Техника безопасности при работе тепловых аппаратов

Тепловые аппараты и устройства, хотя и не имеют вращающихся дета­лей, за исключением валов мешалок или звездочек конвейеров, однако тех­нике безопасности при работе на них следует уделять серьезное внимание Тепловое оборудование, как правило, работает в условиях высоких темпера­тур или при давлении выше атмосферного.

Все тепловые аппараты следует регулярно осматривать, проверять, ис­пытывать Текущие и капитальные ремонты их надо проводить строго по графику.

Все аппараты, работающие под давлением свыше 0,7 атм, в обязатель­ном порядка проверяет инспекция Госгортехнадзора. На каждый из них заво­дят паспорт.

Также проверяют и содержат в исправном состоянии коммуникации (трубопроводы) и все контрольно-измерительные приборы (термометры, ма­нометры, предохранительные клапаны, терморегуляторы, сигнализаторы и т. п.).

Пуск в эксплуатацию тепловых аппаратов осуществляют лица, про­шедшие необходимый инструктаж и сдавшие обязательный техминимум. При пуске в работу тепловых аппаратов сначала осматривают и проверяют вес приборы и соединения, проверяют исправность запорной арматуры, пре­дохранительных устройств и трубопроводов После этого включают аппара­туру в работу. Особенное внимание уделяют аппаратам, работающим со сжа­тым воздухом, паром, газами

Если обнаруживаются какие-либо неисправности арматуры, неплотно­сти в соединениях, неудовлетворительная работа приборов — тепловые ап­параты немедленно отключают и останавливают работу.

При работе не допускают превышения температуры или давления свыше установленных пределов, следят за исправным состоянием изоляции, не допускают потерь тепла, используют установленную мощность оборудо­вания.

Глава II. Оборудование для выпаривания, конденсации, диффузии и экстракции

При некоторых тепловых процессах обработки мясопродуктов возни­кает необходимость повышения концентрации растворов или увеличения от­носительного содержания сухих веществ в продукте. Это осуществляется три помощи выпаривания раствора за счет подводимого к нему тепла и удаления воды в виде пара.

Оборудование для выпаривания

Процесс выпаривания применяется при упаривании клеевых и желати­новых бульонов, обработке растворов при производстве медицинских препа­ратов, предварительном выпаривании крови перед сушкой и пр.

Выпаривание происходит в результате разности влагосодержанний во­дяных паров у поверхности испарения и окружающей среды Интенсивность его зависит от величины этой разности, вида выпариваемого раствора и его концентрации. Наиболее интенсивное выпаривание раствора происходит при его кипении.

Для осуществления выпаривания при непрерывном кипении жидкости необходимо обеспечить подвод тепловой энергии для -превращения воды в пар в количестве, равном скрытой теплоте парообразования, и отводить обра­зующиеся при кипении жидкости, так называемые соковые пары, чтобы дав­ление над кипящей средой оставалось постоянным.

Выпаривание может осуществляться при атмосферном давлении, под вакуумом и при давлении выше атмосферного. В первом случае выпаривание проводят в открытых котлах, в двух последних — в закрытых.

Преимущество вакуум-выпарных аппаратов состоит в том, что кипение в них и выпаривание продукта происходит при температуре ниже 100° С, что устраняет возможность снижения качества продукта под влиянием высокой температуры.

Белковые растворы животного происхождения (кровь, меланж, клеевые и желатиновые бульоны) обладают большой чувствительностью к высоким температурам и продолжительности воздействия их на продукт.

Поэтому при конструировании и эксплуатации выпарных аппаратов желательно добиваться наиболее низкой температуры испарения, кратко­временности воздействия тепла на продукт, наименьшего удельного рас­хода пара па единицу продукции.

Для обеспечения этих условий созданы выпарные аппараты различных конструкций (с паровой рубашкой, с нагревом при помощи змеевика, с пря­моточными трубками ит. п.)

Экономия греющего пара достигается за счет применения многокор­пусной выпарки, при которой тепло отходящих соковых паров из I корпуса

используется для обогрева и выпаривания во II корпусе и т. д.

