Тогда по формуле (2.1) количество теплоты Qвып , необходимое для выпаривания 2074,07кг воды равно:
Необходимая площадь поверхности теплопередачи сусловарочного котла (м2) в зависимости от продолжительности процесса выпаривания (ч) определяют по формуле:
, (2.3)
где Ксусла– коэффициент теплопередачи при кипячении сусла, кВт/(м2·К);
Δtср – полезная разность температур при выпаривании, оС;
τц – продолжительность процесса выпаривания, ч, τвып =1,5 ч.
Давление насыщенного пара, применяемого для кипячения сусла:
(2.4)
При данном давлении температура насыщения пара по уравнению интерполяции будет равна [5]:
)
При расчетах поверхности теплообмена принимают, что греющий, насыщенный пары и конденсат отводятся при температуре конденсации т.е.
tн.п = t к.п = 138,9 оС.
Средняя разность температур:
, (2.5)
где
1
.
1
Тогда
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке с учетом потерь теплоты за счет образующегося на внутренней поверхности аппарата осадка:
, (2.6)
где αнакл.1 – коэффициент теплопередачи для наклонной стенки аппарата, Вт/(м2·К);
- коэффициент теплопередачи от поверхности паровой рубашки к кипящему суслу, Вт/(м2·К);
δ – толщина стенки паровой рубашки, то есть толщина листовой стали, м, δ = 0,014 м;
λст – теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К), теплопроводность стали нержавеющей марки 1Х18Н9Т, λст = 16 Вт/(м·К).
– тепловая проводимость загрязнений стенок
(термическое сопротивление), Вт/м2
Коэффициент теплопередачи от греющего пара к стенке находим по формуле [4]:
, (2.7)
где Сп – коэффициент пропорциональности, для вертикальной стенки, Сп=0,533;
λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);
ρконд – плотность конденсата, кг/м3;
μ – коэффициент динамической вязкости конденсата, Па·с;
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
Нст – высота стенки м, Нст= м;
tп и tст – температура пара и стенки паровой рубашки, оС.
Величины λ, ρконд и μ принимают по средней температуре плёнки конденсата:
. (2.8)
Температура стенки рассчитывается из следующего допущения :
оС, (2.9)
Отсюда
1
Тогда
При температуре tср = 133,9 оС:
Величину r принимают при температуре насыщенного пара tн.п = 138,9 оС.
При 138,9 оС:
кДж/кг
Тогда по формуле (2.7):
.
Коэффициент теплопередачи для наклонной стенки аппарата вычисляют с углом
(2.10)
Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой рубашки к суслу α2 находим по формуле [3]:
, (2.11)
где Nu – определяемый критерий теплообмена Нуссельта, который равен:
, (2.12)
где Reмеш – критерий Рейнольдса мешалки сусловарочного аппарата;
Pr – критерий Прандтля;
μсусла и μст – коэффициенты динамической вязкости сусла при средней температуре и при температуре стенки аппарата соответственно, Па·с.
Для рассчитываемого сусловарочного аппарата ВСЦ-1,5 выбираем мешалку типа лопастная, основные размеры которой приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Характеристика мешалки для сусловарочного аппарата ВСЦ-1,5
Тип мешалки
Характеристика мешалки при H/D=1
Характеристика сосуда
ГD=D/dм
β =b/dм
hм/dм
угол наклона
Без перегородок
Двухлопастная
2
0,1
0,33
900
То есть диаметр мешалки dм равен:
(2.13)
Принимаем стандартный диаметр мешалки по ГОСТ 20680-75:
.
Ширина лопасти мешалки b равна:
(2.14)
Высота установки мешалки hм:
(2.15)
Критерий Рейнольдса мешалки можно вычислить по формуле:
, (2.16)
где
nмеш.-частота вращения мешалки, с-1, nмеш. = 0,67 с-1.
- вязкость сусла, определяем как вязкость суспензии, состоящей из взвешенных твердых частиц и воды:
, (2.17)
где μв – коэффициент динамической вязкости воды, Па·с;
- объемная доля дисперсной фазы, м3/м3 . ε<0,1 , примем ε=0,06.
При средней температуре кипения сусла t=105 (по условию)
μв=0,26910-3Па
Тогда
Согласно формуле (2.16) критерий Рейнольдса мешалки равен:
Критерий Прандтля находят по формуле:
, (2.18)
где λсусла – коэффициент теплопроводности сусла
λсусла = 0,635 Вт/(м·К)
Ссусла – удельная теплоемкость сусла, кДж/(кг·К)
Удельная теплоёмкость сусла равна:
, (2.19)
где С0 – удельная теплоемкость сухих веществ, С0=1,42 кДж/(кг·К);
Св – удельная теплоёмкость воды, Св = 4,19 кДж/(кг·К);
Wн –содержание влаги в начальном сусле, % .
