Расчет ППОУ пастеризационно-охладительной установки марки ОПЯ-2,5 для смесей мороженого

Содержание
Введение 2
1 Состояние вопроса. Обзор существующих конструкций 3
1.1 Состояние вопроса 3
1.2 Литературный обзор аналогичного оборудования 5
1.3 Патентный поиск 10
2 Описание технологического процесса, конструкции и принципа действия18
2.1Характеристика продукции, сырья и полуфабрикатов 18
2.2 Описание проектируемого устройства 23
3. Расчетная часть 25
3.1 Технологический расчет 25
3.2 Конструктивный расчет 37
3.3 Гидравлический расчет 39
4. Правила монтажа, ремонта и эксплуатации 42
4.1 Порядок установки 43
4.2 Подготовка к работе43
4.3 Техническое обслуживание 44
Заключение45
Список используемых источников 46




2.2 Описание проектируемого устройства
Установка марки ОПЯ-2,5 (рисунок 2.2) состоит из пластинчатого аппарата с набором теплообменных пластин, уравнительного бака с клапанно - поплавковым регулятором уровня, автоматического клапана возврата недопастеризованного продукта, выдерживателя, бойлера, инжектора, электронасоса для смеси мороженого, центробежного насоса для горячей воды и пульта управления с контрольно-измерительными приборами.



Рисунок 2.2 – Схема установки марки ОПЯ-2,5
Пластинчатый аппарат имеет четыре секции и включает в себя станину с зажимными механизмами, нажимную и разделительную плиты.
Теплообменные пластины изготовлены штамповкой из листовой нержавеющей стали.
Смесь мороженого, хорошо перемешанная, поступает из резервуара хранения в уравнительный бак, откуда электронасосом подается в секцию регенерации пластинчатого аппарата и нагревается горячей смесью, движущейся противотоком. Из секции регенерации смесь направляется в секцию пастеризации, где нагревается до температуры пастеризации, после чего проходит клапан возврата, гомогенизатор и выдерживатель.
Затем смесь последовательно охлаждается" в секциях регенерации, водяного и рассольного охлаждения.
Процессы пастеризации и охлаждения регулируются автоматически. Требуемые температуры пастеризации и охлаждения смеси мороженого поддерживаются электронными регуляторами. Запись температуры пастеризации ведется на диаграммной ленте моста. Контроль охлаждения - визуальный, по логометру.
Подача рассола при автоматическом переключении потока смеси на повторный подогрев прекращается также автоматически.
Смесь мороженого в секции пастеризации нагревается горячей водой, подаваемой в аппарат насосом. Вода нагревается паром, поступающим через инжектор из паропровода, на котором установлен регулирующий клапан.
На рассолопроводе, так же как и на паропроводе, имеется регулирующий клапан. Термометры сопротивления установлены на трубопроводе горячей смеси после секции пастеризации и на трубопроводе охлажденной смеси после секции рассольного охлаждения.


















3. Расчетная часть

3.1 Технологический расчет
3.1.1 Определение температур для каждой секции
Секция рекуперации
Температура продукта в конце секции t2 определяется по формуле (3.1) с.60/1/.
(3.1)
где t1 =40C –начальная температура продукта (принимаем);
t3= 780C – температура пастеризации (принимаем);
ε=0.75 - коэффициент рекуперации теплоты.(принимаем)

Температура продукта после секции рекуперации (на входе в секцию охлаждения водой) t4 определяется по формуле (3.2)с.60/1/:
(3.2)

Средний температурный напор в секции рекуперации определяется по формуле (3.3)с.60/1/:
(3.3)
Симплекс секции рекуперации Sрек определяется по формуле (3.4)с.60/1/:
(3.4)

Секция пастеризации
Температура горячей воды на выходе из секции определяется по формуле (3.5)с.60/1/:
(3.5)
где =820С – начальная температура горячей воды (принимаем);
- теплоемкость продукта при температуре при температурах T=313-363К определяется по формуле аддетивности (3.6) с.157/3/.
(3.6)
– теплоемкость воды при температуре t=820C =4196 ;
=2 – кратность горячей воды с.60/1/.

