Расчет параметров распыла

Определяем диаметр капель при дисковом распылении(d)

 

 

где n - частота вращения диска; n = 6000 - 45000 мин^-1; принимаем по таблице №33 Приложения n = 10000 мин^-1.

R_Д - радиус диска; принимаем R_Д = 150 мм.

σ - поверхностное натяжение молока при распыле. По температуре поступления Θ₁ = 60⁰С находим в таблице №5 Приложения σ = 0,043 н/м.

Диаметр камель по формуле Андреева (d)

 

где w_н = 140 м/с - средняя скорость вылета капли из диска при n = 10000 мин^-1 и D = 300 мм.

ρ₁ = 1080 кг/м³ - начальная плотность сгущенного молока, подаваемого в каналы диска.

Принимаем, как более предпочтительный, d = 5,12 · 10^-5м.

Рассчитываем радиус факела распыла R_ф

 

 

где ρ_ср - средняя плотность молока при распылении;

ρ_ср = 0,5·(1080+580) = 830 кг/м³;

w_н = 130 м/с;

w_к = 0,4 м/с.

Диаметр факела распыла с учетом диаметра диска

 

 

Таким образом, диаметр факела распыла получился больше диаметра сушильной камеры, рассчитанной из уравнения расхода для потока горячего воздуха.

D_ф = 5,752 м > D_к = 4,2 м

Исходя из этого, принимаем диаметр камеры D_к = 6,0 м. Это обеспечит нормальный процесс сушки при некотором снижении скорости воздуха, что не повлияет отрицательно на процесс.

Уточненная скорость движения воздуха в сушилке

 

где V_c - объёмный секундный расход воздуха, м³/с.

 

м³/с

 

Высоту конической части сушильной камеры принимаем согласно принятым соотношениям при сушке молока:

 

 

Полная высота сушильной камеры

 

 

Расчет калорифера

Сушильная установка комплектуется необходимым оборудованием, в том числе калориферами для подогрева воздуха. В настоящее время, в основном, применяют пластинчатые калориферы, обогреваемые паром или водой. Цель расчета - определение площади теплопередачи калорифера и его типоразмера по каталогу.

Рассчитываем тепловую нагрузку калорифера (Q)

 

кВт

Определяем коэффициент теплопередачи К для пластинчатого калорифера (КФСО или КФБО).

 

 

где ρv_к - массовая скорость воздуха в калорифере: согласно рекомендациям при скорости воздуха v_в= 0,1 м/с принимаем ρv_к = 5 кг/(м²·с)

К = 10 · 5^0,68 = 29,874 = 30 Вт / м²·град

Рассчитываем среднюю логарифмическую разность температур греющего пара и воздуха в калорифере (∆t) при противотоке.

Температуру пара (t_п) принимаем исходя из низкой теплопроводности воздуха, значительно выше конечной температуры воздуха (t₁):

t_п = t₁ + 20 = 150 + 20 = 170⁰C

Большая разность температур:

 

 

Меньшая разность температур:

 

 

Тогда

 

 

Определяем площадь теплопередачи (F) калорифера.

 

Анализируя параметры калориферов КФСО и КФБО в таблицах №№20-23 Приложения, принимаем число калориферов n = 3 Тогда площадь одного калорифера:

 

 

Выбираем по таблицам (20-23) Приложения 3 калорифера модели КФСО №11, каждый из которых имеет следующие параметры:

Площадь теплопередачи F_к = 55,84 м²

Живое сечение калорифера f

Опытные коэффициенты: b = 16, n = 0,439, e = 0,335, m = 2,01

Расчетные коэффициенты: M = 0,51, S = 112, 1/(m+1) = 0,332

Определяем количество параллельно установленных калориферов:

 

y = L / f_к · ρv = 2,3555 / 0,496 · 5 = 0,95 = 1

 

Определяем количество последовательно установленных калориферов:

