Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Федеральне агентство з освіти
ІРКУТСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
найменування кафедри
Припускаю до захисту ... ... ... .. ...
Руководітель__Губанов______
..________________________
І. Б. Прізвище ... ... .. ... ... ...
______________________________________________________________
найменування теми
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту з дисципліни
______________________________________________
___________________________ ПЗ
позначення документа
Виконав студент групи _______ ________ ______________________
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. Шифр підпис ... .. І. Б. Прізвище
Нормоконтролер ____________ _______________________
підпис ... І. Б. Прізвище
Курсовий проект захищений з оценкой________________________________
Іркутськ 2007
ЗМІСТ
ВСТУП
Технологічний процес виробництва пива складається з наступних основних операцій: приймання, зберігання, очищення і дроблення солоду, приготування пивного сусла, отримання чистої культури дріжджів, зброджування пивного сусла, освітлення та розливу пива в пляшки, бочки, автотермоцістерни. У свою чергу, отримання пивного сусла складається з процесів приготування затору, кип'ятіння сусла і хмелю, освітлення та охолодження сусла.
Приготування затору є невід'ємним і дуже важливим технологічним процесом. Процес приготування затору називають затиранням. При затирання відбуваються ферментативні і фізико-хімічні процеси, від яких залежить якість сусла і пива. Тому важливо правильно й розумно проводити процес затирання, тому що від цього залежить кінцевий вихід продукту, економіка та конкурентоспроможність підприємства в цілому.
Для змішування подрібненого солоду і несоложеним матеріалів з водою, нагрівання, кип'ятіння і оцукрювання заторно маси служать заторні апарати [1]. Виготовляють заторні апарати наступних типорозмірів: ВКЗ-1, ВКЗ-1, 5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 відповідно на 1000, 1500, 3000 і 5000 кг зернопродуктів.
Заторний апарат типу ВКЗ [2] представляє собою сталевий циліндричний резервуар з подвійним сферичним днищем і сферичною кришкою. Простір між днищами є паровою сорочкою, в яку надходить гріючий пар. Сорочка має відповідні фланці і пристрої для підведення пари, відведення повітря і конденсату. У нижній частині днища апарату знаходиться розвантажувальний пристрій для спуску частини затору (густий фази) на отварку або випуску всього затору при передачі його в фільтраційний апарат. Над сферичним днищем всередині апарату є мішалка з нижнім приводом для розмішування заторно маси. Усередині апарата розташована стяжні труба для відбору рідкої фази затору. На кришці апарату змонтований предзаторнік, призначений для змочування сухих подрібнених зернопріпасов при їх подачі в апарат, також там розташований розсувний люк для обслуговування котла при промиванні і спостереження за технологічним процесом, що відбувається в ньому. Апарат має по колу опорне кільце з кутового заліза, до якого приварені черевики для встановлення його на майданчику. Подрібнений солод надходить в предзаторнік, де змочується теплою водою із змішувача, потім у вигляді кашки змивається в апарат. Після отварок заторних маса нагнітається насосом назад в апарат для кип'ятіння, а звідти подається до фільтраційного апарат.
У даній роботі ми зробимо розрахунок геометричних розмірів і поверхні теплообміну заторними апарату у відповідності з вихідними даними, так як ці параметри є найважливішими для правильного проведення технологічного процесу. Також ми обчислимо витрата пари, необхідної для нагрівання затору, і потужність електродвигуна мішалки. Всі обчислення будуть зроблені з розрахунку на те, що готується пиво «Жигулівське».
1 Розрахунок обсягу і геометричних розмірів заторними апарату
Обсяг заторними апарату V (м 3) визначаємо, виходячи з його необхідної продуктивності за формулою:
де G - необхідна продуктивність заторними апарата, кг / год;
τ ц - тривалість повного робочого циклу апарату, ч, τ ц = 4 год;
ρ - щільність заторно маси, кг / м 3;
ξ - коефіцієнт заповнення заторними апарату, ξ = 0,9.
Обсяг заторними апарата можна також визначити за кількістю затертого солоду, приймаючи, що на 1000 кг сухого солоду потрібно 5 ... 7 м 3 повного обсягу сучасного заторними апарату. Приймемо, що на 1000 кг одночасно перероблюваної сировини потрібно 6 м 3 повного обсягу апарату, тоді відповідно до заданого G сол = 4000 кг буде потрібно:
Висловлюючи з формули (1.1) необхідну продуктивність заторними апарату отримаємо:
Враховуючи, що щільність заторно маси ρ = 1081 кг / м 3 [1]:
Діаметр корпусу заторними апарату дорівнює:
Висота опуклої частини зовнішньої поверхні днища:
Радіус кривизни у вершині днища R дн = D = 3,47 м.
