Двухкорпусная выпарная установка
Содержание:
Введение
Задание №1. Проектный расчет двухкорпусной выпарной установки
с барометрическим конденсатором
. Расчет двухкорпусной выпарной установки
. Расчет барометрического конденсатора
Задание №2. Проектный расчет туннельной сушилки
. Расчет трехзонной сушилки
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Введение
Курсовая работа по дисциплине: «Процессы и аппараты пищевых производств»
включает выполнение проектных расчетов двух установок, широко используемых в
переработке продуктов питания: выпарного аппарата с конденсатором и туннельной
трехзонной сушилки. По каждому из этих заданий необходимо:
1. Выполнить проектные расчеты в соответствии с приведенными
методическими указаниями;
2. Вычертить на листе формата А3 схемы рассчитываемых установок с
указанием на них заданных и расчетных величин массовых и энергетических
потоков, параметров и основных конструктивных размеров;
. Оформить результаты расчетов в виде пояснительной записки.
В первом задании необходимо выполнить проектный расчет трехкорпусной
выпарной установки с барометрическим конденсатором пара и расчет полочного
конденсатора, создающего во втором корпусе выпарной установки необходимый
вакуум за счет конденсации пара при его смешении с холодной водой.
Во втором задании курсовой работы необходимо выполнить проектный расчет
туннельной трехзонной сушилки.
Задание №1
Задача. Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия
для сгущения томатной массы в количестве G =2,0 кг/с от xн = 5 % до xк = 20 %. Масса поступает на выпаривание подогретой до
температуры кипения. Давление пара, греющего I корпус, pг.п. = 0,13 МПа, остаточное давление вторичного пара,
поступающего в барометрический конденсатор, pвт.п. = 13 кПа. Диаметр медных трубок греющей камеры принять
33 х 1,5 мм.
Общие сведения
Выпаривание - процесс частичного удаления растворителя из растворов путем
кипения последних. Выпариванию подвергают водные растворы твердых веществ,
однако растворителями могут быть и другие жидкости.
Выпаривают такие водные растворы, как соки, эмульсии (молоко), суспензии
и пр.
Раствор, подлежащий выпариванию, называется исходным или свежим
раствором.
Получаемый в процессе выпаривания раствор называется упаренным раствором,
а отводимый пар растворителя - вторичным паром, не содержащим растворенного
вещества.
При выпаривании концентрация растворенного вещества (B) в растворе повышается.
При насыщении раствора происходит выпадение твердого вещества, т.е.
выпаривание сочетается с кристаллизацией. Образуется неоднородная масса - смесь
маточного раствора и твердых кристаллов. Концентрация и вязкость перестают быть
однозначными, теперь они соответствуют каждый своей среде (твердой или жидкой).
Выпаривание ведут в технологических устройствах, называемых выпарными
аппаратами, которые могут быть однокорпусными и многокорпусными.
При повышении температуры подогревателя органические вещества раствора
разлагаются и портят качество конечного продукта.
Для сохранения качества продукта концентрированные растворы выпаривают
при пониженных давлениях и, соответственно, меньших температурах. Этот процесс
идет под вакуумом и поэтому выпарные аппараты называются вакуум-аппаратами.
Принцип работы барометрического конденсатора
Вторичный пар из последнего корпуса направляется в конденсатор смешения
(барометрический конденсатора) с целью создания в нем вакуума.
В конденсаторе поднимающиеся вверх пары конденсируются при прохождении
через водяные завесы, создаваемые потоком охлаждающей воды, перетекающей с
верхних полок на нижние.
Для увеличения поверхности контакта пара с водой в полках имеются
отверстия, через которые последняя протекает, образуя струи и капли (в виде
дождя).
Резкое уменьшение при конденсации пара занимаемого им объема приводит к
созданию вакуума в конденсаторе, а значит, и в соединенном с ним выпарном
аппарате.
Теоретически достижимый вакуум (точнее - остаточное давление)
соответствует упругости водяного пара над смесью отработанной охлаждающей воды
и образовавшегося конденсата.
Реально создается несколько меньший вакуум (остаточное давление на уровне
5000 - 10000 Па), так как в конденсатор попадают неконденсирующиеся газы.
Точного метода расчета основных размеров барометрического конденсатора
смешения не существует.
Его диаметр оценивают по расходу вторичного пара и его скорости в свободном
сечении (10 - 15 м/с), а затем по каталогам подбирают ближайший больший (по
диаметру) конденсатор.
Число каскадов принимают 5 - 7. Этого достаточно для полной конденсации
вторичного пара.
Площадь сегментных вырезов для прохода парогазовой смеси с каскада на
каскад составляет 40 - 50 % от площади сечения конденсатора.
Расчет двухкорпусной выпарной установки
. Определяем количество выпариваемой воды. Количество воды, выпаренной в
двух корпусах установки, определяем по формуле:
;
W = 2,0×(1− 5/20) = 1,5 кг/с.
.
Выбираем и обосновываем выбор соотношения выпариваемой воды по корпусам
установки.
1:
W2 = 2:1.
Тогда
количество воды, выпариваемой по корпусам, составит:
в
I корпусе W1 = 1,5 · 2/(1 + 2) = 1 кг/с;
во
II корпусе W2 = 1,5 · 1/(1 + 2) = 0,5 кг/с.
Проверяем
правильность распределения расходов воды. Должен выполняться баланс:
=W1+W2=1+0,5
= 1,5 кг/с.
.
Определяем расход продукта поступающего во второй корпус. Расход продукта G1,
перетекающего из первого корпуса во второй:
=
G - W1=2,0 - 1 = 1 кг/с,
а
конечного (сгущенного) продукта G2:
=
G - W= 2,0 - 1,5 = 0,5 кг/с.