 

x = F / F_к · у = 165 / 55,84 · 0,95 = 3,1 = 3

 

Установочная поверхность теплопередачи калориферной станции:

 

F_уст = F_к · х · у = 55,84 · 3 · 1 = 167, 5 м²

 

Сопротивление (потери напора) калорифера h_к

 

h_к = e · (ρv)^m = 0,335 · 5^2,01 = 8,51 м

Сопротивление (потери напора) калориферной станции h_к0

 

h_к0 = h_к · х = 8,51 · 3 = 25,53 м

 

Уточняем скорость воздуха, проходящего через калориферную станцию v_к^*

 

v_к^* = V_c / f_к = 2,824 / 0,496 = 5,693 ≈ 5,7 м/с.

 

Уточняем коэффициент теплопередачи калориферной станции для пластинчатых калориферов КФБО и КФСО:

 

К = 10 · (ρ_ср · v_к^*)^0,68

 

где ρ_ср = 0,5 · (ρ₁₅ + ρ₁₅₀) средняя плотность воздуха в сушилке.

Вт / м² · град

Принимаем К = 33,32 Вт / м² · град.

Расхождение с предварительно рассчитанными в п. 5.2. К = 30 Вт/м²·град составляет К ≈ 10%, поэтому производим расчет основных параметров с новым приближением.

Определяем площадь теплопередачи (F) калорифера.

 

 

Анализируя параметры калориферов в таблицах 20-23 Приложения, принимаем число калориферов n = 3, тогда площадь одного калорифера:

 

 

Выбираем по таблицам №№20-23 Приложения 3 калорифера модели КФБ №9, каждый из которых имеет следующие параметры:

Площадь теплопередачи F_к = 53,3 м²

Живое сечение калорифера f_к = 0,486 м²

Опытные коэффициенты: b = 10,0; n = 0,42; e = 0,175; m = 1,72

Расчетные коэффициенты: M = 1,04; S = 110; 1/ (m+1) = 0,368

Определяем количество параллельно установленных калориферов:

 

у = L / f_к · ρv = 2,3555 / 0,486 · 1,03 · 5,7 =0,825 ≈ 1

 

Определяем количество последовательно установленных калориферов:

 

x = F / F_к · у = 148,5 / 53,3 · 1 = 2,8 ≈ 3

 

Установочная поверхность теплопередачи калориферной станции:

 

F_уст = F_к · x · y = 53,3 · 3 · 1 = 159,9 ≈ 160 м²

 

Сопротивление (потери напора) калорифера h_к

 

м

 

Сопротивление (потери напора) калориферной станции h_к0

h_к0 = h_к · х = 6,14 · 3 = 18,42 м

 

Уточняем скорость воздуха, проходящего через калориферную станцию v_к^*

 

v_к^* = V_c / f_к = 2,824 / 0,486 = 1,199 = 5,81 м/с

 

Уточняем коэффициент теплопередачи калориферной станции:

 

К = 10 · (ρ_ср · v_к)^0,68

 

К = 10 · (1,03 · 5,81)^0,68 = 33,76 Вт / м² · град

Принимаем К = 33,76 Вт / м² · град.

Расхождение с рассчитанным в п. 5.13 К = 33,32 Вт/м² · град составляет ∆К ≈ 1,3%, что является технически допустимым, поэтому дальнейший пересчёт с новым приближением не выполняется.

 

Расчет вентилятора

 

Помимо калорифера сушильная установка комплектуется вторым вспомогательным оборудованием - вентилятором для подачи наружного (свежего) воздуха, который проходит через калорифер, сушильную камеру и пылеулавливающие устройства.

Цель расчёта - определение потерь напора, избыточного давления, мощности вентилятора (вентиляторной станции) и подбор по каталогу.

Объёмный расход воздуха берётся для летних условий (определён выше в тепловом расчёте).

Определяем диаметр воздуховода, исходя из рекомендуемой технологической средней скорости воздуха v_в = 5 - 12 м/с. Принимаем v_в = 10 м/с.