Обсяг днища заторними апарату:
Обсяг циліндричної частини заторними апарату:
Висота циліндричної обичайки:
Зіставимо отриману висоту з конструктивним вимогою:
Н ц незначно відрізняється від H 'ц, значить розрахунок можна вважати достовірним.
Площа поверхні рідини в апараті обчислюється за формулою:
Площа перерізу витяжної труби дорівнює:
Діаметр витяжної труби:
Коефіцієнт форми днища заторними апарату:
де d 0 - діаметр отвору для спуску затору. Приймемо d 0 = 0,2 м [1], тоді
Знаходимо товщину стінки днища за формулою:
де Р - зовнішнє надлишковий тиск, МПа;
[Σ] - допустиме напруження при стисканні, МПа;
φ - коефіцієнт міцності зварного шва, φ = 1;
С - надбавка до розрахункової товщині, З = 0,002 м.
Зазвичай оптимальними для заторних апаратів є робочий тиск Р = 0,245 МПа і напруга, що допускається при стисканні для стінки, виготовленої із сталі 3 [σ] = 10 МПа, тоді:
Перевіряємо умову справедливого розрахунку товщини стінки днища:
значить умова виконується і розрахунок можна вважати достовірним.
За розрахованими розмірами для маси перероблюваної солоду G сол = 4000 кг вибираємо стандартний заторний апарат типу ВКЗ-5, технічна характеристика якого представлена в таблиці 1 [1].
Таблиця 1 - Технічна характеристика заторними апарату ВКЗ-5
2 Розрахунок площі поверхні теплопередачі
При розрахунку площі поверхні теплопередачі заторними апарату визначають тепловий потік при найбільшій теплової навантаженні, яка спостерігається при нагріванні заторно маси [1]. У цьому випадку необхідна кількість теплоти для нагрівання заторно маси Q (кДж) визначається за формулою:
де G зат - маса нагрівається затору, кг;
З зат - питома теплоємність заторно маси, кДж / (кг · К);
t зат.к і t зат.н - кінцева і початкова температури заторно маси, про С.
Питома теплоємність заторно маси дорівнює:
де З в - питома теплоємність води, С у = 4,19 кДж / (кг · К);
З сол - питома теплоємність солоду, кДж / (кг · К).
За класичною технологією для настойного способу затирання витрачається 400 літрів води на кожні 100 кг солоду, тобто G в = 4G сол.
Питома теплоємність солоду дорівнює:
де С 0 - питома теплоємність сухих речовин солоду, С 0 = 1,42 кДж / (кг · К);
W сол - вологість солоду,%.
Зазвичай солод, що надходить на затирання, має вологість 3 ... 5%, приймемо W сол = 3%, тоді
Загальна кількість одержуваної заторно маси одно:
Значить за формулою (2.2):
Тоді кількість теплоти, необхідне для нагрівання заторно маси буде одно за формулою (2.1):
Необхідна площа поверхні нагрівання (теплопередачі) заторними апарату (м 2), виходячи з певної швидкості нагрівання:
де К Н - коефіцієнт теплопередачі при нагріванні заторно маси, кВт / (м 2 · К);
Δt Н - середня різниця температур між обмінюються середовищами, о С;
τ Н - тривалість нагрівання, с, τ Н = 14400 с.
Тиск насиченої пари, що застосовується для нагрівання затори:
При даному тиску температура насичення пара по рівнянню інтерполяції буде дорівнює:
За умовою завдання пара відводиться при температурі насичення, тобто t н.п = t К.П = 138 о С.
Середня різниця температур між обмінюються середовищами дорівнює:
де
Тоді
Коефіцієнт теплопередачі К N при нагріванні заторно маси дорівнює:
де α 1 і α 2 - відповідно коефіцієнти тепловіддачі від гарячого теплоносія (пари, що гріє) до стінки парової сорочки і від поверхні парової сорочки до заторно масі, Вт / (м 2 · К);
r загр1 і r загр2 - термічні опори забруднень з боку пари, що гріє і затору відповідно;
δ - товщина стінки парової сорочки, тобто товщина листової сталі, м, δ = 0,012 м;
λ ст - теплопровідність матеріалу стінки, Вт / (м · К), теплопровідність стали 3 λ ст = 46,5 Вт / (м · К).
