Кроме того, выяснилось, что обработка молока в мешалочных пастеризаторах заведомо сопряжена с изменениями качества продукта. К тому же следует отметить, что во всех описанных выше теплообменных аппаратах (ванны длительной пастеризации, паровые пастеризаторы с вытеснительными барабанами и мешалками, оросительные охладители и рекуператоры) молоко не защищено от соприкосновения с окружающей средой, а значит, в него из воздуха могут попадать посторонние частицы, микробы, да и сами процессы нагревания или охлаждения молока в контакте с воздухом, как показала практика, отрицательно отражаются на качестве продукта.
Дальнейшее совершенствование процессов пастеризации и охлаждения в молочном хозяйстве связано с созданием трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратов для высокотемпературной кратковременной тепловой обработки молока в потоке.
В 1926 году во французском специализированном журнале появилась статья изобретателя А. Стассано «О сохранении и оздоровлении молока», где предлагалось использование трубчатого пастеризационного аппарата. Спустя три года были проведены всесторонние испытания первых образцов, которые подтвердили высокие технологические и эксплуатационные характеристики устройств этого типа. Довольно быстро трубчатые паровые пастеризаторы получили всеобщее признание специалистов и практиков. И это понятно. Они рассчитаны на поточную технологию, достаточно производительны и свободны от многих недостатков, присущих аппаратам открытого типа. Все процессы тепловой обработки происходят в закрытых каналах без доступа воздуха. Теплообменивающиеся массы движутся в них под напором, со значительными скоростями, которые обеспечивают турбулентный режим, обуславливающий интенсивную теплопередачу (рис. 28).
На основе теплообменных аппаратов данного типа были разработаны автоматизированные трубчатые пастеризационные установки, в состав которых дополнительно входят насосы, инжектор, бойлеры, клапаны, терморегулятор, уравнительный молочный бак, пульт управления с приборами, трубопроводы и другое оборудование, благодаря чему удалось полностью автоматизировать процесс обработки молока.
Рис. 28. Трубчатая пастеризационная установка (устройство пастеризационного аппарата):
1 — патрубок для входа молока; 2 — внутренняя труба; 3 — соединительный калач; 4 — патрубок для выхода молока; 5 — патрубок для входа теплоносителя, 6 — наружная труба.
Но и трубчатые теплообменные аппараты оказались не лишенными отдельных недостатков. Один из них, весьма осложняющий эксплуатацию, заключается в том, что трубчатую систему очень трудно прочистить, да к тому же со стороны торцов необходимо значительное свободное пространство, чтобы при очистке пользоваться длинными ершами. Поэтому одновременно с улучшением трубчатых аппаратов велись работы и по созданию теплообменников других типов.
Стремление интенсифицировать процессы конвективного теплообмена, повысить технологические, эксплуатационные и экономические показатели аппаратов привело к созданию, последовательному совершенствованию и широкому внедрению в практику теплообменных аппаратов пластинчатого типа. Их отличительная особенность — разборная конструкция, позволяющая быстро и качественно проводить чистку аппарата и другие операции технического обслуживания. Но изготовление таких установок потребовало применения многих новых конструктивных материалов, в том числе специальной резины для прокладок — одного из важнейших элементов пластинчатых теплообменных аппаратов.
Первые же сведения о принципах устройства пластинчатых аппаратов для нагревания и охлаждения жидкостей в тонком слое относятся к концу XIX века (предложения Драхе, Брейтвиша, Мальвизина). В 1917 году Гаррисон сконструировал теплообменную пластину с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.
Рис. 29. Теплообменная пластина аппарата Зелигмана.
Но широкое практическое применение разборных пластинчатых аппаратов началось только с 1923 года, после существенных усовершенствований, предложенных Зелигманом, который использовал в конструкции пластинчатого теплообменника принцип устройства фильтр-пресса. В таком аппарате имеются теплообменные пластины двух видов (рис. 29): толстые бронзовые с фрезерованными каналами с обеих сторон и тонкие медные. По контуру пластины сделана канавка для резиновой прокладки, охватывающей всю рабочую поверхность и угловые отверстия. В сборе толстые и тонкие пластины расположены строго поочередно и установлены в вертикальном положении на станине, состоящей из двух горизонтальных направляющих и двух стоек. Весь набор пластин плотно сжат при помощи винтового зажимного механизма. Позже Зелигман и Фельдмейер предложили теплообменные пластины удлиненной формы, штампованные из тонколистовой волнистой нержавеющей стали. В дальнейшем пластинчатые теплообменные аппараты конструировались уже на базе подобных пластин различного профиля.
Достоинства разборных пластинчатых теплообменных аппаратов оказались настолько существенными, что они затем нашли самое широкое применение не только в молочном деле, но и в ряде других отраслей промышленности.
Рис. 30. Современный пластинчатый теплообменный аппарат: а — схема: 1 — передняя стойка; 2 — верхнее угловое отверстие; 3 — кольцевая резиновая прокладка, 4 — граничная пластина; 5 — штанга; 6 — нажимная плита, 7 — задняя стойка; 8 — винт; 9, 10, 14, 15 — штуцера; 11 — большая резиновая прокладка; 12 — нижнее угловое отверстие, 13 — теплообменная пластина; б — группа пластин в рабочем положении
Первые отечественные пластинчатые теплообменники для обработки молока были изготовлены еще в 1940 году. Разработка же основ теории, расчета и конструирования пластинчатых теплообменников для жидких пищевых продуктов связана в нашей стране с именем профессора Н. В. Барановского. Под его руководством были проведены широкие исследования по изучению закономерностей движения жидкостей между пластинами и процессов теплопередачи в этих аппаратах.
В пластинчатом теплообменном аппарате (рис. 30, а) пластины 13 нанизаны на горизонтальные штанги, концы которых заделаны в стойках 1 и 7. При помощи нажимной плиты 6 и винта 8 пластины в собранном состоянии плотно сжаты и образуют пакет (на схеме для более понятного изображения потоков жидкостей показаны только пять пластин в разомкнутом положении). Зазоры между пластинами зависят от толщины резиновых прокладок 11 (обычно 3—6 миллиметров). Система резиновых уплотнительных прокладок такова, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются два изолированных друг от друга канала — для потока молока (сплошная линия) и потока жидкостного теплоносителя (штриховая линия). Группа таких пластин в рабочем положении показана на рисунке 30, б.