План
Вступ
1. Тепловий розрахунок.
2. Розрахунок основнихробочих елементів.
3. Гідравлічний розрахунок.
4. Техніко-економічнийрозрахунок.
5. Описапаратурно-технологічної схеми.
Література
Вступ
Процеси сушіння широко застосовують у харчовій технології длязневоднення різноманітних вологих матеріалів (твердих, пастоподібних, рідких)на різних стадіях їх переробки (сировина, напівфабрикати, готові вироби).
Вологу з матеріалів можна видалити різними способами: механічним,фізико-хімічним і тепловим. При механічному способі вологу відтискують у пресахабо в центрифугах. Фізико-хімічний спосіб ґрунтується на застосуванні вологовідбірнихзасобів і використовується переважно в лабораторній практиці. Зневоднювальнимизасобами є сірчана кислота, хлористий кальцій, силікагель. При тепловомуспособі волога випаровується з поверхні матеріалу і дифундує в навколишнєповітря, яке виносить вологу із сушарки. Із цього випливає, що сушінням називаютьтермічний процес видалення вологи з матеріалів внаслідок її випаровування ідифузії.
Сушіння є суміщеним тепловим і дифузійним процесом, при якому вологадифундує із середніх шарів матеріалу до його поверхні, переходить крізьпримежову плівку, а потім дифундує всередину газової фази, виносячи при цьому зматеріалу значну кількість теплової енергії. Підраховано, що в нашій країніприблизно 15% палива витрачається на сушіння, при цьому енергетичний ККДбагатьох сушильних установок становить лише 30...50 %. Тому підвищеннятехнологічної та енергетичної ефективності процесів сушіння має важливенародногосподарське значення.
Розрізняють природне і штучне сушіння.
Для більшості харчових виробництв сушіння є одним із основнихпроцесів, мета якого – підвищення стійкості матеріалів під час зберігання,поліпшення якісних показників, консервування, зменшення маси з метоютранспортування. У цукробуряковому виробництві сушать цукор-пісок, цукор-рафінад,а також відходи виробництва жом. У спиртовому виробництві сушать відходи виробництвабарду, харчові та кормові дріжджі. Помітну роль сушіння відіграє у пивоварному виробництві,де сушать солод, відходи виробництва. У крохмале-патоковому виробництві сушатьосновний продукт – крохмаль. Сушіння використовують для одержання сухогомолока, сухих фруктів і овочів. У хлібопекарському, макаронному ікондитерському виробництві сушать хліб для одержання сухарів, макарони,кондитерські вироби деяких видів.
Методи сушіння вологих матеріалів розрізняються переважно способом підведеннятеплоти й зумовлені фізико-хімічними властивостями цих матеріалів.Найпоширенішим є метод конвективного сушіння, що характеризується безпосереднімконтактом матеріалу з потоком нагрітого газу (повітря, димових газів). Вологавипаровується за допомогою теплоти нагрітого газу, який одночасно поглинає івиносить із сушарки утворену водяну пару.
Значно рідше, але теж застосовують у харчових виробництвах контактний (кондуктивний) метод сушіння, при якому теплота від теплоносія (зви чайноводяної пари) до матеріалу передається через металеву стінку, що розділяє їх.
Для сушіння різних металевих пофарбованих виробів, виробів ізкартону, а також для висушування харчових продуктів у тонкому шарі застосовуютьтерморадіаційний метод, при якому теплота передається інфрачервоним промінням.
Товстолистові матеріали, а також деякі плоди, якщо треба зберегтиїхню форму сушать у полі струмів високої частоти. Такий метод сушіння називаютьвисокочастотним.
Для дуже термочутливих матеріалів застосовують сублімаційнесушіння при якому волога із матеріалу в замороженому стані переходить у паровуфазу, минувши рідку (сублімує). Процес здійснюється в глибокому вакуумі.
Варто зазначити, що при будь-якому способі підведення теплотиматеріал перебуває в контакті з вологим повітрям. Тому доцільно спочатку розглянутифізичні властивості вологого повітря.
Абсолютною вологістю повітря /> називаютьмасу водяного пару в грамах або в кілограмах, яка міститься в 1 м3вологого повітря. Об’єм пари дорівнює об’єму вологого повітря, і тому абсолютнавологість густини водяної пари в суміші />.