Коефіцієнт теплопередачі від пари, що гріє до стінки знаходимо за формулою [1]:
де З п - коефіцієнт пропорційності, для вертикальної стінки З п = 0,533;
λ - коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт / (м · К);
ρ конд - щільність конденсату, кг / м 3;
μ - коефіцієнт динамічної в'язкості конденсату, Па · с;
r - прихована теплота пароутворення, Дж / кг;
Н ст - висота стінки, м, Н ст = 2,4 м;
t п і t ст - температура пари і стінки парової сорочки, про С.
Величини λ, ρ конд і μ беруть по середній температурі плівки конденсату:
Температура стінки розраховується з наступного допущення [3]:
звідси
Тоді
При температурі t сер = 135,5 о С:
Величину r приймають при температурі насиченої пари t н.п = 138 о С.
При 138 про З:
Тоді за формулою (2.9):
Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні парової сорочки до затору α 2 знаходимо за формулою [4]:
де Nu - визначається критерій теплообміну Нуссельта, що дорівнює:
де Re меш - критерій Рейнольдса мішалки заторними апарату;
Pr - критерій Прандтля;
μ зат і μ ст - коефіцієнти динамічної в'язкості заторно маси при середній температурі і при температурі стінки апарату відповідно, Па · с.
Для розраховується заторними апарату ВКЗ-5 вибираємо мішалку типу лопатева, основні розміри якої наведені в таблиці 2 [5].
Таблиця 2 - Характеристика мішалки для заторними апарату ВКЗ-5
Тобто діаметр мішалки d м дорівнює:
Ширина лопаті мішалки b дорівнює:
Висота встановлення мішалки h м:
Тоді критерій Рейнольдса мішалки можна обчислити за формулою:
де n частота обертання мішалки, с -1, n = 0,52 с -1.
В'язкість затору визначаємо як в'язкість суспензії, що складається з подрібненого солоду і води:
де μ в - коефіцієнт динамічної в'язкості води, Па · с;
V т.ч - обсяг твердих частинок солоду в заторно масі, м 3;
V см - загальний обсяг суспензії, м 3.
Для класичного настойного способу затирання [1] V т.ч / V см = 0,33.
При середній температурі Δt '= 0,5 · (t ст + t ср.з) = 0,5 · (133 +87,5) = 110 о С μ в = 0,256 · 10 -3 Па · с. Тоді
Відповідно до формули (2.17) критерій Рейнольдса мішалки дорівнює:
Критерій Прандтля знаходять за формулою:
де λ зат - коефіцієнт теплопровідності затору, при середній температурі Δt '= 110 о С, Вт / (м · К), який знаходиться методом екстраполірованія по малюнку 1.
З малюнка 1 видно, що при температурі 110 о С λ зат = 0,605 Вт / (м · К).
Тоді
Малюнок 1 - Залежність коефіцієнта теплопровідності затору від температури.
Коефіцієнт динамічної в'язкості при температурі стінки апарату t ст = 133 о С:
А значить критерій Нуссельта дорівнює, виходячи з формули (2.13):
А за формулою (2.12):
Термічні опору забруднень з боку гарячого та холодного теплоносіїв приймаємо [3]:
r загр1 = 0,0005 (м 2 · К) / Вт;
r загр2 = 0,0002 (м 2 · К) / Вт.
Коефіцієнт теплопровідності при нагріванні заторно маси дорівнює тоді згідно з формулою (2.8):
Виходячи з виконаних вище розрахунків визначаємо необхідну площу поверхні нагрівання заторними апарату за формулою (2.5)
3 Визначення витрати пари
Витрата пари в апараті визначаємо з рівняння теплового балансу:
де D п - витрата гріючої пари, кг;
W вип - кількість випарює вологи, кг;
i п, i вт, i до - відповідно питома ентальпія пари, що гріє, вторинної пари і конденсату, кДж / кг;
Q пот - втрати теплоти в навколишнє середовище, кДж;
З вип - теплоємність води при температурі кипіння затору, кДж / (кг · К), З вип = 4,23 кДж / (кг · К);
Звідси витрата пари, що гріє дорівнює:
При настойном способі затирання кількість випарює вологи складає 2% від маси затору, тобто
При температурі насиченої водяної пари (гріючої пари) t н.п = 138 о С:
Тиск вторинної пари Р бар = 0,1033 МПа, тоді
Втрати теплоти в навколишнє середовище Q піт розраховуються за формулою:
де α про - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією та випромінюванням, Вт / м 2 · К;
t 'ст, t пов - температури стінки апарату і повітря відповідно, про С.