.
Определяем конечную концентрацию сгущенной массы. Определяем конечную
концентрацию сгущенной массы в каждом корпусе по формуле:
к=G×Хн/(G-W1-…Wn);
в
I корпусе:кI = 2,0 · 5/(2,0 − 1) = 10 %;
во
II корпусе:кII = 2,0 · 5/(2,0 - 1 - 0,5) = 20 %;
Распределение
давления пара по корпусам. Найдем величину затраченного на выпаривание:
Находим
величину давления по каждому корпусу:
Термодинамические
параметры соответствующие найденным давлениям в корпусах установки методом
интерполяции, находим в Приложение 1, 2, и результаты заносим в табл. 1.1:
Таблица
1.1
Термодинамические
параметры пара по корпусам установки
|
Давление, Р, кПа
|
Температура насыщенного
водяного пара, t, оС
|
Теплота фазового перехода, r,
кДж/кг
|
Греющий пар
|
130
|
106,89
|
2238,79
|
I корпус
|
71,5
|
90,15
|
2281,75
|
II корпус
|
13
|
50,86
|
2379,72
|
-6. Рассчитываем температурные потери по корпусам. Температурные потери
от физико-химической депрессии в зависимости от концентрации томатной массы и
давления в корпусе определяем по формуле для томатных соков:
где
xк− концентрация сухих веществ, %;
р
- давление в корпусе или давление соответствующее температуре кипения раствора
в корпусе, кПа.
Для
I корпуса значение физико-химической депрессии для сгущаемого томатного сока:
Δф-х I = 0,025 ∙101,1 ∙ 71,5 0,17 = 0,65°С.
Во
втором корпусе, на момент определения депрессий примем, что давление
соответствует остаточному давлению паров входящих в барометрический
конденсатор, т.е. 16 кПа.
Для
II корпуса значение физико-химической депрессии:
Δф-х II = 0,025 ∙ 201,1 ∙ 130,17 = 1,04°С,
следовательно,
по двум корпусам:
åΔф-х =
0,65 + 1,04 = 1,69°С.
Температурные
потери от гидростатической депрессии примем равными
,5
°С на каждый корпус. Тогда для двух корпусов:
åΔг-с =
1,5 ∙ 2 = 3°С.
Температурные
потери от гидравлической депрессии примем равными 1 °С на каждый корпус. Тогда
для двух корпусов:
åΔг = 1 ∙
2 = 2°С.
Сумма
всех температурных потерь на выпарной установке равна:
Δ = 1,69 + 3 + 2 = 6,69°С.
.
Определяем полную и полезную разность температур. Полная разность температур в
выпарном аппарате - это разность между температурами греющего пара и кипящего
раствора, т.е.
;
В
многокорпусной выпарной установке полная разность температур определяется как разность между температурами пара , греющего первый корпус, и вторичного пара , входящего в корпус конденсатора:
.
Полезная
разность температур на установке меньше
полной на величину температурных потерь ,
вызываемых физико-химической ,
гидростатической и гидравлической депрессиями:
.
Полная
разность температур:
Δtполн = 106,89 - 50,86 = 56,03 °С.
Полезная
разность температур:
Δtполезн = 56,03 − 6,89 = 49,14 °С.
°С.
°С.
.
Рассчитываем коэффициенты теплопередачи по корпусам.
=
α1 ×α2/(α1+α2);
где
α1 - коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке
труб;
α2 - коэффициент теплоотдачи от кипящего раствора к стенкам труб.
Коэффициент
теплоотдачи α1 для I корпуса при tгр.п. = 106,89°С (табл.1.1)
определяем по формуле и он составит:
α1 = 1163(1,9 + 0,04 · 106,89) = 7182,22 Вт/(м2К)
Для
определения α2, используем формулу:
где
А2 - коэффициент определяемый методом интерполяции (Приложение 3), q -
удельный тепловой поток выпарного аппарата, находится по формуле:
где
Wп - количество выпаренной воды в соответствующем
аппарате, кг/с;
r - теплота
фазового перехода, кДж/кг, определяется по табл.1., для соответствующего
корпуса;
F - площадь
теплообменной поверхности соответствующего выпарного аппарата
Показатель
А2 также находим, если воспользоваться таблицей Приложение 3, где при xкI = 10
мас. % и температуре кипения раствора tрI = 92,25 ° С используя метод
интерполяции получим A2 = 479,45.
Тогда:
α2 = 479,45 · (45,63)0,6 = 4745,64Вт/(м2·К);= 7182,22 · 4745,63/(7182,22
+ 4745,63) = 2857,53 Вт/(м2К).
С
учетом загрязнения KI = 2857,53 × 0,9= 2571,78
Вт/(м2К).
Для
II корпуса:
α1 = 1163(1,9 + 0,04 · 90,15) = 6403,48 Вт/(м2·К).
При
концентрации раствора хкII = 20 мас. % и tрII = 53,4°С, получаем А2 = 283,94,
используя метод интерполяции. Тогда:
α2 = 283,94 · 23,80,6 = 1901,83Вт/(м2К)
КII
= 6403,48 ·1901,83 /(6403,48 +1901,83) = 1466,33Вт/(м2К).
С
учетом загрязнения:
КII
=1466,33 · 0,9 = 1319,7 Вт/(м2×К).
.
Определяем тепловые нагрузки по корпусам с учетом тепловых потерь. Так как
томатная масса подается на выпарку подогретой до температуры кипения, тепловая
нагрузка на I корпус будет:
=
W1×r1· 1,05;= 1 · 2281,75 · 103 · 1,05 = 2395,84 · 103
Вт.