 

Принимаем d = 0,6 м = 600 мм.

Потери давления в воздуховодах (∆р_в):

 

 

Потери давления в сушильной камере принимаем согласно опытным данным для распылительных дисковых сушилок ∆р_ск = 1000 Па. Потери напора в калорифере рассчитаны выше и составляют h_к0 = 18,42 м. Тогда потери давления в калорифере:

 

∆р_к = ρ_ск · g · h_к0 = 1,03 · 9,81 · 18,42 = 186, 1 Па

 

Полные потери давления в сушильной установке:

 

∆р = ∆р_в + ∆р_ск + ∆р_к = 51,5 + 1000 + 186,1 = 1237,6 Па

 

Полезная мощность вентилятора (N_п):

 

N_п = ∆р · V_c = 1237,6 · 2,824 = 3494,9 = 3,5 кВт

 

Полная мощность вентилятора (мощность электродвигателя) (N):

 

N = N_п / η = 3,5 / 0,5 = 7 кВт

 

Выбираем по таблице №30 Приложения вентилятор ЦАГИ типа Ц10 - 20. По характеристике при ∆р = 1238 Па = 123,8 кГс/м² и V_c = 2,8 м³ /с находим номер вентилятора №25 с частотой вращения n = 600 об/мин.

 

Изоляционный расчёт

 

По Правилам противопожарной безопасности температура наружной поверхности корпуса не должна превышать t₂ = 40⁰C. По нормам БЖД температура воздуха в цехе в среднем должна составлять t_в = 22⁰С.

Толщина слоя тепловой изоляции должна быть такой, чтобы потери тепла, происходящие в результате конвекции в лучеиспускания, были минимальными и не превышали 5% от тепла, поступающего с греющим паром, что соответствует технико-экономическим требованиям, предъявляемым к тепловому оборудованию.

В качестве изоляционного материала выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности λ₂ = 0,098 Вт / м · град. Наружная поверхность изоляция будет покрашена масляной краской светлых тонов слое толщиной δ₃ = 1 мм с λ₃ = 0,233 Вт / м · град.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи (а_к) конвекцией при свободном движении газов (воздуха) от наружной поверхности изоляции к воздуху в цехе. С этой целью решаем критериальное уравнение Нуссельта, предварительно принимая турбулентный режим движения воздуха.

 

Nu = 0,15 · (Gr · Pr)^0,333

 

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи конвекцией.

Gr - критерий Грасгофа, характеризующий подъёмную силу при конвекции воздушных потоков.

Pr - критерий Прандтля, характеризующий физические свойства воздуха.

 

 

∆t - средний температурный напор между поверхностью и воздухом.

 

∆t = t₂ - t_в = 40 - 22 = 18⁰С

 

v = 15,1 · 10^-6 м² / с - кинематический коэффициент вязкости воздуха при t_в = 22⁰С.

По таблице физических свойств воздуха при t_в = 22⁰С находим

Pr = 0,722

Произведение (Gr · Pr)^0,333= (256,3 · 10⁹ · 0,722) = 185 · 10⁹ > 1 · 10⁹. Следовательно, имеет место турбулентный режим движения воздуха. Поэтому используем критериальное уравнение Нуссельта вида

 

Nu = 0,154 · (Gr · Pr)^0,333 = 0,15 · (185 · 10⁹)^0,333 = 847,3

 

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

 

 

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием (α_л) от наружной поверхности выпарного аппарата.

 

α_л = с · β = 4,27 · 1,128 = 4,82 Вт / м² · град

 

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи (α)

 

α = α_к + α_л = 4,8 + 4,82 = 9,62 Вт / м² · град

 

Средняя разность температур греющего пара и воздуха в цехе.