Для зимового періоду роботи, коли втрати тепла в навколишнє середовище максимальні, приймемо t пов = 15 о С.
За технікою безпеки температура стінки не повинна перевищувати 40 о С [2], тобто t 'ст = 40 о С. Тоді згідно з формулою (3.5):
Тоді, виходячи з виразу (3.4)
Загальний витрата гріючої пари з урахуванням втрат у навколишнє середовище за (3.2):
Питома витрата пари на 100 кг зернопродуктів дорівнює:
4 Розрахунок потужності електродвигуна мішалки
Оскільки Re меш> 50 (Re меш = 122,5 · 10 5), то режим руху можна вважати турбулентним. Для лопатевої мішалки встановлена наступна залежність між критеріями потужності і Рейнольдса [1] для турбулентного режиму:
Поправочні коефіцієнти, які впливають на потужність приводу мішалки, визначаються наступними виразами:
де α - коефіцієнт, що враховує відношення D / d м для лопатевої мішалки, α = 3,0;
де
Н ап = Н ц + h дн + h кр = 2,4 + 1,2 + 0,72 = 4,32 м; (4.4)
де β - коефіцієнт, що враховує відношення b / d м для лопатевої мішалки, β = 0,25.
Критерій потужності для перемішування заторно маси дорівнює:
Потужність, необхідна для перемішування в апараті дорівнює:
З урахуванням ККД передачі і опорів, що виникають в апараті при русі затору, потужність електродвигуна:
де f г - коефіцієнт опору гільзи для термометра, f р = 1,1;
f тр - коефіцієнт опору труби для стягування заторно маси, f тр = 1,2;
f ш - коефіцієнт, що враховує шорсткість стінок апарату, f ш = 1,1;
η - ККД передачі, η = 0,85. Тоді
ВИСНОВОК
У даній роботі був здійснений розрахунок заторними апарату - невід'ємної частини такого технологічного етапу пивоварного виробництва, як приготування сусла.
Спроектований заторний апарат має внутрішній діаметр рівний 4,8 м і розрахований на одноразове затирання 5500 кг солоду. Він відповідає стандартній моделі заторними апарату ВКЗ-5. За завданням ж проекту затирається 4000 кг солоду, а значить, скорочується витрата пари, що гріє, він за підсумками роботи виявився дорівнює 1937,9 кг. Також була обрана мішалка типу лопатева з числом лопатей, рівним двом. Даний тип мішалки простий у виконанні, добре підходить для перемішування в'язких сумішей, якою є суміш солод - вода. Також ми розрахували необхідну потужність для приводу мішалки - 11 кВт.
У підсумку можна сказати, що розрахований заторний апарат придатний для великих заводів, тому що дозволяє затирати одночасно велику кількість сухого солоду. А у зв'язку з цим економляться виробничі площі і час на технологічному етапі приготування сусла.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Кретов І. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Інженерні розрахунки технологічного устаткування підприємств бродильної промисловості. - М.: Колос, 2004. - 391 с.
2. Антипов С. Т., Кретов І. Т., Остріков А. М. та інших Машини та апарати харчових виробництв. - М.: Вищ. шк., 2001. - Кн. 2. - 680 с.
3. Павлов К. Ф., Романків П. Г., Носков А. А. Приклади і задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології. - Л.: Хімія, 1987. - 576 с.
4. Кавецький Г. Д., Васильєв Б. В. Процеси та апарати харчової технології. - М.: Колос, 2000. - 551 с.
5. Лащинський А. А., Толчинський А. Р. Основи конструювання і розрахунку хімічної апаратури: довідник. - Л.: Машинобудування, 1970. - 752 с.
Федеральне агентство з освіти
ІРКУТСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
найменування кафедри
Припускаю до захисту ... ... ... .. ...
Руководітель__Губанов______
..________________________
І. Б. Прізвище ... ... .. ... ... ...