Во
II корпус, работающий под меньшим давлением, томатная масса поступает
перегретой, и при самоиспарении из нее выделяется часть воды в виде вторичного
пара. Тогда тепловая нагрузка на II корпус:
=[0,5
·2379,72 ·103 - 1 ·3150 ·(92,25 - 53,4)]·1,05= 1120,86·103 Вт,
где
с = 3150 Дж/(кг×К) - теплоемкость томатной массы.
.
Определяем расход греющего пара поступающего только в I корпус:
.
Определяем удельный расход пара приходящейся на 1 кг выпаренной воды:
= D1/W= 1,05 / 1,5 = 0,7 кг
на 1 кг воды.
. Определяем распределение
полезной разности температур по корпусам. Распределение полезной разности
температур находится из условия одинаковой поверхности нагрева по корпусам.
Полезную разность температур определяем по формуле:
Для I корпуса:
ΔtполезнI = [( 49,14 · 2395,84∙ 103 / 2857,53 ) /
[(2395,84· 103 /2857,53 ) + ( 1120,86 · 103 / 1319,7 )] = 24,41 °С.
Для II корпуса:
ΔtполезнII = [(49,14 · 1120,86 · 103 / 1319,7 ) /
[(2395,84 · 103 / 2857,53 ) + ( 1120,86 · 103 / 1319,7 )] = 24,73 °С.
Проверяем общую полезную
разность температур:
ΣΔtполезн = ΔtполезнI + ΔtполезнII = 24,73 + 24,41 = 50,86°С.
Что указывает на правильность
ее распределения.
. Определяем поверхности
нагрева по корпусам выпарной установки по формул:
Для I корпуса:
FI = 2395,84 · 103 / ( 2857,53 · 24,41 ) = 45,72 м2;
Для II корпуса:= 1120,86 · 103 / ( 1319,7∙ 24,73) = 34,35 м2.
Расчет барометрического конденсатора
. Определяем термодинамические параметры воды и водяного пара.
Температуру воды на входе в барометрический конденсатор принимаем tвх.к=15 ºС. Температуру воды, уходящей из
корпуса конденсатора, принимаем на 3 º ниже температуры насыщенного пара
(табл.1.1), уходящего из конечного корпуса выпарной установки, т.е.
вых,к.= tвт.п.II -3 = 50,86 - 3= 47,86 оС .
Теплоемкость
воды [св, Дж/(кг К)] при средней температуре находим
из табл. Приложение 3, св=4187 Дж/кг×К.
Энтальпия
водяного пара (i, Дж/кг), поступающего на конденсацию- определяется по табл.
Приложение 2 при давлении конденсации Рконд=Рвт.п.. В нашем случае Рконд=Рвт.п.
=13 кПа:= 2592,61 кДж/кг.
.
Определяем расход воды. Расход воды (кг/с) на полную конденсацию насыщенного
пара в однокорпусном конденсаторе рассчитываем по формуле:
,
где
Wn - количество конденсирующегося пара, поступающего из последнего корпуса
выпарной установки. В нашем случае Wn = W2.
.
Определяем объем пара. Объем пара, проходящего через конденсатор,
находим
по формуле:
где
ρ - плотность пара, кг/м3, рассчитываем методом
интерполяции (табл. Приложение 8)
4. Рассчитываем диаметр корпуса. Задаем скорость
движения пара в корпусе конденсатора ωп = 18 ¸ 22 м/с и рассчитываем диаметр его
корпуса по формуле:
м.
Округляем
расчетный диаметр корпуса конденсатора до ближайшего большего по каталогу или
по типовому ряду размеров, кратному 0,2 , и получаем 0,6 м.
.
Определяем высоту слоя воды. Высоту слоя воды на полке рассчитываем по формуле:
где
b - ширина полки конденсатора, определяемая по формуле:
.
.
Определяем начальную скорость истечения воды. Начальная скорость истечения воды
с первой полки определяется:
,
где
ρв - плотность воды (кг/м3) (табл. Приложение 4)
.
Определяем среднюю скорость истечения воды. Средняя скорость истечения воды с
полки:
где
Н - расстояние между полками и определяется, как:
Н
= 0,35·dк = 0,35·0,6 = 0,21 м.
.
Определяем эквивалентный диаметр струи. Эквивалентный диаметр струи
рассчитывается:
где
м.
.
Определяем температуру воды, уходящую с первой полки. Температуру воды,
уходящую с первой полки, tв.1, находим из уравнения:
=
==
=
ºС.
.
Определяем число необходимых ступеней конденсации. Число необходимых ступеней
конденсации рассчитываем по формуле:
.
Число
полок в конденсаторе принимаем на единицу больше, т.е. 19.
.
Определяем внутренний диаметр барометрической трубы. Внутренний диаметр
барометрической трубы определяем по формуле:
,
.
Определяем высоту барометрической трубы:
где
Pразр - разряжение в конденсаторе (Pразр
= Ратм - Рконд), кПа,
Ратм
- атмосферное давление, кПа;
Σξ - сумма коэффициентов сопротивления местных потерь
напора (принимается 1,5);
λ - коэффициент сопротивления трению на прямом участке трубы (для
технически шероховатых труб принимаем 0,02 ¸ 0,04);
Но
- ориентировочная высота барометрической трубы (принимается 10 м);
dб - внутренний
диаметр барометрической трубы, м.
м.
С
учетом погружения на 1 м в сборник воды, принимаем высоту барометрической трубы
10,57 м.
.
Определяем количество воздуха. Количество воздуха, откачиваемого из
конденсатора вакуум-насосом определяем по эмпирической формуле:
.
