приваренным к нему штампованным стальным днищем в нижней части и съемной крышкой-6. Внутри корпуса смонтирован медный змеевик 5, имеющий два ряда витков, соединенных между собой последовательно. Нижний конец змеевика присоединяется к трубопроводу от сиропного плунжерного насоса, питающего вакуум-аппарат, а верхний — к соединительному трубопроводу 10, идущему в выпарную часть вакуум-аппарата, которая в свою очередь соединяется трубопроводом с конденсатором смешения поршневого мокровоздушного вакуум-насоса.
В верхней части корпуса 4 греющей части аппарата имеется штуцер для подачи греющего пара; на крышке смонтированы манометр 7, предохранительный клапан 8 и кран 9 для выпуска воздуха. В днище аппарата имеются штуцер 2 для подачи сиропа, штуцер 1 для спуска конденсата и кран 3 для продувки аппарата.
Выпарная часть II вакуум-аппарата состоит из двух стальных обечаек — верхней 23 и нижней 22 — и нижнего стального конуса (копильника) 17, соединенных между собой фланцами и откидными болтами. Между обечайками помещена конусная медная чаша 20, горловина которой перекрывается клапаном 18. Конусная чаша, полость верхней обечайки и сферическая стальная крышка образуют верхнюю вакуум-камеру вместимостью 140 л. Объем нижнего конусного копильника 90 л. Для предотвращения застывания увариваемой массы на стенках конусной чаши 20 с наружной стороны смонтирован змеевик 2/, в котором циркулирует греющий пар, подаваемый через трубку 14.
Верхний внутренний клапан 18, открываемый и закрываемый с помощью рукоятки 12, служит для обеспечения непрерывности процесса уваривания (при выгрузке готовой массы он перекрыт) и дня выпуска из верхней камеры в нижний приемный конус карамельной массы, скапливающейся во время разгрузки аппарата.
На верхней обечайке вакуум-камеры со стороны рабочего места смонтирован вакуумметр 25 для контроля за разрежением.
Нижний конус 17 вакуум-камеры для предотвращения застывания подготовленной к выгрузке карамельной массы на 3/4 высоты омывается греющим паром, подаваемым в паровую рубашку 16 по трубке 14. Для выпуска воздуха из рубашки 16 предусмотрен воздушный кран, а для периодической выгрузки готовой карамельной массы — наружный клапан 15 с рукояткой. Наблюдение за выходом массы осуществляется через смотровые окна 19 в нижней приемной части вакуум-камеры. Для сообщения верхней вакуум-камеры с нижним приемником и нижнего приемника с атмосферой предусмотрена соединительная трубка с кранами 11 и 13.
Выпарная часть вакуум-аппарата крепится на тягах к потолку или на кронштейнах к стене.
Змеевиковые вакуум-аппараты этого типа удобны для установки в поточных линиях производства карамели и не требуют сооружения специальных площадок для монтажа греющей части аппарата. Кроме того, греющая часть вакуум-аппарата вместе с плунжерным сиропным насосом и вакуум-насосом может быть установлена на некотором расстоянии от выпарной части вакуум-аппарата или в другом помещении, что обеспечивает лучшее санитарное состояние цеха.
Сепаратор-ловушка III, предназначенная для задерживания частиц карамельной массы, уносимых вторичным паром, представляет собой цилиндрический стальной сосуд 28 с плоской крышкой и перегородкой 27 внутри, расположенной напротив входного патрубка. Задержанные частицы карамельной массы отводятся через нижний патрубок ловушки с краном 29 для последующей переработки.
Карамельный сироп из расходного сиропного бака плунжерным насосом непрерывно нагнетается в змеевик аппарата под давлением 0,4 МПа. Одновременно в корпус греющей части аппарата через верхний штуцер подается греющий пар. В паровом пространстве аппарата греющий пар омывает змеевик 5 и конденсируется. Конденсат непрерывно отводится через штуцер 1 в конденсатоотводчик.
Давление греющего пара контролируется манометром 7, в случае увеличения давления пара сверх допустимого срабатывает предохранительный клапан 8.
Поступающий в сдвоенный змеевик карамельный сироп поднимается сначала по виткам внутреннего змеевика, затем переходит по вертикальной соединительной трубке в нижний виток наружного змеевика и движется далее вверх по его виткам. Из верхнего витка наружного змеевика карамельная масса переходит по соединительному трубопроводу 10 в вакуум-камеру аппарата, в которой с помощью конденсатора смешения создается разрежение, поддерживаемое поршневым мокровоздушным вакуум-насосом, присоединяемым к вакуум-камере. Карамельная масса, получаемая в результате уваривания карамельного сиропа в змеевике, непрерывно поступает в вакуум-камеру, при этом процесс уваривания массы до конечной влажности 1,5—2,5% продолжается благодаря интенсивному само- испарению влаги в разреженном пространстве.
