Принцип действия оборудования

Стр 1 из 2Следующая ⇒

ФГБОУ ВО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Курсовая работа

по дисциплине: «Технологическое оборудование»

Тема: «Оборудование для теплофизической обработки технологических продуктов виноделия. Расчет
теплообменных устройств»

Выполнила: студентка факультета агробиологии и земельных ресурсов

4 курса 7 группы направления

19.03.02 Продукты питания из растительного сырья

Долгополова О.А.

Проверил: канд. техн. наук, доцент

Миронова Елена Алексеевна

СТАВРОПОЛЬ

2019

Содержание

	Введение	3
1	Технологическая часть	5
1.1	Характеристика оборудования	5
1.2	Принцип действия оборудования	15
1.3	Достоинства и недостатки оборудования	18
2	Расчетная часть	19
	Список используемой литературы	26

Введение

Теплофизическая обработка продуктов виноделия включает как их термическую обработку, так и обработку электродинамическими способами.

Термическая обработка продуктов виноделия включает нагревание и охлаждение винограда, мезги, сусла, виноматериалов и вин, шампанского и коньяка. В зависимости от поставленной цели теплота и холод могут применяться раздельно или комбинированно, обработку можно вести периодическим или непрерывным способом.

Теплообменное оборудование (дефлегматоры, холодильники, конденсаторы и т. п. устройства) широко применяется на винодельческих предприятиях. Элементами теплообменных устройств (рубашками, змеевиками) снабжены бродильные резервуары, резервуары для хранения и транспортирования вин и т. д.

К теплообменному оборудованию специального назначения могут быть отнесены десульфитаторы и деалкоголизаторы, установки для получения вакуум-сусла, концентрирования сусла вымораживанием и др.

Электродинамические способы обработки все шире используются в виноделии и имеют большие перспективы. К ним в первую очередь относят обработку вина ультрафиолетовыми (УФ), инфракрасными (ИК) лучами, токами высокой частоты (ТВЧ и СВЧ) и др.

Теплообменник – техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры.

Основные виды теплообменников:

1. Кожухотрубчатые (кожухотрубные) теплообменники.

2. Элементные (секционные) теплообменники.

3. Двухтрубные теплообменники вида «труба в трубе».

4. Витые теплообменники.

5. Погружные теплообменники.

6. Оросительные теплообменники.

7. Ребристые теплообменники.

8. Спиральные теплообменники.

9. Пластинчатые теплообменники.

10. Пластинчато-ребристые теплообменники.

11. Графитовые теплообменники.

12. Миниканальные теплообменники.

13. Геликоидные теплообменники.

Технологическая часть

Характеристика оборудования

Пластинчатые теплообменникиотносятся к наиболее распространенному оборудованию для термообработки виноматериалов и вин. Схема пластинчатого теплообменника показана на рис. 1. Он состоит из группы рабочих теплообменных пластин, подвешенных на горизонтальных штангах, концы которых заделаны в стойках. При помощи нажимной плиты и винта пластины в собранном состоянии сжаты в один пакет. На схеме для более ясного изображения потоков жидкостей показаны только пять пластин в разомкнутом положении. В действительности пластины в рабочем положении плотно прижаты друг к другу на резиновых прокладках.

Путь обрабатываемого вина обозначен на схеме сплошной линией, а теплоносителя – пунктирной. Продукт входит в аппарат через штуцер 1 и через верхнее угловое отверстие в первой слева пластине 18 (концевой) попадает в продольный коллектор, образованный угловыми отверстиями пластин после их сборки. По коллектору продукт проходит до граничной пластины 6, имеющей глухой угол (без отверстия), и распределяется по нечетным каналам между пластинами, которые сообщаются с угловым коллектором благодаря соответствующему расположению резиновых прокладок. При движении вниз в межпластинчатом канале продукт обтекает волнистую поверхность пластин, обогреваемых с обратной стороны теплоносителем. Затем продукт выходит в продольный коллектор, образованный нижними угловыми отверстиями, и выходит из аппарата через штуцер 11.

