«Процессы и аппараты пищевых производств
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВОЭКОНОМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра технического обеспечения торговых и технологических процессов
Методические указания к выполнению внеаудиторной самостоятельной работы студентов
по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств». (Контрольная работа)
Направление подготовки 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания»
Квалификация выпускника: бакалавр
Профиль подготовки: «Технология продукции и организация ресторанного дела»
Форма обучения: заочная, заочная(сокращенная)
Санкт-Петербург
2013г.
ОДОБРЕНЫ на заседании кафедры
«Технического обеспечения торговых и
технологических процессов»
Протокол № 11 от 21 мая 2013 г.
Зав. кафедрой
_________________ В.А.Гуляев
Составитель: Е.В.Сокольникова
Рецензент: В.П. Иваненко
Составлены в соответствии с учебным планом и рабочей программой дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств» для подготовки бакалавра по направлению подготовки 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания»
ст.преподаватель кафедры «Технического обеспечения торговых и технологических процессов»
ФГБОУ ВПО «СПбГТЭУ»
доцент кафедры «Технического обеспечения торговых и технологических процессов»
ФГБОУ ВПО «СПбГТЭУ»
2
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Курс «Процессы и аппараты пищевых производств» знакомит студентов, обучающихся по специальности 260800.62, с закономерностями физико-химических процессов, происходящих в аппаратах, при переработке сырья в готовые продукты питания, что поможет будущим товароведам квалифицированно оценивать качество продукции, правильно и грамотно обеспечивать их хранение.
Контрольная работа включает в себя теоретический вопрос по курсу и задачи. В теоретическом вопросе отражается физическая сущность процесса, дается описание конструкции и принципа действия аппарата (установки), предлагаются способы интенсификации процесса. Текст контрольной работы сопровождается графиками, рисунками, диаграммами и т.п.
Все расчеты проводятся в Международной системе единиц (СИ) с точностью до второй значащей цифры после запятой.
Выбор варианта контрольной работы производится по начальной букве фамилии и имени студента.
По начальной букве фамилии выбирается вариант теоретического вопроса, а по начальной букве имени – вариант задач. Номера вариантов вопросов и задач представлены в таблице 1. Исходные данные к задачам в приложении 1.
Вопросы теоретической части контрольной работы представлены в таблице 2.
|
|
Таблица 1 |
Номер варианта |
Теоретический вопрос - |
Задачи - |
|
начальная буква фамилии |
начальная буква имени |
1 |
2 |
3 |
1 |
А,П |
Щ,Т |
2 |
Б,Р |
Ц,Х |
3 |
В,С |
Р,Ф |
4 |
Г,Т |
Ш,У |
5 |
Д,У |
Э,С |
6 |
Е,Ф |
Ю,Р |
7 |
Ж,Х |
Я,П |
8 |
З,Ц |
Ж,И |
9 |
И,Р |
Е,З |
10 |
К,Ш |
Д,Г |
11 |
Л,Щ |
К,В |
12 |
М,Э |
Л,Б |
13 |
Н,Ю |
М,О |
14 |
О,Я |
Н,А |
3
Таблица 2
Номер варианта |
Вопрос |
1.Способы измельчения материалов. Теория дробления.
2.Сортирование сыпучих материалов. Ситовый анализ.
3.Прессование. Факторы, влияющие на прессование. Прессы.
4.Перемешивание материалов. Оценочные характеристики процесса перемешивания.
5.Разделение неоднородных жидкостных систем в центробежном поле.
6.Мембранные методы разделения жидкостных систем.
7.Фильтрование. Теория фильтрования с образованием осадка. Фильтры.
8.Псевдоожижение.
9.Пастеризация и стерилизация пищевых продуктов.
10.Выпаривание. Схемы выпарных установок.
11.Сорбционные процессы. Установки и аппараты для проведения сорбционных процессов.
12.Сушка пищевых продуктов. Кинетика сушки. Способы сушки. Сушилки.
13.Кристаллизация. Растворение. Аппараты для проведения процессов кристаллизации и растворения.
14.Экстракция. Равновесие в процессах экстракции. Треугольная диаграмма. Экстракторы.
Задача №1
Определить эквивалентный диаметр dэ межтрубного пространства трубчатого
теплообменника при продольном протекании в нем жидкости (рис.1), если внутренний диаметр кожуха теплообменника D =1 м; внешний диаметр трубок, по которым движется охлаждаемая среда, - d ; число таких трубок - n .
4
Рис.1. Схема кожухотрубного теплообменника
Указания к решению задачи
При движении жидкости через поперечное сечение произвольной формы (отличной от круглой) в качестве расчетного линейного размера принимают гидравлический радиус, или эквивалентный диаметр.