 

t_ср = t_п - t_в = 85 - 22 = 63⁰C

 

Удельные потери теплоты в окружающую среду (q)

 

q = α₂ · (t₂ - t_в) = 9,62 · 18 = 173,2 Вт/м²

 

Коэффициент теплоотдачи от пара к воздуху (К)

 

 

Рассчитываем толщину слоя изоляции (δ₂)

 

 

Принимаем δ₂ = 25 мм.

 

Расчёт теплопотерь

 

Определяем изолированную суммарную боковую поверхность выпарного аппарата (F_бок).

 

F_бок = F_ц + F_пп + F_кон = 2 · π · D_н · H + 2 · π · D_пп · H_пп + 0,5 · π · (D_н + d) · ℓ

 

где F_ц - боковая поверхность цилиндрической части аппарата.

F_пп - боковая поверхность паросепаратора аппарата.

F_кон - боковая поверхность конической части аппарата.

d - диаметр нижнего основания конической части аппарата.

d = 80 мм

ℓ - длина образующей конуса. ℓ = √(0,505)² + (0,8)² = 0,946 м.

F_бок = 2 · 3,14 · 1,1 · 2 + 2 · 3,14 · 1,375 · 1,765 + 0,5 · 3,14 · (1,1 +0,08) · 0,946 = 13,816 + 15,24 + 1,753 = 30,81 м²

Определяем потери теплоты с изолированной поверхности пастеризатора (Q^из_пот).

 

Q^из_пот = q · F_бок = 173,2 · 30,817 = 599,6 = 5336,3 Вт

 

Коэффициент теплоотдачи от неизолированной поверхности (α_н)

 

α_н = 9,74 + 0,07 · ∆t = 9,74 + 0,07 · 18 = 11 Вт / м² · град

 

Определяем потери теплоты с неизолированной поверхности пастеризатора (Q^н_пот).

 

Q^н_пот = α_н · F_н · (t₂ - t_в) = α_н · π/4 (D² + d²) · (t₂ - t_в) = 11 · 0,785 · (1,375² + 0,08²) · (40 - 22) = 295 Вт

Суммарные потери теплоты со всей поверхности теплообменника

 

Q_пот = Q^из_пот + Q^н_пот = 5336 + 295 = 5631 Вт

 

Относительные потери теплоты составляют (Q_отн)

 

Q_отн = Q_пот / Q = 5631 / 689,1 · 10³ = 0,0084 = 0,8%

 

Таким образом, выполняется соотношение Q_отн< 5%

 

Экономический расчет

Целью расчета является определение основных затрат на монтаж и эксплуатацию однокорпусной выпарной установки.

Стоимость производственной площади, занимаемой пастеризатором

 

С_пл = ℓ · b · c_пл

 

где ℓ, b - длина и ширина производственной площади, м²

c_пл - нормативная стоимость 1 м² производственной площади,

с_пл - 15000 тнг/м²

С_пл = 4 · 3 · 15000 = 180000 тнг / год

Стоимость амортизации и ремонта установки

 

C_a = c_a · a · F

 

где c_a - стоимость амортизации и ремонта 1 м² площади теплопередачи,

а - годовая норма амортизации и ремонта аппарата, а=0,2;

F - площадь теплопередачи, F=90 м².

С_а= 12000 · 0,2 · 90 = 216000 тнг / год

Стоимость электроэнергии годовая

 

C_эл = с_эл · N · Θ · z₀

 

c_эл - нормативная стоимость 1 кВт · часа электроэнергии, с_э = 4,8 тнг/кВт · ч

N - установленная суммарная мощность электродвигателей,

 

N = N₁ + N₂ = 600 + 27302 = 27902 = 27,9 кВт

 

Θ - число часов работы установки в сутки, Θ =8 ч.

z₀ - среднее число рабочих дней в году, z =280.

C_эл = 27,9 · 0,6 · 8 · 280 = 37498 тнг / год

Стоимость теплоэнергии годовая

 

С_т = р_т · Q · Θ · z₀

 

c_т - стоимость 1 Гкал теплоты, р_т = 2400 тнг / Гкал;\

Q - тепловая нагрузка ВА, Q = 689,1 кВт.

