Расчет двухсекционного пластинчатого охладителя пищевого производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет двухсекционного пластинчатого охладителя пищевого производства

Содержание

теплообменник аппарат производство пива

Задание

Введение

1. Тепловой расчет

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

1.2 Расчет температурного режима теплообменника

1.2.1 Определение конечных температур воды и рассола

1.2.2 Определение средней разности температур и средних температур теплоносителей

1.3 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

1.4 Установление гидродинамических условий процесса в аппарате

1.4.1 Выбор скоростей потоков жидкостей в каналах между пластинами

1.4.2 Расчет режимов движения теплоносителей в каналах между пластинами

1.5 Расчет коэффициентов теплоотдачи

1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

1.7 Расчет площадей поверхностей теплопередачи

2. Конструкторский расчет

2.1 Расчет количества пластин и пакетов

2.2 Компоновка пластин в аппарате

2.3 Проверка выбранной схемы компоновки

2.4 Определение габаритных размеров аппарата

2.5 Расчет диаметров штуцеров

3. Гидравлический расчет

4. Технологическая схема производства пива

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Задание

Рассчитать и спроектировать пластинчатый теплообменный аппарат для пивного сусла производительностью . Сусло в теплообменнике охлаждается от до водой, имеющей начальную температуру . Затем сусло охлаждается от до рассолом, имеющим начальную температуру .

G, м3/час	, єC	, єC	, єC	, єC	, єC
4,9	70,0	16,0	10,0	5,0	-4,0

Введение

Теплообменные аппараты большинства предприятий пищевой промышленности составляют основную часть всего технологического оборудования. Характерная особенность современных предприятий - непрерывность (поточность) технологических процессов. Поточный технологический процесс по тепловой обработке пищевых продуктов можно осуществить только в поточных теплообменных аппаратах. В поточных теплообменниках, применяемых в пищевой промышленности, основной вид теплообмена конвективный, при котором перенос теплоты осуществляются вместе с массой жидкости. Важнейшим вопросом является интенсификация конвективного теплообмена, ведущая к уменьшению металлоемкости теплообменных аппаратов.

Среди поточных теплообменных аппаратов, широко используемых в пищевой промышленности, особое место занимают пластинчатые теплообменные аппараты. Основным элементом этих теплообменников являются пластины, конструкция которых должна обеспечивать устойчивость пластин прогибу и повышение интенсивности теплообмена (теплоотдачи), удобство мойки и чистки. За последние годы в этом направлении достигнуты большие успехи. Поставленным целям наилучшим образом отвечают ленточно-поточные пластины, штампованные из тонкого листа нержавеющей стали, в том числе пластины П-2.

1. Тепловой расчет

Целью теплового расчета аппарата является определение необходимой площади теплопередающей поверхности [1].

Из основного уравнения теплопередачи

, (1.1)

где F - необходимая площадь теплопередающей поверхности, м²; Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт; K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² ·К); - средний температурный напор, К или °С.

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

Тепловую нагрузку аппарата Q - количество теплоты, передаваемой в аппарате от пивного сусла к воде и рассолу, рассчитаем как сумму теплот, переданных в водной и рассольной секциях, т. е.

, (1.2)

где , (1.3)

, (1.4)

В формулах (1.3-1.4): - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду; м³/с - объемный расход сусла в аппарате; кг/с - массовый расход сусла в теплообменнике; кг/м³ - плотность сусла при его средней температуре в аппарате ; - средняя удельная теплоемкость сусла в секции водного охлаждения, Дж/кг·К; - средняя удельная теплоемкость сусла в секции рассольного охлаждения, Дж/кг·К; - начальная температура сусла; - температура сусла на выходе из водной секции (или на входе в рассольную секцию); - температура сусла на выходе из аппарата.

Поскольку средние удельные теплоемкости сусла в водной и рассольной определяются по средним температурам сусла в этих секциях, то определим эти средние температуры как среднеарифметические значения температур сусла в этих секциях:

Водная секция:

;

Рассольная секция:

;

По приложению Г средние удельные теплоемкости сусла в водной и рассольной секциях: Дж /кг·К, Дж/кг·К.

Тепловые нагрузки в водной и рассольной секциях по уравнениям (1.3) и (1.4)

Вт;

Вт;

и суммарная тепловая нагрузка аппарата Q по уравнению (1.2)

Вт.

