Министерство образования и наукиРоссийской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ
наименование кафедры
Допускаю к защите………..…
Руководитель__Губанов______
..________________________
И. О. Фамилия……..………
______________________________________________________________
наименование темы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
______________________________________________
___________________________ ПЗ
обозначение документа
Выполнил студент группы _______ ________ ______________________
…………………………………………………… шифр подпись ….. И. О.Фамилия
Нормоконтролёр ____________ _______________________
подпись … И. О. Фамилия
Курсовой проект защищён с оценкой________________________________
Иркутск 2007 г.
СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ 1 Расчёт объёма и геометрических размеров заторного аппарата 2 Расчёт площади поверхности теплопередачи 3 Определение расхода пара 4 Расчёт мощности электродвигателя мешалки ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Технологический процесспроизводства пива состоит из следующих основных операций: приёма, хранения,очистки и дробления солода, приготовления пивного сусла, получения чистой культурыдрожжей, сбраживания пивного сусла, осветления и розлива пива в бутылки, бочки,автотермоцистерны. В свою очередь, получение пивного сусла состоит из процессовприготовления затора, кипячения сусла и хмеля, осветления и охлаждения сусла.
Приготовление затораявляется неотъемлемым и очень важным технологическим процессом. Процессприготовления затора называют затиранием. При затирании происходятферментативные и физико-химические процессы, от которых зависит качество суслаи пива. Поэтому важно правильно и разумно проводить процесс затирания, так какот этого зависит конечный выход продукта, экономика и конкурентоспособностьпредприятия в целом.
Для смешивания дроблёногосолода и несоложёных материалов с водой, нагревания, кипячения и осахариваниязаторной массы служат заторные аппараты [1]. Изготовляют заторные аппараты следующихтипоразмеров: ВКЗ-1, ВКЗ-1,5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 соответственно на 1000, 1500, 3000 и5000 кг зернопродуктов.
Заторный аппарат типа ВКЗ[2] представляет собой стальной цилиндрический резервуар с двойным сферическимднищем и сферической крышкой. Пространство между днищами является паровойрубашкой, в которую поступает греющий пар. Рубашка имеет соответствующие фланцыи устройства для подвода пара, отвода воздуха и конденсата. В нижней частиднища аппарата находится разгрузочное устройство для спуска части затора(густой фазы) на отварку или выпуска всего затора при передаче его в фильтрационныйаппарат. Над сферическим днищем внутри аппарата имеется мешалка с нижним приводомдля размешивания заторной массы. Внутри аппарата расположена стяжная труба дляотбора жидкой фазы затора. На крышке аппарата смонтирован предзаторник, предназначенныйдля смачивания сухих дроблёных зерноприпасов при их подаче в аппарат, также тамрасположен раздвижной люк для обслуживания котла при промывке и наблюдения затехнологическим процессом, происходящим в нём. Аппарат имеет по окружностиопорное кольцо из углового железа, к которому приварены башмаки для установкиего на площадке. Дроблёный солод поступает в предзаторник, где смачиваетсятёплой водой из смесителя, затем в виде кашицы смывается в аппарат. Послеотварок заторная масса нагнетается насосом обратно в аппарат для кипячения, аоттуда подаётся в фильтрационный аппарат.
В данной работе мыпроизведём расчёт геометрических размеров и поверхности теплообмена заторногоаппарата в соответствии с исходными данными, так как эти параметры являютсяважнейшими для правильного проведения технологического процесса. Также мывычислим расход пара, необходимого для нагревания затора, и мощностьэлектродвигателя мешалки. Все вычисления будут произведены в расчёте на то,что готовится пиво «Жигулёвское».
1 Расчёт объёма игеометрических размеров заторного аппарата
Объём заторного аппарата V (м3) определяем, исходяиз его необходимой производительности по формуле:
/>, (1.1)
где G – необходимая производительностьзаторного аппарата, кг/ч;
τц –продолжительность полного рабочего цикла аппарата, ч, τц = 4 ч;
ρ – плотностьзаторной массы, кг/ м3;
ξ – коэффициентзаполнения заторного аппарата, ξ = 0,9.