Производительность выпарных аппаратов и устройств характеризуется количеством выпариваемой воды из данного раствора, которое определяют по формуле

к

W = G

г/ч (III-18)

КОН J

где: О — количество раствора, поступающего на выпаривание,

кг/ч;

Кнач — начальная концентрация сухих веществ в растворе,

% к массе;

Ккон — конечная концентрация сухих веществ в растворе,

% к массе.

Если известно количество выпаренной воды, то конечную кон­центрацию раствора находят по формуле

К_Ко_Н ^{= ]}^-%, (III-19)

^кон(}-'ЩГ ^у '

где: —количество выпаренной воды, кг/ч.

Пример. Определить производительность выпарного аппарата для бульона, если количество бульона, поступающего в аппарат, составляет 500 кг/ч, начальная концентрация сухих веществ 4%, а конечная — 10%. Количество испаренной влаги по формуле (III—18) будет равно

W = 500| 1- — | = 300кг/ч.

10,

На рис. 156 представлены принципиальные схемы устройства наиболее часто применяемых на предприятиях мясной промышленности выпарных ап­паратов.

Аппарат с нагревательным элементом в виде змеевика. Аппарат (рис. 156, а) представляет собой емкость цилиндрической или прямоугольной формы, в которую заливают выпариваемый раствор. В раствор погружен змеевик, в который подают греющий пар. Пар в нем частично конденсирует­ся, отдает тепло и нагревает раствор до температуры кипения. Выпаривае­мую из раствора влагу (соковые пары) удаляют из аппарата через верхний патрубок.

Аппарат с трубчатым нагревательным элементом. Аппарат (рис 156

б) состоит из цилиндрической емкости, в которой укреплены две перегород­ки (трубные решетки) с развальцованными в них трубками, обрытыми с обо­их концов. Греющий пар поступает в межтрубное пространство и обогревает

трубки, в которых находится выпариваемый раствор. Эта конструкция обес­печивает хорошую теплопередачу. Изменяя размер трубок, можно осущест­вить выпаривание раствора в тонком слое. Соковые пары удаляются через верхний патрубок под вакуумом или под давлением.

Ссмсіьш Сок$6ый Сбнобый

Рис. 156. Схемы устройства выпарных аппаратов:

а — со змеевиком нагревательным элементом; б — с трубча­тым нагревательным элементом; в — с паровой рубашкой.

Аппарат с паровой рубашкой. Аппарат (рис. 156, в) представляет со­бой емкость, в которой находится выпариваемый раствор. Греющий пар по­ступает в рубашку, через которую происходит теплопередача. Соковые пары удаляются сверху.

Из описанных аппаратов наиболее экономичным является выпарной аппарат с трубчатым подогревателем. Комплект вакуум-насоса, конденсатора и контрольно-регулирующего прибора образует вакуум-выпарную установку.

Однокорпусная вакуум-выпарная установка для крови. Эта установка (рис. 157) конструкции ВНИИМПа предназначена для предварительного вы­паривания влаги из крови перед поступлением ее в распылительную сушил- ку.

Особенность этой установки состоит в том, что зона кипения крови на­ходится вне зоны обогрева, благодаря чему исключается возможность пере­грева крови. Влага испаряется в процессе быстрой циркуляции крови (ско­рость циркуляции составляет 1 —1,5 м/сек).

Источником тепла является вода, нагреваемая паром до 70°С и отдающая свое тепло крови, которая подогревается, продвигается вверх по трубкам и закипает. Чтобы кипение крови происходило при низких температурах (40° С), в системе создается глубокий вакуум (остаточное давление 60 мм рт. ст.).