1.2 Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета - определение средней разности температур и средних температур теплоносителя и .

Так как для расчета температурного режима теплообменника необходимы начальные и конечные температуры всех теплоносителей, а в задании на проектирование конечные температуры воды и рассола (см. рис. 1.1) не заданы, то их необходимо определить.

Рис. 1.1. Схема движения теплоносителей в теплообменнике

1.2.1 Определение конечных температур холодной воды и рассола

Неизвестные конечные температуры холодной воды и рассола определим из уравнений теплового баланса, записанных для секций водного и рассольного охлаждения.

Поскольку в задании на проектирование не заданы также расходы воды и рассола, то руководствуясь примером расчета в [2] примем их двукратными расходу сусла.

Тогда расход воды кг/с, а расход рассола кг/с.

Из уравнения теплового баланса для водной секции

(1.5)

конечная температура холодной воды

, (1.6)

где = 4190 Дж /(кг·К) - средняя удельная теплоемкость воды [3].

По уравнению (1.6)

єС.

Из уравнения теплового баланса для рассольной секции

(1.7)

конечная температура рассола

, (1.8)

где = 3330 Дж /(кг·К) - средняя удельная теплоемкость рассола (Приложение Ж).

По уравнению (1.8)

єС.

1.2.2 Определение средней разности температур и средних температур теплоносителей

Так как проектируемый аппарат является двухсекционным (секция водного и секция рассольного охлаждения), то расчет температурного режима и других параметров теплообменного процесса в аппарате будем вести отдельно по секциям.

Секция водного охлаждения.

Составим схему движения теплоносителей (рис. 1.2), выбрав противоток, как обеспечивающий максимальную движущую силу процесса при прочих равных условиях.



Рис. 1.2. Схема движения теплоносителей в секции водного охлаждения

Средняя разность температур (движущая сила процесса)

; так как , то средняя разность температур (движущая сила процесса)

єС.

Так как температура воды в водной секции изменяется на меньшее число градусов, то среднюю температуру воды определим как среднеарифметическую начальной и конечной температур воды [1, 2] , то есть

єС.

Среднюю температуру пивного сусла определим по формуле

єС.

Секция рассольного охлаждения.

Схема движения теплоносителей (рис. 1.3)



Рис. 1.3. Схема движения теплоносителей в секции рассольного охлаждения

.

Так как , то средняя разность температур

єС.

Так как температура рассола в рассольной секции изменяется на меньшее число градусов, то среднюю температуру рассола определим как среднеарифметическую начальной и конечной температур рассола

єС.

Среднюю температуру сусла определим по формуле

єС.

1.3 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

Теплофизические свойства теплоносителей (пивного сусла, воды, и рассола) определим по Приложениям А-Ж при средних температурах и запишем в табл. 1.1.

Таблица 1.1Теплофизические свойства теплоносителей

Секция и процесс	Физические величины	Обозначения	Числовые значения	Ссылка на источник
1	2	3	4	5
Водная секция
Охлаждение сусла	Средняя температура сусла, єС		38,4
	Плотность, кг/м3		1036,7	Приложение А
	Теплопроводность, Вт/м·К		0,593	Приложение В
	Удельная теплоемкость, Дж/кг·К		3654	Приложение Г
	Динамическая вязкость, Па·с		1138·10-6	Приложение Б
	Число Прандтля,		6,9	Приложение Д
Нагревание воды	Средняя температура воды, єС		21,1
	Плотность, кг/м3		997,8	Приложение Е
	Теплопроводность, Вт/м·К		0,602
	Удельная теплоемкость, Дж/кг·К		4188,9
	Динамическая вязкость, Па·с		978,4·10-6
	Число Прандтля		6,84
Рассольная секция
Охлаждение сусла	Средняя температура сусла, єС		10,53
	Плотность, кг/м3		1045,8	Приложение А
	Теплопроводность, Вт/м·К		0,525	Приложение В
	Удельная теплоемкость, Дж/кг·К		3798	Приложение Г
	Динамическая вязкость, Па·с		2492·10-6	Приложение Б
	Число Прандтля		19,3	Приложение Д
Нагревание рассола	Средняя температура рассола, єС		-1,02
	Плотность, кг/м3		1181,4	Приложение Ж
	Теплопроводность, Вт/(м·К)		0,537
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)		3329,8
	Динамическая вязкость, Па·с		3116·10-6
	Число Прандтля		19,4

1.4Установление гидродинамических условий протекания процесса в аппарате

Гидродинамические условия протекания процесса в аппарате характеризуются скоростью и режимом движения теплоносителей в каналах аппарата и определяются расходами теплоносителей и площадями сечений каналов для их проходов.