Средний температурный напор при большей разности температур определяется по формуле (3.7)с.60/1/.
(3.7)
Средний температурный напор при меньшей разности температур определяется по формуле (3.8)с.60/1/.
(3.8)

(3.9)
Симплекс секции пастеризакции Sпас определяется по формуле (3.10) с.60/1/:
(3.10)

Секция охлаждения водой
Температура холодной воды на выходе из секции определяется по формуле (3.11) с.60/1/:
(3.11)
где =150С – начальная температура холодной воды (из водопровода);
– теплоемкость продукта при температуре t=22.5(2.12) с.147/3/.
- теплоемкость воды при температуре t=150C =4192 ;
=1 – кратность холодной воды с.60/1/.
t5 – температура на входе в секцию охлаждения рассолом t5=100C

Средний температурный напор при меньшей разности температур определяется по формуле (3.12) с.60/1/.
(3.12)
Средний температурный напор при большей разности температур определяется по формуле (3.13) с.60/1/.
(3.13)
(3.14)
Симплекс секции охлаждения водой Sов определяется по формуле (3.15) с.60/1/:
(3.15)


Секция охлаждения рассолом
Определим конечную температуру рассола по формуле (3.16) с.60/1/:
(3.16)
где - температура (начальная) рассола = –100С(по заданию);
t6=10C – конечная температура продукта (принимаем);
(3.17)
- теплоемкость рассола при температуре t= –70C, содержание соли =20% =3060 ;
=2 – кратность рассола с.60/1/.


Средний температурный напор при большей разности температур определяется по формуле (3.18) с.60/1/.
(3.18)
Средний температурный напор при меньшей разности температур определяется по формуле (3.19)с.60/1/.
(3.19)

(3.20)
Симплекс секции охлаждения рассолом Sор определяется по формуле (3.21) с.60/1/:
(3.21)

3.1.2 Определение рабочей поверхности и допускаемые гидравлические сопротивления по секциям
Для дальнейшего теплового расчета необходимо подобрать ориентировочные значения коэффициента теплопередачи по /5/с.111.
Крек = 2900 Вт/м2 - секция рекуперации, Кпос = 2900 Вт/м2 - секция пастерезации, Кох.в = 2200 Вт/м2 - секция охлаждения водой, Кох.расс = 2100 Вт/м2 - секция рекуперации.
Отношение рабочих поверхностей секций определяется из соотношения (3.22)с.61/1/:
(3.22)



Принимаем наименьшее из значений за единицу , тогда:

Считая распределение допустимых гидравлических сопротивлений соответствующим распределению рабочих поверхностей, что выражается в выражении (3.23) с.61/1/.
(3.23)
Пусть общее гидравлическое допустимое сопротивление движению продукта в аппарате составляет 5 105 Па /5/с.111.
Тогда, учитывая что через секцию рекупирации продукт проходит дважды определяется по формуле (3.24) с.61/1/.
(3.24)
где Ртр – гидравлическое сопротивление в трубопроводах, соединяющих секции аппарата. Ввиду небольшой длинны трубопроводов, соединяющих секции аппарата можно считать Ртр=10кПа.

= 1,15 105Па;
= 1.04 105Па;
= 1,15 105Па;
= 0,39 105Па;
3.1.3 Определение скорости продукта
Определим максимально допустимые скорости продукта в межпластинчатых каналах по секциям. Предворительно принимаем коэффициент теплоотдачи αП=500 Вт /(м2 К)/5/.
Средняя температура в секции рекуперации определяется по формуле (3.25) с.61/1/.
(3.25)
Средняя температура в секции пастерезации определяется по формуле (3.26)с.61/1/.
(3.26)
Средняя температура в секции охлаждения водой определяется по формуле (3.27) с.61/1/.
(3.26)
Средняя температура в секции охлаждения рассолом определяется по формуле (3.27) с.61/1/.
(3.27)
Скорость движения продукта (максимально допустимая) в секции рекуперации определяется по формуле (3.28)с.61/1/:
(3.28)
где – теплоемкость продукта при температуре tcт=40.50C;
ρп40,5- плотность продукта при температуре tcт=40.50C, определяется по формуле (3.29)с.148/4/:
(3.29)


