Расчетные работы по курсу ''Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности''

Министерство образования Российской Федерации ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАСЧЕТНЫЕ РАБОТЫ по курсу «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности» для студентов дневного и заочного обучения специальностей 170600, 271100, 552400

Расчетные работы, представленные в методических указаниях, лежат в основе проектирования технологического оборудования. Для освоения методики расчета указанные работы должны выполняться студентами самостоятельно. Правильность их выполнения контролируется на персональном компьютере с помощью специальных программ. Студенты должны самостоятельно ввести в компьютер исходные данные и результаты своих расчетов, после чего компьютер выдаст информацию о правильности выполнения расчетов. Методические указания составлены доцентами кафедры МАПП к.т.н. Данзановым В.Д. и к.т.н. Дугаровым Ц.Б. Ключевые слова: Расчет продолжительности опорожнения, диаметров трубопроводов, мощности и производительности гомогенизаторов, мощности сепараторов, температурный график пастеризаторов.

Составители: Данзанов В.Д. Дугаров Ц.Б.

Улан-Удэ, 2004 1

1. РАСЧЕТ ЕМКОСТЕЙ

СОДЕРЖАНИЕ 1. Расчет емкостей…………………………………………………3 2. Расчет трубопроводов ………………………………… 5 3. Расчет гомогенизаторов ………………………………..7 4. Расчет пластинчатой пастеризационно-охладительной установки………………………………………………..8 5. Расчет сепаратора –сливкоотделителя……………….12

Определить конечную температуру t2 молока, хранящегося в горизонтальном танке в течение времени τ и продолжительность его опорожнения самотеком τоп (с). Исходные данные Внутренний диаметр корпуса танка D, внутренняя длина корпуса танка L, диаметр сливного патрубка танка d = 50 мм, коэффициент теплопередачи стенки танка К, коэффициент расхода µ, длительность хранения τ, заполнение танка молоком - 80%. Температура окружающего воздуха tо, начальная температура молока t1, плотность молока ρ = 1031 кг/м3, удельная теплоемкость молока с = 3885 Дж/(кг оС). Вариантные данные Данные из таблицы 1 следует взять по предпоследней цифре зачетной книжки, из таблицы 2 - по последней цифре. Таблица 1 Показатели D, мм L, мм К, Вт/(м2К) τ, ч.

1 1450 3600 1,0 6,0

Показатели

1 0,7 6 20 8

2 1400 4400 1,5 3,5

3 1500 4500 1,3 4,5

4 1800 4800 1,2 5,0

5 1900 3800 1,1 3,0

6 1600 4600 1,5 4,0

7 1750 3750 1,2 5,5

8 1700 3700 1,3 6,5

9 1550 4550 1,4 5,0

0 1650 3650 1,4 4,0

2 0,81

3 0,75

4 0,73

5 0,78

6 0,72

7 0,74

8 0,8

9 0,33

0 0,74

22 9

21 10

24 6

25 7

23 5

21 6

20 8

24 9

22 7

Таблица 2 µ t о, оС t1 , о С

2

Методика расчета В общем случае изменение температуры продукта при доставке и хранении определяют из уравнения: Gмc(t2-t1) = КF∆tτ, где Gм - количество продукта, кг; с - удельная теплоемкость продукта, Дж/(кгоС); t2 - конечная температура продукта, оС; t1 - начальная температура продукта, оС; К - коэффициент теплопередачи стенки танка, Вт/(м2К); F - площадь внутренней поверхности танка, м2; ∆t - средняя разность температур, оС; τ - длительность хранения продукта в резервуаре, с. Средняя разность температур ∆t равна

t +t ∆t = t o − 1 2 , 2

где τоп - продолжительность опорожнения, с; V - объем продукта, м3; µ - коэффициент истечения (расхода); Fвп - площадь сечения выходного патрубка, м2; r - радиус резервуара, м. Ввод данных в компьютер 1. Фамилия, И.О. _________________________ 2. Номер группы _________________________ 3. Номер варианта ________________________ Результаты расчета 1. Конечная температура молока t2…………………….. 2. Продолжительность опорожнения танка τоп ………..