Wн= 100-Вн=100-9,5=90,5%
Тогда
. 1
Коэффициент динамической вязкости при температуре стенки аппарата
tст = 128,9 оС:
1
А значит критерий Нуссельта, исходя из формулы (2.12) равен:
1
А по формуле (2.11):
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке с учетом потерь теплоты за счет образующегося на внутренней поверхности аппарата осадка
по формуле (2.6) равен:
Исходя из проделанных выше расчетов определяем необходимую площадь поверхности нагревания сусловарочного аппарата по формуле (2.3) равна:
Площадь поверхности теплопередачи на 1м3 полезной вместимости аппарата со стальным днищем:
(2.20)
Так как полученная удельная площадь поверхности теплопередачи больше, чем Fкот1=1,2 , считаем, что аппарат работает в нормальных условиях.
3. Определение расхода пара
Расход пара в аппарате определяем из уравнения теплового баланса:
, (3.1)
где Dп – расход греющего пара, кг;
Wвып – количество выпариваемой влаги, кг;
i'п, iвт, i"к – соответственно удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, кДж/кг;
Qпот – потери теплоты в окружающую среду, кДж;
Свып–теплоёмкость воды при температуре кипения сусла(105), кДж/(кг·К),
Свып = 4,23 кДж/(кг·К);
Ссусла – удельная теплоемкость сусла, кДж/(кг·К)
Отсюда расход греющего пара равен:
. (3.2)
При температуре насыщенного водяного пара (греющего пара) tн.п = 138,9оС:
Давление вторичного пара Рбар = 0,1033 МПа=1,053кгс/см2, тогда
Потери теплоты в окружающую среду Qпот рассчитываются по формуле:
, (3.3)
где αоб – коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/м2·К;
tст, tвозд – температуры стенки аппарата и воздуха соответственно, оС.
. (3.4)
Для зимнего периода работы, когда потери тепла в окружающую среду максимальны, примем tвозд = 15 оС.
По технике безопасности температура стенки не должна превышать 40 оС [1], то есть t’ст = 40 оС. Тогда согласно формуле (3.5):
Вт/м2·К
Тогда, исходя из выражения (3.4)
кДж.
Общий расход греющего пара с учётом потерь в окружающую среду по (3.2):
1
4. Расчёт мощности электродвигателя мешалки
Поскольку Reмеш > 50 (Reмеш = 57,62·105), то режим движения можно считать турбулентным. Для лопастной мешалки установлена следующая зависимость между критериями мощности и Рейнольдса [4] для турбулентного режима:
. (4.1)
Поправочные коэффициенты, которые влияют на мощность привода мешалки, определяются следующими выражениями:
, (4.2)
где α – коэффициент, учитывающий отношение D/dм для лопастной мешалки,
α = 2;
, (4.3)
, (4.4)
где β – коэффициент, учитывающий отношение b/dм для лопастной мешалки,
β = 0,1.
Критерий мощности для перемешивания заторной массы равен:
. (4.5)
Мощность, требуемая для перемешивания в аппарате равна:
(4.6)
С учётом КПД передачи и сопротивлений, возникающих в аппарате при движении сусла, мощность электродвигателя:
, (4.7)
где fг – коэффициент сопротивления гильзы для термометра, fг = 1,1;
fтр – коэффициент сопротивления трубы для стягивания сусла, fтр = 1,2;
fш – коэффициент, учитывающий шероховатость стенок аппарата, fш = 1,1;
η – КПД передачи, η = 0,85. Тогда
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был осуществлён расчёт сусловарочного аппарата - неотъемлемой части такого технологического этапа пивоваренного производства, как приготовление сусла.
Спроектированный сусловарочный аппарат имеет внутренний диаметр равный 2,9 м и имеет полный объем 11,9 м3. Он соответствует стандартной модели сусловарочного аппарата ВСЦ-1,5. По заданию же проекта начальное количество сусла 7000 кг, что занимает 11,65м3, а значит, увеличивается расход греющего пара, он по итогам работы оказался равен 2791,63 кг. Также была выбрана мешалка типа лопастная с числом лопастей, равным двум. Данный тип мешалки прост в исполнении, хорошо подходит для перемешивания вязких смесей. Также был произведен расчет необходимую мощность для привода мешалки – 1,58 кВт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антипов С. Т., Кретов И. Т., Остриков А. Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств. – М. : Высш. шк., 2001. – Кн. 2. - 680 с.
2. Ермолаева Г. А., Колчева Р. А. Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков. М.:ИРПО; Изд. Центр «Академия», 2000. 416 с.
3. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М. : КолосС, 2000. – 551 с.
4. Кретов И. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Инженерные расчёты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. – М. : КолосС, 2004. – 391 с.
5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М.: «Альянс»,2006. – 576 с.
6. Ульянов Б. А., Бадеников В. Я., Ликучёв В. Г. Процессы и аппараты химической технологии. Уч. пособие Ангарск: Изд. Ангарской государственной технической академии, 2005 г.- 903с.
Страницы: 1, 2