Определяем температуру воздуха. Температуру воздуха определяем по формуле:
.
Определяем парциальное давление воздуха в конденсаторе. Согласно табл.
Приложение 5 и 8, при температуре воздуха 22,29ºС парциальное давление водяного пара в воздухе Рпарц =
2690,3 Па, по методу интерполяции. Тогда парциальное давление воздуха в
конденсаторе:
Рвозд
= Рконд - Рпарц = 13000 - 2690,3 = 10309,7 Па.
.
Определяем объем воздуха, откачиваемого насосом:
.
Задание №2
выпарной установка сушилка конденсатор
Задача. Рассчитать трехзонную туннельную сушилку для мармелада.
Производительность по готовому продукту Gк = 950 кг/ч. Удельная теплоемкость абсолютно сухого вещества
в мармеладе сс.м.= 1,672 кДж/кг К. Влажность мармелада (на общую массу)
начальная Wн= 33%, конечная Wк = 23 %. Длительность сушки 6 часов.
Сушка производится на стальных вагонетках, перемещающихся в подвешенном
состоянии. На каждой из них помещается 19 решет с материалом. Масса решета 0,40
кг, масса вагонетки 21 кг. Длина вагонетки 1,30 м, высота - 1,34 м, ширина -
0,60 м.
Вместимость решета по высушенному материалу - 4,7 кг. В сушилке
осуществляется переменный режим сушки по зонам. В каждой зоне происходит
возврат части отработавшего воздуха и имеется самостоятельная калориферно -
вентиляционная система. Температура свежего воздуха tсв = 20 оС, влажность, 60
%, температура в цехе tц = 20 оС. Остальные необходимые для выполнения расчетов
параметры даны в табл. П.2.1 - П.2.5 приложения 2, а также табл 2.1. и 2.2.
Общие определения и понятия
Сушка - это процесс или способ разделения однородных или неоднородных
систем, заключающийся в удалении влаги с использованием тепловых и диффузионных
явлений.
В процессе сушки влага материала передается сушильному агенту и вместе с
ним удаляется из рабочей зоны сушилки.
Этим сушка отличается от других способов удаления влаги - механического
(отжим в прессах или центрифугах) и физико-химического, основанного на
применении водоотнимающих средств.
Сушке могут подвергаться твердые материалы (кристаллические, такие, как
сахар, соль и др.), коллоидно-дисперсные (эластичные и хрупкие гели и
капиллярно-пористые тела).
Процесс сушки
Процесс сушки включает нагревание сушильного агента и приведение его в
соприкосновение с высушиваемым материалом в сушильной камере.
Процесс сушки происходит в три этапа:
) перемещение влаги из глубины тела к поверхности (процесс
влагопроводности);
) парообразование на поверхности материала (процесс влагоотдачи);
) перемещение пара в окружающем воздухе.
В начале сушки материал подогревается, и скорость массового потока
удаляемой влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В этот
период удаляется влага, механически связанная с материалом (поверхностная и
капиллярная).
Процесс продолжается. В этот период температура материала, покрытого
влагой, равна температуре мокрого термометра. Во втором периоде скорость сушки
(потери влаги материала) уменьшается. В этот период удаляется влага, более
прочно связанная с материалом, в частности, адсорбированная.
В первом периоде сушки движущей силой процесса является разность давления
насыщенного пара или давления в пограничном слое материала и парциального
давления пара в окружающей среде (рн-рв). В этот период скорость диффузии не
влияет на скорость сушки.
Во втором периоде сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже
равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги
в нем.
Расчет трехзонной туннельной сушилки
. Определение расхода испаренной влаги и продукта. Расход испаренной
влаги по всей установке (U,
кг/с):
,
где
Gн и Gк - массовые расходы высушиваемого продукта до (в
начале) и после (в конце) сушки, кг/ч (производительность сушилки):
где
Wн и Wк - влажность продукта до и после сушки.
Таблица
2.1
Распределение
влажности продукта по зонам сушки
Вид продукции
|
Параметр
|
Зоны сушилки
|
|
|
1
|
2
|
3
|
Мармелад
|
Влажность W1 на входе
|
32
|
28,5
|
24
|
|
Влажность W2 на выходе
|
28,5
|
24
|
23
|
|
Длительность сушки, t, ч
|
1,5
|
3
|
1,5
|
Расход испаренной влаги в первой зоне сушки:
кг/ч
где
Wн1 и Wк1 - влажность продукта на входе и выходе зоны 1
(задана в табл.2.1 и табл. П.2.4 Приложение 2).
Расход
продукта на выходе из первой зоны :
кг/ч.
Расход
продукта на входе во вторую зону:
Gн2=Gк1=1023,08
кг/ч.
Расход
испаренной влаги во второй зоне:
кг/ч.
Таблица
2.2.
Распределение
параметров воздуха по зонам сушки
Вид продукции
|
Параметр
|
Значения параметров воздуха
по зонам
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
|
вход tН1
|
выход tК1
|
вход tН2
|
выход tК2
|
вход tН3
|
выход tК3
|
Мармелад
|
Температура, оС
|
66
|
55
|
72
|
63
|
75
|
68
|
|
Относительная влажность
воздуха, j, %
|
-
|
30
|
-
|
26
|
-
|
10
|
|
Удельный расход теплоты в
окружающую среду на 1 кг испаряемой влаги,q о.с. кДж/кг
|
-
|
320
|
-
|
600
|
-
|
960
|
Расход продукта на выходе из второй зоны:
кг/ч.
Расход
продукта на входе в третью зону:
н3=Gк2=962,5
кг/ч.