где tо - температура окружающего воздуха, оС. Конечную температуру продукта t2 определяют из формулы 2rFτ ⋅ (t c − t1 ) + 2G M ct1 t2 = 2G M c + rFτ

Продолжительность опорожнения горизонтальных резервуаров и баков самотеком определяют по формуле:

τ on = 3

V µFвп 2g0.649r

,

2. РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ Определить расход молока М, двигающегося со скоростью υ, и полное гидравлическое сопротивление ξо в трубопроводе диаметром d, общей длиной L и имеющем n поворотов и z трехходовых кранов. Исходные данные Коэффициенты местных сопротивлений: для поворотов 90о λмс = 0,15, для кранов λмс= 0,2. Кинематическая вязкость о молока при 10 С ν = 0,0239*10-4 м2/с, плотность молока ρ = 1032,3 кг/м3 .

Σξмс - сумма местных сопротивлений (на поворотах, в кранах и др. сужениях), Па.

Вариантные данные Таблица 1 Показатели

υ, м /с. d, мм L, м

1 0,5

2 1,2

3 1,4

4 1,1

5 1,5

6 1,3

7 0,6

8 0,7

9 0,9

0 1,0

50

36

38

36

50

38

50

36

50

38

20

32

25

31

29

35

28

33

27

36

Гидравлические сопротивления трения участков равны:

ξ

Таблица 2 Показатели Количество: - поворотов n - кранов z

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

5

4

2

3

3

4

5

3

4

5

2

3

2

3

2

1

3

3

2

3

Методика расчета

где

ξ где

прямых

2

λтр – коэффициент трения; L – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м; ρ – плотность молока, кг/м3. ξмс (на поворотах, в кранах)

Расход молока определяют по формуле:

где М – расход молока, м3/ч; f – площадь сечения трубопровода, м; υ – скорость движения жидкости, м/с;

тр

( )

 L  ρ ⋅υ = λ тр ⋅   ⋅ тр 2 D

Местные сопротивления равны:

М = 3600 f⋅ υ ,

ξ

мс

= λ мс ⋅

( ) ρ ⋅υ 2 2

λмс – коэффициент местных сопротивлений.

Коэффициент трения λтр определяют в зависимости от Потери напора или полное гидравлическое сопротивление движению жидкости в трубопроводах определяют по формуле: ξо = ξ тр + Σ ξмс , где

ξо – полное гидравлическое сопротивление, Па; ξтр – гидравлические сопротивления трения прямых участков, Па; 4

режима движения жидкости. При турбулентном режиме λтр =

0,3164 4

Re

При ламинарном режиме

3. РАСЧЕТ ГОМОГЕНИЗАТОРОВ λтр =

64 Re

Критерий Рейнольдса вычисляют по формуле

υD Re = v где ν – кинематическая вязкость продукта, м2 /с. При Re > 2320 режим является турбулентным.

Определить производительность М (м3/ч), величину нагрева молока ∆t и необходимую мощность N (кВт) клапанного гомогенизатора. Исходные данные

Диаметр плунжера d, ход плунжера S, количество плунжеров z, число оборотов вала n, давление гомогенизации P. Удельная теплоемкость молока с = 3885 Дж/(кг оС), плотность молока ρ = 1031 кг/м3, объемный КПД плунжерного насоса η = 0,8. Вариантные данные

Таблица 1

Ввод данных в компьютер 1. Фамилия, И.О. _________________________ 2. Номер группы _________________________ 3. Номер варианта ________________________ Результаты расчета

1. Расход молока М, м3/ч. ………………………………………………... 2. Полное гидравлическое сопротивление в трубопроводе ξо, Па……

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

36 60

32 62

38 78

36 76

40 80

38 62

30 40

36 70

34 60

38 70

Показатели

d, мм S, мм

Таблица 2 Показатели

z n, об/ мин. P, МПа.

