Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. Курс лекций

такие детали, как трубные решетки, сферические и плоские днища, крышки, опорныелапы, рассчитываюттакже, какдлятеплообменников.

Особенностью вакуум-аппаратов является их работа под избыточным наружным давлением, поэтому цилиндрическая форма корпуса в таких аппаратах является неустойчивой. Следовательно, толщину стенки корпуса нужно рассчитывать не только на прочность при сжатии, но и на устойчивость против деформации цилиндрической формы стенки. Устойчивость может снизиться, если наружное избыточное давление превысит критическое, соответствующее данным размерам обечайки.

Толщину стенки корпуса выпарного аппарата (см), работающего под наружным давлением, рассчитывают по формуле

где D – диаметр аппарата, см; р – наружное избыточное давление, Па; т – запас устойчивости, принимается 4-5; Е – модуль упругости материала.

Иногда требуются выпарные аппараты с коническими днищами (рис. 2). Максимальное напряжение в коническом днище возникает вдоль образующей конуса; если днище работает только под давлением пара или газа, то толщину его стенки можно определить по формуле

где р – внутреннее избыточное давление в аппарате, Па; Dв– внутренний диаметр аппарата, см; [σд] –допускаемое напряжение на разрыв, Па; φ1– коэффициент прочности сварного шва вдоль образующей конуса; α – половина центрального угла, град.; С –прибавка на коррозию материала, из которого сделан аппарат, м.

Если днище работает под гидростатическим давлением столба жидкости, то расчетная формула принимает вид:

где γ – плотность жидкости, кг/м3.

Если днище работает под смешанным давлением, то внутреннее избыточное давление р пара или газа над жидкостью заменяется эквивалентным гидростатическим давлением столба жидкости, высота которого (м) определяется по формуле

hэкв = р/γ.

Для определения диаметров паровых патрубков скорость насыщенного пара следует принимать в пределах 25-30 м/с, а вторичного пара

– 30-35 м/с.

81

Особенностью многих аппаратов этой группы является то, что усилия, действующие на стенки сосуда, обусловлены, главным образом, гидростатическим давлением жидкости и, следовательно, зависят от напора.

Если давление в какой-либо точке на внутренней поверхности сосуда превышает 0,07 МПа без учета гидростатического давления, то при проектировании сосудов необходимо выполнять ряд требований, предусмотренных нормами Госгортехнадзора.

Цилиндрические аппараты могут иметь вертикальное и горизонтальное исполнения. Предпочтения необходимо отдать вертикальным аппаратам, так как в них исключены дополнительные напряжения при изгибе, возникающие в корпусе при действии силы тяжести аппарата и находящейся в нем среды.

При давлении в аппарате менее 10 МПа цилиндрические обечайки выполняют из пластичных материалов, в основном из листов методом вальцовки с последующим соединением стыков преимущественно сваркой. При соединении стыков из медных и латунных листов применяют также и пайку. После соединения стыка цилиндрические обечайки подвергают технологической пайке (калибровке).

83

Лекция 9

РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ И УПАКОВКИ ПРОДУКЦИИ

Барабанные дозаторы (рис. 1) применяют двух типов: с цилиндрическими или гранеными барабанами и секторные (ячейковые или лопастные). Цилиндрические, гладкие и мелкорифленые барабаны используют для порошковых и мелкозернистых материалов.

а – цилиндрический; б– граненый; в – ячейковый; г – лопастной

Окружная скорость v барабанов составляет 0,025-1 м/с. Такие дозаторы обычно устанавливают под бункерами.

Производительность барабанного дозатора, кг/с:

Q = Flznвρφ,

где F – площадь поперечного сечения одного кармана (желоба, ячейки и т.д., в дальнейшем можно называть желобом), м2; l – длина рабочей части желоба, м; z – число желобов на барабане; nв – частота вращения барабана, с-1; ρ – плотность материала, кг/м3; φ – коэффициент заполнения желобов, φ = = 0,8-0,9.