Объём заторного аппаратаможно также определить по количеству затираемого солода, принимая, что на 1000кг сухого солода требуется 5…7 м3 полного объёма современногозаторного аппарата. Примем, что на 1000 кг одновременно перерабатываемого сырьятребуется 6 м3 полного объёма аппарата, тогда в соответствии сзаданным Gсол = 4000 кг потребуется:
/> м3. (1.2)
Выражая из формулы (1.1)необходимую производительность заторного аппарата получим:
/>. (1.3)
Учитывая, что плотностьзаторной массы ρ = 1081 кг/м3 [1]:
/> кг/ч. 1
Диаметр корпуса заторногоаппарата равен:
/> м. (1.4)
Высота выпуклой частинаружной поверхности днища:
/> м. (1.5)
Радиус кривизны в вершинеднища Rдн = D = 3,47 м.
Объём днища заторногоаппарата:
/>, (1.6)
/> м3. 1
Объём цилиндрической частизаторного аппарата:
/> м3. (1.7)
Высота цилиндрическойобечайки:
/> м. (1.8)
Сопоставим полученнуювысоту с конструктивным требованием:
/> м, 1
Нцнезначительно отличается от H’ц, значит расчёт можно считать достоверным.
Площадь поверхностижидкости в аппарате вычисляется по формуле:
/> м2. (1.9)
Площадь сечения вытяжнойтрубы равна:
/> м2. (1.10)
Диаметр вытяжной трубы:
/> м. (1.11)
Коэффициент формы днищазаторного аппарата:
/>, (1.12)
где d0– диаметр отверстия для спуска затора. Примем d0= 0,2 м [1], тогда
/> м. 1
Находим толщину стенкиднища по формуле:
/>, (1.15)
где Р – наружноеизбыточное давление, МПа;
[σ] – допускаемое напряжение присжатии, МПа;
φ –коэффициент прочности сварного шва, φ=1;
С – прибавка красчётной толщине, С = 0,002 м.
Обычно оптимальными длязаторных аппаратов являются рабочее давление Р = 0,245 МПа и допускаемоенапряжение при сжатии для стенки, изготовленной из стали 3 [σ] = 10 МПа, тогда:
/> м. 1
Проверяем условиесправедливого расчёта толщины стенки днища:
/>; 1
/>; 1
/>, 1
значит условиевыполняется и расчёт можно считать достоверным.
По рассчитанным размерамдля массы перерабатываемого солода Gсол = 4000кг выбираем стандартный заторный аппарат типа ВКЗ-5, техническая характеристикакоторого представлена в таблице 1 [1].
Таблица 1 – Техническаяхарактеристика заторного аппарата ВКЗ-5Показатель Значение Количество одновременно затираемого сухого солода, кг 4000
Полная вместимость, м3 33
Поверхность нагрева сферического днища, м2 20,8 Рабочее давление пара, Мпа 0,245 Диаметр, мм котла: внутренний 4800 с теплоизоляцией 5020 паропровода 80 водопровода 100 Расход:
воды, м3/ч 22
Частота вращения мешалки, с-1 0,52 Редуктор червячный: тип М7-ВКС-3.06.030 передаточное отношение 48 Электродвигатель: тип 4А132SУ3
частота вращения, с-1 25 Габаритные размеры, мм: длина 5300 ширина 5300 высота (без установки привода) 4890 Масса, кг: без продукта 19500 с продуктом 42000
2 Расчёт площадиповерхности теплопередачи
При расчёте площадиповерхности теплопередачи заторного аппарата определяют тепловой поток принаибольшей тепловой нагрузке, которая наблюдается при нагревании заторной массы[1]. В этом случае необходимое количество теплоты для нагревания заторной массыQ (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 теплоёмкостьзаторной массы равна:
/>, (2.2)
где Св –удельная теплоёмкость воды, Св = 4,19 кДж/(кг·К);
Ссол –удельная теплоёмкость солода, кДж/(кг·К).