1.4.1 Выбор скоростей потоков теплоносителей в каналах между пластинами

В отличие от других видов теплообменных аппаратов (кожухотрубчатые, типа «труба в трубе» и др.), где скорость движения может быть однозначно определена из уравнения расхода

, (1.9)

где - объемный расход теплоносителя, м³/с; - площадь сечения труб одного хода, м²; - средняя скорость движения теплоносителя, м/с; - диаметр теплообменника труб, м; - число теплообменных труб в одном ходе, шт.

Скорость движения теплоносителей в пластинчатых аппаратах зависит от типа пластин, используемых в аппарате и числа пластин в пакете. Под пакетом в пластинчатом теплообменнике понимают блок пластин, скомпонованных таким образом, что движение теплоносителя в нем осуществляется в одном направлении и с одинаковой скоростью (или блок пластин, обеспечивающих поступление данного теплоносителя одновременно во все каналы). В связи с этим при расчете пластинчатых аппаратов задаются скоростью движения теплоносителя, затем из уравнения расхода (1.9) по заданному или рассчитанному объемному расходу теплоносителя определяют суммарную площадь поперечного сечения потока теплоносителя и, следовательно, число пластин в одном пакете.

Так как тип пластин в задании не определен, то выбираем для проектируемого теплообменника пластины П-2. Техническая характеристика этих пластин [2, 4]:

поверхность теплопередачи = 0,198 м²;

ширина потока = 0,27 м;

расстояние между пластинами = 0,0028 м;

приведенная длина потока в пластине = 0,74 м.

На основании практического опыта и рекомендаций [2] задаемся скоростью движения пивного сусла между пластинами П-2 м/с.

По заданной производительности аппарата и выбранной скорости движения сусла в каналах аппарата из уравнения расхода (1.9) определим количество параллельных каналов в одном пакете, m

, (1.10)

откуда , (1.11)

где м³/с - объемный расход сусла в аппарате (задан); м - ширина потока (пластины); м - расстояние между пластинами; м/с - скорость движения сусла в каналах аппарата (принята).

По уравнению (1.11)

Число параллельных каналов не может быть нецелым, поэтому выбираем число каналов равным 3 и уточняем скорость движения сусла

м/с.

Скорость воды для удобства компоновки секции примем такой же, как и скорость сусла

м/с.

Следовательно, при двукратном расходе воды число параллельных каналов для неё будет вдвое больше, чем для сусла.

Скорость рассола примем также равной скорости сусла

м/с.

Тогда, при двукратном расходе рассола число пластин также как и для воды, будет в одном пакете вдвое большим, чем для сусла.

1.4.2 Расчёт режимов движения теплоносителей в каналах аппарата

Режим движения теплоносителей определяется значением критерия Рейнольдса, который в общем виде рассчитывается по формуле

 (1.12)

где - скорость движения теплоносителя в каналах аппарата, м/с; - характерный линейный размер канала, м; - плотность теплоносителя, кг/м³; - динамическая вязкость теплоносителя, Па·с.

Так как сечение каналов пластинчатого теплообменника отличается от круглого, то в качестве характерного линейного размера необходимо использовать эквивалентный диаметр , который в общем случае вычисляется по формуле [3]

(1.13)

где - площадь поперечного сечения потока, м²; - смоченный жидкостью периметр канала, м.

Для потока жидкости между пластинами теплообменника эквивалентный диаметр вычисляется по формуле

(1.14)

откуда (1.15)

где = 0,0028 м - расстояние между пластинами.

По формуле (1.15) критерии Рейнольдса

для секции водного охлаждения:

для потока пивного сусла

для потока воды

для секции рассольного охлаждения:

для потока пивного сусла

для потока рассола

Турбулентный режим движения жидкостей в каналах пластинчатого теплообменника наступает при значительно меньших скоростях, чем в гладких прямолинейных каналах. Этому способствует наличие турбулизирующих выступов на поверхности пластин. В [2] считают, что турбулентный режим движения в каналах между пластинами теплообменников наступает при числе Рейнольдса 160…200, в [4] - при .