Под гидравлическим радиусом понимают отношение площади свободного сечения трубопровода или канала, через которое протекает жидкость, к смоченному периметру:
rΓ = |
S |
, |
|
П |
|||
|
|
где: S – площадь сечения потока жидкости, м2; П – смоченный периметр, м.
Диаметр, выраженный через гидравлический радиус, представляет собой эквивалентный диаметр:
|
d э = 4rΓ |
следовательно |
d э= 4ПS . |
|
Задача №2 |
5
Вода в количестве V подается под абсолютным давлением p0 по магистральному трубопроводу диаметром d0 на охлаждение двух аппаратов I и II (рис.2)..
Ответвление к аппарату I имеет диаметр d1 , а ответвление к аппарату II – d2. Абсолютное давление воды на входе в аппарат I – p1. Разность геометрических высот z1-
z0=HI.
Определить скорость подачи Wi и расход воды V i в каждом аппарате (сопротивлением труб пренебречь).
Указания к решению задачи
Составить уравнение Бернулли для идеальной жидкости для точек 0 и 1. Затем определить скорость воды в магистральном трубопроводе из уравнения:
W = |
|
V |
, |
м с |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0 |
3600S0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Используя уравнение Бернулли, находят |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
é |
|
|
p |
0 |
- p |
W 2 |
ù |
|
|
|
|
|
|
||
W1 = |
|
ê( z0 |
- z1 ) + |
|
1 |
+ |
0 |
ú × 2g |
, м/с. |
|
|
|
|
|
||
|
|
ρg |
2g |
|
|
|
|
|
||||||||
|
ë |
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
|
|
|||
Расход воды на аппарат I: |
V1 = 3600w1 ×S1 ,м3/ч, |
|
|
|
|
|
||||||||||
а расход воды на аппарат II: V2=V-V1, м3/ч. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Скорость воды в трубе, подающей воду к аппарату II: |
W2 |
= |
V2 |
|
, м с . |
|||||||||||
3600 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
× S2 |
||
Рис. 2. Схема охлаждающей установки (к задаче №2).
Задача №3
6
Определить диаметр Д1 отстойника непрерывного действия для отстаивания частиц в воде (рис.3), если: V – производительность отстойника, d1 – диаметр наименьших частиц, подлежащих отстаиванию; ρr – плотность частиц, ρс – плотность среды (воды), μ – динамический коэффициент вязкости ( 10 −3 Па ×с ).
7
Рис.3. Отстойник непрерывного действия 1 – корпус отстойника; 2 – труба-стакан для подачи исходной суспензии; 3 –
кольцевой желоб; 4 – мешалка; 5 – лопасти с гребками; 6 – штуцер для вывода осветвленной жидкости; 7 – разгрузочное устройство для осадка (шлама); 8 – коническая передача; 9 – электродвигатель.
Указания к решению задачи
Диаметр отстойника Д можно определить из уравнения
V=Fw 0=0 . 785 Д 2 w0 .
Скорость осаждения частиц определяется из закона Стокса.
Задача №4
Рассчитать поверхность нагрева и количество ходов многоходового кожухотрубного теплообменника, а также найти расход греющего пара для нагревания Gм кг/ч молока от
начальной температуры tнм до конечной tкм по данным:
-нагревание производится сухим насыщенным паром с давлением Рабс. Па, который подается в межтрубное пространство;
-молоко движется в трубном пространстве, делая несколько ходов.
Указания к решению задачи
Поверхность нагрева определяется по основному уравнению теплопередачи
F = |
Q |
, м2 |
K tср |
где Q – тепловая нагрузка теплообменника, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2К;
tср – средняя разность температур между теплоносителями, 0С. Тепловая нагрузка теплообменника определяется из уравнения
Q = |
1 |
Gм Cм (t мк −t мн ) |
, Вт |
|
3600 |
||||
|
|
|
где См – удельная массовая теплоемкость молока, Дж/кг·К.