Вторичный пар, выделяющийся из сиропа при его уваривании, и воздух, подсасываемый при периодической разгрузке вакуум-камеры, устремляются из вакуум-камеры по трубопроводу 26 через ловушку 28 в конденсатор смешения, куда непрерывно подается охлаждающая вода. Вторичный пар охлаждается и конденсируется.
Поступающий в конденсатор вторичный пар занимает значительный объем—1 кг пара достигает объема до 10 м3; при превращении пара в воду 1 кг воды займет объем около 1,0 л.
Благодаря такому резкому сокращению объема и создается разрежение в конденсаторе и вакуум-камере. Образующаяся в конденсаторе водовоздушная смесь откачивается из него вакуум-насосом, благодаря чему разрежение в конденсаторе и вакуум-камере постоянно поддерживается.
Расположенный у сферической крышки вакуум-камеры отбойник 24 препятствует уносу карамельной массы в конденсатор.
По мере накопления готовой массы в вакуум-камере ее периодически, через каждые 2 мин, выгружают, не нарушая непрерывности процесса уваривания.
Для выгрузки скопившейся готовой карамельной массы из нижнего конуса 17 вакуум-камеры при закрытом верхнем клапане 18 открывают нижний клапан 15 и одновременно соединяют нижний конус с атмосферой, открывая воздушный кран 11. По окончании выгрузки массы закрывают нижний клапан 15 и кран 13, затем перед открыванием верхнего клапана 18 выравнивают давление в обеих частях вакуум-камеры, для чего при закрытом нижнем клапане 15 открывают кран 11, соединяющий верхнюю и нижнюю части камеры. После этого закрывают кран 11, открывают верхний клапан 18 и процесс уваривания продолжается с использованием полного объема обеих частей вакуум-камеры.
Унифицированный аппарат 33-А выпускается двух типоразмеров, различающихся между собой лишь площадью поверхности теплообмена змеевиков и высотой нагревательной части. Производительность этих аппаратов составляет 500 и 1000 кг/ч карамельной массы.
Унифицированный змеевиковый вакуум-аппарат может снабжаться механическим или вакуумным устройством для автоматической выгрузки массы.
На рис. 111.12 представлена кинематическая схема механического устройства.
От электродвигателя 1 через систему червячных и зубчатых цилиндрических передач приводится во вращение кулачковый вал 3, на котором установлены кулачки 2, 4 и 5. От кулачка 2 через рычажную систему открывается нижний клапан, от кулачка 4 — верхний клапан, а от кулачка 5 перемещаются поршни 6, расположенные в золотнике. Золотник связан трубопроводами 7, 8 и 9 с пространством нижнего конуса, верхнего конуса (выпарной частью) и атмосферой. При изменении положения поршней эти пространства соединяются между собой, давление выравнивается или становится атмосферным. Закрытие клапанов осуществляется с помощью грузов. Предусмотрено также и ручное управление клапанами и положением поршней в золотнике.
Последовательность процесса автоматической выгрузки массы такая же, как у вакуум-аппаратов с ручной выгрузкой.
Периодичность автоматической выгрузки массы — 2 мин. Электродвигатель автомата выгрузки типа АОЛ21-4 имеет мощность 0,27 кВт, частоту вращения 1400 об/мин.
Вакуумное устройство для выгрузки массы (рис. 111.13) состоит из золотникового крана 8 с каналами в пробке и отвер-
Рис. III. 12. Кинематическая схема механизма для выгрузки карамельной массы
стиями 11—17 в корпусе, пневмоцилиндров 1 и 3, электромагнита 10 и электрооборудования, смонтированного в шкафу.
Принцип действия системы заключается в следующем. Пневматические реле времени настраиваются на желаемый цикл выгрузки — 2 мин, из которых 8 с — на открытие нижнего клапана, 20 с — на выгрузку массы. В зависимости от требования технологического процесса продолжительность уваривания и время выгрузки можно регулировать в пределах до 3 мин. При срабатывании реле времени электрический импульс подается на обмотку электромагнита 10, сердечник которого, втягиваясь, системой рычагов 9 поворачивает пробку золотникового крана 8 на угол 45°. При отключении электромагнита пружина втягивает сердечник, возвращая пробку крана в первоначальное положение.
Таким образом, через заданный промежуток времени происходит поворот пробки крана на угол 45° и обратно.