Следовательно, режим движения пивного сусла в обеих секциях, воды и рассола турбулентный.

1.5 Расчёт коэффициентов теплоотдачи

Так как конструкция теплообменного аппарата задана, а необходимая площадь поверхности аппарата компонуется соответствующим количеством пластин, то в отличие от рекомендаций [1] необходимости в выполнении ориентировочных и приближенных расчётов нет и можно приступить к выполнению уточненного расчёта, учитывающего влияние температур поверхностей стенки на интенсивность теплоотдачи.

Расчёт интенсивности теплоотдачи в каналах ленточно-поточных пластин модели П-2 рекомендуется вести по уравнениям [2, 4]

(1.16)

где - число Нуссельта, характеризующее интенсивность теплоотдачи на границе «стенка - теплоноситель»; - критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости; - критерий Прандтля, характеризующий влияние теплофизических свойств теплоносителя на интенсивность теплоотдачи (значения выбираются при средней температуре теплоносителя); - множитель, учитывающий влияние направления теплового потока на интенсивность теплоотдачи; - критерий Прандтля при температуре стенки (значения выбираются для теплоносителя при температуре стенки).

Так как температуры поверхностей стенок пластин неизвестны, то их расчёт будем вести методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Принимаем температуру поверхности стенки пластины со стороны пивного сусла в секции водного охлаждения єС, тогда (Приложение Д).

Интенсивность теплоотдачи от пивного сусла к поверхности пластины по уравнению (1.16)

;

откуда коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла в секции водного охлаждения

 Вт/м².

Температура поверхности стенки со стороны воды в секции водного охлаждения

(1.17)

где - сумма термических сопротивлений стенки пластины и загрязнений по обе её стороны.

(1.18)

где - термические сопротивления загрязнений пластины со стороны сусла; = 0,0012 м - толщина пластины П-2 [2, 4]; = 17,5 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности материала пластины (нержавеющей стали) [3]; - термические сопротивления загрязнений пластины со стороны воды.

На основании анализа литературных источников [1-3] принимаем = 0,000172 (м²К)/Вт и = 0,000172 (м²К)/Вт, тогда по формуле (1.18)

(м²К)/Вт.

По формуле (1.17)

єС.

При этой температуре для воды = 6,64.

По уравнению (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды в секции водного охлаждения

.

Сопоставляя и , приходим к выводу, что значительно больше (28281,9 >> 9981,7), поэтому расчёт продолжаем, выполняя второе приближение.

Принимаем єС.

Критерий Прандтля для сусла при этой температуре (Приложение Д).

По уравнению (1.16)

,

А

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла

Вт/м².

Температура поверхности стенки со стороны воды в секции водного охлаждения по формуле (1.17)

єС.

При этой температуре для воды (Приложение Е).

По уравнению (1.16)

а

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды

.

Теперь , .

Расчет продолжаем, определяя графически [1] - рис. 1.4.

Выполняем третий проверочный расчет.

По рис. 1.4 = 34,56 єС. При этой температуре для сусла (Приложение Д).

По уравнению (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла в секции водного охлаждения

.

Температура поверхности стенки со стороны воды в секции водного охлаждения по формуле (1.17)

єС.

При этой температуре для воды (Приложение Е).

Рис. 1.4. Графическое определение в секции водного охлаждения

По уравнению (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды в секции водного охлаждения

.

Средняя удельная тепловая нагрузка в третьем приближении в секции водного охлаждения

= .

Отклонение удельных тепловых нагрузок в секции водного охлаждения

.

Так как отклонение удельных тепловых нагрузок по обе стороны стенки не превышает 5 % , то расчет коэффициентов теплоотдачи в секции водного охлаждения можно считать законченным.

Схема процесса теплопередачи в секции водного охлаждения может быть представлены следующими образом (рис. 1.5).



Переходим к расчету интенсивности теплоотдачи в секции рассольного охлаждения.

Первое приближение.

Принимаем температуру поверхности стенки пластины со стороны пивного сусла равной єС.

При этой температуре для сусла (Приложение Д).

По уравнению (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла

.

Уточним значение термического сопротивления стенки в зоне (секции) рассольного охлаждения, приняв термические сопротивления загрязнений со стороны рассола [4].

Тогда суммарные термические сопротивления стенки пластины и загрязнений по обе её стороны по формуле (1.18)

.

Температура поверхности стенки пластины со стороны рассола по формуле (1.17)

єC.

