Теплообмен между двумя жидкими или газообразными средами, происходящий через разделяющую их стенку, называется теплопередачей. А поскольку применяемые для обработки молока теплообменники представляют собой аппараты, в которых молоко и тепло- или хладоноситель (пар, горячая или холодная вода, фреон и т. п.) обычно разделены металлической стенкой, принцип их действия основан на теплопередаче.

Процесс перехода тепла от более нагретой жидкой среды к менее нагретой через металлическую стенку теплообменного аппарата можно представить себе следующим образом. Тепло от горячей среды переходит к соприкасающейся с ней поверхности стенки, так как между ними существует разность температур. Далее тепло по металлу проникает на противоположную сторону стенки, поскольку и они находятся в разных температурных условиях (одна контактирует с горячей, а другая с холодной средой). Наконец, тепло передается от нагревающейся поверхности стенки к более холодной среде. Процесс продолжается, пока температуры всех элементов не выравняются.

На теплопередачу аппаратов, предназначенных для тепловой обработки молока, влияют: размеры и формы теплопередающих поверхностей, средняя разность температур теплоносителя и молока, скорости движения теплоносителя и молока, вязкость жидкостей, участвующих в теплообмене, теплопроводность металла и толщина стенок, толщина молочного пригара (осадка) и накипи (наслоений) на теплопередающих стенках.

При слоистом (ламинарном) движении теплообменных сред, которое возникает при больших вязкостях жидкости и невысоких скоростях потока, тепло передается через стенку значительно хуже, чем при вихревом (турбулентном) движении. Поэтому в теплообменных аппаратах стремятся создавать турбулентное движение молока и теплоносителя, что может быть достигнуто благодаря увеличению скорости движения жидкостей, применению перемешивающих рабочих органов, использованию волнистых и рифленых теплообменных поверхностей, способствующих образованию вихревых потоков.

Движение теплоносителя и молока в теплообменных аппаратах относительно друг друга может быть попутным (прямоток) или встречным (противоток) .

Анализ конкретных кривых изменения температур жидкостей для охладителей одинаковой производительности и при одних и тех же расходах молока и хладоносителя показывает, например, что в противоточной системе молоко, нагретое до 85 градусов, можно охладить водой с начальной температурой 10 градусов до 22 градусов, в то время как в прямоточной системе при тех же условиях его температура снижается только до 32 градусов. Это происходит потому, что при прямотоке продукт и теплоноситель поступают с одной стороны аппарата и движутся в одном направлении. Вначале теплообмен между жидкостями весьма интенсивен, затем разность температур между ними уменьшается, причем на первых порах резко, а потом медленнее. Следовательно, в такой системе эффективность теплообмена невелика.

При противотоке же продукт и теплоноситель поступают в аппарат с разных сторон и движутся навстречу друг другу. Температурный перепад здесь сначала несколько меньше, чем при прямотоке, но все же значительный. По мере продвижения жидкостей перепад температур становится гораздо большим по сравнению с ранее рассмотренной системой. Значит, запас холода (в нашем примере) и вообще тепла в противоточных устройствах используется значительно лучше, благодаря чему можно добиться необходимого эффекта с меньшей подачей теплоносителя. Поэтому в настоящее время для тепловой обработки молока на животноводческих фермах и предприятиях молочной промышленности выпускаются теплообменные аппараты только противоточного типа.

Основные конструктивные идеи и принципы, послужившие основой последующего развития и совершенствования пастеризационных аппаратов, сложились уже в прошлом столетии.

В 1827 году французский изобретатель Жервэ сделал аппарат для консервирования плодового сока (рис. 24, а). В этом аппарате сырой сок из верхней емкости можно направить с помощью соответствующего крана в трубчатый теплообменник-рекуператор, где сок отбирает тепло от уже нагретого продукта, затем проходит по змеевику, помещенному в водогрейном котле, и подвергается тепловой обработке при более высокой температуре, после чего опять попадает в рекуператор, но уже в охладительный тракт, отдавая часть тепла вновь поступающему продукту, и, наконец, поступает в нижний сборный резервуар. Если же открыть левый кран на верхней емкости, сок потечет в змеевик водогрейного котла, потом пройдет по наружному тракту трубчатого теплообменника и поступит прямо в нижний резервуар, минуя тракт рекуперации. Аппарат Жервэ послужил прототипом целого ряда трубчатых теплообменных аппаратов для пастеризации и охлаждения различных пищевых жидкостей, в том числе молока и его производных.

Рис. 24. Первые конструкции пастеризационных аппаратов: а — аппарат Жервэ — прототип трубчатых пастеризаторов: / — резервуар с сырым продуктом, 2 — термометр; 3 — водогрейный котел; 4 — трубчатый теплообменник-рекуператор; 5 — резервуар с пастеризованным продуктом; б — аппарат Пастера — прототип устройств для пастеризации в тонком слое: 1 — пастеризатор; 2 — рекуператор; 3 — топка; 4 — вода; 5 — дымоход; в — аппарат Россиньоля — прототип установок для длительной пастеризации: 1 — пастеризуемый продукт; 2—теплоноситель (вода); 3 — топка, 4 — термометр.

Знакомясь с работой этого простого аппарата, нетрудно понять, что рекуперацией тепла называют непрерывный процесс обратной его передачи от прежде нагретой, а теперь охлаждаемой среды к первичному продукту, поступающему на подогрев, с целью дополнительного использования (утилизации) тепла. Способ рекуперации (или регенерации) тепла нашел в дальнейшем самое широкое применение в разнообразных термических установках, в том числе и в аппаратах для тепловой обработки пищевых жидкостей. Предназначенные для утилизации тепла поверхностные теплообменники называют рекуператорами или, если они входят в целый теплообменный комплекс, секциями рекуперации (регенерации). В схеме теплообменного аппарата Луи Пастера (рис. 24, б) также осуществлялась рекуперация тепла.

Характерно, что с самого начала конструкторы теплообменных аппаратов избегали непосредственного нагревания продукта огнем. В качестве теплоносителя применялась вода. В лекции, прочитанной 11 ноября 1867 года в городе Орлеане, Луи Пастер одобрительно отозвался об аппарате для пастеризации вина конструкции местного виноторговца Луи Россиньоля (рис. 24, в). В его аппарате вино получало тепло через воду, находящуюся в полом дне, которое обогревалось огнем топки. В целом же рассмотренные выше конструкции представляют собой три разновидности теплообменных аппаратов, которые в дальнейшем получили широкое развитие.

Рис. 25. Емкостные пастеризационные аппараты:

а — паровой пастеризатор с вытеснительным барабаном. 1 — сменная вставка; 2 — воронка молокоприемника, 3 — поплавковый регулятор напора; 4 — труба подвода молока, 5 — сливная труба, 6 — патрубок подвода пара, 7 — труба переливная, 8 — кран; 9 — труба отвода молока, 10 — патрубок подвода пара в барабан; 11 — верхний сборник конденсата, 12 — винт; 13 — лопатка; 14 — паровая рубашка, 15 — труба слива конденсата, 16 — паровой клапан; 17 — воздушный клапан, 18 — ванна, 19 — капельные кольца; 20 — нижний сборник конденсата; 21 — сливной кран; б — ванна длительной пастеризации

Практическое использование принципов пастеризации применительно к молоку началось, как мы уже писали, не сразу после открытий Луи Пастера, но уже в 1882 году берлинцем Альбертом Феском была сделана заявка на конструкцию теплообменного аппарата для «консервирования молока теплом».