Determining the heat and mass exchange efficiency of a scraper heat exchanger for heating food semi-finished products

Abstract

This study's object is the process of heat-ing fruit and berry purees made from apple, apricot, and honeysuckle. This paper reports an improved struc-ture of a scraper heat exchanger for heating viscous liquid food products based on fruit and berry raw materials (purees, pastes). One of the main elements of the moderniza-tion is heating with a flexible film resistive electric heater of the radiant type instead of the conventional steam system, which has made it possible to eliminate steam fittings and reduce energy consumption. Additional equipment of the heat exchanger with a hinged blade with a remote plate enables turbulization of the product flow in the heat exchange zone, contributing to the forma-tion of a stable film flow on the heating sur-face, which significantly improves the effi-ciency of heat transfer. The experimental and computational studies revealed the dependence of the heat transfer coefficient on raw material con-sumption and the frequency of rotation of the apparatus shaft. It was established that the heat transfer coefficient depends on the product flow rate and, after reach-ing the maximum (13...15) 10–3 kg/s, it decreases. The influence of rotor speed is less significant and is manifested main-ly during the transition from 1.0 to 1.5 s⁻1. Comparative analysis revealed that the use of an improved blade with a remote plate makes it possible to increase the heat trans-fer coefficient by 1.2 times compared to the conventional design. Calculations of spe-cific heat consumption showed its decrease from 250 to 222 kJ/kg, which is a saving of 12.5%.The proposed structural solutions make it possible to ensure the stability of tem-perature regimes, reduce energy consump-tion, improve the quality of heat treatment and process automation. This is especially important for the processing of heat-sensi-tive and dense products in the food industry Об'єктом цього дослідження є процес нагрівання фруктових та ягідних пюре, виготовлених з яблук, абрикосів та жимолості. У цій роботі представлено вдосконалену конструкцію скребкового теплообмінника для нагрівання в'язких рідких харчових продуктів на основі фруктової та ягідної сировини (пюре, пасти). Одним з основних елементів модернізації є нагрівання гнучким плівковим резистивним електронагрівачем променистого типу замість традиційної парової системи, що дозволило відмовитися від парової арматури та зменшити споживання енергії. Додаткове оснащення теплообмінника шарнірною лопаткою з виносною пластиною дозволяє турбулізувати поток продукту в зоні теплообміну, сприяючи формуванню стабільного плівкового потоку на поверхні нагрівання, що значно підвищує ефективність теплопередачі. Експериментальні та розрахункові дослідження виявили залежність коефіцієнта теплопередачі від витрати сировини та частоти обертання вала апарату. Встановлено, що коефіцієнт теплопередачі залежить від швидкості потоку продукту та, після досягнення максимального значення (13…15) 10–3 кг /с, зменшується. Вплив швидкості обертання ротора менш суттєвий і проявляється переважно під час переходу від 1,0 до 1,5 с⁻1 . Порівняльний аналіз показав, що використання вдосконаленої лопаті з виносною пластиною дозволяє збільшити коефіцієнт теплопередачі в 1,2 рази порівняно з традиційною конструкцією. Розрахунки питомих витрат тепла показали його зниження з 250 до 222 кДж/кг, що становить економію 12,5%. Запропоновані конструктивні рішення дозволяють забезпечити стабільність температурних режимів, зменшити енергоспоживання, покращити якість термічної обробки та автоматизацію процесів. Це особливо важливо для обробки термочутливих та щільних продуктів у харчовій промисловості.