При этой температуре критерий Прандтля для рассола (Приложение Ж).

По уравнению (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны рассола

.

Так как удельная тепловая нагрузка со стороны рассола значительно превышает удельную тепловую нагрузку со стороны сусла, то расчет продолжаем, принимая во втором приближении єС. При этой температуре для сусла (Приложение Д).

По формуле (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла в секции рассольного охлаждения

.

Температура поверхности стенки пластины со стороны рассола по формуле (1.17)

єС.

При этой температуре для рассола (Приложение Ж).

По формуле (1.16)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны рассола в секции рассольного охлаждения

.

Теперь , поэтому расчет продолжаем, определяя графически (рис. 1.6).

По определенной графически температуре стенки =7,44 єС выполним третий проверочный расчет.

При температуре 7,44 єС для сусла (Приложение Д).

Рис. 1.6. Графическое определение в секции рассольного охлаждения

По уравнению (1.6)

,

а .

Удельная тепловая нагрузка со стороны сусла в секции рассольного охлаждения

.

Температура поверхности стенки пластины со стороны рассола в секции рассольного охлаждения по формуле (1.17)

єС.

При этой температуре для рассола (Приложение Ж).

По уравнению (1.6)

,

а.

Удельная тепловая нагрузка со стороны рассола в секции рассольного охлаждения

.

Средняя удельная тепловая нагрузка

.

Отклонение удельных тепловых нагрузок в секции рассольного охлаждения

.

Так как отклонение тепловых нагрузок по обе стороны стенки не превышает 5 %, то расчет коэффициентов теплоотдачи в секции рассольного охлаждения можно считать законченным.

Схема процесса теплопередачи в секции рассольного охлаждения теплообменника может быть представлена следующим образом (рис. 1.7).



1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки рассчитывают по формуле [1, 3]

, (1.19)

где - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя (сусла) к стенке пластины, ; б - коэффициент теплоотдачи от стенки пластины к холодному теплоносителю (воде или рассолу), ; - суммарные термические сопротивления степени и загрязнений, .

Коэффициент теплопередачи по формуле (1.19) для секции водного охлаждения

.

Коэффициент теплопередачи по формуле (1.19) для секции рассольного охлаждения

.

1.7 Расчет площадей поверхностей теплоотдачи

Требуемые площади теплопередающих поверхностей определим по уравнению (1.1).

Для секции водного охлаждения

м².

Для секции рассольного охлаждения

3,51 м².

Суммарная площадь поверхности аппарата

м².

Тепловой расчет аппарата закончен.

2. Конструкторский расчет

Целью конструкторского расчета аппарата является определение числа пластин в аппарате, числа пакетов для сусла, воды и рассола, составление формулы компоновки и построение компоновочной схемы.

2.1 Расчет количества пластин и пакетов

Общее число пластин в каждой секции определим разделив требуемую площадь поверхности или на площадь поверхности одной пластины .

Секция водного охлаждения

Число пластин в секции

шт.

Число пакетов для сусла

шт.

Так как число пакетов должно быть целым, то принимаем его равным шт., тогда число пластин в секции будет равно шт., а площадь поверхности теплопередачи в секции водного охлаждения

м².

При этом число пакетов для воды будет равен

шт.

Так как число пакетов и для воды не может быть нецелым, то принимаем его равным 5 шт., тогда число пластин в секции водного охлаждения

шт.,

а площадь поверхности теплопередачи в секции водного охлаждения

м².

Уточним число пакетов для пивного сусла

шт.

Секция рассольного охлаждения

Число пластин в секции

шт.

Для компоновки рассольной секции примем 24 пластины, тогда число пакетов для сусла в рассольной секции

шт.,

а для рассола

шт.

При этом площадь поверхности теплопередачи в рассольной секции составит

м².

Суммарная площадь поверхности теплопередачи секций водного и рассольного охлаждений составит

м².

Запас пощади поверхности аппарата составляет

,

что отвечает рекомендациям [3].

2.2 Компоновка пластин в аппарате

Уточним некоторые понятия, связанные с движением теплоносителей в пластинчатом теплообменном аппарате и изложенные в [4]. Элементом тракта движения жидкости в пластинчатом аппарате является канал - пространство между двумя соседними пластинами.