Рис. 1. Схема пластинчатого теплообменника: 1, 2, 11, 12 – штуцеры; 3, 9 – стойки; 4, 5, 16 – прокладки; 6, 17 – граничные пластины; 7, 15 – штанги; 8 – нажимная плита; 10 – винт; 13, 18 – концевые пластины; 14 – рабочая пластина.

Теплоноситель движется в аппарате навстречу продукту. Он поступает в штуцер 12, проходит через нижний коллектор, распределяется по четным каналам (между концевой пластиной 13 и граничной 6, граничной 17 и концевой 18) и движется по ним вверх. Через верхний коллектор и штуцер 2 теплоноситель выходит из аппарата.

Параллельная расстановка плоских в целом пластин с малыми промежутками между ними позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно, что приводит к значительному уменьшению размеров пластинчатого аппарата по сравнению с другими типами жидкостных теплообменников.

Пластинчатый теплообменник может быть охарактеризован не только как разборный, но и как наборный. Он позволяет иметь множество различных компоновочных вариантов.

Компоновку аппарата условно обозначают дробью, где сумма цифр в числителе показывает число последовательно соединенных пакетов по тракту продукта, а значение каждой из цифр – количество параллельных межпластинных каналов в соответствующем пакете. В знаменателе даются те же сведения для теплоносителя. Обозначения такого рода называют формулами компоновки.

Существует большое разнообразие форм пластин и их профилей. Они делятся по форме поверхности и направлению потока жидкости в межпластинном пространстве. Такое разделение имеет непосредственное отношение к тепловым и гидравлическим характеристикам пластин. Пластины бывают канальчатыми (со спиральным или зигзагообразным каналом), однопоточными (с ленточным или сетчатым потоком), плоскими со вставками.

Пластины могут быть разделены и по побочным или внутренним признакам, устанавливающим различие между пластинами внутри одного аппарата: по назначению в аппарате (рядовые, граничные, концевые); местонахождению уплотнительных прокладок (двусторонние, односторонние, гладкие); относительному расположению уплотнительных прокладок (левые, правые), относительному расположению входа и выхода и по общему направлению потока на пластине (прямые, диагональные).

На рис. 2 представлены различные типы пластин. В некоторых зарубежных моделях пластины выполняются круглыми.

Возмущающие элементы на поверхности пластин способствуют турбулизации потока и повышению интенсивности теплопередачи.

В качестве охладителей для вина используются чаще всего пластинчатые теплообменники ВО1-У2, 5 и ВО1-У5 (и модификация ВОУ-5-2М), имеющие по одной секции. На рис. 3, а показан пластинчатый охладитель ВО1-У5.

Для подогрева вина перед фасованием (при горячем фасовании) разработан также пластинчатый подогреватель ВПЮ-5.

Производительность теплообменников ВО1-У2, 5, ВО1-У5, ВОУ-5-2М и ВПЮ-5 соответственно 2, 5; 5, 0; 5, 0 и 5, 0 м³/ч.

Возможность использования в теплообменниках нескольких секций достигается благодаря установке между пластинами специальных (промежуточных) пластин, позволяющих отводить и направлять к любому месту поток жидкости. Такие устройства используют в многосекционных пастеризаторах, например, ВП1-У2, 5, ВП1-У5 и ВКЛ-5, выпускаемых с выносными выдерживателями. Производительность их соответственно 2, 5; 5, 0 и 5, 0 м³/ч.

Рис. 2. Пластины разборного пластинчатого теплообменника: а – с вертикальными фрезерованными каналами; б – с горизонтальными штампованными каналами; в – с вертикальными штампованными каналами; г – с горизонтальными штампованными рифлями: 1 – поддерживающая лапа; 2 – резиновые прокладки; 3 – каналы или рифли; 4 – гладкая промежуточная пластина.