Расход
испаренной влаги в третьей зоне:
кг/ч.
Расход
продукта на выходе из третьей зоны:
кг/ч.
Проверка
по общему расходу влаги:
.
Определяем габаритные размеры сушильной камеры по зонам. Определение габаритных
размеров сушильной камеры зависит от производительности и длительности сушки.
Вначале
определяем вместимость зон по высушиваемому материалу:
,
где
N - число туннелей в зоне (петель-проходов одной
вагонетки по зоне);
τ - длительность сушки, ч (по зонам, задано).
Для
1 зоны. Принимаем N1 = 1, тогда вместимость:
кг.
Для
2 зоны. Принимаем N2 = 2 (так как вагонетка в зоне делает две петли) и
вместимость равна:
кг.
Для
3 зоны. Принимаем N3 = 1 и вместимость третьей зоны:
кг.
.
Определяем число вагонеток в зонах. Число вагонеток (n), находящихся в зонах
сушки вычисляют по формуле:
где
qг - вместимость вагонетки по высушенному материалу:
кг;
-
масса сухого продукта на решете (из условия задачи);
nр - число решет
на вагонетке (из условия задачи).
Число
вагонеток в первой зоне сушилки:
Число
вагонеток во второй зоне сушилки:
Число
вагонеток в третьей зоне:
.
Определяем длину туннеля. Длина туннеля каждой зоны
определяется
по формуле:
где
l - длина вагонетки, м;
l0 - дополнительная
длина туннеля, необходимая для образования зазоров между вагонетками и между
вагонеткой и дверями:
м
Длина
туннеля второй зоны:
Длина
туннеля третьей зоны: м.
Длину
сушильной камеры для размещения каналов всех зон подбирается по максимальному
значению, т.е. 24.05 м.
.
Определяем ширину туннелей. Ширину туннелей зон сушки можно определить по
формуле:
где
b - ширина вагонетки, м;
b0 - зазоры
между вагонетками и боковыми стенками туннеля, принимается
b0 =
(0,04...0,07), м;
Выбираем
b0 = 0,05 м.
Для
первой и третьей зоны:
Для
второй зоны, имеющей две петли движения:
Ширина
сушильной камеры для размещения каналов всех зон
6. Определяем высоту туннеля. Высота туннеля находится по формуле:
где
h - высота вагонетки, м;
h0 - зазор между
вагонеткой и потолком туннеля (определяется
конструктивными
особенностями туннеля). Примем ho = 0,07 м.
Для
всех зон сушки высота туннеля будет:
.
Определяем удельный расход теплоты на нагревание материала, предварительно,
находим полный расход теплоты на нагревание материала в сушильной камере Qм,
кДж/ч:
где
Gк - расход высушиваемого материала на выходе из
сушилки по каждой зоне, кг;
c - удельная
теплоемкость высушиваемого материала в соответствующей зоне сушки, кДж/кг×К;
t км, tнм -
температуры высушиваемого продукта на входе в зону сушки (для первой зоны -
температура цеха) и на выходе из нее.
а)
Находим теплоемкость материала для каждой зоны:
где
cв - удельная теплоемкость воды, cв
=4187 Дж/(кг×К);
cсух.вещ. -
удельная теплоемкость сухого вещества материала (из условия задачи);
WК - влажность
продукта после сушки, %.
б)
Находим, предварительно, теплоемкости материала по зонам
сушки,
кДж/(кг×К):
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
в)
Находим температуру материала на выходе из каждой зоны сушилки, оС. Допускаем,
что при перекрестном движении материала и воздуха температура на (2…3) оС ниже
средней температуры воздуха в зоне. Примем эту потерю Dt равной Dt1 = 3 °С; Dt2 =
2,5 °С; Dt3 = 2 oC.
Тогда
для 1-й зоны:
;
для
2-й зоны:
;
для
3-й зоны:
;
где
tН - температура воздуха выходящего из калорифера в
соответствующей зоне;
tК - температура
воздуха в конце зоны перед калорифером последующей зоны.
г)
Находим температуру материала на входе в зону сушки:
для
1-й зоны: °С;
для
2-й зоны: °С;
для
3-й зоны: °С.
д)
Находим расход теплоты на нагревание высушиваемого материала:
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
И
тогда, удельный расход теплоты на нагревание материала по
зонам
сушки, определяемый по формуле:
для
1-й зоны будет равен:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
.
Определяем удельный расход теплоты на нагревание транспортных приспособлений.
Предварительно находим полный расход теплоты на нагревание транспортных
приспособлений (вагонеток и решет) по формуле:
где
Gтр. - масса транспортных приспособлений проходящих через камеру сушки, кг/ч;
см.тр
- удельная теплоемкость материала из которого изготовлены транспортные
средства, в большинстве случаев это пищевая сталь, разрешаемая для прямых
контактов с неупакованными пищевыми материалами, см.тр = 0,481 кДж/(кг×К);
tК.тр, tН.тр
- температуры транспортных приспособлений на входе и выходе из сушильной камеры
или ее зоны. На входе в первую зону температура транспортных средств равна
температуре цеха.
Для
расчетов по этой формуле предварительно определяем значения следующих
параметров:
а)
Массу транспортных приспособлений, проходящих через камеру сушки, кг/ч:
где
n - количество вагонеток в зоне, шт;
q в+р - сумма
масс одной вагонетки и решет на ней, кг, определяем как:
;
t - нахождение
продукта в соответствующей зоне сушки, с.
Для
1-й зоны:
кг/ч;
для
2-й зоны:
кг/ч;
для
3-й зоны:
кг/ч.
