Заторный аппарат

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

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.


СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ



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 процесс производства пива состоит из следующих основных операций: приёма, хранения, очистки и дробления солода, приготовления пивного сусла, получения чистой культуры дрожжей, сбраживания пивного сусла, осветления и розлива пива в бутылки, бочки, автотермоцистерны. В свою очередь, получение пивного сусла состоит из процессов приготовления затора, кипячения сусла и хмеля, осветления и охлаждения сусла. 

Приготовление затора является неотъемлемым и очень важным технологическим процессом. Процесс приготовления затора называют затиранием. При затирании происходят ферментативные и физико-химические процессы, от которых зависит качество сусла и пива. Поэтому важно правильно и разумно проводить процесс затирания, так как от этого зависит конечный выход продукта, экономика и конкурентоспособность предприятия в целом.

Для смешивания дроблёного солода и несоложёных материалов с водой, нагревания, кипячения и осахаривания заторной массы служат заторные аппараты [1]. Изготовляют заторные аппараты  следующих типоразмеров: ВКЗ-1, ВКЗ-1,5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 соответственно на 1000, 1500, 3000 и 5000 кг зернопродуктов.

Заторный аппарат типа ВКЗ [2] представляет собой стальной цилиндрический резервуар с двойным сферическим днищем и сферической крышкой. Пространство между днищами является паровой рубашкой, в которую поступает греющий пар. Рубашка имеет соответствующие фланцы и устройства для подвода пара, отвода воздуха и конденсата. В нижней части днища аппарата находится разгрузочное устройство для спуска части затора (густой фазы) на отварку или выпуска всего затора при передаче его в фильтрационный аппарат. Над сферическим днищем внутри аппарата имеется мешалка с нижним приводом для размешивания заторной массы. Внутри аппарата расположена стяжная труба для отбора жидкой фазы затора. На крышке аппарата смонтирован предзаторник, предназначенный для смачивания сухих дроблёных зерноприпасов при их подаче в аппарат, также там расположен раздвижной люк для обслуживания котла при промывке и наблюдения за технологическим процессом, происходящим в нём. Аппарат имеет по окружности опорное кольцо из углового железа, к которому приварены башмаки для установки его на площадке. Дроблёный солод поступает в предзаторник, где смачивается тёплой водой из смесителя, затем в виде кашицы смывается в аппарат. После отварок заторная масса нагнетается насосом обратно в аппарат для кипячения, а оттуда подаётся в фильтрационный аппарат.

В данной работе мы произведём расчёт геометрических размеров и поверхности теплообмена заторного аппарата в соответствии с исходными данными, так как эти параметры являются важнейшими для правильного проведения технологического процесса. Также мы вычислим расход пара, необходимого для нагревания затора, и мощность электродвигателя мешалки. Все вычисления будут произведены в  расчёте на то, что готовится пиво «Жигулёвское».

1 Расчёт объёма и геометрических размеров заторного аппарата



Объём заторного аппарата V (м3) определяем, исходя из его необходимой производительности по формуле:

  ,                                                   (1.1)

где G – необходимая производительность заторного аппарата, кг/ч;

τц – продолжительность полного рабочего цикла аппарата, ч, τц = 4 ч;

ρ – плотность заторной массы, кг/ м3;

ξ – коэффициент заполнения заторного аппарата, ξ = 0,9.



Объём заторного аппарата можно также определить по количеству затираемого солода, принимая, что на 1000 кг сухого солода требуется 5…7 м3 полного объёма современного заторного аппарата. Примем, что на 1000 кг одновременно перерабатываемого сырья требуется 6 м3 полного объёма аппарата, тогда в соответствии с заданным Gсол =  4000 кг потребуется:

 м3.                                                      (1.2)

Выражая из формулы (1.1) необходимую производительность заторного аппарата получим:

.                                                 (1.3)

Учитывая, что плотность заторной массы ρ = 1081 кг/м3 [1]:

 кг/ч.                                      1

Диаметр корпуса заторного аппарата равен:

 м.                                 (1.4)

Высота выпуклой части наружной поверхности днища:

 м.                             (1.5)

Радиус кривизны в вершине днища Rдн = D = 3,47 м.

Объём днища заторного аппарата:

,                                      (1.6)

 м3.                               1

Объём цилиндрической части заторного аппарата:

 м3.                               (1.7)

Высота цилиндрической обечайки:

 м.                               (1.8)

Сопоставим полученную высоту с конструктивным требованием:

 м,                                    1

 Нц незначительно отличается от H’ц , значит расчёт можно считать достоверным.

Площадь поверхности жидкости в аппарате вычисляется по формуле:

	 м2.                              (1.9)

	Площадь сечения вытяжной трубы равна:

	 м2.                       (1.10)

	Диаметр вытяжной трубы:

	 м.                          (1.11)

	Коэффициент формы днища заторного аппарата:

	,                                              (1.12)

	где d0 – диаметр отверстия для спуска затора. Примем d0 = 0,2 м [1], тогда

	 м.                                            1

	Находим толщину стенки днища по формуле:

	,                                       (1.15)

	где Р – наружное избыточное давление, МПа;

	      [σ] – допускаемое напряжение при сжатии, МПа;

	      φ – коэффициент прочности сварного шва, φ=1;

	      С – прибавка к расчётной толщине, С = 0,002 м.

	Обычно оптимальными для заторных аппаратов являются рабочее давление Р = 0,245 МПа и допускаемое напряжение при сжатии для стенки, изготовленной из стали 3 [σ] = 10 МПа, тогда:

	 м.                                  1

	Проверяем условие справедливого расчёта толщины стенки днища:

	;                                                   1

	;                                        1

,                                                      1

значит условие выполняется и расчёт можно считать достоверным.

По рассчитанным размерам для массы перерабатываемого солода Gсол = 4000 кг выбираем стандартный заторный аппарат типа ВКЗ-5, техническая характеристика которого представлена в таблице 1 [1].



Таблица 1 – Техническая характеристика заторного аппарата ВКЗ-5

Показатель

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 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



Кретов И. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Инженерные расчёты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. – М. : КолосС, 2004. – 391 с.

Антипов С. Т., Кретов И. Т., Остриков А. Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств. – М. : Высш. шк., 2001. – Кн. 2. - 680 с.

Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л. : Химия, 1987. – 576 с.

Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М. : КолосС, 2000. – 551 с.

Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры: справочник. – Л. : Машиностроение, 1970. – 752 с.