Рабочая среда (пивное сусло, вода, рассол), входящая в аппарат, попадает в каналы через продольные коллекторы, образованные угловыми отверстиями пластин и малыми прокладками, окружающими эти отверстия.

Из коллектора рабочая среда распределяется обычно по нескольким параллельным каналам. Совокупность нескольких каналов, по которым рабочая среда течет в одном направлении, в практике проектирования называют пакетом.

Понятие пакета в пластинчатом теплообменнике соответствует понятию хода в кожухотрубчатом.

При входе из первого пакета рабочая среда попадает в противоположный коллекторный канал, проходит по нему вдоль аппарата до очередной граничной (пластины с заглушенным угловым отверстием) и распределяется по каналам второго пакета. Во втором пакете рабочая среда движется в направлении, противоположном её движению в первом пакете.

При одинаковом числе каналов в пакетах скорость теплоносителя в аппарате остается постоянной.

Когда аппарат скомпонован так, что число каналов в пакетах для первой и второй сред неодинаково, то такую схему компоновки называют несимметричной.

Составим формулу компоновки для секции водного охлаждения

или .

Схема компоновки секции водного охлаждения будет выглядеть следующим образом (рис. 2.2).

Составим формулу компоновки для секции рассольного охлаждения

или .

Схема компоновки секции рассольного охлаждения будет выглядеть следующим образом (рис. 2.1).



Рис. 2.1. Схема компоновки секции рассольного охлаждения

2.3 Проверка выбранной схемы компоновки аппарата

Выполним проверку выбранной схемы компоновки аппарата, сопоставив длину потока жидкости, необходимую для завершения процесса теплообмена с длиной пути теплоносителя в выбранном теплообменнике.

Составим уравнение теплового баланса для секции водного охлаждения

. (2.1)

Объем сусла, протекающего по одному каналу , заменим через сечение канала и скорость

, (2.2)

а поверхность теплопередачи выразим как произведение удвоенной ширины пластины b на требуемую длину пути сусла (поток сусла охладителя с двух сторон):

. (2.3)

Рис. 2.2. Схема компоновки секции водного охлаждения

Из уравнения (2.1) с учетом (2.2) и (2.3) получим необходимую длину пути сусла в секции водного охлаждения

(2.4)

По уравнению (2.4)

м.

По компоновочной формуле сусло в секции водного охлаждения должно последовательно пройти десять пакетов, следовательно, длина пути сусла будет равна приведенной длине потока в пластине на число пакетов

м.

Таким образом, видно, что путь сусла в секции водного охлаждения запроектирован с некоторым запасом (7,4 > 6,94).

Выполняя аналогичный анализ, получим формулу необходимой длины пути охлаждения сусла в секции рассольного охлаждения

. (2.5)

По формуле (2.5)

м.

По приведенной выше компоновочной формуле сусло в секции рассольного охлаждения должно пройти четыре пакета, следовательно, длина пути сусла будет равна произведению приведенной длины потока в пластине на число пакетов

м.

Как видно, путь сусла в секции рассольного охлаждения также запроектирован с некоторым запасом (2,96 > 2,3).

В результате выполненных расчетов можно заключить, что аппарат и его компоновка спроектированы правильно.

2.4 Определение габаритных размеров аппарата

Для компоновки спроектированного аппарата используются стандартные пластины П-2 и другие стандартные узлы и детали, размеры которых приведены в справочной литературе, поэтому расчету подлежат лишь длины секций водного и рассольного охлаждения, зависящие от числа пластин в них.

Длина секций может быть рассчитана по формуле

, (2.6)

где - число пластин в секции, шт.; = 0,0012 м - толщина пластины П-2; = 0,0028 м - расстояние между пластинами в собранном аппарате.

По формуле (2.6) длина секции водного охлаждения

м,

а длина рассольной сушки при 24 пластинах в ней

м.

2.5 Расчет диаметров штуцеров

Диаметры штуцеров определим из уравнения расхода (1.9)

, (2.7)

При скорости сусла м/с по уравнению (2.7)

м = 53,7 мм.

Для изготовления патрубка штуцера (рис. 2.3) используем трубу диаметром Ш56Ч3,5 мм (внутренний диаметр = 0,049 м) из нержавеющей стали.

Уточним скорость движения сусла в штуцере

м/с.

Для изготовления штуцера выбираем стандартный фланец типа 1 [6] (рис. 2.4)

Основные размеры фланца: = 140 мм; = 110 мм; = 90 мм; болты М12 - 4 шт.; = 13 мм; масса 1,33 кг.