По классическойтехнологии для настойного способа затирания расходуется 400 литров воды накаждые 100 кг солода, то есть Gв = 4Gсол.
Удельная теплоёмкостьсолода равна:
/>, (2.3)
где С0–удельная теплоёмкость сухих веществ солода, С0= 1,42 кДж/(кг·К);
Wсол – влажность солода, %.
Обычно солод, поступающийна затирание, имеет влажность 3…5 %, примем Wсол = 3 %, тогда
/> кДж/(кг·К). 1
Общее количествополучаемой 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 площадьповерхности 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 обменивающимисясредами, оС;
τН– продолжительность нагревания, с, τН = 14400 с.
Давление насыщенногопара, применяемого для нагревания затора:
/> МПа. (2.6)
При данном давлениитемпература насыщения пара по уравнению интерполяции будет равна:
/> оС . )
По условию задания паротводится при температуре насыщения, то есть tн.п = t к.п = 138 оС.
Средняя разность температурмежду обменивающимися средами равна:
/>, (2.7)
где
/> оС; 1
/> оС. 1
Тогда
/> оС. 1
Коэффициент теплопередачиКN при нагревании заторной массы равен:
/>, (2.8)
где α1 иα2 – соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячеготеплоносителя (греющего пара) к стенке паровой рубашки и от поверхности паровойрубашки к заторной массе, Вт/(м2·К);
rзагр1 и rзагр2 – термические сопротивления загрязнений со стороны греющегопара и затора соответственно;
δ – толщинастенки 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 теплопередачиот 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 паровойрубашки, оС.
Величины λ, ρконди μ принимают по средней температуре плёнки конденсата:
/>. (2.10)
Температура стенкирассчитывается из следующего допущения [3]:
/> оС, (2.11)
отсюда
/> оС. 1
Тогда
/> оС. 1
Притемпературе tср = 135,5 оС:
/> Вт/(м·К), 1
/> кг/м3, 1
/> Па·с. 1
Величину r принимают при температуренасыщенного пара tн.п = 138 оС.
При 138 оС:
/> кДж/кг 1
Тогда по формуле (2.9):
/> Вт/(м2·К).
Коэффициенттеплоотдачи от поверхности паровой рубашки к затору α2 находим по формуле[4]:
/>, (2.12)
где Nu – определяемый критерий теплообменаНуссельта, который равен:
/>, (2.13)
где Reмеш – критерий Рейнольдса мешалкизаторного аппарата;
Pr – критерий Прандтля;
μзати μст – коэффициенты динамической вязкости заторной массы присредней температуре и при температуре стенки аппарата соответственно, Па·с.
Длярассчитываемого заторного аппарата ВКЗ-5 выбираем мешалку типа лопастная,основные размеры которой приведены в таблице 2 [5].
Таблица 2 –Характеристика мешалки для заторного аппарата ВКЗ-5Тип 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 Рейнольдсамешалки можно вычислить по формуле:
/>, (2.17)
где n частота вращения мешалки, с-1,n = 0,52 с-1.
Вязкость затораопределяем как вязкость суспензии, состоящей из дробленого солода и воды:
/>/>, (2.18)
где μв –коэффициент динамической вязкости воды, Па·с;
Vт.ч – объём твёрдых частицсолода в заторной массе, м3;
Vсм – общий объёмсуспензии, м3.
Для классическогонастойного способа затирания [1] Vт.ч /Vсм = 0,33.
При среднейтемпературе Δt’= 0,5·(tст + tср.з) = 0,5·(133+87,5) = 110 оС μв =0,256·10-3 Па·с. Тогда
/> Па·с. 1
Согласноформуле (2.17) критерий Рейнольдса мешалки равен:
/>. 1
Критерий Прандтля находятпо 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, чтопри температуре 110оС λзат = 0,605 Вт/(м·К).