______________________________________________________________
найменування теми
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту з дисципліни
______________________________________________
___________________________ ПЗ
позначення документа
Виконав студент групи _______ ________ ______________________
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. Шифр підпис ... .. І. Б. Прізвище
Нормоконтролер ____________ _______________________
підпис ... І. Б. Прізвище
Курсовий проект захищений з оценкой________________________________
Іркутськ 2007
ЗМІСТ
| ВСТУП | |
| 1 Розрахунок обсягу і геометричних розмірів заторними апарату | |
| 2 Розрахунок площі поверхні теплопередачі | |
| 3 Визначення витрати пари | |
| 4 Розрахунок потужності електродвигуна мішалки | |
| ВИСНОВОК | |
| Пісок ЛІТЕРАТУРИ |
ВСТУП
Технологічний процес виробництва пива складається з наступних основних операцій: приймання, зберігання, очищення і дроблення солоду, приготування пивного сусла, отримання чистої культури дріжджів, зброджування пивного сусла, освітлення та розливу пива в пляшки, бочки, автотермоцістерни. У свою чергу, отримання пивного сусла складається з процесів приготування затору, кип'ятіння сусла і хмелю, освітлення та охолодження сусла.
Приготування затору є невід'ємним і дуже важливим технологічним процесом. Процес приготування затору називають затиранням. При затирання відбуваються ферментативні і фізико-хімічні процеси, від яких залежить якість сусла і пива. Тому важливо правильно й розумно проводити процес затирання, тому що від цього залежить кінцевий вихід продукту, економіка та конкурентоспроможність підприємства в цілому.
Для змішування подрібненого солоду і несоложеним матеріалів з водою, нагрівання, кип'ятіння і оцукрювання заторно маси служать заторні апарати [1]. Виготовляють заторні апарати наступних типорозмірів: ВКЗ-1, ВКЗ-1, 5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 відповідно на 1000, 1500, 3000 і 5000 кг зернопродуктів.
Заторний апарат типу ВКЗ [2] представляє собою сталевий циліндричний резервуар з подвійним сферичним днищем і сферичною кришкою. Простір між днищами є паровою сорочкою, в яку надходить гріючий пар. Сорочка має відповідні фланці і пристрої для підведення пари, відведення повітря і конденсату. У нижній частині днища апарату знаходиться розвантажувальний пристрій для спуску частини затору (густий фази) на отварку або випуску всього затору при передачі його в фільтраційний апарат. Над сферичним днищем всередині апарату є мішалка з нижнім приводом для розмішування заторно маси. Усередині апарата розташована стяжні труба для відбору рідкої фази затору. На кришці апарату змонтований предзаторнік, призначений для змочування сухих подрібнених зернопріпасов при їх подачі в апарат, також там розташований розсувний люк для обслуговування котла при промиванні і спостереження за технологічним процесом, що відбувається в ньому. Апарат має по колу опорне кільце з кутового заліза, до якого приварені черевики для встановлення його на майданчику. Подрібнений солод надходить в предзаторнік, де змочується теплою водою із змішувача, потім у вигляді кашки змивається в апарат. Після отварок заторних маса нагнітається насосом назад в апарат для кип'ятіння, а звідти подається до фільтраційного апарат.
У даній роботі ми зробимо розрахунок геометричних розмірів і поверхні теплообміну заторними апарату у відповідності з вихідними даними, так як ці параметри є найважливішими для правильного проведення технологічного процесу. Також ми обчислимо витрата пари, необхідної для нагрівання затору, і потужність електродвигуна мішалки. Всі обчислення будуть зроблені з розрахунку на те, що готується пиво «Жигулівське».
1 Розрахунок обсягу і геометричних розмірів заторними апарату
Обсяг заторними апарату V (м 3) визначаємо, виходячи з його необхідної продуктивності за формулою:
де G - необхідна продуктивність заторними апарата, кг / год;
τ ц - тривалість повного робочого циклу апарату, ч, τ ц = 4 год;
ρ - щільність заторно маси, кг / м 3;
ξ - коефіцієнт заповнення заторними апарату, ξ = 0,9.
Обсяг заторними апарата можна також визначити за кількістю затертого солоду, приймаючи, що на 1000 кг сухого солоду потрібно 5 ... 7 м 3 повного обсягу сучасного заторними апарату. Приймемо, що на 1000 кг одночасно перероблюваної сировини потрібно 6 м 3 повного обсягу апарату, тоді відповідно до заданого G сол = 4000 кг буде потрібно:
Висловлюючи з формули (1.1) необхідну продуктивність заторними апарату отримаємо:
Враховуючи, що щільність заторно маси ρ = 1081 кг / м 3 [1]:
Діаметр корпусу заторними апарату дорівнює:
Висота опуклої частини зовнішньої поверхні днища:
Радіус кривизни у вершині днища R дн = D = 3,47 м.
Обсяг днища заторними апарату:
Обсяг циліндричної частини заторними апарату:
Висота циліндричної обичайки:
Зіставимо отриману висоту з конструктивним вимогою:
Н ц незначно відрізняється від H 'ц, значить розрахунок можна вважати достовірним.