Рис. III.13. Принципиальная схема вакуумного устройства для выгрузки массы
При определенных положениях пробки крана 8 имеющиеся в ней каналы соединяют отверстия 11—17 в различных сочетаниях.
При совмещении отверстий /3, как показано на рис. III. 13 (сечение а—а, положение А), верхняя часть вакуум-камеры 5 соединяется с полостью копильника 2, при этом (см. сечение б—б, положение А) через отверстия 12 и 16 соединяются полость над поршнем верхнего цилиндра 3 с верхней частью вакуум-камеры 5, а через отверстия 11 и 17 соединяются полость под поршнем верхнего цилиндра 3 и полость над поршнем нижнего цилиндра 1 с атмосферой.
Поршни в цилиндрах перемещаются в сторону вакуума, а система рычагов 4 при этом закрывает клапан 7 копильника и открывает внутренний клапан 6 для выпуска массы из верхней части вакуум-камеры в копильник. Такое расположение каналов соответствует положению электромагнита в отключенном. состоянии.
При включении электромагнита пробка золотникового крана поворачивается на угол 45° и расположение каналов будет такое, как показано на рис. 111.13 в положении Б, т. е. отверстие 15 (сечение а—а) через канал и отверстие 14 соединяет полость копильника 2 с атмосферой. В сечении б—б канал 11—12 соединяет полость под поршнем верхнего цилиндра 3 и над поршнем нижнего цилиндра 1 с верхней частью вакуум-камеры 5, а канал 16—17 соединяет полости под поршнем верхнего цилиндра 3 и под поршнем нижнего цилиндра 1 с атмосферой. При движении поршня закрывается внутренний клапан 6 и открывается нижний клапан 7 для выгрузки массы.
Основы расчета змеевиковых аппаратов приведены в конце главы.
Пуск аппарата в работу по окончании монтажа разрешается только после гидравлических испытаний на давление, которое больше рабочего на 25 % .
Перед началом работы аппарат нужно прогреть; для этого следует открыть общий паровой вентиль и вентили для продувки змеевика и подогрева вакуум-камеры; избыточное давление пара при этом, должно быть не более 0,2 МПа. После прогрева аппарата необходимо закрыть вентиль продувки змеевика, а затем клапаны вакуум-камеры и нижнего приемного конуса, включить мокровоздушный вакуум-насос, открыть кран на сиропном трубопроводе, включить продуктовый насос (если аппарат оснащен автоматической выгрузкой, включить автомат выгрузки) и открыть вентиль на паровой линии для постепенного получения рабочего давления, указанного в паспорте.
Во избежание засахаривания змеевика его не менее двух раз в смену промывают горячей водой с температурой примерно 90 °С, пропуская ее через сиропный расходный бак, сиропный насос и аппарат. При этом сладкие смывные воды отводят по специальным трубопроводам в сборник и после фильтрации утилизируют при приготовлении сиропов и начинок.
Для удаления образующегося в процессе эксплуатации вакуум-аппарата нагара или накипи внутри змеевика его подвергают примерно раз в декаду тщательной протравке 2—3 %-ным раствором каустической соды — гидроксида натрия (или для ускорения протравки — 5 %-ным раствором) в течение 30— 40 мин, пропуская раствор через сиропный бак, плунжерный насос, змеевик, вакуум-камеру и обратно. После протравки производят тщательную промывку аппарата горячей водой.
При использовании змеевиковых вакуум-аппаратов для уваривания фруктово-ягодных начинок от начальной влажности 40—50% до конечной 17—20 % избыточное давление греющего пара поддерживают в пределах 0,3—0,4 МПа, а объем вакуум-камеры для предотвращения уноса массы в конденсатор с вторичным паром увеличивают в 5—7 раз; кроме того,
устанавливают ловушку, а остаточное давление в вакуум-камере поддерживают на уровне 45 кПа.
Практикуется также безвакуумное уваривание начинок в змеевиковой греющей части таких аппаратов. При этом вместо вакуум-камеры для отсоса вторичного пара устанавливают пароотделитель с вентилятором. Греющую часть змеевиковых аппаратов с пароотделителями используют также для непрерывного уваривания конфетных, ирисных, мармеладных и других кондитерских масс.