Відносною пологістю повітря /> називаютьвідношення абсолютної вологості /> при данихзначеннях температури і загального тиску до максимально можливої абсолютноївологості /> за тих самих умов:
/>.
За рівнянням стану ідеальних газів можна написати
/> і />,
де /> – тиск насиченоїпари при температурі повітря Т.
Вважаючи наближено, що для пароповітряної суміші дійсними є рівняннястану ідеальних газів, і підставляючи одержані вирази для /> і />, дістанемо:
/>
Тиск /> залежить відтемператури, з підвищенням якої він збільшується. внаслідок чого відповіднозменшується величина />. Максимальнезначення /> йде за умови, коли />, тоді
/>
Густина вологого повітря, тобто суміші сухого повітря і водяноїпари, дорівнює сумі густин сухого повітря /> іводяної пари
/>.
За нормальних умов (тиск 760 мм рт. ст. і температура 0ºС) /> кг/м3.
З підвищенням парціального тиску пари в повітрі в процесі сушіння />, зменшується, оскількипара витісняє сухе повітря. Проте в процесі конвективного сушіння знижуєтьсятемпература, а це сприяє більш суттєвому збільшенню />.Тому в кінцевому результаті /> упроцесі сушіння збільшується.
Питома теплоємність вологого повітря, віднесена до 1 кг сухогоповітря, визначається як сума
/>,
де /> – питома теплоємністьсухого повітря (при t кДж/(кг·К));
/> – питома теплоємністьводяної пари (/> кДж/(кг·К)).
Ентальпія (тепловміст) вологого повітря визначається сумою ентальпій сухогоповітря і водяної пари, яка є в ньому. Відносячи ентальпію до 1 кг сухогоповітря, дістанемо рівняння, кДж/кг сухого повітря,
/>,
де/> – ентальпія водяної пари;
/> кДж/кг ентальпія водяної пари при 0°Сабо, що те саме, теплота пароутворення води при 0°С.
1. Тепловий розрахунок
Вихіднідані:
§ продуктивність, />, кг/год 200
§ початкова вологість, />, % 55
§ кінцева вологість, />, % 5
§ температура повітря на вході в сушарку, />, ºС 160
§ його відносна вологість, />,% 5
§ температура повітря на виході із сушарки, />, ºС 70
§ його відносна вологість, />,% 20
§ температура повітря навколишнього середовища, />, ºС 20
§ його відносна вологість, />,% 70
Продуктивністьсушарки по вологому матеріалу:
/> кг/год
Кількістьвидаленої вологи:
/> кг/год
Перевірказначення />:
/> кг/год
Будуємопроцес сушіння і-х-діаграми.
Знаходимо/> кг/кг; /> кДж/кг; /> кДж/кг; /> кг/кг.
Розрахуноквитрат повітря в сушильній установці:
/>
Питомівитрати абсолютно сухого повітря (кількість повітря, затраченого на випарування1 кг вологи):
/> кг
Загальнийвихід циркуляційного повітря у сушильній камері:
/> кг с.п./год
Розрахунокоб’ємних витрат повітря:
/>,
де /> – питомий об’єм вологиповітря, м3/кг;
/>,
/> – універсальна газова опалаповітря, /> Дж/(кг·К);
В – барометричний тискповітря, Па;
/> – тиск насичений пари приданій температурі, Па;
Т – абсолютнатемпература повітря, ºК;
/> – відносна вологістьповітря, %.
/> м3/кг;
Об’ємнівитрати повітря:
/> м3/кг;
/> м3/кг;
Тепловийбаланс
Питомівитрати тепла на нагрівання матеріалу в сушильній камері:
/>,
де /> – питома теплоємкістьмеланжу, кДж/(кг·К);
/>,
де /> – вологість висушеногоматеріалу, % /> – питома теплоємкість абсолютносухого меланжу, /> кДж/(кг·К); /> – температура меланжу навиходу із сушарки, ºС;
/> ºС;
/> – температура меланжу навході в сушарки, ºС; /> ºС;
/> – питома теплоємкістьводи, кДж/(кг·К),
/> кДж/(кг·К)
/> кДж/(кг·К)
/> кДж/(кг·К)
Питомівитрат в навколишнє середовище:
/>,
де /> – коефіцієнт теплопередачічерез стінку і кришку апарата, Вт/м2·К;
/> – площа поверхніапарата, м2;
/> – середня різниця температур,ºС;
/> – кількість видаленоївологи, кг/год.
