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5 能量衡算
5.1 热交换设备传热过程
乳品加工中的预热、杀菌、冷却、浓缩等操作，其目的各不相同，而实质都是使较热的物体将热量传递较冷的物体，这种过程称为热交换过程或传热过程。传热设备称为热交换器或换热器，用于杀菌时称为杀菌器。参与传热过程的两种流体称为载热体，放出热量的热流体成为热载体，而温度较低、接受热量的冷流体成为载体。牛乳的杀菌设备中，蒸汽或热水是热载体，牛乳是冷载体。
我们现在使用的热交换设备属于间接热传递方式，即热载体通过传热壁将热量传递给冷载体实现的。假如在传热壁一侧热介质为流动的热水，而流动的冷牛乳位于另一例，那么加热介质一侧的间壁被加热，另一侧被冷却。在间壁的两侧，各有一个边界层。由于摩擦力，与间壁接触的边界层的液体流速接近于零。紧靠边界层外的一层流体受边界层影响，流速很小，在通道的中心流速达到最大值。同样，热水的温度在通道的中心是最高的，越是接近间壁的水，另一侧的冷介质冷却的越快。热量以对流和传导的方式通过边界层传递[3]。
5.2 热量衡算过程说明
换热器的传热计算主要有两类：
一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积，另一类shi 校核计算，即计算所给换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算基础。
5.3 巴氏杀菌
牛奶刚挤出来温度为36℃，选用巴氏杀菌机加热到80℃保持15min。牛乳密度为1020kg/m3，比热容为3.95kJ/(kg?℃)，局部总传热系数取经验值150W/(m2?℃)。
热交换过程如下： 物料进口温度t1=36℃ 物料出口温度t2=80℃ 热蒸汽进口温度T1=120℃ 热蒸汽出口温度T2=110℃ 物料出口与进口温度差 ?t1=T1-t2=120-80=40℃ ?t2=T2-t1=110-36=74℃
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平均温度差?tm： 因为?t2/?t1=74/40=1.85＜2
所以?tm=(?t1+?t2)/2=(74+40)/2=57℃ 冷物料所需要的能量：
Q=WcCpc(t2-t1)=0.53×3.95×(80-36)=92.11kw Wc：每秒钟所处理的物料量，kg/s； Cps：牛乳比热容，kJ/(kg?℃)
传热面积S1=Q/K?tm=92110/(150×57)=10.8m2 为保证传热效果，取放大系数1.2，校正传热面积S S=1.2×S1=13m2
有能量守恒的D=Q/r=92.11/2134=155.39kg/h D：蒸汽消耗量，kg/h r：加热蒸汽的汽化热，kJ/kg
5.4 超高温瞬时灭菌热量衡算
进入设备物料从80℃上升到135℃，在135℃环境保持3s-4s。 热交换过程如下： 物料进口温度t1=80℃ 物料出口温度t2=135℃ 蒸汽进口温度T1=145℃ 蒸汽出口温度T2=138℃ 进出口温度差计算： ?t1=T1-t1=145-135=10℃ ?t2=T2-t2=138-80=58℃ 平均温度差：
?tm=(?t2-?t1)/ln(?t2/?t1)=(58-10)/ln(58/10)=27.3℃ 冷物料所需热量：
p=WcCpc(t1-t2)=0.51×3.95×(135-80)=110.8kw 蒸汽消耗量：D=Q/r=110.8/2134.0=186.9kg/h 传热面积：S1=Q/K?tm=110800/(700×27.31)=5.8m2 取放大系数1.2进行校正S： S=1.2S1=6.96m2
5.5 原料乳冷却阶段热量衡算
从UHT杀菌机中出来的温度为65℃，需冷却脂15℃左右才可罐装，热量变化计算：
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Q=WhCpc?t=1845.1×3.95×(65-15)=364407kJ/h。
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6 主要设备选型及原则
