Розрахунок трубчатого пастеризатора

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ  ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

 

Кафедра процесів, апаратів та автоматизації харчових виробництв

 

 

 

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни: «Технологічне обладнання галузі»

 

РОЗРАХУНОК ТРУБЧАСТОГО ПАСТЕРИЗАТОРА

 

 

 

 

 

 

                           Виконавець:

                           Студент гр. ТКМ – 59

                           Шитік Д. Р.

                           Керівник:

                                                асист. Шевченко А. О.

 

 

Харків 2012

 

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………….3

1. Опис і теоретичні основи процесу пастеризації. Обгрунтування вибору апарата. Літературний огляд існуючого обладнання для реалізації цього процесу………………………………………………………………………………4

2. Вимоги, пропоновані до розробляє мого апарату……………………….9

3. Будова та принцип дії апарата,  вибір матеріалів для його  виготовлення………………………………………………………………………………..10

4. Проектний розрахунок обладнання………………………………………12

5. Правила експлуатації та техніки  безпеки…………………………………22

Висновок………………………………………………………………………..23

Список використаної літератури……………………………………………..24

 
Вступ

В даний час апаратурне оформлення харчових виробництв досягло значної технічної досконалості на базі останніх наукових досліджень, загального технічного прогресу та автоматизації виробничих процесів; особливо широко стали використовуватися в харчовій технології досягнення фізики.

Техніка високих тисків, високого вакууму, глибокого охолодження, ультразвуку, мембранного поділу міцно зайняла  місце в харчовій промисловості Все це висуває необхідність наукового обгрунтування різноманітних проблем, пов'язаних з виробництвом харчових продуктів. Ці завдання успішно вирішуються на підставі даних науки про процеси та апарати харчових виробництв.

Процеси харчової технології в більшості значно складні і часто представляють з'єднання гідродинамічних, теплових, масообмінних, біохімічних і механічних процесів.

В даній роботі проводиться розрахунок трубчастого теплообмінника для  проведення пастеризації. Даний апарат призначений для безперервного проведення процесу.  

Доцільно побудований апарат повинен  задовольняти експлуатаційним, конструктивним, естетичним вимогам і вимогам техніки безпеки.

В даний час при конструюванні  апаратів для досягнення оптимальних  показників ведуться роботи по зниженню енергоємності та збільшення інтенсивності процесів, що проходять в апаратах, щодо зниження матеріаломісткості при виробництві апаратів та зменшення габаритних розмірів апаратів. 
 

 

 

 

1.Опис і теоретичні основи процесу пастеризації. Обгрунтування вибору апарату. Літературний огляд існуючого обладнанням.

Технологічний процес, що лежить в  основі даного курсового-пастеризація. Більшість харчових продуктів (молоко і молочні продукти, овочеві соки, овочеві та м'ясні консерви, вино, пиво тощо) і напівпродуктів біохімічних виробництв є сприятливим середовищем для розвитку багатьох мікроорганізмів, у тому числі і для хвороботворних, здатних викликати інфекційні захворювання.

Пастеризація - один із прийомів консервування  продуктів, наукове обгрунтування якому дав Л. Пастер в 1860 р. Під пастеризацією розуміють термічну обробку продуктів при температурі нижче 100 °С з наступним охолодженням до температури 6 ... 8 ° С. Пастеризація, як правило, вбиває не спорові хвороботворні мікроорганізми і скорочує загальну бактеріальну забрудненість продукту, який підвищує його стійкість. Швидке охолодження продукту після пастеризації необхідно для того, щоб відвернути розвиток остаточної мікрофлори, тобто проростання у вегетативні клітки спор, які зберігають життєздатність під час одноразового нагрівання. 

Пастеризація не повинна приводити  до зміни фізико-хімічного стану  продукту і погіршення його якості.  

Під час пастеризації необхідне  дотримання таких вимог: освітлений або ретельно очищений від сторонніх  домішок продукт нагрівають рівномірно, при постійній температурі, тонким шаром, уникаючи пригорання; операцію проводять у герметичних умовах; продукт виводять з пастеризатора максимально охолодженим. Теплообмінну апаратуру виготовляють з хімічно стійких матеріалів, які мають велику теплопровідність.

Ефективність пастеризації - ступінь  придушення мікрофлори-залежить від  температури і тривалості витримки продукту за цієї температури.


 

Представляє інтерес, що чим  нижче температура пастеризації, тим більше часу потрібно для досягнення потрібного ефекту. Залежність між температурою нагрівання і тривалістю витримки пояснюється двома причинами. Одна з них пов'язана з тим, що денатурація, руйнування структури речовини, з якої складається мікробна клітина, відбуваються в часі. Цей час тим менше, чим вища температура. Інша причина викликана закономірностями теплообміну. Нагрівання мікроорганізмів при пастеризації будь-якого виду здійснюється не безпосередньо, а через те середовище, в якому знаходяться бактерії. Тому для того, щоб температура клітини бактерії досягала тієї ж температури, що і середовище, потрібен певний час.