/> ºС; /> ºС;
/> ºС
Коефіцієнттеплопередачі:
/>,
де /> – коефіцієнт теплопередачівід повітря до внутрішньої поверхні сушильної камери, Вт/(м2·К);
/> – товщина стінокапарату, м;
/> – коефіцієнттеплопровідності стінки, Вт/(м2·К);
/> – коефіцієнттепловіддачі від внутрішньої поверхні камери до повітря, Вт/(м2·К).
Якщоповітря подається вентилятором, коефіцієнт тепловіддачі /> розраховується заформулою:
/>,
де А– коефіцієнт, який залежить від режиму руху повітря і сану поверхні стінки (длятурбулентного режиму):
/>
/>, /> – коефіцієнти тепловіддачів умовах примусової та природної конвенції, Вт/(м2·К). КритеріїРейнольда:
/>,
де /> – діаметр камери, м,
/>м;
/> – середня швидкістьповітря у сушарці, /> м/с;
/> – кінетична частинаповітря при />,
/> м2/с
/>
При /> критерій /> виражається за формулою:
/>
/> Вт/(м2·К)
/> Вт/(м2·К)
Коефіцієнттеплопередачі при звичайній природній конвенції /> длястінок визначають із слідкуючих рівнянь:
при />
/>;
при />
/>
/> – критерій Прантля;
/> – критерій Трансгоффа;
/> – коефіцієнттемпературопровідності повітря біля стінки, м2/с;
/> – прискорення вільногопадіння, /> м/с;
/> – абсолютна середнятемпература повітря, К;
/> К
/> – абсолютна середнятемпература внутрішньої поверхні стінки, К,
/> ºС.
Значення />, />, /> приймаємо при />:
/> ºС
/> м2/с;
/> м2/с;
/> Вт/(м2·К);
/> – висота сушильноїкамери, м
/> м
/>
/>
/>
/>
/> Вт/(м2·К)
/> Вт/(м2·К)
Коефіцієнттепловіддачі від зовнішньої поверхні сушильної камери до повітря />:
/>,
де /> – коефіцієнт тепловіддачітепловим випромінюванням, Вт/(м2·К). Для вертикальних стінок /> зовнішньої поверхні стінок/> ºС.
Температурасередовища:
/> ºС;
/> ºС
Абсолютнітемператури: /> К; /> К.
Коефіцієнттемпературопровідності повітря біля зовнішньої стінки
/> м2/с;
/> м2/с – кінетичнав’язкість повітря;
/> Вт/(м·К) –теплопровідність повітря.
/>
/>
/>
/>
/> Вт/(м2·К)
Коефіцієнттепловіддачі випромінюванням:
/>,
де /> – приведений коефіцієнттеплового випромінювання, Вт/(м2·К):
/> Вт/(м2·К)
/> Вт/(м2·К)
/> Вт/(м2·К)
Сушильнакамера складається із стальних стін товщиною /> м,коефіцієнт теплопровідності /> Вт/(м2·К),теплова ізоляція – скловата (/> мм, /> Вт/(м2·К)).Стіни пофарбовані масляною фарбою (/> мм, /> Вт/(м2·К)).
Коефіцієнттеплопередачі:
/> Вт/(м2·К)
Щоб знайтипитомі витрати теплоти у навколишнє середовище, знайдемо площу сушарки />, м:
/>, м2
де /> – площа поверхніциліндричної частини сушарки, м2;
/> – площа конічної частинисушарки, м2;
/> – площа кришки апарата, м2;
/>,
де /> – радіус сушарки, м;
/> – січна конуса, м;
/> м;
/>,
/> м;
/> м;
/> м2;
/> м2;
/>; />; /> м3;
/> м3;
/> м3;
/> м;
/> м3;
/> м2.
