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

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

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;