Скорость движения продукта (максимально допустимая) в секции пастеризации определяется по формуле (3.30) с.61/1/:
(3.30)
где - теплоемкость продукта при температуре tcт=73,30C;
ρп73,3- плотность продукта при температуре tcт=73,30C, определяется по формуле:


Скорость движения продукта (максимально допустимая) в секции охлаждения водой определяется по формуле (3.31)с.61/1/:
(3.31)
где - теплоемкость продукта при температуре tcт=190C;
ρп19- плотность продукта при температуре tcт=190C, определяется по формуле :


Скорость движения продукта (максимально допустимая) в секции охлаждения рассолом определяется по формуле (3.32)с.61/1/:
(3.32)
где - теплоемкость продукта при температуре tcт=1,880C;
ρп1,88- плотность продукта при температуре tcт=1,880C, определяется по формуле :


Найдем число каналов в пакете для продукта по формуле (3.33) с.61/1/:
(3.33)
где V – объемный расход продукта (по заданию) V=2500 л/ч=0.0007 м3/с;
ς1 – площадь поперечного сечения потока для ленточно-поточных пластин типа Р-12 ς1 =0,004 м2 с.64/5/

Принимаем число каналов в пакете для продукта (регенирация)
Найдем число каналов в пакете для продукта по формуле (3.33) с.61/1/:

Принимаем число каналов в пакете для продукта (пастеризация)
Найдем число каналов в пакете для продукта(охлаждение водой) по формуле (3.31) с.61/1/:
(3.31)

Принимаем число каналов в пакете для продукта (охлаждение водой)
Найдем число каналов в пакете для продукта( охлаждение рассолом) по формуле (3.32) с.61/1/:

Принимаем число каналов в пакете для продукта (охлаждение рассолом) .
3.1.4 Определение теплофизических параметров продукта при средней температуре
Средняя температура определяется по формуле (3.32) с.61/1/:
(3.32)
где - средняя температура в секции рекуперации 0С
Критерий Прантля определяется по формуле (3.33) с.61/1/:
(3.33)
где сt – теплоемкость в зависимости от температуры продукта

- коэффициент динамической вязкости продукта , определяется как кинематическая вязкость суспензии при концентрации суспензии до 30%(об.) по формуле (3.34):
(3.34)
где μж – динамический коэффициент вязкости воды (по температуре ) /3/.
х – содержание сухих веществ (х = 20%);
λ – коэффициент теплопроводности (Вт /(м К) ) определяется для продукта по зависимости (3.35)с.148/3/.
(3.35)
Критерий Re определяется по формуле (3.36):
(3.36)
где ρ – плотность продукта, определяется по формуле (3.37):
(3.37)
d'э- эквивалентный диаметр канала , принимаем d=0.008(м)


Секция рекуперации
Cо стороны нагрева:






Со стороны охлаждения:






Секция пастеризации
Со стороны нагрева:






Со стороны охлождения (вода):







Секция охлаждения водой
Со стороны охлаждения:






Со стороны нагрева (вода):







Секция охлаждения рассолом
Со стороны охлаждения:







Со стороны нагрева (рассол 20 %):







3.1.5 Определение коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопроводности определяется по формуле (3.38) с. 61/1/:
(3.38)
где α – коэффициент теплоотдачи , Вт/(м2 К);
Отношение Pr/Prст принимаем со стороны нагрева равным 1,05, со стороны охлаждения 0,95 с.61/1/.
Секция рекуперации
Со стороны нагрева продукта:

