3 Расчеты процессов и подбор оборудования

3.1 Расчет основного аппарата

В качестве основного аппарата выбираем змеевиковую варочную колонку для уваривания сахарно-паточного сиропа и сахаро-паточно-молочного сиропа Расчет ведется по [13].

Змеевиковая варочная колонка представляет собой цилиндрический стальной корпус с приваренным к нему штампованным стальным днищем в нижней части и отъемной крышкой. Внутри корпуса смонтирован медный змеевик, имеющий два ряда витков, соединенных между собой последовательно. Нижний конец змеевика присоединяется к трубопроводу от сиропного плунжерного насоса, питающего аппарат, а верхний – к соединительному трубопроводу, идущему в выпарную часть.

В верхней части корпуса греющей части аппарата имеется штуцер для подачи греющего пара; на крышке смонтированы предохранительный клапан и кран для выпуска воздуха. В днище аппарата имеются штуцер для подачи сиропа, штуцер для спуска конденсата и кран для продувки аппарата.

Часовая производительность (кг/ч) линии по готовым изделиям

, (3.1)

где П_см – сменная производительность линии по готовой карамели, кг/смену (по заданию П_см = 9000 кг/смену);

t – длительность работы смены, ч (t = 8 ч).

кг/ч = 0,3125 кг/с.

Часовой расход рецептурной смеси G_рс (кг/ч)

, (3.2)

где W_с – влажность помадного сиропа, % (W_с = 14 %);

W_рс – влажность рецептурной смеси, % (W_рс = 18 %);

G_с – часовой расход помадного сиропа, кг/ч (принимаем G_с = =1125 кг/ч=0,3125 кг/с).

кг/с = 1179,9 кг/ч.

Расход греющего пара и площадь поверхности теплообмена определим на основе уравнения теплового баланса, которое для змеевикового вакуум-варочного аппарата при уваривании рецептурной смеси имеет вид

, (3.3)

где с_рс и с_с – удельная теплоёмкость рецептурной смеси и помадного сиропа, Дж/(кг×К);

t_рс и t_с – температура рецептурной смеси и помадного сиропа, (принимаем t_рс = 90 и t_с = 120 );

D₁ – расход греющего пара, кг/с;

D₂ – количество выпаренной влаги, кг/с;

и – удельная энтальпия греющего пара и конденсата, Дж/кг;

– удельная энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

Q_п – потери теплоты аппаратом в окружающую среду, Дж/с (принимаем Q_п = 2000 Дж/с).

Удельная теплоемкость рецептурной смеси или сиропа

, (3.4)

где с – удельная теплоемкость рецептурной смеси или помадного сиропа,

t – температура рецептурной смеси или сиропа;

а – концентрация сахара в растворе, кг/кг (принимаем а = 0,55 кг/кг).

Удельная теплоемкость рецептурной смеси

Дж/(кг×К).

Удельная теплоемкость помадного сиропа

Дж/(кг×К).

Количество выпаренной влаги

, (3.5)

где а₁ и а₂ – содержание сухих веществ в рецептурной смеси и сиропе, кг/кг (а₁ = 0,82 кг/кг и а₂ = 0,86 кг/кг).

.

Расход греющего пара для аппарата

(3.6)

Принимаем температуру греющего пара равной 160 при давлении пара 0,6 МПа. Энтальпию греющего пара и конденсата определим по соответствующим таблицам для сухого насыщенного пара при указанном давлении и температуре. Энтальпию вторичного пара определим при остаточном давлении в вакуум-камере 0,02 МПа. Тогда энтальпии составят

.

кг/с.

Площадь поверхности теплообмена F (м²) змеевиковой варочной колонки

, (3.7)

Коэффициент теплопередачи

, (3.8)

Коэффициент теплоотдачи конденсирующего пара на пучке горизонтальных труб длиной L

, (3.9)

где ε – поправочный коэффициент, 0,7 при n ≤ 100;

λ – теплопроводность конденсирующегося пара, 68,3 Вт/мК [14];

ρ = 907 кг/м³ – плотность конденсирующего пара [14];

μ = 0,74∙10⁶ Па∙с – динамическая вязкость конденсирующегося пара [14] ;

L = 25,5 м – длина трубы змеевика;

n = 11 – число витков змеевика;

Вт/м²∙ К.

, (3.10)

где λ₂ = 0,456 Вт/мК – теплопроводность сахарного сиропа [15];

Pr = 34,98 - критерий Прандтля для сахарного сиропа.

Значение критерия Рейнольдса для сахарного сиропа при эквивалентном диаметре канала d_экв=0,02 м:

, (3.11) где µ₁= 64 Па^.с – динамическая вязкость сахарного сиропа [15];

ρ = 1411 кг/м³ – плотность сахарного сиропа [15];

Примем (Pr/Pr_ст)=1, тогда:

Вт/м^{2 .}К.

Коэффициент теплопередачи:

Вт/м^{2 .}К.

Принимаем K = 310 Вт/м^{2 .}К;

Dt_ср – средний температурный напор между продуктом и греющим паром, оС.

Определим больший Dt_б и меньший температурный напоры Dt_м

Dt_б = 160 – 90 = 70 ;

Dt_м = 160– 120 = 40 .

Проверяем условие: (Dt_б /Dt_м) = 70/40 > 1,8, то Dt_ср определяем как среднелогарифмическую разность

, (3.12)

.