Это тепло подводится к молоку от конденсирующегося пара. Коэффициент теплопередачи определяется по формуле
8
K = |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
, Вт/м2К |
|
1 |
+ |
δ |
+ |
|
1 |
|
||
|
α1 |
λ |
|
α 2 |
|||||
где α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи от греющего пара к стенке и от стенки к нагреваемому теплоносителю (молоку), Вт/м2К;
δ – толщина стенки труб теплообменника, м; λ – коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлены трубы
теплообменника, Вт/мК.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке ориентировочно можно принять равным
α1=10000 Вт/м2К.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к молоку в прямых трубах может быть найден из выражения
α1 = Nuλм |
2 |
К, |
dвн |
, Вт/м |
|
|
|
а критерий Nu определяется из экспериментально полученных уравнений:
−для ламинарного режима движения (Re≤2320)
Nu= 0 . 15Re0. 33 |
Pr0,43 G r0. 1 |
; |
|
−для переходного режима движения (2320< Re<1000)
Nu= 0 . 008Re0 .9 |
Рr0 . 43 |
; |
|
−для развитого турбулентного режима движения (Re>1000)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu= 0 . 021Re0 .8 |
Рro0,43 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Здесь: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Nu= |
α2 d вн |
|
|
- критерий Нуссельта; |
|
|
|||||||
λм |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Rе= |
wd вн ρм |
|
|
|
- критерий Рейнольдса; |
|
|
||||||
|
μм |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Pr= |
C м μм |
|
- критерий Прандтля; |
|
|
||||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
λм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ2 |
gd 3 |
β |
м |
Δt |
|
|
|
|||
Gr= |
м |
|
|
вн |
|
|
- критерий Грасгофа, |
|
|
||||
|
|
|
μм2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где приняты следующие обозначения:
dвн = (d н −2δ) - внутренний диаметр труб теплообменника, по которым движется молоко, м;
dн - наружный диаметр труб теплообменника, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
∆t – разность температур внутренней поверхности трубы и теплоносителя (молока), 0С;
λм |
- коэффициент теплопроводности молока, Вт/мК; |
Cм |
- удельная массовая теплоемкость молока, Дж/кгК; |
ρм |
- плотность молока, кг/м3; |
μм |
- динамический коэффициент вязкости молока, Па·с; |
9
βм - термический коэффициент объемного расширения молока, 1/К.
При вычислении критериев Re, Pr, Nu, Gr физико-химические константы молока принимать при среднеарифметической температуре нагревания (приложение 2), а скорость w, входящую в критерий Re, следует принимать оптимальной, обеспечивающей приемлемые гидравлические сопротивления аппарата (примерно 1-1,5 м/с).
Средняя разность температур определяется по формуле
tср = |
tδ − |
tм |
|
||
2,31g |
tδ , |
||||
|
|||||
|
tм |
|
|
||
где ∆tδ и ∆tм – большая и малая разности температур между теплоносителями на концах
теплообменника ( |
tδ = tn t м |
и |
t м = |
tконд |
|
|
t м |
|
; здесь |
tn |
= |
tконд ). При |
|
δ |
|
|
м |
|
, |
||||||||||
|
|
|
− н |
|
|
|
− к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
/ |
t |
|
< 2 |
|
|||
среднюю разность температур допускается рассчитывать по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
tср = |
|
tδ |
+ |
|
tм |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При паровом обогреве жидкой среды направление движения теплоносителей и число |
||||||||||||||||||||||||||||
ходов теплообменника на расчет |
tср |
не влияют. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
После определения F по приведенной выше формуле находят общее количество труб |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n = F / πd ср l |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
где |
dср = 0,5(d н −d вн ) |
- средний диаметр нагревательных труб, м. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Необходимое количество труб в одном ходу многоходового кожухотрубного |
|
|||||||||||||||||||||||||||
теплообменника можно найти из выражения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
n = |
|
|
|
Gм |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
3600ρ |
м |
|
πdвн2 |
w |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а необходимое количество ходов теплообменника определить из отношения |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
m = n / nx . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Часовой расход греющего пара определяется из теплового баланса теплообменника |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Q = Gм C м (t мк |
−t мн )= Д (i'' −i' ) |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д = |
GмCм (tмк − tмн ) |
|
, кг/ч, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
i′′ − i′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
i'' −i' |
- энтальпии греющего пара и конденсата, Дж/кг (прилож.3). |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Постоянные величины для всех вариантов задачи 4: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
dн |
= 33 мм – наружный диаметр нагревательных труб теплообменника; |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
dвн = 30 мм – внутренний диаметр нагревательных труб теплообменника; |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
δ = 1,5мм – толщина нагревательных труб теплообменника; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
l= 1,5-2 м – длина нагревательных труб теплообменника;
λ = 203,5 Вт/м·К – теплопроводность труб (алюминиевых) теплообменника; w = 1-1,5 м/с – скорость движения молока в трубах теплообменника;
βм = 5,11·10-4 1/К – термический коэффициент объемного расширения молока.
Задача №5
Рассчитать расход воздуха L и расход пара Д на подогрев этого воздуха в калорифере теоретической сушилки, если: количество продукта, поступающего в сушилку, G1; начальная влажность продукта, W1; конечная влажность продукта, W2; температура воздуха, поступающего в калорифер, t0, а относительная влажность его
10