С целью унификации используем для воды и рассола такие же штуцера, тогда скорость воды и рассола:

м/с,

т.е. находится в пределах рекомендуемых [1].

3. Гидравлический расчёт

Целью гидравлического расчёта теплообменного аппарата является определение потерь напора (гидравлических сопротивлений) при движении теплоносителей в каналах теплообменника.

Потери напора определяют по уравнению [2].

, (3.1)

где - число пакетов в секции; - число рабочих пластин в секции; - число каналов в пакете; - коэффициент сопротивления пакета, составленного из пластин П - 2 [2];

(3.2)

где - критерий Эйлера; - скорость движения теплоносителя в каналах, м/c.

Коэффициент сопротивления одного пакета секции водного охлаждения (по тракту движения сусла) по формуле (3.2)

.

Потерянный напор в секции водного охлаждения по формуле (3.1)

м.

Коэффициент сопротивления одного пакета секции рассольного охлаждения (по тракту движения сусла) по формуле (3.2)

.

Потерянный напор в секции рассольного охлаждения по формуле (3.1)

м.

Суммарные потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений на всем пути движения сусла между пластинами обеих секций теплообменника:

м.

Потери давления в двух секциях теплообменника:

Па=3,06 атм,

где кг/м³ - средняя плотность сусла в двух секциях теплообменника.

Мощность насоса, затрачиваемая на прокачку сусла через теплообменник:

кВт.

4. Технологическая схема производства пива

Очищенный солод 0.1 измельчается на вальцовой дробилке ДВ в целях получения максимального количества мелкой однородной крупки и сохранения шелухи. Шелуха в дальнейшем играет роль фильтровального материала.

Дроблёный солод 0.2 взвешивается весами ВА и ссыпается в бункер Б. Отлежавшийся дроблёный солод 0.3 проходит магнитную очистку в магнитоуловителе МУ и подаётся в заторный аппарат АЗ1, где смешивается с тёплой водопроводной водой 1.2, нагреваемой до 60є С в верхней секции оросительного теплообменника ТО. Смесь дроблёного солода с водой перемешивается (затирается), после этого часть заторной массы 0.4 (в количестве около 40%) перекачивается насосом Н1 в другой заторный аппарат АЗ2, где её нагревают насыщенным водяным паром 2.2 до температуры осахаривания (около 70є С), а по окончании осахаривания - до температуры кипения. При смешивании кипящей части затора с затором, оставшимся в аппарате АЗ1, температура всей массы достигает 70є С. Затор оставляют в покое для осахаривания. По окончании осахаривания, часть затора снова перекачивают в аппарат АЗ2 (вторая отварка) и нагревают до кипения для разваривания крупки. Вторую отварку насосом Н2 возвращают в аппарат АЗ1, где после смешивания обеих частей затора температура его повышается до 75 - 80 єС.

Затем осахаренную массу 0.5 перекачивают на фильтрационный аппарат (фильтр тарельчатый) ФТ. Проходя через образовавшийся слой дробины 0.6, сусло 9.1 осветляется и стекает в сусловарочный аппарат АС. После окончания фильтрования дробина 0.6 удаляется из тарельчатого фильтра и используется на корм скоту.

В сусловарочном аппарате АС сусло 9.1 кипятится вместе с хмелем 0.7. Конденсат греющего пара 1.8 с заторного аппарата А32 и сусловарочного аппарата АС через конденсатоотводчики К01 и К02 возвращается в котельную. При кипячении сусла выпаривается некоторое количество воды, которая в виде пара 2.0 удаляется из аппарата.

Одновременно происходит частичная денатурация белков сусла и его стерилизация. Горячее охмеленное сусло 9.2 спускается в хмелеотделитель ХО, где вываренные хмелевые листки 0.7 задерживаются, а сусло поступает в сборник горячего сусла СГС.

Горячее сусло из сборника горячего сусла СГС насосом Н3 подается в фильтр-сепаратор тарельчатый ФСТ1, в котором оно очищается от взвешенных частиц коагулированных белков 0.8. Из сепаратора очищенное горячее сусло 9.3 поступает на оросительный теплообменник ТО, где охлаждается до 4⁰С.