Для цилиндрического барабана

Q = πDhlznвρφ,

где D – диаметр барабана, м; h – толщина слоя материала, захватываемого барабаном, м.

Частота вращения барабана, с-1:

nб 360 nв,

где α – угол поворота барабана за один оборот приводного вала, град.; nв – частота вращения приводного вала, с-1.

Если α = 360°, то пб = пв; если α < 360°, то пб < пв Мощность, требуемая на привод барабана, Вт:

N =Pvk1k2 ,

84

где Р – сила для преодоления сопротивления вращению барабана.

Тарельчатые (дисковые) дозаторы (микродозаторы) применяют-

ся при дозировании сухих сыпучих добавок.

Материал из бункера поступает на вращающийся диск, с которого сталкивается скребком. Толщина слоя на диске регулируется манжетой, ограничивающей выход материала на диск. За каждый оборот диска с него снимается порция материала, расположенная на диске в виде кольца треугольного сечения.

Производительность дозатора, кг/с:

Q = V0ρn,

где V0 – объем материала, снимаемого за один оборот тарелки (диска), м3;

п – частота вращения тарелки, с-1.

Максимальный объем материала, снимаемого за один оборот, м3:

V0 = 2πR0F0,

где R0 – расстояние между центром тяжести радиального сечения коль-

ца и осью вращения, м; F0 – площадь поперечного сечения кольцевого слоя, м2;

R0 = R + h / 3tgφc,

где R – радиус манжеты, м; h – высота подъема манжеты над тарелкой, м; φ – угол естественного откоса материала в движении, град.

F0 = h2 / 2 tg φc.

Предельная частота вращения тарелки определяется из условия, при котором центробежная сила, действующая на частицы материала, меньше силы их трения о диск, т. е.

Для определения мощности, потребной для привода тарельчатого дозатора, необходимо учитывать сопротивление: от трения продукта о поверхность тарелки и скребка; дробления продукта скребком; скручивания столба продукта, опускающегося из воронки дозатора.

Для тарельчатого дозатора приближенно мощность привода, Вт:

N = N1 / η(l + f2 cos β)k,

где N1 – мощность, потребная для преодоления сил сопротивления от трения материала о тарелку, Вт:

N1 = Pvм,

85

где vм – скорость материала, сбрасываемого с диска, м/с; Р– сила трения, Н; β – угол установки скребка относительно плоскости сечения кольца материала; f2 – коэффициент трения материала о скребок; η – КПД приводного механизма дозатора; k – коэффициент, учитывающий другие вредные сопротивления (k = 1,5-2).

Сила трения, возникающая при движении материала по тарелке:

P = F0Lρgf1,

где L – путь перемещения материала, м; f1 – коэффициент трения материала о диск.

Скорость движения материала:

υм = 2πR0n/60.

Шнековые дозаторы (рис. 2) применяют для подачи зернистых, мелкокусковых и порошкообразных материалов в тех случаях, когда возможное измельчение отдельных частиц не имеет значения. Производительность регулируют главным образом изменением частоты вращения шнека. Такие дозаторы можно устанавливать горизонтально, наклонно и вертикально.

Производительность шнеко-

вого дозатора при непрерывном

вращении вала, кг/ч:

Q = 47D2tknρ,

где D – диаметр шнека, м; t– шаг шнека, м, t = (0,8...1)D; k – коэффи-

циент заполнения, k = 0,8...1,0; n – частота вращения вала шнека (для легкосыпучих материалов n = 0,66...1,3 с-1, для трудносыпучих – п = 0,33...0,66 с-1).

Во избежание забивания шнека при работе с кусковым материалом рекомендуется выдерживать соотношение D≥(4...5) Dк, где Dк – максимальный размер куска.

Потребная мощность двигателя,

где η – КПД привода; L2 – горизонтальная проекция пути перемещения, м; Н – высота подъема продукта, м; ω – коэффициент сопротивления перемещению материала (для муки w = l,2; поваренной соли и соды – w = 2,5; порошковой и кусковой извести – w = 4); k1– коэффициент, учитывающий потери на трение в подшипниках (k1 = 1,1...1,2).