Со стороны охлаждения продукта:

Коэффициент теплопередачи с учетом толщины стенки 0,001 м определяется по формуле (3.39) с.61/1/:
(3.39)

Секция пастеризации
Со стороны нагрева продукта:

Со стороны охлаждения продукта:


Секция охлаждения водой
Со стороны охлаждения продукта:

Со стороны нагрева воды :


Секция охлаждения рассолом
Со стороны нагрева рассола:

Со стороны охлаждения продукта:


3.2 Конструктивный расчет
Необходимо определить рабочую поверхность секции F, число пластин секции n , число пакетов x.
Рабочая поверхность секции определяется по формуле (3.40) с.63/1/:
(3.40)
где сП – теплоемкость продукта при средней температуре Дж/кг К;
ρП – плотность продукта при средней температуре , кг/м3;
Число пластин в секции определяется по формуле (3.41) с.63/1/:
(3.40)
Число пакетов опредиляется по формуле (3.41)с.63/3/:
(3.41)
Секция рекуперации



Принимаем число пакетов х=24 пластины ленточно-поточные типа Р-12 с.156/5/.
Секция пастеризации



Принимаем число пакетов х=54 пластины ленточно-поточные типа Р-12 с.156/5/.
Секция охлаждения водой



Принимаем число пакетов х=50 пластины ленточно-поточные типа Р-12 с.156/5/.
Секция охлождения рассолом



Принимаем число пакетов х=10 пластины ленточно-поточные типа Р-12 с.156/5/.

3.3 Гидравлический расчет
Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с /1/. Тогда диаметр по формуле (3.42)с35/3/
(3.42)
где – расход продукта;


Примем, что трубопровод стальной, коррозия незначительна. Стандартное значение диаметра трубопровода диаметром 16х2мм.
Фактическая скорость:

Примем, что трубопровод стальной, коррозия незначительна. Стандартное значение диаметра трубопровода диаметром 16х2мм.
Определение потерь на трение и местные сопротивления. Находим критерий Рейнольдса:

т.е. режим турбулентный.
Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем =2*10-4 м, с.14/1/.
Тогда
Далее получим:
625 < Re < 3500
Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет следует проводить по формуле (3.43)с.14/1/:
(3.43)
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линий.
3.3.1 Для всасывающей линии
Всасывающая линия имеет следующие местные сопротивления:
1. Вход в трубу (с острыми краями) 1 = 0,5с.14/1/.
Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:
м.с. = 1 = 0,5
Потери напора hп.вс во всасывающей линии находится по формуле (3.44) с.36/3/:
(3.44)
3.3.2Для нагнетательной линии
Нагнетающая линия имеет следующие местные сопротивления :
1. Колено под углом 90 о; 1 = 2,08.
2. Нормальные вентиль 2 = 8,0.
3. Выход из трубы 3 = 1 с.14/1/.
Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:
м.с. = 1+ 2 +3 =2,08 + 8,0 + 1 = 11,08
Потерянный напор в нагнетательной линии hп. находится по формуле:

3.3.3 Выбор насоса
Находим напор насоса по формуле (3.45)с.20/1/:
(3.45)
где т.к. давление в аппарате отсутствует;
Hг – геометрическая высота подъема жидкости;
hп – суммарные потери напора.
H = 2 + 9,68 = 4,13 мм вод.ст.
Полезную мощность насоса определим по формуле (3.46) с.20/1/
(3.46)
где Q – подача (расход);
H – напор насоса.

Принимая с.21/1/ п = 0,6 – к.п.д. насоса, найдем потребляемую мощность:

По приложению 1 с.38. /1/ устанавливаем, что заданным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки Х8/18, для которого в оптимальных условиях работы Q = 2,4*10-3 м3/с, H = 11,8 м, м = 0,4. Насос мощностью Nн = 50 Вт. Частота вращения вала равна 48,3 с-1.