водопроводная вода 1.1 насосом Н4 прокачивается через трубы теплообменника, а сусло стекает вниз по наружной поверхности горизонтальных труб в поддон. Нагретая до 60⁰С водопроводная вода 1.2 подается в заторный аппарат А31 для приготовления затора и в дрожжевой чан ЧБ, а охлажденное сусло 9.4 сливают в бродильный чан ЧБ вместе с дрожжами 0.9 из дрожжевого чана ЧД.

Брожение длится 6-8 суток. По окончании главного брожения молодое пиво 9.5 отделяют от дрожжей и направляют в танк ТД для дображивания в течение 11-90 суток.

Образующийся при брожении в чане брожения ЧБ и танке дображивания ТД диоксид углерода 5.1 направляется на очистку и установку его сжижения.

По окончании дображивания неосветленное пиво 9.6 под давлением диоксида углерода нагнетается в сепаратор-осветлитель ФСТ2 и фильтр Ф, где оно окончательно освобождается от взвешенных в нем дрожжей, других микроорганизмов и мелкодисперсных частиц.

Осветленное пиво 9.7 насосом Н5 прокачивается через пластинчатый теплообменник ТП, где охлаждается рассолом 9.10. При необходимости охлажденное пиво 9.8 насыщается диоксидом углерода в карбонизаторе К и сливается в танк Т.

Отфильтрованное, охлажденное, насыщенное диоксидом углерода пиво 9.9 из танка Т под давлением подается в отделение разлива.

Заключение

Выполнен тепловой расчет водной и рассольной секций пластинчатого теплообменника для охлаждения пивного сусла. Методом последовательных приближений определены температуры поверхностей стенки пластины, позволившие рассчитать коэффициенты теплоотдачи по уточненным формулам. Необходимые для расчета теплофизические свойства из различных литературных источников интерпретированы в виде графиков и таблиц (Приложения А-Ж).

В конструктивном расчете выбранная компоновка пластин проверена расчетом необходимой длины пути пивного сусла в теплообменнике. Доказана целесообразность использования выбранной схемы компоновки пластин в аппарате.

Выполнен расчет насосной установки для перекачивания пивного сусла, выбран насос и дана оценка условий его работы на сеть. Указаны возможные способы регулирования работы насоса на сеть.

Разработана технологическая схема производства пива, включающая проектируемый аппарат и процесс. Составлено описание схемы.

Выполнен чертеж общего вида двухсекционного пластинчатого охладителя для пивного сусла.

Список использованных источников насчитывает семь наименований.

Список использованной литературы

1. Логинов А.В. Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по проектированию) [Текст] / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова; Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2003. - 264 с.

2. Попов В.И. Примеры расчетов по курсу технологического оборудования предприятий бродильной промышленности [Текст] / В.И. Попов. - М.: Пищ. пром-сть, 1969. - 152с.

3. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учеб. пособие для студентов хим.-технол. спец. вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. П.Г. Романкова. - 10-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576с.

4. Барановский Н.В. и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники [Текст] / Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребеницкий. - М.: Машиностроение, 1973. - 288с.

5. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов [Текст] / И.А. Чубик, А.М. Маслов. - 2-е изд. доп. М: Пищ. пром-сть, 1970. - 184с.

6. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования [Текст] / Справочник в 3 т. Том 1. - Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2002. - 852 с.

7. Логинов А.В. Насосы и насосные установки пищевых предприятий [Текст] / А.В. Логинов, М.И. Слюсарев, А.А. Смирных. Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2007. - 224 с.

Приложение

Зависимость плотности пивного сусла от температуры [5]

Зависимость вязкости пивного сусла от температуры [5]

Зависимость теплопроводности пивного сусла от температуры [5]



Зависимость теплоемкости пивного сусла от температуры [5]

Зависимость критерия Прандтля пивного

сусла от температуры [5]

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАССОЛА

(концентрация NaCl = 22,5 %, температура замерзания K)

Т,є С	с, кг /м3	л, Дж /(м·град)	c Дж /(кг К)	м·103 Па·с	н·103 м2/ с	Pr
5	1170	0,56	3330	2,46	2,10	14,7
0	1181	0,54	3330	2,98	2,52	18,4
- 5	1183	0,523	3329	3,66	3,08	23,4
- 10	1185	0,505	3328	4,57	3,86	30,1
- 15	1187	0,49	3322	5,61	4,73	38,2
- 20	1188	0,476	3320	6,85	5,77	47,5

Размещено на Allbest.ru

...