Кровь, подлежащая выпариванию, поступает в приемник 4, в котором имеется регулятор уровня 5. Приемник 4 соединен обводной трубой 22 с ос­новным корпусом 1 для выравнивания давления. Теплообмен происходит в трубчатом теплообменнике 7, куда в межтрубное пространство по трубе 25

Рис. 157. Однокорпусная вакуум-выпарная установка для крови 1 — корпус аппарата; 2 — каплеуловитель; 3 — конденсатор; 4 — приемник аппарата; 5 — регулятор уровня; 6 — кипятильные трубки; 7 — трубчатый теплообменник; 3, 10 — сборники; 9 — пароводяной бойлер, 11 —трубопровод; 12— водяной бак; 13— центробежный насос; 14 — шестеренчатый насос; 15 — электродвигатель; 16, 17, 19, 24, 25, 26, 27, 29 — трубопроводы, 18 — барометрическая труба, 20 — всасывающий трубо­провод; 21 — нагнетательный трубопровод; 22 — обводная труба; 23 — ресивер, 28 — штуцер дня конденсата; 30 — вакуум насос.

подается горячая вода из пароводяного бойлера 9 при помощи центробежно­го насоса 13 по нагнетательному трубопроводу 21. Конденсат из бойлера от­водится через штуцер 28. Отработанная вода по трубе 24 поступает в водяной бак 12 и по всасывающему трубопроводу 20 вновь поступает к насосу 13.

Пары крови, полученные в результате кипения в трубках 6 на­правляются в корпус 1, а жидкая кровь стекает по трубопроводу 11 в сборник

8. откуда по трубопроводу 27 забирается шестеренчатым насосом 14 и по­ступает в приемник для крови. Пары, получаемые в корпусе 1, поступают в каплеуловитель 2, в котором жидкая часть отделяется и возвращается по сливной трубе 19 опять в выпарной аппарат, а пары поступают в конденсатор 3, где конденсируются холодной водой. Из конденсатора 3 газы и насыщаю­щие их пары, частично и конденсат, направляются по трубопроводу 16 в ре­сивер 23, откуда по трубопроводу 17 к поршневому мокровоздушному ваку- ум-насосу 30 с приводом от электродвигателя 15 и выбрасывается в атмосфе­ру. Вода из конденсатора по барометрической трубе 18 поступает в сборник 10.

Зарубежными фирмами выпускается большое количество различных вакуум-выпарных аппаратов [«Геринг» (ФРГ), «Ниро-Атомайзер» (Да­ния), «Виганд» (ФРГ), «Дрейер Голланд Мертеп» (ГДР) и др.].

Производительность этих аппаратов различна — от 30 до 270 кг выпа­риваемой влаги в час, расход пара от 50 до 240 кг/ч, рабочее давление пара 4 атм, расход электроэнергии 4 кВт/ч.

При расчетах выпарных аппаратов определяют расход тепла, количест­во испаряемой влаги и продолжительность выпаривания, испарительною способность аппарата и количество воды, выпариваемой за 1 ч на 1 м по­верхности нагрева аппарата.

Расходы тепла определяют по формулам, приведенным выше.

Тепло расходуется на:

подогрев выпарного аппарата и всех металлических частей от началь­ной температуры до температуры кипения раствора — СЬ

подогрев раствора ог начальной температуры до температуры кипения

— СЬ;

выпаривание воды из раствора — СЬ;

нагревание раствора, добавляемого в аппарат в процессе выпаривания до температуры кипения, — СЬ;

теплопотери в окружающую среду через стенки аппарата и другие по­верхности теплопередачи — СЬ.

Общий расход тепла равен 10 = 0₁ + 0₂ + <9, + <9 , + <9, кдж.

Если известна поверхность нагревательного элемента (змеевика, тру­бок, рубашки) выпарного аппарата, то продолжительность процесса выпари­вания определяют по формулегде: к — всеобщий коэффициент теплопередачи нагревательного эле- мента выпарного аппарата, кдж/(м • ч • град),

At— разность температур греющего и выпариваемого раствора,⁰ С.

Испарительную способность выпарного аппарата находят по формуле

q = кг/(м²-ч) (III-21)

Ft

где: W — общее количество воды, выпаренное за время процесса в аппарате, кг;

-С 2

г — поверхность нагрева элемента, м ; т — продолжительность процесса выпаривания, мин.

В однокорпусных выпарных установках тепло отходящих соковых (вторичных) паров не используется, в связи с чем на выпаривание 1 кг влаги расходуется в среднем 1,2 кг. Кроме того, в этих аппаратах велик расход во­ды на конденсацию отходящих паров. Поэтому применение многокорпусных выпарных аппаратов более рационально.

