2 Расчёт площади поверхности теплопередачи
При расчёте площади поверхности теплопередачи заторного аппарата определяют тепловой поток при наибольшей тепловой нагрузке, которая наблюдается при нагревании заторной массы [1]. В этом случае необходимое количество теплоты для нагревания заторной массы Q (кДж) определяется по формуле:
, (2.1)
где Gзат – масса нагреваемого затора, кг;
Сзат – удельная теплоёмкость заторной массы, кДж/(кг·К);
tзат.к и tзат.н – конечная и начальная температуры заторной массы, оС.
Удельная теплоёмкость заторной массы равна:
, (2.2)
где Св – удельная теплоёмкость воды, Св = 4,19 кДж/(кг·К);
Ссол – удельная теплоёмкость солода, кДж/(кг·К).
По классической технологии для настойного способа затирания расходуется 400 литров воды на каждые 100 кг солода, то есть Gв = 4Gсол.
Удельная теплоёмкость солода равна:
, (2.3)
где С0 – удельная теплоёмкость сухих веществ солода, С0 = 1,42 кДж/(кг·К);
Wсол – влажность солода, %.
Обычно солод, поступающий на затирание, имеет влажность 3…5 %, примем Wсол = 3 %, тогда
кДж/(кг·К). 1
Общее количество получаемой заторной массы равно:
кг. (2.4)
Значит по формуле (2.2):
кДж/(кг·К). 1
Тогда количество теплоты, необходимое для нагревания заторной массы будет равно по формуле (2.1):
кДж. 1
Необходимая площадь поверхности нагревания (теплопередачи) заторного аппарата (м2), исходя из определённой скорости нагревания:
, (2.5)
где КН – коэффициент теплопередачи при нагревании заторной массы, кВт/(м2·К);
ΔtН – средняя разность температур между обменивающимися средами, оС;
τН – продолжительность нагревания, с, τН = 14400 с.
Давление насыщенного пара, применяемого для нагревания затора:
МПа. (2.6)
При данном давлении температура насыщения пара по уравнению интерполяции будет равна:
оС . )
По условию задания пар отводится при температуре насыщения, то есть tн.п = t к.п = 138 оС.
Средняя разность температур между обменивающимися средами равна:
, (2.7)
где
оС; 1
оС. 1
Тогда
оС. 1
Коэффициент теплопередачи КN при нагревании заторной массы равен:
, (2.8)
где α1 и α2 – соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя (греющего пара) к стенке паровой рубашки и от поверхности паровой рубашки к заторной массе, Вт/(м2·К);
rзагр1 и rзагр2 – термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара и затора соответственно;
δ – толщина стенки паровой рубашки, то есть толщина листовой стали, м, δ = 0,012 м;
λст – теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К), теплопроводность стали 3 λст = 46,5 Вт/(м·К).
Коэффициент теплопередачи от греющего пара к стенке находим по формуле [1]:
, (2.9)
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 = 2,4 м;
tп и tст – температура пара и стенки паровой рубашки, оС.
Величины λ, ρконд и μ принимают по средней температуре плёнки конденсата:
. (2.10)
Температура стенки рассчитывается из следующего допущения [3]:
оС, (2.11)
отсюда
оС. 1
Тогда
оС. 1
При температуре tср = 135,5 оС:
Вт/(м·К), 1
кг/м3, 1
Па·с. 1
Величину r принимают при температуре насыщенного пара tн.п = 138 оС.
При 138 оС:
кДж/кг 1
Тогда по формуле (2.9):
Вт/(м2·К).
Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой рубашки к затору α2 находим по формуле [4]:
, (2.12)
где Nu – определяемый критерий теплообмена Нуссельта, который равен:
, (2.13)
где Reмеш – критерий Рейнольдса мешалки заторного аппарата;
Pr – критерий Прандтля;
μзат и μст – коэффициенты динамической вязкости заторной массы при средней температуре и при температуре стенки аппарата соответственно, Па·с.
Для рассчитываемого заторного аппарата ВКЗ-5 выбираем мешалку типа лопастная, основные размеры которой приведены в таблице 2 [5].
Таблица 2 – Характеристика мешалки для заторного аппарата ВКЗ-5
|
Тип мешалки |
Основные размеры |
||||
|
D/dм |
b/dм |
hм/dм |
число лопастей |
угол наклона |
|
|
лопастная |
1,5 |
0,1 |
0,2 |
2 |
90о |
То есть диаметр мешалки dм равен:
м. (2.14)
Ширина лопасти мешалки b равна:
м. (2.15)
Высота установки мешалки hм:
м. (2.16)
Тогда критерий Рейнольдса мешалки можно вычислить по формуле:
, (2.17)
где n частота вращения мешалки, с-1, n = 0,52 с-1.
Вязкость затора определяем как вязкость суспензии, состоящей из дробленого солода и воды:
, (2.18)
где μв – коэффициент динамической вязкости воды, Па·с;
Vт.ч – объём твёрдых частиц солода в заторной массе, м3;
Vсм – общий объём суспензии, м3.
Для классического настойного способа затирания [1] Vт.ч /Vсм = 0,33.