Тогда
/>. 1
/>
Рисунок 1 – Зависимостькоэффициента теплопроводности затора от температуры.
Коэффициент динамическойвязкости при температуре стенки аппарата tст = 133 оС:
/> Па·с. 1
А значит критерийНуссельта равен, исходя из формулы (2.13):
/> 1
А по формуле (2.12):
/> Вт/(м2·К). 1
Термические сопротивлениязагрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей принимаем [3]:
rзагр1 = 0,0005 (м2·К)/Вт;
rзагр2 = 0,0002 (м2·К)/Вт.
Коэффициенттеплопроводности при нагреве заторной массы равен тогда согласно формуле (2.8):
/> Вт/(м2·К). 1
Исходя из проделанныхвыше расчетов определяем необходимую площадь поверхности нагревания заторногоаппарата по формуле (2.5)
/> м2. 1
3 Определение расходапара
Расход пара в аппаратеопределяем 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 греющегопара равен:
/>. (3.2)
При настойном способезатирания количество выпариваемой влаги составляет 2 % от массы затора, то есть
/> кг (3.3)
При температуренасыщенного водяного пара (греющего пара) tн.п = 138оС:
/> кДж/кг, 1
/> кДж/кг. 1
Давление вторичного параРбар = 0,1033 МПа, тогда
/> кДж/кг. 1
Потери теплоты вокружающую 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 периодаработы, когда потери тепла в окружающую среду максимальны, примем tвозд = 15 оС.
По технике безопасноститемпература стенки не должна превышать 40оС [2], то есть t’ст = 40 оС. Тогда согласноформуле (3.5):
/> Вт/м2·К. 1
Тогда, исходя извыражения (3.4)
/> кДж. 1
Общий расход греющегопара с учётом потерь в окружающую среду по (3.2):
/> кг. 1
Удельный расход пара на100 кг зернопродуктов равен:
/> кг. 1
4 Расчёт мощностиэлектродвигателя мешалки
Поскольку Reмеш > 50 (Reмеш = 122,5·105), то режим движения можно считатьтурбулентным. Для лопастной мешалки установлена следующая зависимость междукритериями мощности и Рейнольдса [1] для турбулентного режима:
/>. (4.1)
Поправочные коэффициенты,которые влияют на мощность привода мешалки, определяются следующимивыражениями:
/>, (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 дляперемешивания заторной массы равен:
/>. (4.6)
Мощность, требуемая дляперемешивания в аппарате равна:
/> Вт. (4.7)
С учётом КПД передачи исопротивлений, возникающих в аппарате при движении затора, мощностьэлектродвигателя:
/>, (4.8)
где fг – коэффициент сопротивления гильзы для термометра, fг = 1,1;
fтр – коэффициент сопротивления трубыдля стягивания заторной массы, fтр = 1,2;
fш – коэффициент, учитывающий шероховатость стенокаппарата, fш = 1,1;
η – КПДпередачи, η = 0,85. Тогда
/> Вт. 1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе былосуществлён расчёт заторного аппарата — неотъемлемой части такого технологическогоэтапа пивоваренного производства, как приготовление сусла.
Спроектированный заторныйаппарат имеет внутренний диаметр равный 4,8 м и рассчитан на единовременноезатирание 5500 кг солода. Он соответствует стандартной модели заторногоаппарата 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. Данныйтип мешалки прост в исполнении, хорошо подходит для перемешивания вязких смесей,какой является смесь солод – вода. Также мы рассчитали необходимую мощность дляпривода мешалки – 11 кВт.
В итоге можно сказать,что рассчитанный заторный аппарат пригоден для крупных заводов, так какпозволяет затирать одновременно большое количество сухого солода. А в связи сэтим экономятся производственные площади и время на технологическом этапеприготовления сусла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кретов И. Т.,Антипов С. Т., Шахов С. В. Инженерные расчёты технологического оборудованияпредприятий 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 аппаратовхимической 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.