Трехкорпусная вакуум-выпарная установка. Эта установка (рис. 158) состоит из трех выпарных аппаратов и предназначена для выпаривания клеевых и костных бульонов. Работает она следующим образом. Раствор, подлежащий выпариванию, по трубопроводу 1 диаметром 40 мм поступает в регулятор поплавкового типа, а оттуда в выпарной аппарат первой ступени, представляющий собой вертикальный цилиндр с трубками 3 внутри. Раствор поступает в трубки снизу и поднимается, а греющий пар по трубопроводу 4 поступает в межтрубное пространство, обогревает трубки, конденсируется, отдает тепло и в виде конденсата удаляется снизу через патрубок 5.

Образующиеся при кипении раствора паровые пузырьки с капельками жидкости по трубопроводу б поступают в сепаратор 7, где жидкость отделя­ется от соковых паров и по трубопроводу 8 вновь поступает в выпарной ап­парат 3 Температура кипения раствора в первой ступени составляет 100° С, а в сепараторе снижается до 90° С. Излишняя часть жидкости поступает из се­паратора 7 в выпарной аппарат второй ступени 11.

Соковые пары из сепаратора 7 по трубе 10 направляются в межтруб­ное пространство аппарата 11, где используются как греющее средство.

Кипение раствора в аппарате второй ступени 11 происходит при 90°С. Образующиеся при этом соковые пары поступают по трубопроводу в сепара­тор второй ступени 13, где жидкость отделяется от паров, собирается на дне и по трубе 14 направляется в выпарной аппарат 11, а излишек жидкости - по трубе 15 в выпарной аппарат третьей ступени.

Соковые пары из сепаратора 13 по трубе 16 поступают в качестве греющего пара в межтрубное пространство выпарного аппарата 17, в котором жидкость кипит при 75°. Часть соковых паров по трубопроводу 18 поступает в термо­компрессор 19 (тепловой насос пароструйного типа), в котором температура паров повышается до температуры греющего пара, направляемого в аппарат I ступени 3, что позволяет экономить до 30—35% греющего пара. Остальную часть соковых паров направляют в сепаратор III ступени 20, где окончатель­но упаренная до нужной степени концентрации жидкость по трубопроводам

25. и 29 откачивается вакуум-насосом 27, приводимым в движение от элек­тродвигателя 28 мощностью 3 л. с.

Рис. 158. Трехкорпусная вакуум-выпарная установка:

1, 4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 21, 24, 25, 26, 29, 35, 37 — трубопроводы, 2 — поплавковый регулятор; 3 — выпарной аппарат I ступени; 5 — патру­бок; 7 — сепаратор; 11 — выпарной аппарат II ступени; 13 — сепаратор II ступени; 17 — выпарной аппарат III ступени; 18 — труба; 19 — термоком­прессор; 20 — сепаратор III ступени; 22 — трубчатый конденсатор; 23 — патрубок для охлаждающей воды; 27 — вакуум-насос; 28 — электро­двигатель; 30 — патрубок для отвода конденсата; 31, 32, 33 — клапаны; 34, 38 — струйные насосы; 36 — насос.

Соковые пары по трубе 21 направляются в поверхностный конден­сатор трубчатого типа 22, где конденсируются при температуре 5 5 °С водой, циркулирующей между трубками. Образующийся конденсат стекает и отса­сывается насосом 36 по трубопроводу 26, а нагретую воду по трубе 24 на­правляют на различные производственные цели.

Производительность установки составляет примерно 1900 кг испарен­ной влаги в час, расход пара при давлении 4 атм 750 кг/ч, расход охлаждаю- щей воды 9 м /ч, температура греющего пара в аппаратах: I ступени 100° С, II ступени 90° С и III ступени 75° С, соответственно температура выпаривания составляет 90, 70 и 55° С. Температура поступающего раствора 50° С. Для контроля процесса выпаривания служат манометры, термометры, регуляторы температуры, смотровые стекла.

Многокорпусные выпарные установки рассчитывают следующим обра­зом.

