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;

τ_ц – продолжительность полного рабочего цикла аппарата, ч, τ_ц = 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 G_сол = 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 R_дн = 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

Н_ц 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 G_сол = 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 G_зат – масса нагреваемого затора, кг;

С_зат – удельная теплоёмкость заторной массы, кДж/(кг·К);

t_зат.к и t_зат.н – конечная и начальная температуры заторной массы, ^оС.

Удельная теплоёмкость заторной массы равна:

, (2.2)

где С_в – удельная теплоёмкость воды, С_в = 4,19 кДж/(кг·К);

С_сол – удельная теплоёмкость солода, кДж/(кг·К).

По классической технологии для настойного способа затирания расходуется 400 литров воды на каждые 100 кг солода, то есть G_в = 4G_сол.

Удельная теплоёмкость солода равна:

, (2.3)

где С₀ – удельная теплоёмкость сухих веществ солода, С₀ = 1,42 кДж/(кг·К);

W_сол – влажность солода, %.

Обычно солод, поступающий на затирание, имеет влажность 3…5 %, примем W_сол = 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 К_Н – коэффициент теплопередачи при нагревании заторной массы, кВт/(м²·К);

Δt_Н – средняя разность температур между обменивающимися средами, ^оС;

τ_Н – продолжительность нагревания, с, τ_Н = 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 t_н.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 К_N 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);

r_загр1 и r_загр2 – 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;

λ_ст – теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К), теплопроводность стали 3 λ_ст = 46,5 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопередачи от греющего пара к стенке находим по формуле [1]:

, (2.9)

где С_п – коэффициент пропорциональности, для вертикальной стенки С_п = 0,533;

λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);

ρ_конд – плотность конденсата, кг/м³;

μ – коэффициент динамической вязкости конденсата, Па·с;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Н_ст – высота стенки, м, Н_ст = 2,4 м;

t_п и t_ст – температура пара и стенки паровой рубашки, ^оС.

Величины λ, ρ_конд 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 t_ср = 135,5 ^оС:

Вт/(м·К), 1

кг/м³, 1

Па·с. 1

Величину r принимают при температуре насыщенного пара t_н.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 Re_меш – критерий Рейнольдса мешалки заторного аппарата;

Pr – критерий Прандтля;

μ_зат и μ_ст – 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 d_м равен:

м. (2.14)

Ширина лопасти мешалки b равна:

м. (2.15)

Высота установки мешалки h_м:

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 μ_в – коэффициент динамической вязкости воды, Па·с;

V_т.ч – объём твёрдых частиц солода в заторной массе, м³;

V_см – общий объём суспензии, м³.

Для классического настойного способа затирания [1] V_т.ч /V_см = 0,33.

При средней температуре Δt^’= 0,5·(t_ст + t_ср.з) = 0,5·(133+87,5) = 110 ^оС μ_в = 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 λ_зат – 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 λ_зат = 0,605 Вт/(м·К).

Тогда

. 1

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента теплопроводности затора от температуры.

Коэффициент динамической вязкости при температуре стенки аппарата t_ст = 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]:

r_загр1 = 0,0005 (м²·К)/Вт;

r_загр2 = 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 D_п – расход греющего пара, кг;

W_вып – количество выпариваемой влаги, кг;

i_п, i_вт, i_к – соответственно удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, кДж/кг;

Q_пот – потери теплоты в окружающую среду, кДж;

С_вып – теплоёмкость воды при температуре кипения затора, кДж/(кг·К), С_вып = 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) t_н.п = 138^оС:

кДж/кг, 1

кДж/кг. 1

Давление вторичного пара Р_бар = 0,1033 МПа, тогда

кДж/кг. 1

Потери теплоты в окружающую среду Q_пот рассчитываются по формуле:

, (3.4)

где α_об – коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/м²·К;

t^’_ст, t_возд – температуры стенки аппарата и воздуха соответственно, ^оС.

. (3.5)

Для зимнего периода работы, когда потери тепла в окружающую среду максимальны, примем t_возд = 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 Re_меш > 50 (Re_меш = 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/d_м для лопастной мешалки, α = 3,0;

, (4.3)

где

Н_ап = Н_ц + h_дн + h_кр = 2,4 + 1,2 + 0,72 = 4,32 м ; (4.4)

, (4.5)

где β – коэффициент, учитывающий отношение b/d_м 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 f_г – коэффициент сопротивления гильзы для термометра, f_г = 1,1;

f_тр – коэффициент сопротивления трубы для стягивания заторной массы, f_тр = 1,2;

f_ш – коэффициент, учитывающий шероховатость стенок аппарата, f_ш = 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.