б)
Температуру транспортных приспособлений на выходе из каждой зоны. При перекрестном
движении воздуха и продукта температура равна средней температуре воздуха в
зоне:
,
где
tH, tK - температуры воздуха на входе и выходе зоны сушки
(по условию задачи).
Для
1-й зоны: °С;
для
2-й зоны: °С;
для
3-й зоны: °С;
в)
Температуру транспортных приспособлений на входах в зоны сушки:
для
1-й зоны: °С;
для
2-й зоны: °С;
для
3-й зоны : °С;
г)
Расход теплоты на нагревание транспортных приспособлений по зонам сушки:
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
д) Удельный расход теплоты на нагревание транспортных приспособлений по
зонам qтр, кДж/(кг исп.влаги):
для
1-й зоны: ;
для
2-й зоны: ;
для
3-й зоны: кДж/кг.
.
Определяем поправки расхода теплоты. Этот расчет поправки расхода теплоты, т.е.
дополнительный ее расход D в необходим,
чтобы учесть потери, связанные с конструкцией действительной сушилки:
где
св - теплоемкость воды, кДж/(кг К);
t Н.м -
температура материала на входе в соответствующую зону сушилки, оСд - добавочная
теплота, вводимая в сушилку вследствие реакций в продукте в процессе сушки,
кДж/(кг исп. влаги). По условию добавочная теплота в сушильную камеру не
подводится.м, qтр - удельные расходы теплоты на нагревание материала
и транспортных приспособлений, кДж/(кг исп.вл.);о.с - удельные потери теплоты в
окружающую среду в кг/(кг исп.влаги) (по условию задачи в табл. 2.2, для
курсовой работы П.2.5 приложения 2 ).
Расчет
поправок по зонам сушилки, кДж/(кг исп.вл.):
для
первой зоны:
для
второй зоны:
для
третьей зоны :
.
Определяем удельное влагосодержания свежего воздуха. Удельное влагосодержание
свежего воздуха хо, кг/(кг сух. возд.), находим по формуле:
где
j0 - относительная влажность свежего воздуха; по
условию задачи равна 65 % ;
Рб
- барометрическое давление, равно 98100 Па, для всех вариантов заданий;
-
давление насыщенных паров воды в воздухе, определяется по табл.
Приложение
5, = 2336,8Па при температуре 20 оС.
.
Определяем удельное влагосодержание отработанного воздуха по зонам сушки:
для
1-ой зоны, при jК1 = 30% (из условия задачи табл. 2.2. и для всех
вариантов
табл. Приложения 2) и = 15740Па при температуре на
выходе
из зоны сушки равной 55оС (определяется по табл. Приложение 6), равно:
кг/(кг
сух.возд.);
для
2-ой зоны при jК2 = 26 % и = 22854
Па при температуре воздуха на выходе из зоны сушки 63оС, равно:
кг/(кг
сух.возд);
Для
3-ей зоны при jК3 = 10 % и = 28561
Па при температуре на выходе из зоны сушки 68оС, равно:
кг/(кг
сух.возд).
.
Определяем удельный расход свежего воздуха по зонам:
;
для
1-й зоны: кг/(кг исп.вл);
для
2-й зоны: кг/(кг исп.вл);
для
3-й зоны: кг/(кг исп.вл).
13. Определяем расход свежего воздуха по зонам:
;
для
первой зоны: кг/ч;
для
второй зоны: кг/ч;
для
третьей зоны: кг/ч.
.
Определяем удельное влагосодержание смеси. Удельное влагосодержание смеси
свежего и отработавшего воздуха по зонам определяем по формуле:
где
iК - удельная энтальпия отработавшего воздуха по зонам,
кДж/(кг×св.созд.);
сс.в.
- удельная теплоемкость сухого воздуха, в интервале температур от 0 ÷ 70 оС теплоемкость сс.в.= 1,005 кДж/(кг·К), а от 70 ÷ 120 оС теплоемкость сс.в. = 1,009 кДж/(кг·К) ; ) (табл.
Приложение 7, табл. Приложение 5);
tН - температура
воздуха на входе в зону сушилки, оС;
r0 - скрытая
теплота парообразования воды определяется по табл. Приложение 9, в зависимости
от температуры;
сn -
удельная теплоемкость пара определяется по табл. Приложение 9, в зависимости от
температуры воздуха.
.
Удельную энтальпию отработавшего воздуха iк, кДж/(кг×св. воздуха) по зонам сушки, определяем по формуле:
;
для
1-й зоны сушки:
где
все параметры находят при температуре 55 оС: сn =1, 92 кДж/кг×К;
сс.в.=
1,005 кДж/(кг·К); r0 = 2370,45 кДж/к, находим методом интерполяции
(табл.
Приложение 9)
Для
2-й зоны сушки:
,
где
все параметры находят при температуре 63 оС : сn =1, 94 кДж/кг×К;
сс.в.=1,005
кДж/(кг·К); ro = 2351,02 кДж/кг методом интерполяции (табл.
Приложение 9)
для
3-й зоны сушки:
где
все параметры находят при температуре 68 оС :
сс.в.=1,005
кДж/(кг·К); r0 = 2338,7 кДж/кг, сn =1, 95 кДж/кг×К, находим
методом
интерполяции( табл. Приложение 9)
.
Определяем удельное влагосодержание смеси по зонам:
для
1-й зоны сушки:
При
высчитываем методом интерполяции.
для
2-й зоны сушки:
При
высчитываем методом интерполяции.
для
3-й зоны сушки:
При
высчитываем методом интерполяции.
.
Определяем удельный расход циркулирующего воздуха. Удельный расход
циркулирующего воздуха ln по зонам определяем по формуле:
для
1-й зоны:
;
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
.
