2. Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі

Нижче наведено опис апаратурно-технологічної схеми пастеризації пива (рис. 2.1).

Рис. 2.1 – Апаратурно-технологічна схема пастеризації пива:

1 – фільтр; 2, 9 – збірник; 3 – карбонізатор; 4, 7 – витримувач; 5 – форфас; 6, 8 – теплообмінник пластинчатий; Н1-6 – насос

Пиво, отримане на попередніх стадіях багатостадійного технологічного процесу, фільтрують у фільтрі 1 з метою освітлення і стабілізації продукту та насосом Н1 передають у збірник 2 для тимчасового зберігання. Зі збірника 2 пиво насосом Н2 спрямовується у карбонізатор 3, де насичується СО₂, після чого витримується у витримувачі 4 і насосом Н3 передається у форфас 5 для остаточної витримки і стабілізації. З форфасу 5 освітлене і стабілізоване пиво насосом Н4 передається у пластинчатий теплообмінник-підігрівач, де нагрівається гарячою водою до температури пастеризації, витримується у витримувачі 7, після чого охолоджується у пластинчатому теплообміннику 8 до температури зберігання і фасування, після чого насосом Н5 передається у збірник 9, а звідти насосом Н6 спрямовується на розлив і фасування.

В даному курсовому проекті передбачено розрахунок пластинчатого теплообмінника-підігрівача 6, призначеного для нагрівання пива з метою його пастеризації.

3. Розрахунки

Розрахунок пластинчатого теплообмінника для нагрівання пива гарячою водою виконаємо згідно наступних вихідних даних:

• витрата пива – G_п=5 т/год=1,389 кг/с;

• початкова температура пива – t_поч=12⁰С;

• кінцева температура пива – t_кін=65⁰С;

• початкова температура гарячої води – t_в.п.=72⁰С;

• кінцева температура гарячої води – t_в.к.=22⁰С.

3.1 Тепловий розрахунок

3.1.1 Тепловий баланс

Середня температура пива у теплообміннику:

Середня температура води в теплообміннику:

Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно підвести до пива в процесі його нагрівання (теплове навантаження теплообмінника):

де - питома теплоємність пива, Дж/(кг·К); =4091,9 Дж/(кг·К) при температурі 38,5⁰С [3, с. 79, табл. 8.3].

Таким чином, отримаємо:

З рівняння теплового балансу визначаємо витрату гарячої води в теплообміннику:

де - питома теплоємність води при її середній температурі в теплообміннику, Дж/(кг·К); =4180 Дж/(кг·К) при 47⁰С [3, c. 183, табл. 14.2].

П

t,^оС

t,^оС

риймаємо протитечійну схему руху теплоносіїв у теплообміннику і визначаємо середню різницю температур в апараті:

В

t_вп

t_пк

ода: 72→22

П

t_вк

иво: 65←12

∆

t_пп

t_м=72-65=7⁰С

t_1п

t_1п

t_1п

∆

F,m²

t_б=22-12=10⁰С

Відношення 𝜟t_б/𝜟t_м 2, тому середню температуру процесу визначаємо за виразом:

Приймаємо орієнтовно значення коефіцієнту теплопередачі в теплообміннику 800 Вт/(м²·К) і визначаємо орієнтовне значення площі поверхні теплопередачі апарату:

3.1.2 Розрахунок коефіцієнту теплопередачі

Для розрахунку коефіцієнту теплопередачі спочатку визначаємо теплофізичні показники води і пива при їх середніх температурах в теплообміннику.

Теплофізичні показники води при температурі 47⁰С [3, c. 183, табл. 14.2]:

• густина – ρ_в=989,2 кг/м³;

• коефіцієнт динамічної в’язкості – μ_в=0,5814·10^-3 Па·с;

• коефіцієнт теплопровідності – λ_в=0,6438 Вт/(м·К);

• критерій Прандтля – Pr=3,771.

Теплофізичні показники пива при температурі 38,5⁰С [3, c. 79, табл.8.3]:

• густина – ρ_п=1022,94 кг/м³;

• коефіцієнт динамічної в’язкості – μ_п=0,104·10^-2 Па·с;

• коефіцієнт теплопровідності – λ_п=0,6 Вт/(м·К);

Вибираємо швидкості потоків рідин у каналах між пластинами.

На підставі практичного досвіду вибираємо швидкість руху пива між пластинами =0,6 м/с. Потім цю швидкість уточнюємо залежно від розмірів каналів між пластинами.

За продуктивністю апарата і швидкістю руху пива можна знайти кількість паралельних каналів в одному пакеті за умови нерозривності потоку:

Заокруглюємо число паралельних каналів до =4 і уточнюємо швидкість руху пива:

Для зручності компонування секції швидкість гарячої води беремо такою самою, як і швидкість пива.

Визначаємо режим руху пива за значенням критерію Рейнольдса:

Розраховуємо критерій Прандтля:

Таким чином, режим руху пива – турбулентний, оскільки при руху теплоносія в каналах, утворених гофрованими пластинами в пластичнатих теплообмінниках, турбулентний режим має місце при Re=50-30000 і Рr=0,7-80.

Розраховуємо критерій Нусельта за формулою:

- приймаємо рівним 1.

Таким чином, отримаємо:

Коефіцієнт тепловіддачі від пластин до пива:

Аналогічні розрахунки виконуємо для руху води в каналах теплообмінника.

Критерій Рейнольдса при руху води в теплообміннику:

Критерій Нусельта для води:

Коефіцієнт тепловіддачі від води до пластин:

Коефіцієнт теплопередачі в теплообміннику розраховуємо по формулі:

Приймаємо теплову провідність забруднень зі сторони пива і води однаковою і рівною 5800 Вт/(м²·К). Теплопровідність сталі λ_ст=17,5 Вт/(м·К).

∑r_ст = r_{загр 1} + r_ст + r_{загр 2}