м².

Внутренний диаметр d_в (м) трубы змеевика

, (3.13)

где – скорость движения сахарного сиропа, м/с ( = 0,5 м/с);

r – плотность сиропа, кг/м3 (r = 1300 кг/м³).

м.

Длину трубки змеевика определяем по формуле:

, (3.14)

где d_н – стандартный диаметр трубы змеевика, м. При принимаемом d_н = 50 мм = 0,05 м.

Диаметр змеевика

D_зм = D_к – (3,5…4)d, (3.15)

где D_к – внутренний диаметр корпуса аппарата, м, принимаем 0,975м.

D_зм = 0,975 – 3,75∙0,05 = 0,77 м.

Шаг витков змеевика

S = (1,5…2) d, (3.16)

S = 1,75∙0,05 = 0,08.

Длина одного витка змеевика l, м

l= π∙ D_зм , (3.17)

l = 3,14 ∙ 0,77 = 2,42 м.

Число витков змеевика

, (3.18)

n = 25,5 / 2,42 = 10,53 = 11.

Диаметр корпуса греющей части определяется по формуле

D_к = D_зм + d_н + 0,1, (3.19)

D_к = 0,77 + 0,05 + 0,1 = 0,92 м.

Принимаем диаметр по ближайшему диаметру стандартных штампованных днищ 0,9 (900 мм).

Высота змеевика Н_зм составит

Н_зм = Sn + h_к, (3.20)

где h_к – конструктивная добавка с учётом высоты штампованных днищ

(h_к = 300 мм).

При наличии двуспирального змеевика

(3.25)

Н_зм = м = 740 мм.

Толщина стенки корпуса определяется по формуле

, (3.21)

где р – давление в аппарате, МПа (р = 0,6 МПа);

D_в – внутренний диаметр сосуда, м (D_в = 0,8 м);

_д – допускаемое напряжение на растяжение, МПа (для стали Ст.5 принимаем равным 150 МПа);

φ – коэффициент прочности сварного шва (φ = 0,7 ÷0,8);

с – прибавка на коррозию,м (c = 0,0015 м).

Принимаем толщину стенки 0,004 м (4 мм).

Толщину эллиптического днища определяем по формуле

м (3.22)

где h_в – высота выпуклой части днища (h_с 0,2 D_в). Принимаем h_в = 0,16 м.

• _д = 0,004 м (4 мм).

Рисунок 1 – Эскиз днища

Болтовое соединение рассчитываем исходя из условия герметичности (плотности). Усилие, действующее на один болт (Р₀) определяется по формуле

(3.23)

где k – коэффициент затяжки болта,

Q – усилие, отрывающее крышку от фланца;

(3.24)

где z – число болтов на фланце,

D_в – внутренний диаметр корпуса,

р – давление в корпусе.

Принимаем

k = 2,0; D_в = 0,8 м; z = 32; р = 0,6 МПа

Номинальный диаметр болта определяется по формуле

(3.25)

где _в – предел прочности материала болта на растяжение, МПа;

n_в – запас прочности.

Принимаем: n_в = 6,5; _в = 500МПа

Принимаем болты М24 по ГОСТу 9150 – 59.

Определяем толщину ( ) кругового приварного фланца

Расчёт проводится по формуле

(3.26)

где – коэффициент, зависящий от конструкции фланца и вида прокладки; принимаем равным 0,43;

R₀ – радиус окружности центров болтовых отверстий, м;

R_в – внутренний радиус корпуса, м;

d – диаметр болтового отверстия, м;

S – расстояние между болтами (шаг болтов), м.

Остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.

Принимаем

R₀ = 0,45 м, R_в = = 0,4 м; d = 0,025 м; S = ;

S = ;

В соответствии с требуемой производительностью аппарата и площадью поверхности теплообмена (F = 2,21 м²) для уваривания сиропа выбираем 2 змеевиковых аппарата марки 33-2А-5 производительностью 500 кг/ч для уваривания сахаро-паточного сиропа и змеевиковый варочный аппарат марки 33-2А-10 производительность 1000 кг/ч для уваривания сахаро-паточно-молочного сиропа[16].

Таблица 3.1- Техническая характеристика унифицированных змеевиковых вакуум-аппаратов 33-2А-5, 33-2А-10

Показатели	Вакуум аппарат производительностью
	500 кг/ч		1000 кг/ч
Греющая часть (Змеевиковая варочная колонка)
Поверхность нагрева змеевика, м2	4,2		7,5
Диаметр медных труб змеевика, мм	55*2		55*2
Избыточное давление сиропа в змеевике ат кн/м2	До 4 До 390		До 4 До 390
Избыточное рабочее давление пара ат кн/м2	До 6 До 590		До 6 До 590
Давление при гидравлическом испытании ат кн/м2	До 9 До 880		До 9 До 880
Примерный расход пара, кг/ч	175		220
Объем парового пространства, л	330		570
Габариты, мм Длина Ширина высота	996 975 1325		996 975 1775
Масса, кг	377		502
Выпарная часть (Пароотделитель)
Рекомендуемое рабочее разряжение, мм.рт.ст		680
Объем верхней вакуум-камеры, л		140
Объем нижнего копильника, л		90
Периодичность выгрузки массы, мин		2
Габариты, мм		990*910*1438
Масса,кг		176