Витратитепла в навколишньому середовищі:
/> Дж/кг
Різницюреального сушильного процесу від теоретичного враховує величина /> – кількість теплоти, якавноситься в сушильну камеру, віднесена до 1м2 поверхні:
/>,
де /> – питома теплоємкість води, /> кДж/кг·К
/> – температура матеріалу, />ºС;
/>, /> – питомі затрати матеріалуна нагрів матеріалу та навколишнього середовища, кДж/кг·К
/>,
де /> – продуктивність, /> кг/год;
/> – питома теплоємкістьвисушеного матеріалу, /> кДж/кг·К;
/> кг/год;
/> – температура матеріалу навиході із сушарки, ºС.
2. Розрахунок основних робочих елементів
Розрахунокі вибір калорифера
Кількістьтепла, необхідного для нагріву повітря у калорифері:
/>,
де /> – кількість повітря,необхідного для висушування, кг/год, /> кг/год;
/>, /> – ентальпія повітря навході і виході сушарки.
/> кДж/год
Длярозрахунку приймається газовий калорифер.
Площаповерхні нагріву:
/>,
де /> кДж/год;
/> – середня температура длявсієї поверхні теплоносія і повітря.
Температурагріючого газу /> ºС;
/> ºС;
/> ºС;
/>; />
/> ºС;
К – коефіцієнттеплопередачі від газу до повітря, Вт/(м2·К)
/>,
де /> м/с – швидкість рухуповітря у калорифері.
/> Вт/(м2·К)
Необхіднаплоща нагріву калорифера:
/> м2
Конструктивнийрозрахунок
Об’ємсушильної камери, м3:
/> м3
Площаперерізу сушильної камери, м2:
/>,
де /> – середня швидкістьповітря у сушильній камері, м/с, /> м/с;
/> – кількість повітря нависушування, кг/год; /> кг/год.
/> м2;
Діаметрсушильної камери, />, м:
/> м
Діаметррозпилювальної сушарки перевіряємо по радіусу факела розпилу продукту />:
/>, м
/>,
де /> – діаметр крапель, м;
/> – середня густина меланжу, /> кг/м3;
С – коефіцієнт, />;
/> – густина повітря, /> кг/м3;
/> – початкова швидкістьпольоту краплі, м/с, /> м/с;
/> – кінцева швидкістьпольоту краплі, м/с, /> м/с;
/> м;
/>, м;
/>, м.
Висотасушарки:
/>,
де /> – висота циліндричноїчастини сушарки, м;
/> – висота конічної частинисушарки, м;
/>м.
Об’ємконічної частини сушарки:
/> м3
Об’ємциліндричної частини сушарки:
/> м3
/> м
Висотасушарки:
/> м
3. Гідравлічний розрахунок
Розрахуноквентилятора
Тиск,який створює вентилятор:
/>,
де /> – швидкісний перепадтисків, Па,
/>,
/>–густина повітря, кг/м3;/>–середня швидкість повітряу сушарці, м/с.
/> Па
/> – витрати тиску,обумовлені опором сушарки,
/>,
/> – опір тертю повітря обстінку трубопроводу, Па;
/> – опір суми місцевих опорів,Па;
/> – опір шару зернистогоматеріалу при продувці, Па;
/> – опір калорифера, Па.
/>,
де /> – коефіцієнт опору тертя
/>;
/>,
де /> – швидкість повітря утрубопроводі, м/с; /> – діаметртрубопроводу, м; /> – густинаповітря при /> ºС, кг/м3;/> – динамічна в’язкістьповітря, Па·с.
Швидкістьобираємо в залежності від діаметра трубопроводу />:
/> м;
/> м/с
Довжинатрубопроводу:
/>м;
/>;
/>;
/> Па;
/>,
де /> – сума місцевих опорів,Па,
/>;
/> Па
/>,
де /> – висота киплячого шару,м;
/> – відносна величинапорожнин у шарі;
/> – кінцева густинамеланжу, кг/м3;
/> – густина повітря, кг/м3.
/> Па;
/> Па;
/> Па
/> Па
Потужність,яку використовує вентилятор:
/>,
де /> – витрати повітря нависушування, кг/год;
/>, /> – к.к.д. вентилятора іпередачі.