6.1 设备选型原则
从设备的设计选型上，可以反映储设计工厂的先进性和生产的可靠性。因此，在设备的工艺设计和选型中应考虑以下原则：
（1）必须满足生产工艺要求，保证产品产量和质量。
（2）选用的设备要生产效率高，耗能低，且结构紧凑，占有空间及地面小，操作劳动强度低，清洗维修方便，安全可靠。
（3）所选用的设备应满足生产卫生要求，易清洗拆装，不对食品造成污染。 （4）能充分利用原料，耗能低，效率高。
（5）应尽量选用通用设备，标准定型设备以及实践证明有效的品牌设备。 （6）设备的结构应合理，所选用的材料能适应各种工作条件（温度、压力、湿度、酸碱度等），在真空、压力、浓度、时间、速度、流量、液位，计数和程序等参数的监控方面应由合理的控制系统，并尽量采用自动控制方式[1]。
6.2 设备选型
6.2.1 奶罐车
从牧场到乳品加工厂的距离在千米以上，都应使用奶罐车运奶。这样可以保持已被冷却的奶温度不回升，奶在运输途中不被污染，减少途耗，便于加工厂的收集。选用两辆10吨的奶槽车运输原料乳[1]。 6.2.2 储奶罐
应使用不锈钢保温储罐，它应具有以下结构和功能：
适当强度的搅拌机，以防乳脂的上浮，防蝇防尘通气口，CIP清洗器，温度计、计量计或液位计，抗真空阀，可密闭的人孔，采样阀，保温层；保温层材料材料通常用聚氨酯发泡、玻璃棉和发泡珍珠岩。保湿性能以聚氨酯发泡为上乘。
储奶罐分为室内储罐和室外储罐，容积在20000L以下可以使用室内储罐，容积在20000L以上应使用露天储罐[10]。本设计选用RZWG01-5000型储罐。 6.2.3 磅奶槽、受奶槽
适用于专供牛奶、羊奶或饮料过磅时必备设备，结构简单，清洗方便，磅奶槽通常与受奶槽配合使用，以提高收奶工作的效率。设计采用的磅奶槽目前普遍采用350L大小。而受奶槽采用与之配套的容量为600L的受奶槽[10]。
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6.2.4 奶泵
奶泵采用圆滑过度、刚性结构、厚壁设计。在材料上的选用泵体、泵盖、叶轮等凡与物料接触的零件全由SUS316L或304不锈钢制造。机械轴封采用高质量的石墨和碳化硅或硬质合金钢定制而成。大大提高了耐磨性和自润性，延长了使用寿命[10]。用离心式奶泵：型号为BAW150-5G，流量为5m3/h。 6.2.5 离心分离机
它是利用牛乳中的脂肪比重较轻，尘埃比重最重，其它成分比重居中的物理性质，他们的沉降速度不一，再加上高速旋转的离心力，使其三者分离，脂肪集于分离腔的中间，尘埃集于分离腔的最边缘[11]。选用处理量为5000L/h的DH207离心分离机。 6.2.6 均质机
均质机是乳品加工中不可少的设备，它是利用柱塞泵将牛奶压入是有背压的均质阀，牛奶在高速通过间隙小的均质阀时粒子受到了强大的碰撞、剪切和高压空穴作用力。乳脂肪球和其他粒子被粉碎成很小的颗粒。因此牛奶或被加工的液体得到了很好的均匀化。通常牛奶均质温度在55~75℃，均质压力在10~30MPa[1]。本设计采用HOMG-Q2500-P25的高压均质机一台。 6.2.7 板式换热器
杀菌和灭菌用的换热装备是牛奶加工中的关键设备之一。板式换热器在乳品加工中的应用，作为冷却或加热设备被广泛应用，主要用于牛奶的冷却或加热，通入冰水或冷却塔水，组合成一段或两段对物料进行冷却。通入适合热水，对物料进行加热。
经过加热、热交换、冷却几段的组合，广泛应用于HTST（73~85℃ 15s）的巴氏杀菌，它最大的优点是占地面积小，热效率高，可根据需要组合成不同产量、不同杀菌温度的杀菌机，易实现自动控制，便于CIP清洗，维护保养简单[1]。所需要的板式换热器有BP2-J-15型两台。 6.2.8 真空脱气机
要脱掉溶入牛奶中的空气和不良味道的气体，最有效的方法就是使用真空脱气机。 牛奶进入真空脱气机的温度在60~80℃。脱气罐内抽真空，牛奶由罐体的切线方向进入脱气罐内，旋转而下。在真空条件下，气体从牛奶中溢出，脱气罐上部装有冷却器冷凝水蒸汽，水分还原到牛奶中，保持原有的牛奶浓度。真空脱气机的在线安装，常安装在杀菌机的预热之后。本设计选用YX-2000，处理能力为2000L/h的消泡机[11]。 6.2.9 蒸发浓缩设备