1 3 19 0 20

2 3 185

3 5 200

4 3 180

5 5 195

6 3 190

7 5 210

8 3 200

9 5 185

0 3 195

16

18

16

19

18

15

16

20

19

Методика расчета

Эффективность (степень) гомогенизации зависит от давления и температуры молока. Ее можно определить в результате сравнения дисперсности продукта до и после 5

гомогенизации по среднему диаметру жировых шариков молока: чем меньше средний диаметр жировых шариков, тем выше эффективность гомогенизации. Для режимов гомогенизации, принятых в промышленности (температура 60-65оС, давление 13-20 МПа), средний диаметр жировых шариков после гомогенизации определяют по формуле:

dср =

∆t - повышение температуры продукта, оС Р - давление гомогенизации, Па; ρ - плотность продукта, кг/м3; с - удельная теплоемкость продукта, Дж/(кгоС).

Производительность гомогенизатора зависит от производительности насоса, который нагнетает молоко в гомогенизирующую головку. Чаще всего, гомогенизаторы оснащены плунжерными насосами, производительность которых вычисляют по формуле:

М = 60 f S n z η, где М - производительность плунжерного насоса, м3/ч; f - площадь сечения плунжера, м2; 6

- ход плунжера, м; - число оборотов коленчатого вала в минуту; - количество плунжеров; - объемный к.п.д. насоса.

Мощность, необходимая для гомогенизации молока, равна:

3,8

, Р где dср – средний диаметр жировых шариков, мкм; Р – давление гомогенизации, МПа. Молоко при прохождении через гомогенизирующую щель вследствие преобразования механической энергии в тепловую нагревается. Повышение температуры продукта можно определить по формуле: Р ∆t = , ρc где

S n z η

N=

M ⋅P 3600 ⋅ η

где N - мощность, Вт; η- механический КПД гомогенизатора (η=0,75). Ввод данных в компьютер 1. Фамилия, И.О. _________________________ 2. Номер группы _________________________ 4. Номер варианта ________________________ Результаты расчета 1. Производительность гомогенизатора М , м3/ч ……… 2. Величина нагрева молока ∆t …………………………. 3. Мощность N , кВт ………………………………….……

4. РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОЙ ПАСТЕРИЗАЦИОННООХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Определить температурный режим работы пластинчатой пастеризационно-охладительной установки, построить температурный график. Исходные данные

Продолжение табл.2 Кратность движения: - горячей воды n г - холодной воды n х - рассола n

5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

3

4

3

3

3

3

3

4

3

4

2

3

2

3

2

2

3

2

3

2

р

Начальная температура молока t1, температура пастеризованного молока t3, конечная температура молока t6. Коэффициент регенерации ε. Температура горячей воды t1г, температура холодной воды t1 х, температура рассола t1 р. Кратность движения горячей воды n г , кратность движения холодной воды n х, кратность движения рассола n р.

Схема пластинчатой установки

холодная вода рассол

Вариантные данные

Таблица 1 Параметры,

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

t1 t3

8 74

6 75

7 76

8 75

9 74

10 75

9 76

8 74

9 75

6 76

t6 ε

4

5 0,8

6 0,8

3 0,7

4 0,6

5 0,7

6

0,7

0,6

3 0,7

4 0,8

0,8

о

С.

6

1 горячая вода Таблица 2 Параметры, о С. - горячей воды t1 г - холодной воды t1 х - - рассола t1 р

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

78

79

81

82

80

79

80

82

79

83

6

7

8

9

10

8

9

6

7

10

-5

-6

-8

-7

-10

-9

-8

-7

-5

-6

7

2 молоко

3

4

1 - секция пастеризации; 2 - секция регенерации; 3 - секция водяного охлаждения; 4 - секция рассольного охлаждения. Рис. 1.

Методика расчета

Расчет секции пастеризации

Температура горячей воды t2 г на выходе из секции пастеризации равна:

Расчет секции регенерации

В секции регенерации в начале и конце движения жидкостей разность температур между греющей и нагреваемой средами постоянна и равна:

∆t = const

t4

t2

t1

В теплообменниках с противоточным движением жидкостей разность температур ∆t равна: ∆t = (1 – ε) (t3 – t1) где

2

2

( t3 − t2 ) n2 ⋅ c 2

где см - теплоемкость молока при среднем значении температуры, Дж/(кг оС) (табл. 3); сг - теплоемкость горячей воды, Дж/(кг оС) (табл. 3).

