Технические описания и расчеты

Могилев 2005

Введение

 

Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных товарных сортов не менее 14–16%; кислотность по винной кислоте -0,2–1,0%. Сахарокислотный желателен в пределах 22–28. В зависимости от товарного сорта в соке допускается от 0,05 до 0,15% осадка.

Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия, Сильванер, Ркацетели, Кокур, Саперави, Воскеат и др.

Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.

Выход сока в среднем составляет (в % от массы мезги) 72,3 – -63,6% сока самотека и 1 фракции и 20,2% сока 2 фракции и 3 фракции.

Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют. Выдержка сока полуфабриката производится в тканях, с целью удаления винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой ненасыщенный раствор или пересыщенный раствор. В процессе хранения сока при нарушении равновесия, выпадают кристаллы винного камня, это портит внешний вид сока и особенно не допустимо при использовании продукта для питания детей. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет кристаллизацию.

После 2–3 мес. хранения выпадает винный камень, сок само осветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 70–80°С, фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75–85⁰С с последующим водяным охлаждением.

При декантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.

Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.

Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока и сочетать стабилизацию тартратов в растворе или их быстрое осаждение с осветлением сока.

 

 

Состояние вопроса

 

Целью данного курсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходим при производстве виноградного сока.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.). Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменника – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

1) жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

2) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

3) газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.).

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени. При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150–160⁰С, что соответствует давлению (5–7)∙10⁵ Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200⁰С.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

Эти аппараты имеют цилиндрические, сферические или плоские двойные стенки – водяные или паровые рубашки, через которые происходит теплообмен.

Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством.

При небольших расходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределе до одной. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа «труба в трубе», каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно.

Погружной трубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью.

Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

 

 

Тепловой расчет аппарата

теплообменник виноградный сок аппарат

Исходные данные:

производительность аппарата G=600 л/ч=637,2 кг/ч;

температура: продукта на входе в аппарат t₁=15⁰С; на выходе из аппарата t₂=70⁰С; греющего пара t_п=120⁰С;

скорость движения продукта: w_п=0,5 м/с;

В качестве продукта используется виноградный сок:

с=1062,86 кг/м³;

µ=0,000785 Па∙с;

с=3395,44 Дж/кг∙К;

л=557,2∙10^-3 Вт/м∙К;

Содержание сухих веществ в соке составляет 16%.

В качестве теплоносителя используется водяной пар.

1. Тепловая нагрузка аппарата:

Q=G₁c₁(t₂-t₁)=637,2×3,395 (70–15)=118981,17 кДж/ч;

2. Средняя разность температур:

а) большая разность температур:

Дt_б= t_п – t₁=120–15=105⁰С;

б) меньшая разность

Дt_м =t_п – t₂=120–70=50⁰С.

Так как Дt_б /Дt_м=2,1>2, то Дt_ср=(Дt_б – Дt_м)/ln (Дt_б/ Дt_м)

Дt_ср=(105 – 50)/ln (105/ 50)=74,13 ⁰С.

3. Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле d_э»4bd/2b=2d (сторона d не участвует в теплообмене). Приняв ширину канала равную 0,01 м, получаем значение эквивалентного диаметра: d_э=2×0,01=0,02 м.

4. Задавшись скоростью движения раствора w₁=0,5 м/с, находим площадь сечения канала теплообменника:

f=G₁/r₁3600w₁=637/1062×3600×0,5=0,00033 м². Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты) b_е=0,00033/0,01=0,033 м. Принимаем ширину ленты 0,025 м, тогда площадь поперечного сечения канала f=0,00035 м².

Действительная скорость движения сока по каналу теплообменника:

w₁=G₁/r3600f=637,2/1062×3600×0,00035=0,47 м/с.

5. Определяем динамический коэффициент вязкости (пленки конденсата) и численные значения ее теплопроводности, коэффициент теплопроводности и плотности как функции от t_пл=97,76°С:

µ_пл= 291,13 ∙10^-6 Па∙с;

с_пл=4220,41 Дж/кг∙К;

л_пл=68,23 ∙10^-2 Вт/м∙К;

с_пл=959,67 кг/м³.

6. Расход греющего пара:

G₂=Q/c_пл(t_п – t₁)=118981,17/4220,41 (120–15)=268,49 кг/ч.

7. Скорость греющего пара в канале теплообменника:

w₂=268,49/959,67×3600×0,00035=0,22 м/с.

8. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для продукта:

Re₁=w₁d_эr/m=0,47×0,02×1062/0,000785=12717

9. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для греющего пара:

Re₂=w₂d_эr/m=0,22×0,02×959,67/0,00029113=14504

10. Принимаем диаметр спирали теплообменника D_c=1 м, находим критическое значение Re:

Re_кр=20000 (d_э/D_c)^0,32=20000 (0,02/1)^0,32=5720

11. Вычисляем число Прандтля для продукта:

Pr₁=cm/l=(3395,44×0,000785)/0,557=4,78

12. Вычисляем число Прандтля для пристенного слоя воды:

Pr₂=c_плm_пл/l_пл=(4220,41×0,00029113)/0,6823=1,8

13. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенкам спирали:

Nu₂=0,023Re₂^0,8Pr₂^0,33(1+3,54d_э/D_c)=0,023×14504^0,8×1,8^0,33(1+3,54×0,02/1)= 63,8

Откуда:

a₂=Nu₂l_пл/d_э=63,8×0,6823/0,02=2176,5 Вт/(м²×с).

14. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к продукту:

Nu₁=0,023Re₁^0,8Pr₁^0,33(1+3,54d_э/D_c)=0,023×12717^0,8×4,78^0,33(1+3,54×0,02/1)= 79

Откуда:

a₁=Nu₁l/d_э=79×0,557/0,02=2200,15 Вт/(м²×с).

15. Задавшись толщиной стенки теплообменника d_ст=0,004 м и материалом стенки из стали Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности l_ст=16 Вт/(м×°С), находим значение:

k=1/((1/a₁)+(1/a₂)+(d/a_ст))=1/(0,00045943+0,000454514+0,00025)=859,14 Вт/(м×°С).

16. Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника:

F=Q/kДt=(118981,17×1000)/(859,14×74,13×3600)=0,518 м².

17. Длина листов спирали определяется из соотношения:

L=F/2b=0,5187,4×0,035=7,4 м².

18. Число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению:

N=L/(2pt)+1/16 (d/t-1)²-1/4 (d/t-1)=7,55

где t=d+dст=0,01+0,004=0,014 м;

d=2r+t=2×0,05+0,014=0,114 м. (r принимаем равной 0,05 м).

19. Наружный диаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа определяется по формуле:

 

Dc=d+2Nt+dст=0,314+2×15,1×0,014+0,004=0,74 м.

где N=2n=2×7,55=15,1 – число витков обеих спиралей.

20. Зная наружный диаметр спирали, находим по формуле критическое значение Re:

Reкр=20000 (0,02/, 74)^0,32=6298,04

21. Определяем потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника:

ü Для продукта потерю напора определяем по формуле:

ДP=0,0113/((Lrw₁²)/(Re^0,25d))=184,8 кг/м².

ü Для греющего пара потерю напора определяем по формуле:

ДP=0,0113/((Lrw₂²)/(Re^0,25d))=35,3 кг/м².

 

Список литературы

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272 с.

2. Основные процессы и аппараты пищевых производств / Под ред. Ю.И. Липатова. – М.: Химия, 1987. – 272 с.

3. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стахеева. – М.: «Вышэйшая школа», 1972

4. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

5. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стабникова. – М.: «Вышэйшая школа», 1972

 

 

Могилев 2005

Введение

 

Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных товарных сортов не менее 14–16%; кислотность по винной кислоте -0,2–1,0%. Сахарокислотный желателен в пределах 22–28. В зависимости от товарного сорта в соке допускается от 0,05 до 0,15% осадка.

Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия, Сильванер, Ркацетели, Кокур, Саперави, Воскеат и др.

Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.

Выход сока в среднем составляет (в % от массы мезги) 72,3 – -63,6% сока самотека и 1 фракции и 20,2% сока 2 фракции и 3 фракции.

Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют. Выдержка сока полуфабриката производится в тканях, с целью удаления винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой ненасыщенный раствор или пересыщенный раствор. В процессе хранения сока при нарушении равновесия, выпадают кристаллы винного камня, это портит внешний вид сока и особенно не допустимо при использовании продукта для питания детей. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет кристаллизацию.

После 2–3 мес. хранения выпадает винный камень, сок само осветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 70–80°С, фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75–85⁰С с последующим водяным охлаждением.

При декантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.

Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.

Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока и сочетать стабилизацию тартратов в растворе или их быстрое осаждение с осветлением сока.

 

 

Состояние вопроса

 

Целью данного курсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходим при производстве виноградного сока.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.). Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменника – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

1) жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

2) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

3) газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.).

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени. При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150–160⁰С, что соответствует давлению (5–7)∙10⁵ Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200⁰С.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

Эти аппараты имеют цилиндрические, сферические или плоские двойные стенки – водяные или паровые рубашки, через которые происходит теплообмен.

Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством.

При небольших расходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределе до одной. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа «труба в трубе», каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно.

Погружной трубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью.

Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

 

 

Технические описания и расчеты