Для любого корпуса уравнение материального баланса будет иметь

вид:

К_начО = К_п_₁(С-}¥₁ -Ж₂(111-22)

где: п — число корпусов (ступеней) установки;

\У_Ь 2, ..., Wn — масса воды, выпаренной в соответствующих

корпусах.

Отсюда концентрация сухих веществ в растворе любого корпуса

К_п . = , %. (Ш-23)

Для определения расходов тепла составляем уравнение теплового ба­ланса, в котором в левой части содержится приход тепла с греющим паром и выпариваемым раствором, а в правой — расход тепла, уходящего с соковым паром, раствором и конденсатом греющего пара.

Это уравнение для I ступени на 1 кг раствора будет иметь следующий

вид:

й^Л +с₀?₀ =лк₁г' 1 +(1 -лк₁)с₁1₁ +с/₁г₁ кДж/кг, (Ш-24)

где: с11 — удельный расход греющего пара, кг на 1 кг раствора посту­пающего в аппарат;

11. — теплосодержание греющего пара в I корпусе, кДж/кг;

Со — теплоемкость поступающего раствора, кДж/(кг- град);

^ — температура кипения поступающего раствора, °С;

\У1 — количество воды, выпаренной из 1 кг раствора в I корпусе,

кг/кг;

С1 — теплоемкость раствора в I корпусе, кДж/(кг-град);

11. — температура кипения раствора в I корпусе;

XI — теплосодержание конденсата греющего пара в I корпусе,

кДж/кг.

Из уравнения (Ш-24) можно наши количество воды, выпаренное в кор­

пусе:

I — т

Выражение —5- называют коэффициентом испарения и обозначают

^— ^1

буквой а. Этот коэффициент показывает сколько кг воды выпаривают из 1 кг пара.

Выражение —— называют коэффициентом самоиспарения, показы-

Ч ~ К

вающим количество воды в кг, испарившейся в результате охлаждения 1 кг перегретого раствора. Этот коэффициент обозначают (3.

Тогда окончательно

+ с₀/?кг/кг. (Ш-26)

Подобным образом составляют уравнение теплового баланса для лю­бого корпуса выпарной установки.

Расход греющего пара на 1 кг раствора в I корпусе составляет

^ _Щ—^с_йР_ кр/кр (Ш-27)

а

Общее количество воды, выпаренной в установке, равно сумме выпа­ренной воды по корпусам, или

IV = и? + Ж₂ + Щ +... + Ж_п__х кг. (Ш-28)

Учитывая потери тепла, практически для расчетов многокорпусной ус­тановки можно считать:

для двухкорпусной установки

Ж =-^кг и 1¥_г=1¥, -1,14 кг 2,14

для трехкорпусной установки

Ж = -^-кг, Ж₂ = Ж • 1,1 кг и 3,34

Удельный расход пара для многокорпусной установки равен

В = — , (Ш-29)

Ж

где: Б — общий расход острого пара в установке, кг/ч;

общее количество выпаренной воды, кг/ч

.

С учетом потерь греющего пара можно приближенно считать

п

(Ш-30)

^Ж

В = кг,

0,85и

где: п — число корпусов в установке Практически средний расход острого пара следующий. Установка	Средний расход острого пара, кг пара на 1 кг воды
Однокорпусная	1Д
Двухкорпусная	0,6
Трехкорпусная	0,4
Четырехкорпусная	0,3

Число корпусов нельзя увеличивать беспредельно, так как экономия постепенно убывает и становится настолько мала, что не оправдывает расхо­дов на установку следующего корпуса.

Поверхность нагрева любого корпуса вакуум-выпарной установки на­ходят по формуле

_{Р =} ^Л_Ш² (Ш-31)

шт

где: Б — расход греющего пара (острого или сокового), кг/ч;

1. — теплосодержание острого или сокового пара, кДж/кг; т — теплосодержание конденсата, кДж/кг; к — общий коэффициент теплопередачи, кдж/(м² • ч • град);

А1 — разность температур между греющим агентом и кипящим раствором;

Т — продолжительность процесса выпаривания, ч.