∆t = t2 – t3 = t4 – t1 t3

t 2 = t1 − с м ⋅

t1 г

t2 г

t3

t2

Расчет секции водяного охлаждения

ε – коэффициент регенерации. секции

t2 = t3 - ∆t

После секции регенерации предварительно охлажденное молоко с температурой t4 поступает в секцию водяного охлаждения, а затем в секцию рассольного охлаждения, где охлаждается до конечной температуры t6

Температура молока t4, охлажденного в секции регенерации, равна:

Общий температурный перепад ∆tобщ в двух секциях охлаждения составит

Температура молока регенерации, равна:

t2 ,

нагретого

в

∆tобщ. = t4 - t6

t4 = t1 + ∆t t4 t2 х

8

t5 t1 х

Форма для составления температурного графика Тогда в каждой из этих секций молоко будет охлаждаться на величину ∆tобщ/2 и будет покидать секцию водяного охлаждения с температурой t5 = t4 −

∆ t общ 2

Температура холодной воды на выходе из секции равна: t = см ⋅ x 2

где

t

(t

4

− t5 )

nx ⋅ cx

+ t 1x

сх - теплоемкость холодной воды, Дж/(кг оС) (табл. 3) Расчет секции рассольного охлаждения

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

о

С А

В 5

4

3 2

Секция пастеризации

6

1 D

t = см ⋅

( t 5 − t6 ) p + t1 np ⋅ cp

где ср - теплоемкость рассола, Дж/(кг оС) (табл.3). t5

t6

t2 р

t1 р

C F

10

E Секция рассольного охлаждения

1 - вход молока в секцию регенерации; 2 - выход нагретого молока из секции регенерации; 3 - вход молока в секцию пастеризации; 4 - выход молока из секции пастеризации; 5 - вход молока в секцию регенерации; 6 - выход охлажденного молока из секции регенерации 7 - вход молока в секцию водяного охлаждения; 8выход молока из секции водяного охлаждения; 9 - вход молока в секцию рассольного охлаждения;10 - выход молока из секции рассольного охлаждения; А - вход горячего воды в секцию пастеризации; В - выход горячей воды из секции пастери-зации; С - вход воды в секцию водяного охлаждения; D - выход воды из секции водяного ох-лаждения; Е вход рассола в секцию рассольного охлаждения; F - выход рассола из секции рассольного охлаждения.

Рис.2 9

8 9

Секция Секция водяного регенерации охлаждения

Температура рассола на выходе из секции равна: p 2

7

Теплоемкость, Дж/(кг оС) при температуре оС

5. РАСЧЕТ СЕПАРАТОРОВ

Таблица 3 Вода .……. Молоко …. Рассол …..

-20 -

-15 -

-10 -

-5 -

0 4230

5 4200

10 4190

20 4190

-

-

-

-

3368

3869

3870

3890

3320

3322

3328

3329

3330

3330

-

-

Продолжение табл.3 Вода ….. Молоко …..

30

40

50

60

70

80

90

100

4180

4180

4180

4180

4180

4190

4190

4190

3900

3910

3870

3850

3850

3850

3850

3850

Определить предельный диаметр d жирового шарика для первой и второй стадий движения. Установить разделяющий фактор сепаратора Fr. Рассчитать мощность N, потребляемую сепаратором. Исходные данные

Производительность М, количество тарелок Z, высота тарелок Н, расстояние между тарелками h, максимальный радиус части тарелок Rб, радиус тарелок до центра молочных отверстий Rм, угол наклона образующей α = 550,. Максимальный наружный диаметр барабана D, высота барабана НБ, частота вращения барабана n. Температура сепарирования t.