Определяем расход циркулирующего воздуха. Полный расход циркулирующего воздуха
по зонам сушки определяем по формуле:
Подставив
ранее полученные компоненты формулы, получаем полный
расход
циркулирующего воздуха по зонам сушки:
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
19. Определяем кратность смешения по зонам:
для
1-й зоны: ;
для
2-й зоны: ;
для
3-й зоны: .
.
Определяем удельную энтальпию смеси перед калорифером по зонам. Для этого
сначала определяем удельную энтальпию свежего воздуха i0, кДж/(кг
свеж. воздуха):
,
где
tс.в. - температура свежего воздуха (из условия
задачи), tс.в.=20 оС;
х0
- удельное влагосодержание свежего воздуха
r0 - скрытая
теплота парообразования воды при температуре 20 оС , r0 = 2453,8
кДж/кг (табл. Приложение 9);
сп
- теплоемкость пара при температуре 20 оС,
сп
= 1,86 кДж/кг×К.
Затем,
находим удельную энтальпию смеси воздуха перед калорифером по зонам iНсм,
кДж/(кг свеж. воздуха):
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
А
также, удельную энтальпию смеси iКсм после калориферов, кДж/(кг свеж. воздуха):
для
1-й зоны:
для
2-й зоны: ;
для
3-й зоны: .
И
наконец, находим удельный расход теплоты в калорифере по зонам, кДж/(кг
исп.вл):
для
1-й зоны:
;
для
2-й зоны:
;
для
3-й зоны:
.
.
Определяем полный расход теплоты в калорифере по формуле:
Полный
расход теплоты в калорифере по зонам:
для
1-й зоны:
для
2-й зоны:
для
3-й зоны:
Заключение
В
результате проведенной работы выполнили проектный расчет двухкорпусной выпарной
установки с барометрическим конденсатором пара, расчет полочного конденсатора,
создающего во втором корпусе выпарной установки необходимый вакуум за счет
конденсации пара при его смешении с холодной водой и проектный расчет туннельной
трехзонной сушилки, широко используемых в переработке продуктов питания.
Список
использованных источников
1. Малахов,
Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств/ Методические указания по
выполнению курсовой работы/Н.Н.Малахов. - Орел: ОрелГТУ,2002.-71 с.
. Малахов,
Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств/ Учебник /Н.Н. Малахов, Ю.М.
Плаксин, В.А. Ларин. - Орел: ОрелГТУ, 2001. - 551с.
. Павлов,
К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. -Л.: Химия, 1976.-551 с.
Приложение 1
Водяной пар в состоянии насыщения по температуре
Температура t0С
|
Давление, Р, кПа
|
Теплота парообразования r,
кДж/кг
|
Энтальпия пара i΄, кДж/кг
|
Энтальпия жидкости i,
кДж/кг
|
Плотность ρ, кг/м3
|
10
|
1,23
|
2476,9
|
2518,7
|
41,99
|
0,0094
|
20
|
2,34
|
2453,0
|
2536,7
|
83,86
|
0,0173
|
30
|
4,24
|
2429,6
|
2555,1
|
125,66
|
0,0304
|
40
|
7,35
|
2405,7
|
2573,1
|
167,45
|
0,0511
|
50
|
12,35
|
2381,8
|
2591,1
|
209,26
|
0,0830
|
60
|
19,92
|
2357,6
|
2608,7
|
251,09
|
0,1301
|
70
|
31,10
|
2332,9
|
2625,9
|
292,97
|
0,1979
|
80
|
47,40
|
2307,7
|
2642,6
|
334,92
|
0,2929
|
90
|
71,0
|
2282,2
|
2658,9
|
376,94
|
0,4229
|
100
|
101,30
|
2256,3
|
2675,3
|
419,06
|
0,5974
|
110
|
143,26
|
2230,5
|
2691,8
|
461,32
|
0,8254
|
120
|
198,54
|
2202,9
|
2706,6
|
503,70
|
1,1199
|
130
|
270,12
|
2174,4
|
2720,7
|
546,30
|
1,4959
|
140
|
361,36
|
2144,9
|
2734,0
|
589,10
|
1,9656
|
150
|
475,97
|
2114,1
|
2746,3
|
632,20
|
2,5471
|
160
|
618,04
|
2082,2
|
2757,7
|
675,50
|
3,2589
|
170
|
792,02
|
2048,9
|
2768,0
|
719,10
|
4,1276
|
180
|
2014,0
|
2777,1
|
763,10
|
5,1596
|
Приложение 2
Водяной пар на линии насыщения по давлению
Давление Р, кПа
|
Температура t,0С
|
Энтальпия пара i΄, кДж/кг
|
Теплота фазового перехода
r, кДж/кг
|
Энтальпия жидкости i ,
кДж/кг
|
10
|
45,83
|
2584,4
|
2393,6
|
191,84
|
15
|
54,00
|
2598,9