Площа поверхні рідини в апараті обчислюється за формулою:
Площа перерізу витяжної труби дорівнює:
Діаметр витяжної труби:
Коефіцієнт форми днища заторними апарату:
де d 0 - діаметр отвору для спуску затору. Приймемо d 0 = 0,2 м [1], тоді
Знаходимо товщину стінки днища за формулою:
де Р - зовнішнє надлишковий тиск, МПа;
[Σ] - допустиме напруження при стисканні, МПа;
φ - коефіцієнт міцності зварного шва, φ = 1;
С - надбавка до розрахункової товщині, З = 0,002 м.
Зазвичай оптимальними для заторних апаратів є робочий тиск Р = 0,245 МПа і напруга, що допускається при стисканні для стінки, виготовленої із сталі 3 [σ] = 10 МПа, тоді:
Перевіряємо умову справедливого розрахунку товщини стінки днища:
значить умова виконується і розрахунок можна вважати достовірним.
За розрахованими розмірами для маси перероблюваної солоду G сол = 4000 кг вибираємо стандартний заторний апарат типу ВКЗ-5, технічна характеристика якого представлена в таблиці 1 [1].
Таблиця 1 - Технічна характеристика заторними апарату ВКЗ-5
| Показник | Значення |
| Кількість одночасно затертого сухого солоду, кг | 4000 |
| Повна місткість, м 3 | 33 |
| Поверхня нагріву сферичного днища, м 2 | 20,8 |
| Робочий тиск пари, МПа | 0,245 |
| Діаметр, мм | |
| котла: | |
| внутрішній | 4800 |
| з теплоізоляцією | 5020 |
| паропроводу | 80 |
| водопроводу | 100 |
| Витрата: | |
| води, м 3 / год | 22 |
| Частота обертання мішалки, с -1 | 0,52 |
| Редуктор черв'ячний: | |
| тип | М7-ВКС-3.06.030 |
| передавальне відношення | 48 |
| Електродвигун: | |
| тип | 4А132SУ3 |
| частота обертання, с -1 | 25 |
| Габаритні розміри, мм: | |
| довжина | 5300 |
| ширина | 5300 |
| висота (без встановлення приводу) | 4890 |
| Маса, кг: | |
| без продукту | 19500 |
| з продуктом | 42000 |
2 Розрахунок площі поверхні теплопередачі
При розрахунку площі поверхні теплопередачі заторними апарату визначають тепловий потік при найбільшій теплової навантаженні, яка спостерігається при нагріванні заторно маси [1]. У цьому випадку необхідна кількість теплоти для нагрівання заторно маси Q (кДж) визначається за формулою:
де G зат - маса нагрівається затору, кг;
З зат - питома теплоємність заторно маси, кДж / (кг · К);
t зат.к і t зат.н - кінцева і початкова температури заторно маси, про С.
Питома теплоємність заторно маси дорівнює:
де З в - питома теплоємність води, С у = 4,19 кДж / (кг · К);
З сол - питома теплоємність солоду, кДж / (кг · К).
За класичною технологією для настойного способу затирання витрачається 400 літрів води на кожні 100 кг солоду, тобто G в = 4G сол.
Питома теплоємність солоду дорівнює:
де С 0 - питома теплоємність сухих речовин солоду, С 0 = 1,42 кДж / (кг · К);
W сол - вологість солоду,%.
Зазвичай солод, що надходить на затирання, має вологість 3 ... 5%, приймемо W сол = 3%, тоді
Загальна кількість одержуваної заторно маси одно:
Значить за формулою (2.2):
Тоді кількість теплоти, необхідне для нагрівання заторно маси буде одно за формулою (2.1):
Необхідна площа поверхні нагрівання (теплопередачі) заторними апарату (м 2), виходячи з певної швидкості нагрівання:
де К Н - коефіцієнт теплопередачі при нагріванні заторно маси, кВт / (м 2 · К);
Δt Н - середня різниця температур між обмінюються середовищами, о С;
τ Н - тривалість нагрівання, с, τ Н = 14400 с.
Тиск насиченої пари, що застосовується для нагрівання затори:
При даному тиску температура насичення пара по рівнянню інтерполяції буде дорівнює:
За умовою завдання пара відводиться при температурі насичення, тобто t н.п = t К.П = 138 о С.