С_т = 2400 · (689,1 / 4,2 · 10⁶) · 3600 · 8 · 280 = 3175373 тнг / год

Стоимость теплоизоляции, включающая доставку, наложение, обслуживание

 

С_из = с_из · (1 + а_из) · F_из · δ₂

 

с_из - нормативная удельная стоимость теплоизоляции, р_из = 3000 тнг / м³

а_из - норма амортизации по наложению и обслуживанию теплоизоляции, а_из = 0,3.

F_из = 30,81 м²

δ₂ = 25 мм = 0,025 м.

С_из = 3000 · (1 + 0,3) · 30,81 · 0,025 = 3004 тнг / год

Суммарная годовая стоимость эксплуатации и ремонта установки

 

С = С_пл + С_а + С_эл + С_т + С_из = 180000 + 216000 + 37498 + 3175373 + 3004 = 3611875 тенге / год.

 

Выводы

Данный курсовой проект представляет собой комплекс расчетно-практических работ, по конструированию, выбору распылительной дисковой сушилки и подбору вспомогательного оборудования к нему для проведения технологических процессов в пищевой промышленности.

В ходе проведения проектных и расчетных работ (гидродинамический, тепловой, конструкторский, изоляционный, экономический и др. расчеты) выбраны конструктивные частицы, подтверждена механическая надежность, конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными для высокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях.

 

Список литературы

сушка молоко установка изоляционный

1 Антипов С.Т. Ученик ХХІ век «Машины и аппараты пищевых производств» - М. «Высшая школа», 2001 г.

Барабанщиков Н.В. «Молочное дело», - М. «Колос» 1983 г.

Бредихин С.А., Космодемгенский Ю.В., Юрин В.Н. «Технология и техника переработки молока» - М. «Колос» 2003 г.

Гальперин Д.М. «Оборудование молочных предприятий, монтаж, накладка, ремонт» - М. «Агропромиздат» 1990 г.

Власенко В.В. «Технологія виробництва і переробки молока і молочних продуктів» - В. 2000 г.

Гончаров Н.Н. Справочник механика молочной промышленности - М. 1959 г.

Золотин Ю.П., Френклах М.Б., Ламутина М.Г. «Оборудование предприятий молочной промышленности» - М. Агропромиздат 1985 г., 270 с.

Иванов В.И. «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности».

Ковалевская Л.П. «Технология пищевых производств» - М. «Колос» 1997 г.

Крусь Т.Н. «Технология молочных продуктов».

Кугенев П.В., Барабанщиков Н.В. Практикум по молочному делу - М. «Колос» 1978 г.

Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. «Технологическое оборудование молочных предприятий» - М. «Легкая пищевая промышленность» 1983 г.

Томбаев Н.И. Справочник по оборудованию предприятий молочной промышленности - М. 1967 г.

Золотин Ю.П., Френклах М.В., Ламутина М.Г. «Оборудование предприятий молочной промышленности» - М. «Агропромиздат» 1985 г.

Шалыгина Г.А. «Технология молока и молочных продуктов» - М. 1973 г.

Барановский Н.В. «Пластинчатые теплообменники в пищевой промышленности». «Машгиз», 1962.

Вайнберг А.Я., Брусиловский Л.П. «Автоматизация технологических процессов в молочной промышленности». Изд-во «Пищевая промышленность», 1964.

Дезент Г.М., Боушев Т.А. «Оборудование и поточные линии для производства мороженого». «Госиздат», 1961.

Золотнии Ю.П. «Циркуляционная мойка молочного оборудования». «Пищепромиздат», 1963.

Крупин Г.В., Лукьянов К.Я., Тарасов Ф.М., Боушев Т.А., Шувалов В.Н., Васильев П.В. «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности». М., изд-во «Машиностроение», 1964.