На рис. 3, б показан пастеризатор ВП1-У5. Вино подается в аппарат через штуцер А, расположенный в промежуточной плите 2, и проходит в секцию рекуперации, где под влиянием встречного потока горячего вина его температура повышается до 70 °С. Далее в секции пастеризации вино нагревается до 81-85 °С под действием встречного потока горячей воды температурой 86-90 °С, подаваемой из бойлера насосом через штуцер Д и удаляемой через штуцер Е.

Вино, нагретое до температуры пастеризации, через штуцер Ж подается сначала в выдерживатель, где находится около 100 с, а затем через штуцер Б возвращается в секцию рекуперации. Здесь вино отдает большую часть своей теплоты вновь поступающему холодному вину и охлаждается до температуры 31 °С. Затем оно поступает в секцию водяного охлаждения, где охлаждается до 13-18 °С. На нажимной плите 1 располагаются штуцера В для подвода и Г отвода охлаждающей воды, отвода вина и гильзы для термометра.

Рис. 4. Теплообменные аппараты (общий вид): а – охладитель ВО1-У5 (1 – станина; 2 – место крепления термометра; 3 – пластины; 4 – нажимная плита; 5 – переходник; 6 – термометр сопротивления); б – пастеризатор ВП1-У5 (1 – нажимная плита; 2 – промежуточная плита между секциями регенерации и водяного охлаждения; 3 – то же между секциями пастеризации и регенерации; 4 – станина с нажимным устройством; 5 – пластины).

Необходимая температура воды для нагрева вина поддерживается автоматическим регулированием подачи пара с помощью электромагнитного мембранного регулирующего клапана, управляемого электронным регулятором.

Пластинчатые теплообменники различных видов и назначения выпускают многие зарубежные фирмы.

Из других типов теплообменных аппаратов наиболее известны спиральные теплообменники, выпускаемые фирмой «Daubron» (Франция), сотовые (ламельные), выпускаемые фирмой «Аlfa-Laval» (Швеция) и др.

Пастеризационно-охладительная установка, теплообменное устройство, предназначенное для быстрой пастеризации жидких пищевых продуктов в закрытом потоке с последующим их охлаждением. Для пастеризации и комбинированной термической обработки виноматериалов и вин в России применяют пастеризационно-охладительную установку ВП1-У5 производительностью 500 дал/ч. Пастеризационно-охладительная установка содержит пластинчатый теплообменник, бойлер, инжектор, выдерживатель. Основной элемент пастеризационно-охладительной установки – пластинчатый теплообменник – состоит из секций пастеризации, рекуперации, охлаждения. Вино подается в секцию рекуперации, где подогревается пастеризованным вином до 60–62°С, а оттуда – в секцию пастеризации, где обычно нагревается до 70°С встречным потоком горячей воды. Затем вино отводится в выдерживатель, в котором находится около 100 с при температуре пастеризации, после чего направляется на последовательное охлаждение в секции рекуперации и водяного охлаждения. Известны также пастеризационно-охладительные установки марки ОПЛ, ОПУ, А-ОПЖ и др., отличающиеся производительностью, числом секций, температурным режимом.

Пластинчатый теплообменник пастеризационно-охладительной установки ВП1-У5: а — общий вид аппарата: 1 — станина; 2 — промежуточная плита; 3 — секция пастеризации; 4 — секция рекуперации; 5 — секция охлаждения водой; 6 — нажимная плита; 7 — штанга; 8 — стойка; б — схема движения теплообменивающих сред.

Установка пастеризационно-охладительная автоматизированная ВП1-У5

Предназначена для быстрой тонкослойной пастеризации вина и виноматериалов в закрытом потоке с последующим охлаждением его после кратковременной выдержки, а также для тепловой обработки. Входит в комплект оборудования технологических линий производства сброженных, сброженно-спиртованных и спиртованных соков (виноматериалов), плодово-ягодных вин, яблочного сидра, натурального виноградного сока, виноградных вин и виноматериалов.