86

Основным рабочим органом вибрационных дозаторов является опорный или подвесной лоток 3 (рис. 3), получающий колебания от приводного механизма. В качестве последнего может быть применен эксцентриковый колебатель 1-2 (рис. 3а) или вибродвигатель 4 (рис. 3б).

Рис. 3. Вибрационные дозаторы, получающие колебания:

а – от эксцентрикового шатунного механизма; б – от вибродвигателя

Вибрационные дозаторы могут подавать различные материалы. Число колебаний лотка рекомендуется до 3000 в минуту, а амплитуда колебаний –до 4 мм. При этом наблюдается кратковременный отрыв материала от дна лотка, и в течение некоторого промежутка времени материал находится в состоянии свободного полета. Это уменьшает длительность контакта груза с лотком и снижает износ последнего.

Производительность вибрационного дозатора, т/ч:

Q = 3600Bhvρφ,

где В – ширина лотка, м; h – высота слоя материала в лотке, м; v – средняя скорость перемещения материала, м/с; φ – коэффициент заполнения, для открытых лотков φ = 0,6...0,8.

При частоте колебаний больше 28 с-1 средняя скорость перемещения материала по лотку

v = kaω cos β,

где k – поправочный коэффициент.

На практике скорость подачи материала вибрационным дозатором обычно составляет 0,1-0,3 м/с.

Мощность приводного двигателя в вибрационных дозаторах рас-

ходуется на преодоление сил сопротивления перемещению насыпанного продукта по лотку и на потери, связанные с приведением массы дозатора в колебательное движение, кВт:

87

где k’ – коэффициент, зависящий от точности настройки упругой системы дозатора, k’ = 0,04...0,16; п – число колебаний в минуту; Gk – масса качающихся частей дозатора; kз – коэффициент сопротивления, kз = 0,25...0,35; L – длина лотка, м.

Ленточные дозаторы (рис. 4) применяются для подачи и дозирования сыпучих, плохосыпучих, а также влажных слеживающихся материалов. Они могут устанавливаться горизонтально или наклонно.

Рис. 4. Ленточный дозатор: 1 – заслонка; 2 – лента транспортера

Верхняя ветвь ленты лежит на опорных роликах или скользит по неподвижному металлическому настилу. Вдоль ленты устанавливаются борта, создающие желоб. Бункер устроен так, чтобы на ленту непосредственно не передавалось давление материала. Слой материала на ленте по высоте регулируется заслонкой. Рекомендуемая скорость ленты составляет 0,1-0,5 м/с.

Производительность ленточного дозатора, кг/ч:

Q = 3600Fvρk,

где F= bh – площадь поперечного сечения слоя материала, м2; b – ширина ленты, м; h – толщина слоя материала на ленте, м; v – скорость ленты, м/с; k – коэффициент заполнения желоба, k = 0,75...0,8.

Потребная мощность на ведущем барабане, кВт:

N' = N1+ N2,

где N1– затраты мощности на подачу материала, кВт; N2 – затраты мощности на преодоление трения материала о стенки желоба, кВт.

N1 367Q103 (0,2L H )k1,

где L – длина дозатора между осями барабанов, м; Н – высота подъема продукта (для наклонных дозаторов), м; k1 – коэффициент, учитывающий сопротивление барабанов, перегиб ленты и т. п., k1= 1,2.

N2 = PV = 0,01h2lρfkпvg,

где Р – тяговое усилие для преодоления сопротивления трению, Н; l – длина бортов, м; f – коэффициент трения материала о борта; kп – коэффициент подвижности материала (из справочных данных).

88

Тяговое усилие

P = pпhlf,

где pп = hvkп – нормальное давление на борта, Па. Установленная мощность электродвигателя

N=N'/ηkт,

где η – КПД привода; kт – коэффициент, учитывающий потери на трение, kт=1,1.