|
2372,6
|
225,98
|
20
|
60,09
|
2609,6
|
2358,1
|
251,46
|
25
|
64,99
|
2618,1
|
2346,1
|
271,99
|
30
|
69,12
|
2625,3
|
2336,0
|
269,31
|
40
|
75,89
|
2636,8
|
2319,2
|
317,65
|
50
|
81,35
|
2646,0
|
2305,4
|
340,57
|
60
|
85,98
|
2653,6
|
2293,7
|
359,93
|
70
|
89,97
|
2660,2
|
2283,4
|
376,77
|
80
|
93,51
|
2666,0
|
2274,3
|
391,72
|
90
|
96,71
|
2671,1
|
2265,9
|
405,21
|
100
|
99,63
|
2675,7
|
2258,2
|
417,51
|
150
|
111,37
|
2693,9
|
2226,8
|
467,13
|
190
|
118,62
|
2704,6
|
2206,8
|
497,85
|
200
|
120,23
|
2706,9
|
2202,2
|
504,70
|
250
|
127,43
|
2717,2
|
2181,8
|
535,40
|
300
|
133,54
|
2725,5
|
2164,1
|
561,40
|
350
|
138,88
|
2732,5
|
2148,2
|
584,30
|
400
|
143,62
|
2738,5
|
2133,8
|
604,70
|
450
|
147,92
|
2743,8
|
2120,6
|
623,20
|
Приложение 3
Зависимость коэффициента А от температуры кипения и концентрации раствора
Температура кипения
раствора, оС
|
Концентрация раствора, %
|
|
0
|
10
|
20
|
40
|
60
|
50
|
302
|
300
|
270
|
200
|
120
|
70
|
339
|
385
|
352
|
275
|
177
|
90
|
497
|
470
|
434
|
350
|
234
|
100
|
545
|
512
|
475
|
387
|
263
|
110
|
594
|
555
|
516
|
425
|
292
|
130
|
690
|
640
|
600
|
500
|
350
|
Приложение 4
Физические свойства воды на линии насыщения
t,
oC
|
r, кг/м3
|
c, кДж/кг×К
|
l, Вт/м×К
|
u×106 м2/с
|
Pr
|
0
|
999,8
|
4,237
|
0,551
|
1,790
|
13,7
|
5
|
999,7
|
4,224
|
0,563
|
1,540
|
11,3
|
10
|
999,6
|
4,212
|
0,575
|
1,300
|
9,56
|
15
|
998,9
|
4,208
|
0,586
|
1,100
|
8,15
|
20
|
998,2
|
4,204
|
0,599
|
1,000
|
7,06
|
25
|
996,9
|
4,204
|
0,608
|
0,910
|
6,20
|
30
|
995,6
|
4,199
|
0,618
|
0,805
|
5,50
|
35
|
993,9
|
4,199
|
0,626
|
0,720
|
4,85
|
40
|
992,2
|
4,199
|
0,634
|
0,659
|
4,30
|
45
|
990,1
|
4,199
|
0,641
|
0,615
|
3,90
|
50
|
988,0
|
4,199
|
0,648
|
9,556
|
3,56
|
55
|
985,6
|
4,199
|
0,654
|
0,515
|
3,25
|
60
|
983,2
|
4,204
|
0,659
|
0,479
|
3,00
|
65
|
980,5
|
4,208
|
0,664
|
0,445
|
2,75
|
70
|
977,7
|
4,212
|
0,668
|
0,415
|
2,56
|
75
|
974,8
|
4,212
|
0,671
|
0,385
|
2,35
|
80
|
971,8
|
4,216
|
0,674
|
0,366
|
2,23
|
85
|
968,5
|
4,220
|
0,678
|
0,347
|
2,10
|
90
|
965,3
|
4,224
|
0,680
|
0,326
|
1,95
|
95
|
961,8
|
4,224
|
0,682
|
0,310
|
1,85
|
100
|
958,3
|
4,229
|
0,683
|
0,295
|
1,75
|
110
|
951,0
|
4,237
|
0,685
|
0,268
|
1,58
|
120
|
943,1
|
4,250
|
0,686
|
0,244
|
1,43
|
130
|
934,8
|
4,271
|
0,686
|
0,226
|
1,32
|
140
|
926,1
|
4,291
|
0,686
|
0,212
|
1,23
|
Приложение 5
Приложение 6
Физические свойства сухого воздуха при Р = 760 мм.рт.ст. = 98 кПа
Температура, оС
|
Плотность r, кг/м3
|
Теплоемкость С, кДж/(кгК)
|
Теплопроводность l·102, Вт/(м к)
|
Вязкость динамическая m·106,Па с
|
Число Прандтля Pr
|
-20
|
1,395
|
1,009
|
2,28
|
16,2
|
0,716
|
-10
|
1,342
|
1,009
|
2,36
|
16,7
|
0,712
|
0
|
1,293
|
1,005
|
2,44
|
17,2
|
0,707
|
10
|
1,247
|
1,005
|
2,51
|
17,6
|
0,705
|
20
|
1,205
|
2,59
|
18,1
|
0,703
|
30
|
1,165
|
1,005
|
2,67
|
18,6
|
0,701
|
40
|
1,128
|
1,005
|
2,76
|
19,1
|
0,699
|
50
|
1,093
|
1,005
|
2,83
|
19,6
|
0,698
|
60
|
1,060
|
1,005
|
2,90
|
20,1
|
0,696
|
70
|
1,029
|
1,009
|
2,96
|
20,6
|
0,694
|
80
|
1,000
|
1,009
|
3,05
|
21,1
|
0,692
|
90
|
0,972
|
1,009
|
3,13
|
21,5
|
0,690
|
100
|
0,946
|
1,009
|
3,21
|
21,9
|
0,688
|
120
|
0,898
|
1,009
|
3,34
|
21,9
|
0,688
|
140
|
0,854
|
1,013
|
3,49
|
23,7
|
0,684
|
160
|
0,815
|
1,017
|
3,64
|
24,5
|
0,682
|
180
|
0,779
|
1,022
|
3,73
|
25,3
|
0,681
|
Приложение 7
Максимально допустимая температура для сгущаемого продукта (температура
кипения)
Продукт
|
Допустимая температура
нагрева, tк,1, оС
|
Молоко
|
78
|
Сахарный раствор
|
85
|
Фруктовый сок
|
80
|
Томатная паста
|
80
|