Основные узлы: пластинчатый пастеризатор, бойлер, инжектор, выдерживатель, пульт управления, насос горячей воды и электрогидравлический регулирующий клапан.

Пастеризуемое вино, соки или виноматериалы с температурой 13-18°С, подаваемые в установку через штуцер, проходят секцию генерации, где под влиянием встречного потока горячего вина (сока) их температура повышается до 70°С. Далее в секции пастеризации продукт нагревается до температуры 85-90°С под действием встречного потока горячей воды с температурой 86-90°С, подаваемой из бойлера насосом.

Вино (сок), нагретое до температуры пастеризации, поступает сначала в выдерживатель, а затем в секцию регенерации. Здесь вино (сок) отдает часть своего тепла вновь поступающему холодному продукту и охлаждается до температуры 30°С. Затем вино (сок) поступает в секцию водяного охлаждения, где охлаждается до 13-18°С.

Необходимую температуру воды для нагрева поддерживает автоматически электромагнитный мембранный регулирующий клапан. Управляет клапаном электронный регулятор ЭРСС-63.

Таблица 1 – Техническая характеристика установки пастеризационно-охладительной автоматизированной ВП1-У5

Производительность, л/ч	5000
Основной режим работы: нагрев вина (соков), °С выдержка (при температуре 83°С), с охлаждение, °С	от 18 до 84 100 до 15±2
Начальная температура теплоносителя, °С	86-90
Начальная температура хладоносителя, °С	8
Расход пара, кг/ч	107
Расход холодной (водопроводной) воды, м3/ч	15
Число секций в установке	3
Число пластин	107
Размер пластин, мм: ширина высота толщина	315 1025 1, 2
Поверхность теплообмена пластин, м²	0, 198
Насос для горячей воды: тип производительность, м/ч напор, м	2К-6 30 20
Мощность электродвигателя насоса, кВт	4, 5
Число оборотов вала электродвигателя насоса в минуту	2900
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	2000 700 1500
Вес (масса) пастеризатора, кг	820
Вес (масса) установки, кг	991

Техническая характеристика установок ВП1-У2, 5 и ВП1-У5 (рис. 6)

Рис. 6. Автоматизированная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка ВП1-У5

Расчетная часть

Расчет пластинчатого теплообменника – это процесс технических расчетов, предназначенный для поиска желаемого решения в теплоснабжении и его осуществления.

Тепловой расчет

Данные теплоносителей при техническом расчете оборудования должны быть обязательно известны. Среди этих данных должны быть: физико-химические свойства, расход и температуры (начальная и конечная). Если данные одного из параметров не известны, то его определяют с помощью теплового расчета.

Тепловой расчет предназначен для определения основных характеристик устройства, среди которых: расход теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, тепловая нагрузка, средняя разница температур. Находят все эти параметры с помощью теплового баланса.

Пример общего расчета.

В аппарате теплообменника тепловая энергия циркулирует от одного потока к другому. Это происходит в процессе нагрева или охлаждения.

Q = Q_г= Q_х

Q – количество теплоты, передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],

Откуда:

Q_г = G_гc_г·(t_гн – t_гк) и Q_х = G_хc_х·(t_хк – t_хн)

где:

G_{г, х} – расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];

с_{г, х} – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];

t_{г, х н} – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

t_{г, х к} – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].

При этом, учитывайте, что количество входящей и выходящей теплоты во много зависит от состояния теплоносителя. Если в процессе работы состояние стабильно, то расчет производим по формуле выше. Если хоть один теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, то расчет входящего и выходящего тепла стоит производить по формуле ниже:

Q = Gc_п·(t_п – t_нас)+ Gr + Gc_к·(t_нас – t_к)

где:

r – теплота конденсации [Дж/кг];

с_{п, к} – удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг·град];

t_к – температура конденсата на выходе из аппарата [°C].