Середня різниця температур між обмінюються середовищами дорівнює:
де
Тоді
Коефіцієнт теплопередачі К N при нагріванні заторно маси дорівнює:
де α 1 і α 2 - відповідно коефіцієнти тепловіддачі від гарячого теплоносія (пари, що гріє) до стінки парової сорочки і від поверхні парової сорочки до заторно масі, Вт / (м 2 · К);
r загр1 і r загр2 - термічні опори забруднень з боку пари, що гріє і затору відповідно;
δ - товщина стінки парової сорочки, тобто товщина листової сталі, м, δ = 0,012 м;
λ ст - теплопровідність матеріалу стінки, Вт / (м · К), теплопровідність стали 3 λ ст = 46,5 Вт / (м · К).
Коефіцієнт теплопередачі від пари, що гріє до стінки знаходимо за формулою [1]:
де З п - коефіцієнт пропорційності, для вертикальної стінки З п = 0,533;
λ - коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт / (м · К);
ρ конд - щільність конденсату, кг / м 3;
μ - коефіцієнт динамічної в'язкості конденсату, Па · с;
r - прихована теплота пароутворення, Дж / кг;
Н ст - висота стінки, м, Н ст = 2,4 м;
t п і t ст - температура пари і стінки парової сорочки, про С.
Величини λ, ρ конд і μ беруть по середній температурі плівки конденсату:
Температура стінки розраховується з наступного допущення [3]:
звідси
Тоді
При температурі t сер = 135,5 о С:
Величину r приймають при температурі насиченої пари t н.п = 138 о С.
При 138 про З:
Тоді за формулою (2.9):
Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні парової сорочки до затору α 2 знаходимо за формулою [4]:
де Nu - визначається критерій теплообміну Нуссельта, що дорівнює:
де Re меш - критерій Рейнольдса мішалки заторними апарату;
Pr - критерій Прандтля;
μ зат і μ ст - коефіцієнти динамічної в'язкості заторно маси при середній температурі і при температурі стінки апарату відповідно, Па · с.
Для розраховується заторними апарату ВКЗ-5 вибираємо мішалку типу лопатева, основні розміри якої наведені в таблиці 2 [5].
Таблиця 2 - Характеристика мішалки для заторними апарату ВКЗ-5
| Тип мішалки | Основні розміри | ||||
| D / d м | b / d м | h м / d м | кількість лопатей | кут нахилу | |
| лопатева | 1,5 | 0,1 | 0,2 | 2 | 90 про |
Ширина лопаті мішалки b дорівнює:
Висота встановлення мішалки h м:
Тоді критерій Рейнольдса мішалки можна обчислити за формулою:
де n частота обертання мішалки, с -1, n = 0,52 с -1.
В'язкість затору визначаємо як в'язкість суспензії, що складається з подрібненого солоду і води:
де μ в - коефіцієнт динамічної в'язкості води, Па · с;
V т.ч - обсяг твердих частинок солоду в заторно масі, м 3;
V см - загальний обсяг суспензії, м 3.
Для класичного настойного способу затирання [1] V т.ч / V см = 0,33.
При середній температурі Δt '= 0,5 · (t ст + t ср.з) = 0,5 · (133 +87,5) = 110 о С μ в = 0,256 · 10 -3 Па · с. Тоді
Відповідно до формули (2.17) критерій Рейнольдса мішалки дорівнює:
Критерій Прандтля знаходять за формулою:
де λ зат - коефіцієнт теплопровідності затору, при середній температурі Δt '= 110 о С, Вт / (м · К), який знаходиться методом екстраполірованія по малюнку 1.
З малюнка 1 видно, що при температурі 110 о С λ зат = 0,605 Вт / (м · К).
Тоді
Малюнок 1 - Залежність коефіцієнта теплопровідності затору від температури.
Коефіцієнт динамічної в'язкості при температурі стінки апарату t ст = 133 о С:
А значить критерій Нуссельта дорівнює, виходячи з формули (2.13):
А за формулою (2.12):
Термічні опору забруднень з боку гарячого та холодного теплоносіїв приймаємо [3]:
r загр1 = 0,0005 (м 2 · К) / Вт;
r загр2 = 0,0002 (м 2 · К) / Вт.