Ввод данных в компьютер

di =

1. Фамилия, И.О. _________________________ 2. Номер группы _________________________ 3. Номер варианта ________________________

Mµ 4.598βΖn 2 ( ρ1 − ρ 2 )(Rб3 − R м3 )tgα

Вариантные данные

Таблица 1 Результаты расчета

1. Температура горячей воды на выходе из секции пастеризации t2 г ………… 2. Температура холодной воды на выходе из секции t2 х ………………………. 3. Температура рассола на выходе из секции t2 р…………

10

Показа тели М·10-4, м3/с Z Н, м Rб, м Rм, м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

13,9

8,3

16,6

13,9

19,4

23,6

8,3

16,6

13,9

19,4

110

80

80

110

90

90

110

95

80

100

0,13

0,14

0,14

0,13

0,12

0,15

0,16

0,17

0,15

0,14

0,14

0,16

0,19

0,16

0,19

0,16

0,18

0,16

0,14

0,15

0,05

0,05

0,06

0,05

0,06

0,05

0,06

0,05

0,05

0,05

Таблица 2 Показатели

h·10-3, м n, с-1 t, 0C D, м НБ, м

1 5,2

2 4,5

3 5,0

4 4,2

5 4.5

6 5,2

7 3,5

8 3,2

9 4,0

0 5,4

100

116

108

108

116

141

100

108

116

116

40

35

45

40

35

45

40

42

35

37

0,38

0,32

0,32

0,38

0,34

0,32

0,38

0,34

0,32

0,32

0,40

0,36

0,34

0,40

0,44

0,46

0,40

0,42

0,34

0,38

Методика расчета

Движение жировых шариков в межтарелочном пространстве состоит из двух стадий: на первой – жировые шарики проникают через толщу плазмы, а на второй – продвигаются по верхней поверхности тарелок к центру барабана. Для первой стадии движения расчетный предельный диаметр d1 (м) жирового шарика, который при поступлении молока в межтарелочное пространство выделяется из плазмы, определяется по следующей формуле: d1 =

Мµ 4,598 β Z n ( ρ1 − ρ 2 )( Rб3 − Rм3 )tgα

Для упрощения расчетов Н.Я. Лукьяновым экспериментально установлена следующая зависимость: ρ1 − ρ 2 = 2900 ⋅t ,

µ

t – температура сепарирования, 0С Для второй стадии движения под расчетным прeдельным диаметром d2(м) жирового шарика принимают размер такого шарика, который при данных условиях сепарирования может совершать движения по поверхности тарелки.

где

Mµ ⋅ 10 3 , 5.55n 2 R Б2 h 2 Z( ρ 1 − ρ 2 ) ⋅ сos α где h – расстояние между тарелками, м d2 =

Часть жировых шариков диаметром d1
2

где М- производительность, м3/с, µ - вязкость плазмы, Па/с, β – коэффициент полезного действия (β=0,5-0,7), Z – количество тарелок, n - частота вращения барабана, с-1, ρ1 – плотность плазмы молока, кг/м3, ρ2– плотность жирового шарика, кг/м3, Rб – максимальный радиус конической части тарелок, м, Rм – радиус тарелок до центра молочных отверстий, м, α – угол наклона образующей тарелки.

h опг =

2 ,43 RБ

⋅4

M µ ⋅ β ( R 3Б − R 3M ) ⋅ tg α , z ⋅ ω 2 ( ρ 1 − ρ 2 ) ⋅ cos α

где ω – угловая скорость вращения барабана (ω = 2πn), рад/с Разделяющий фактор (критерий Фруда) равен

Fr =

2π ω3 ⋅ ⋅ Z ⋅ ( RБ3 − RМ3 ) ⋅ tgα 3 M

Мощность N (кВт) сепаратора равна N=К·Нб·n3·R4,

11

где K – коэффициент (0,016-0,018), Нб – высота барабана, м, R – максимальный наружный радиус барабана, м. Ввод данных в компьютер 1. Фамилия, И.О. _________________________ 2. Номер группы _________________________ 3. Номер варианта ________________________

Результаты расчета

1. Диаметр жирового шарика, d1………………….. 2. Диаметр жирового шарика, d2 ………………….. 3. Потребляемая мощность N, кВт………… ……….. Подписано в печать 23.01.2004 г. Формат 60х24х1/16. Объем в усл.п.л. 1,39, уч.- изд.л. 1,0. Тираж 50 экз. Печать операт., бум.писч. Заказ №7. Издательство ВСГТУ г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40 «в».

12