/> кВт
Розрахуноктеплової ізоляції
Обранаізоляція, />, м:
/>;
/> Вт/(м2·К);
/> мм
4. Техніко-економічний розрахунок
1.Енергетичні витрати:
/>,
де /> – потужність двигуна, кВт;/> – час роботи на рік (297днів · 2 зміни · 8 год = 4752 год/рік); /> –вартість ел. Енергії, грн/кВт, /> грн/кВт.
/>
Дляпобудови графіка змінюємо значення:
/> – витрат повітря нависушування, кг/год:
/> кг/год;
/> кг/год;
/> кг/год;
/> грн
/> грн
/> грн
2.Амортизаційні витрати:
/>
де /> – площі поверхні сушарки,м2;
в – вартість 1 м2поверхні сушарки, /> грн/м2;
с – амортизаційнівідрахування, />%.
Переведемовартість 1 м2 сушарки у вартість 1 м3 для полегшеннярозрахунків: /> м3; /> грн/м3.
/>,
де /> – питома витрата абсолютносухого повітря, /> кг/кг;
/> – напруга об’єму сушаркипо волозі, /> кг/(м3·год);
/> – кількість видаленоївологи, /> кг/год;
/> – витрати повітря нависушування, /> кг/год;
/> – швидкість повітря всушильній камері, м/с, /> м/с.
Дляпобудови графіку змінюваної швидкості:
/> кг/год;
/> кг/год;
/> кг/год;
/> грн/год
/> грн/год
/> грн/год
3.Сумарні витрати, />, грн:
/> грн
/> грн
/> грн
5. Опис апаратурно-технологічної схеми
Яєчнийпорошок використовується у хлібопекарській промисловості для покращеннязабарвлення, структури і смакових якостей виробів, підвищення їх харчовоїцінності.
Длязберігання яєць на підприємстві облаштовується спеціальне приміщення, обладнанехолодильною камерою 1 для їх зберігання. Далі яйця відмиваються в ванні 2 іпроходять дезинфекцію у ємкості 3. Ємкість 4 служить для підсушування яєць.
Наступниметапом є відділення яєць від шкарлупи і переміщення одержаної маси в мішалці 5,із якої насосами 6 яєчна маса подається на висушування в розпилювальну сушарку7.
Яєчнамаса розпилюється у верхній частині сушарки. Сушильний агент рухається зверхувниз. Завдяки великій питомій поверхні утворених дрібних крапель швидкістьпроцесу сушіння досить висока.
Висушенийпродукт (яєчний порошок) відводиться із нижньої частини сушарки. Згідно вимогамстандарту, яєчний порошок повинен мати колір від світло-жовтого дояскраво-жовтого; смак і запах – притаманні даному продукту, без сторонніхприсмаків і запахів. Масова частка вологи у порошку – не більше 8,5, масовачастка жирів – не менше 35, білків – не менша 45, золи – не більша 4%.Розчинність яєчного порошку має бути не менше 85%. Кислотність – не більше –10ºТ.
Яєчнийпорошок пакують у жерстяні банки, фанерні бочки, картонні пакети, вистелені підпергаментом або целофаном, у паперові 4-5-ти шарові мішки або картонні ящики зполіетиленовими вкладишами.
Література
1. СтабниковВ.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1985.– 509с.
2. Кавецкий Г.Д.,Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М.: Колос, 1997. – 551с.
3. Романков П.Г.,Фролов В.Ф. Теплообменные процессы химической технологии. – Л.: Химия, 1982. –288с.
4. Справочник посушке древесины / Е.С.Богданов, В.А.Козалов, В.Б.Кунтыш, В.И.Мелехов / Под редакциейЕ.С.Богданова. – 40-е издание, перераб. и доп. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. –304с.
5. Лыков А.В. Теориясушки. – М.: Энергия, 1988. – 472с.
6. Гораев А. А.Вакуумно-диэлектрические сушильные камеры. – М.: Лесн. пром-сть, 1985. – 104с.
7. Шкоропад Д.Е.,Центрифуги для химических производств, М., 1985;
8. Соколов В.И.,Центрифугирование, М., 1976.
9. Романков П.Г.,Плюшкин С.А., Жидкостные сепараторы, Л., 1996.