При средней температуре Δt’= 0,5·(tст + tср.з) = 0,5·(133+87,5) = 110 оС μв = 0,256·10-3 Па·с. Тогда
Па·с. 1
Согласно формуле (2.17) критерий Рейнольдса мешалки равен:
. 1
Критерий Прандтля находят по формуле:
, (2.19)
где λзат – коэффициент теплопроводности затора, при средней температуре Δt’= 110 оС, Вт/(м·К), который находится методом экстраполирования по рисунку 1.
Из рисунка 1 видно, что при температуре 110 оС λзат = 0,605 Вт/(м·К).
Тогда
. 1
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента теплопроводности затора от температуры.
Коэффициент динамической вязкости при температуре стенки аппарата tст = 133 оС:
Па·с. 1
А значит критерий Нуссельта равен, исходя из формулы (2.13):
1
А по формуле (2.12):
Вт/(м2·К). 1
Термические сопротивления загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей принимаем [3]:
rзагр1 = 0,0005 (м2·К)/Вт;
rзагр2 = 0,0002 (м2·К)/Вт.
Коэффициент теплопроводности при нагреве заторной массы равен тогда согласно формуле (2.8):
Вт/(м2·К). 1
Исходя из проделанных выше расчетов определяем необходимую площадь поверхности нагревания заторного аппарата по формуле (2.5)
м2. 1
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;
iп, iвт, iк – соответственно удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, кДж/кг;
Qпот – потери теплоты в окружающую среду, кДж;
Свып – теплоёмкость воды при температуре кипения затора, кДж/(кг·К), Свып = 4,23 кДж/(кг·К);
Отсюда расход греющего пара равен:
. (3.2)
При настойном способе затирания количество выпариваемой влаги составляет 2 % от массы затора, то есть
кг (3.3)
При температуре насыщенного водяного пара (греющего пара) tн.п = 138оС:
кДж/кг, 1
кДж/кг. 1
Давление вторичного пара Рбар = 0,1033 МПа, тогда
кДж/кг. 1
Потери теплоты в окружающую среду Qпот рассчитываются по формуле:
, (3.4)
где αоб – коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/м2·К;
t’ст, tвозд – температуры стенки аппарата и воздуха соответственно, оС.
. (3.5)
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 [2], то есть t’ст = 40 оС. Тогда согласно формуле (3.5):
Вт/м2·К. 1
Тогда, исходя из выражения (3.4)
кДж. 1
Общий расход греющего пара с учётом потерь в окружающую среду по (3.2):
кг. 1
Удельный расход пара на 100 кг зернопродуктов равен:
кг. 1
4 Расчёт мощности электродвигателя мешалки
Поскольку Reмеш > 50 (Reмеш = 122,5·105), то режим движения можно считать турбулентным. Для лопастной мешалки установлена следующая зависимость между критериями мощности и Рейнольдса [1] 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 = 3,0;
, (4.3)
где
Нап = Нц + hдн + hкр = 2,4 + 1,2 + 0,72 = 4,32 м ; (4.4)
, (4.5)
где β – коэффициент, учитывающий отношение b/dм для лопастной мешалки, β = 0,25.
Критерий мощности для перемешивания заторной массы равен:
. (4.6)
Мощность, требуемая для перемешивания в аппарате равна:
Вт. (4.7)
С учётом КПД передачи и сопротивлений, возникающих в аппарате при движении затора, мощность электродвигателя:
, (4.8)
где fг – коэффициент сопротивления гильзы для термометра, fг = 1,1;
fтр – коэффициент сопротивления трубы для стягивания заторной массы, fтр = 1,2;
fш – коэффициент, учитывающий шероховатость стенок аппарата, fш = 1,1;
η – КПД передачи, η = 0,85. Тогда
Вт. 1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был осуществлён расчёт заторного аппарата - неотъемлемой части такого технологического этапа пивоваренного производства, как приготовление сусла.
Спроектированный заторный аппарат имеет внутренний диаметр равный 4,8 м и рассчитан на единовременное затирание 5500 кг солода. Он соответствует стандартной модели заторного аппарата ВКЗ-5. По заданию же проекта затирается 4000 кг солода, а значит, сокращается расход греющего пара, он по итогам работы оказался равен 1937,9 кг. Также была выбрана мешалка типа лопастная с числом лопастей, равным двум. Данный тип мешалки прост в исполнении, хорошо подходит для перемешивания вязких смесей, какой является смесь солод – вода. Также мы рассчитали необходимую мощность для привода мешалки – 11 кВт.
В итоге можно сказать, что рассчитанный заторный аппарат пригоден для крупных заводов, так как позволяет затирать одновременно большое количество сухого солода. А в связи с этим экономятся производственные площади и время на технологическом этапе приготовления сусла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кретов И. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Инженерные расчёты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. – М. : КолосС, 2004. – 391 с.
2. Антипов С. Т., Кретов И. Т., Остриков А. Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств. – М. : Высш. шк., 2001. – Кн. 2. - 680 с.
3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л. : Химия, 1987. – 576 с.
4. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М. : КолосС, 2000. – 551 с.
5. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры: справочник. – Л. : Машиностроение, 1970. – 752 с.
Страницы: 1, 2