1. Требования, предъявляемые к оборудованию для фасовки и упаковки продуктов

Предприятия перерабатывающей промышленности выпускают свыше 500 видов пищевых продуктов, расфасованных в пакеты или завернутых в различные оберточные материалы.

Все пищевые продукты, выпускаемые в упакованном виде, можно разделить на следующие три основные группы:

1)сыпучие продукты – мука, крупа, рис, соль, сахарный песок, кофе в зернах, молотый и суррогатный, чай, какао, хлопья, пищеконцентраты в порошке, макаронные изделия, пряности и др.;

2)пластичные продукты – прессованные дрожжи, масло, маргарин, плавленый сыр, творог, творожные сырки и др.;

3)штучные изделия – кусковой сахар, конфеты, карамель, шоколад

вплитках, бисквиты, вафли, чай в плитках, пищеконцентраты в брикетах и др.

Сыпучие продукты расфасовывают в пакеты с последующим запечатыванием. Применяют жесткие пакеты в форме прямоугольного параллелепипеда, мягкие пакеты и при небольшом количестве продукта в одном пакете – плоские. Пакеты используют одинарные или двойные.

Пластические продукты расфасовывают в пакеты (плавленый сыр, творог, творожные сырки и др.) либо заворачивают их в оберточные материалы после придания правильной формы завертываемой порции продукта (прессованные дрожжи, масло и др.).

Штучные изделия завертывают каждое отдельно (индивидуальная завертка) или по несколько изделий в одну общую (групповая завертка). Так, для конфет, шоколада в плитках, брикетов пищеконцентратов применяется индивидуальная завертка, для кускового сахара, бисквитов, вафель

– групповая.

В соответствии с характером процессов упаковки автоматы для пищевых продуктов можно разделить на два основных класса:

1)расфасовочно-упаковочные;

2)заверточные.

89

Врасфасовочно-упаковочных автоматах первым процессом упа-

ковки является изготовление пакета или, если автомат снабжается готовыми пакетами, подготовка пакета к наполнению продуктом. Вторым процессом является наполнение пакета продуктом, третьим – запечатывание пакета.

Взаверточных автоматах упаковка состоит из двух процессов: подготовка продукта к завертыванию (формование пластического продукта или группирование штучных изделий); завертывание продукта в различные оберточные материалы.

Упаковка сыпучих продуктов производится на расфасовочноупаковочных автоматах; для упаковки пластических продуктов и штучных изделий применяются как расфасовочно-упаковочные, так и заверточные автоматы.

Современные автоматы, предназначенные для розлива различных пищевых жидкостей в бутылки и придания бутылкам товарного вида, выполняют заданные технологические операции без вмешательства человека.

Устройство и конструкции разливочных автоматов должны отвечать техническим и технологическим требованиям производства, определяемым главным образом физико-химическими свойствами готовых

купотреблению пищевых жидкостей.

При любом способе розлива пищевые жидкости не должны подвергаться аэрации, так как под действием кислорода воздуха в продукте нарушаются окислительно-восстановительные процессы, изменяющие вкусовые качества разливаемой жидкости. Аэрация вызывает также пенообразование, что затрудняет нормальное наполнение бутылок и нарушает необходимую точность дозирования.

Требования, предъявляемые к качеству пищевых жидкостей, определяют не только тип тары, в которую фасуют эти жидкости, но и условия, принципы и методы фасования, а также обусловливают наличие различных типов и марок фасовочных машин, применяемых в современной промышленности.

Существующие фасовочные машины, несмотря на различные назначения и разнообразие конструкций, имеют много общего в принципиальных схемах и методах расчета.

Проблемы, связанные с применением тары, имеют много аспектов, основные из которых следующие: санитарно-гигиенические требования, прочностные характеристики, экономические показатели и экологические вопросы.

В настоящее время для производства тары под пищевые жидкости применяют множество различных материалов: стекло, разнообразные полимерные материалы, фольгу, бумагу с пропиткой, а также исполь-

90