Первый и третий члены стоит исключать из правой части формулы, если конденсат не охлаждается. Исключив эти параметры, формула будет иметь следующее выражение:

Qгор = Qконд = Gr

Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:

Gгор = Q/cгор(tгн – tгк) или Gхол = Q/cхол(tхк – tхн)

Формула для расхода, если нагрев идет паром:

G_пара = Q/ Gr

где:

G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];

Q – количество теплоты [Вт];

с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];

r – теплота конденсации [Дж/кг];

t_{г, х} _н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

t_{г, х к} – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].

Основная сила теплообмена – разница между его составляющими. Это связано с тем, что, проходя теплоносители, температура потока меняется, в связи с этим меняются и показатели разницы температур, поэтому для подсчетов стоит использовать среднестатистическое значение. Разницу температур в обоих направлениях движения можно высчитать с помощью среднелогарифмического:

∆ t_ср = (∆ t_б - ∆ t_м) / ln (∆ t_б/∆ t_м), где ∆ t_б, ∆ t_м – большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Определение при перекрестном и смешанном токе теплоносителей происходит по той же формуле с добавлением поправочного коэффициента
∆ t_ср = ∆ t_ср ·f_попр. Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

1/k = 1/α ₁ + δ _ст/λ _ст + 1/α ₂ + R_заг

в уравнении:

δ _ст – толщина стенки [мм];

λ _ст – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];

α _{1, 2} – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м²·град];

R_заг – коэффициент загрязнения стенки.

Конструктивный расчет

В данном виде расчета существуют два подвида: расчет подробный и ориентировочный.

Расчет ориентировочный предназначен для определения поверхности теплообменника, размера его проходного сечения, поиска приближенных коэффициентов значения теплообмена. Последняя задача выполняется с помощью справочных материалов.

Ориентировочный расчет поверхности теплообмена производят благодаря следующим формулам:

F = Q/ k·∆ t_ср [м²]

Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:

S = G/(w·ρ ) [м²]

где:

G – расход теплоносителя [кг/ч];

(w·ρ ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м²·с]. Для расчета скорость потока принимают исходя из типа теплоносителей:

Вид теплоносителя	Скорость потока, м/с
Вязкие жидкости	1
Маловязкие жидкости	-3
Запыленные газы	-10
Чистые газы	0-15
Пар насыщенный	0-50

После проведения конструктивного ориентировочного расчета выбирают определенные теплообменники, которые полностью подходят для требуемых поверхностей. Количество теплообменников может достигать как одной, так и нескольких единиц. После на выбранном оборудовании проводят подробный расчет, с заданными условиями.

После проведения конструктивных расчетов будут определенны дополнительные показатели для каждого вида теплообменников.

Если используется пластинчатый теплообменник, то нужно определить значение греющих ходов и значение среды, которую нагревают. Для этого мы должны применить следующую формулу:

X_гр/X_нагр = (G_гр/G_нагр)^{0, 636} · (∆ P_гр/∆ P_нагр)^{0, 364} · (1000 – t _{нагр ср}/ 1000 – t_{гр ср})

где:

G_гр, _нагр – расход теплоносителей [кг/ч];

∆ P_гр, _нагр – перепад давления теплоносителей [кПа];

t_гр, _{нагр ср} – средняя температура теплоносителей [°C].

Если соотношение Хгр/Хнагр будет меньше двух, то выбираем компоновку симметрическую, если больше двух – несимметричную.

Ниже представлена формула, по которой высчитываем количество каналов среды:

m_нагр = G_нагр / w_опт·f_мк·ρ ·3600

где:

G_нагр – расход теплоносителя [кг/ч];

w_опт – оптимальная скорость потока теплоносителя [м/с];

f_к – живое сечение одного межпластинчатого канала (известно из характеристик выбранных пластин).

Гидравлический расчет

Технологические потоки, проходя через теплообменное оборудование, теряют напор или давление потоков. Это связано с тем, что каждый аппарат имеет собственное гидравлическое сопротивление.