Коефіцієнт теплопровідності при нагріванні заторно маси дорівнює тоді згідно з формулою (2.8):
Виходячи з виконаних вище розрахунків визначаємо необхідну площу поверхні нагрівання заторними апарату за формулою (2.5)
3 Визначення витрати пари
Витрата пари в апараті визначаємо з рівняння теплового балансу:
де D п - витрата гріючої пари, кг;
W вип - кількість випарює вологи, кг;
i п, i вт, i до - відповідно питома ентальпія пари, що гріє, вторинної пари і конденсату, кДж / кг;
Q пот - втрати теплоти в навколишнє середовище, кДж;
З вип - теплоємність води при температурі кипіння затору, кДж / (кг · К), З вип = 4,23 кДж / (кг · К);
Звідси витрата пари, що гріє дорівнює:
При настойном способі затирання кількість випарює вологи складає 2% від маси затору, тобто
При температурі насиченої водяної пари (гріючої пари) t н.п = 138 о С:
Тиск вторинної пари Р бар = 0,1033 МПа, тоді
Втрати теплоти в навколишнє середовище Q піт розраховуються за формулою:
де α про - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією та випромінюванням, Вт / м 2 · К;
t 'ст, t пов - температури стінки апарату і повітря відповідно, про С.
Для зимового періоду роботи, коли втрати тепла в навколишнє середовище максимальні, приймемо t пов = 15 о С.
За технікою безпеки температура стінки не повинна перевищувати 40 о С [2], тобто t 'ст = 40 о С. Тоді згідно з формулою (3.5):
Тоді, виходячи з виразу (3.4)
Загальний витрата гріючої пари з урахуванням втрат у навколишнє середовище за (3.2):
Питома витрата пари на 100 кг зернопродуктів дорівнює:
4 Розрахунок потужності електродвигуна мішалки
Оскільки Re меш> 50 (Re меш = 122,5 · 10 5), то режим руху можна вважати турбулентним. Для лопатевої мішалки встановлена наступна залежність між критеріями потужності і Рейнольдса [1] для турбулентного режиму:
Поправочні коефіцієнти, які впливають на потужність приводу мішалки, визначаються наступними виразами:
де α - коефіцієнт, що враховує відношення D / d м для лопатевої мішалки, α = 3,0;
де
Н ап = Н ц + h дн + h кр = 2,4 + 1,2 + 0,72 = 4,32 м; (4.4)
де β - коефіцієнт, що враховує відношення b / d м для лопатевої мішалки, β = 0,25.
Критерій потужності для перемішування заторно маси дорівнює:
Потужність, необхідна для перемішування в апараті дорівнює:
З урахуванням ККД передачі і опорів, що виникають в апараті при русі затору, потужність електродвигуна:
де f г - коефіцієнт опору гільзи для термометра, f р = 1,1;
f тр - коефіцієнт опору труби для стягування заторно маси, f тр = 1,2;
f ш - коефіцієнт, що враховує шорсткість стінок апарату, f ш = 1,1;
η - ККД передачі, η = 0,85. Тоді
ВИСНОВОК
У даній роботі був здійснений розрахунок заторними апарату - невід'ємної частини такого технологічного етапу пивоварного виробництва, як приготування сусла.
Спроектований заторний апарат має внутрішній діаметр рівний 4,8 м і розрахований на одноразове затирання 5500 кг солоду. Він відповідає стандартній моделі заторними апарату ВКЗ-5. За завданням ж проекту затирається 4000 кг солоду, а значить, скорочується витрата пари, що гріє, він за підсумками роботи виявився дорівнює 1937,9 кг. Також була обрана мішалка типу лопатева з числом лопатей, рівним двом. Даний тип мішалки простий у виконанні, добре підходить для перемішування в'язких сумішей, якою є суміш солод - вода. Також ми розрахували необхідну потужність для приводу мішалки - 11 кВт.
У підсумку можна сказати, що розрахований заторний апарат придатний для великих заводів, тому що дозволяє затирати одночасно велику кількість сухого солоду. А у зв'язку з цим економляться виробничі площі і час на технологічному етапі приготування сусла.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Кретов І. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Інженерні розрахунки технологічного устаткування підприємств бродильної промисловості. - М.: Колос, 2004. - 391 с.
2. Антипов С. Т., Кретов І. Т., Остріков А. М. та інших Машини та апарати харчових виробництв. - М.: Вищ. шк., 2001. - Кн. 2. - 680 с.
3. Павлов К. Ф., Романків П. Г., Носков А. А. Приклади і задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології. - Л.: Хімія, 1987. - 576 с.
4. Кавецький Г. Д., Васильєв Б. В. Процеси та апарати харчової технології. - М.: Колос, 2000. - 551 с.
5. Лащинський А. А., Толчинський А. Р. Основи конструювання і розрахунку хімічної апаратури: довідник. - Л.: Машинобудування, 1970. - 752 с.