Техническая характеристика унифицированных змеевиковых вакуум- аппаратов 33-А
Производительность | |||
Показатели | по карамельной массе, кг/ч | ||
500 | 1000 | ||
Греющая часть | |||
Площадь поверхности нагрева змеевика, м2 | 4,2 | 7,5 | |
Диаметр медных труб змеевика, мм | 55X2 | 55X2 | |
Давление сиропа в змеевике, МПа | До 0,4 | До 0,4 | |
» пара, МПа | До 0,6 | До 0,6 | |
» при гидравлическом испытании, МПа | До 0,9 | До 0,9 | |
Примерный расход пара, кг/ч | 175 | 220 | |
Объем парового пространства, л | 330 | 570 | |
Габаритные размеры, мм | |||
длина | 996 | 996 | |
ширина | 975 | 975 | |
высота | 1325 | 1775 | |
Масса, кг | 377 | 502 | |
Выпарная часть | |||
Рекомендуемое остаточное давление, МПа | 0,01 | ||
Объем верхней вакуум-камеры, л | 140 | ||
Объем нижнего копильника, л | 90 | ||
Периодичность выгрузки массы, мин | 2 | ||
Габаритные размеры, мм | 990X910X1438 | ||
Масса, кг | 176 | ||
То же, с автоматом вакуум-выгрузки, кг | 243 | ||
Сепаратор-л о в у ш к а | |||
Рекомендуемое остаточное давление, МПа | До 0,01 | ||
Остаточное давление при испытании, кПа | До 7 | ||
Габаритные размеры, мм | 640X480X670 | ||
Масса, кг | 39 |
Пленочные теплообменные аппараты. Эффективным путем интенсификации теплообменных процессов является уваривание или охлаждение сиропов, стекающих по вертикальной поверхности тонким слоем, а перспективной конструкцией аппаратов— вертикальные пленочные аппараты роторного типа.
Основными преимуществами пленочных аппаратов являются: высокая интенсивность тепло- и массообмена, малое время пребывания раствора в зоне высоких температур, отсутствие гидростатического давления. Жидкостная пленка в этих аппаратах создается различными способами. По методу создания пленки пленочные аппараты можно разделить на следующие виды:
1) аппараты с всползающей пленкой;
2) аппараты с падающей пленкой;
3) центробежные аппараты;
4) аппараты с роторным устройством.
Изучение возможности применения пленочных аппаратов роторного типа для уваривания кондитерских масс проводилось во ВНИИ кондитерской промышленности. При этом было установлено, что получение карамельной массы в пленочном аппарате позволяет сократить продолжительность процесса уваривания сиропа с 3—4 мин до 10—15 с при улучшении качества карамельной массы. Кроме того, на основании проведенной работы была доказана возможность получения карамельной массы непосредственно из сахара и патоки, минуя стадию приготовления сиропа.
Результаты исследований позволили обосновать новый способ плавления кристаллического сахара путем нагревания его в тонком слое. С целью ускорения процесса, улучшения качества расплава и предохранения теплопередающей поверхности от образования на ней нагара нагревание производится с одновременным принудительным движением, растиранием веществ до порошкообразной массы и перемешиванием ее до однородного состояния. Продолжительность плавления по этому способу 15—30 с. Производительность аппарата 80 кг/ч по сахару. Конструктивно пленочные аппараты роторного типа различаются вертикальным или горизонтальным расположением вала ротора с укрепленными на нем скребками.
Наибольшее распространение в настоящее время получили два типа вертикальных роторных аппаратов: с радиальными жесткими лопастями и со скользящими скребками. В аппарате первого типа лопасти жестко закреплены на роторе с зазором в 1—2 мм между поверхностью теплообмена и рабочей кромкой скребка. В пленочном аппарате со скользящими скребками последние при вращении ротора под действием центробежных сил прижимаются к стенке и скользят по внутренней поверхности теплообмена, образуя на ней тонкую пленку жидкости.
На рис. 111.14 показан вертикальный пленочный аппарат ВНИИКПа для получения помады. Аппарат представляет собой цилиндрический корпус с секционными рубашками 6 для прохода теплоносителя. Вал 3 ротора вращается в выносных подшипниках 1 и 8 от шкива 9. В верхней части корпуса имеется пароотделитель 2. На валу закреплен диск-распределитель 4. Сироп, попадая на этот диск, под действием центробежных сил разбрызгивается по внутренней поверхности корпуса и стекает по ней в виде пленки. Кроме диска на валу закреплены лопасти 7 и вставленные в их пазы вертикальные скребки 5.
Скребки способствуют разравниванию слоя стекающей жидкости, а лопасти создают внутри аппарата вентилирующий эффект.
Частота вращения ротора составляет 400 об/мин. Общая площадь поверхности теплообмена около 0,54 м2 при производительности до 150 кг/ч. Корпус аппарата имеет диаметр 200 мм. Высота рабочей зоны аппарата составляет 1000 мм. Габаритные размеры аппарата (в мм): 950x550x2300.