Формула, используемая для нахождения гидравлического сопротивления, которое создают аппараты теплообмена:

∆ Р_п = (λ ·( l / d ) + ∑ ζ ) · (ρ w²/2)

где:

∆ p_п – потери давления [Па];

λ – коэффициент трения;

l– длина трубы [м];

d– диаметр трубы [м];

∑ ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ρ – плотность [кг/м³];

w – скорость потока [м/с].

Список используемой литературы

А) ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. ЭБ " Труды ученых СтГАУ". Повышение эффективности эксплуатации пастеризационного оборудования на предприятиях АПК: учеб. пособие / И. В. Капустин, И. А. Атанов, Е. И. Капустина, Д. И. Грицай; СтГАУ. - Ставрополь, 2017.

2. Федоренко, Б. Н. (доктор технических наук; профессор).
Современный учебник по инженерному обеспечению пищевых технологий [Текст] / Б. Н. Федоренко // Пищевая промышленность. - 2017. - № 4. - С. 26-27. - Библиогр.: с. 26 (3 назв.).

3. Эксплуатация пастеризационных установок на предприятиях АПК: учеб. пособие для практ. подготовки студентов вузов [" Агроинженерия", " Зоотехния", " Эксплуатация транспортно-технол. машин и комплексов", " Ветеринария", " Технология бродильных пр-в и виноделие" ] / И. В. Капустин, И. А. Атанов, Д. И. Грицай, В. И. Марченко; СтГАУ. - Ставрополь: АГРУС, 2016. - 96 с.

Б) ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] / К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков. Л.: Химия, 1987. 575 с.

2. Пластинчатые теплообменные аппараты. Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983. 56 с.

4. Стандартное оборудование для переработки растительного сырья. Ч.IV. Теплообменные аппараты: справочные материалы: учеб. издание / сост. к.т.н. М.И. Ведерникова, В.Б. Терентьев, В.С. Таланкин, Ю.Л. Юрьев – Екатеринбург: УГЛТУ, 2007. 100 с.

5. ЭБС " Znanium". Зайчик, Ц. Р. Технологическое оборудование винодельческих предприятий: учебник / Ц. Р. Зайчик. - 5-е изд., доп. - Москва: ИНФРА-М, 2014. - 496 с.

ФГБОУ ВО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Курсовая работа

по дисциплине: «Технологическое оборудование»

Выполнила: студентка факультета агробиологии и земельных ресурсов

4 курса 7 группы направления

19.03.02 Продукты питания из растительного сырья

Долгополова О.А.

Проверил: канд. техн. наук, доцент

Миронова Елена Алексеевна

СТАВРОПОЛЬ

2019

Содержание

	Введение	3
1	Технологическая часть	5
1.1	Характеристика оборудования	5
1.2	Принцип действия оборудования	15
1.3	Достоинства и недостатки оборудования	18
2	Расчетная часть	19
	Список используемой литературы	26

Введение

Основные виды теплообменников:

1. Кожухотрубчатые (кожухотрубные) теплообменники.

2. Элементные (секционные) теплообменники.

3. Двухтрубные теплообменники вида «труба в трубе».

4. Витые теплообменники.

5. Погружные теплообменники.

6. Оросительные теплообменники.

7. Ребристые теплообменники.

8. Спиральные теплообменники.

9. Пластинчатые теплообменники.

10. Пластинчато-ребристые теплообменники.

11. Графитовые теплообменники.

12. Миниканальные теплообменники.

13. Геликоидные теплообменники.

Технологическая часть

Характеристика оборудования

На рис. 2 представлены различные типы пластин. В некоторых зарубежных моделях пластины выполняются круглыми.

Производительность теплообменников ВО1-У2, 5, ВО1-У5, ВОУ-5-2М и ВПЮ-5 соответственно 2, 5; 5, 0; 5, 0 и 5, 0 м³/ч.

Пластинчатые теплообменники различных видов и назначения выпускают многие зарубежные фирмы.

12 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2020-02-16; Просмотров: 382; Нарушение авторского права страницы