Для оцінки ефекту пастеризації Г.А. Кук  ввів критерій Пастера, який представляє  собою відношення дійсної тривалості перебування продукту за бактерицидної температури до теоретичної:

Pa = θ / τ 

де θ - дійсний час перебування  продукту при температурі пастеризації.

Ідеальним варіантом проведення пастеризації є умова, за якої Ра = 1. 
 При Ра> 1 продукт за температури пастеризації знаходиться більш тривалий період, ніж вимагається умовами пастеризації. При цьому можуть істотно змінюватися фізико-хімічні властивості продукту, що не бажано.

При Ра <1 ефект пастеризації не буде досягнутий.

Тому ефективність пастеризації залежить також від кількісного і якісного складу мікрофлори рідин, які піддаються пастеризації.

Існують три режими пастеризації:

1) тривала - при температурі 63 ... 65 °С протягом 20 ... 30 хв.;

2) короткочасна (швидка) - при 75 °С  експозиція, що триває від декількох  секунд до 5 хв.;

3) миттєва (або високотемпературна)-при 90 ... 93 ° С без витримки.


Вибір режимів пастеризації визначається технологічними умовами і властивостями  продукту. У переважній більшості  випадків пастеризацію слід проводити в короткочасному або миттєвому режимі. Проте, якщо продукт містить компоненти, які відрізняються низькою термостійкістю (під дією високих температур швидко руйнуються), то слід застосовувати тривалу пастеризацію.

Теплова пастеризація продуктів передбачає кілька способів її здійснення: поточний, пароструменний, гарячим розливом, класичний (пляшковий), у електромагнітному полі та ін

Поточна пастеризація застосовується для обробки молока, пива, соків, вин, бульйонів та інших продуктів. В даному випадку теплообмін відбувається між закритими потоками продукту і теплоносія, розділеними поверхнею теплопередачі. Процес здійснюється в теплообмінній апаратурі безперервної дії кожухотрубного і пластинчастому пастеризаторах і пастеризаційно - охолоджувальних установках.

Знаходить застосування (наприклад, у  молочній промисловості) пастеризація з безпосереднім паровим обігріванням. У даному випадку теплота гріючої пари використовується повністю на нагрівання продукту. Під час пастеризації за рахунок введення пари в продукт спостерігається деяке його розрідження, внаслідок чого зменшується вміст сухих речовин в одиниці об'єму продукту.

Пастеризація гарячим розливом передбачає нагрівання продукту до певної температури (для вина 43 ... 55 °С, для томат-пюре - 95 ... 98 °С) з наступним його розливом в простерилізовану тару (пляшки), герметичним закупорюванням і охолодженням. Спосіб застосовується, в основному, для продуктів з високою кислотністю.


Класична пастеризація в тарі проводиться  після розливу і герметизації фруктових соків і вин у  пляшках. Нагрівання здійснюється потоком  гарячого повітря або води. Класична пастеризація допускає фасування продукту за температури пастеризації (наприклад, 95 °С - для соків з м'якоттю, 85 °С - для натуральних фруктових соків, 60 °С - для вина) в бутилі або банки (пляшки), герметизацію тари (закупорювання або закатування), термостатування, а після цього інтенсивне охолодження.

На практиці знаходять застосування установки пастеризації в електромагнітному полі високої частоти (ВЧ). Такий спосіб проводять при більш низькій температурі. У порівнянні зі звичайною пастеризацією процес менш тривалий (1 ... 2 хв, іноді кілька секунд). Теплота середовища, що передається клітині (теплопровідність), швидше долає тепловий бар'єр (оболонку клітини). Під час обробки продуктів у ВЧ-полі теплота виділяється безпосередньо в обсязі клітини. Струмами ВЧ пастеризують компоти і соки в скляній тарі.

Огляд апаратів для пастеризації

Пастеризація здійснюється в установках або апаратах, які називаються  пастеризаторами. У харчових виробництвах використовуються пастеризаційні установки різних конструкцій періодичної і безперервної дії.

Апарати періодичної дії використовують для пастеризації невеликої кількості продуктів. До них належать ванни тривалої пастеризації ВТП, універсальні танки, камерні пастеризатори, автоклави.

Камерні пастеризатори періодичної дії застосовуються для пастеризації рідких продуктів (наприклад, вина) в пляшках. Пляшки встановлюються у гнізда металевих ящиків, що помішуються на вагонетку. Вагонетка закочується в камеру, герметично зачиняються дверцята і в батареї, які розташовані всередині камери, подається гаряча вода. Температура і кількість води регулюються. Перед пастеризацією пляшки з вином закупорюються, на горловину пляшок надягають спеціальні скоби.


Більш перспективним обладнанням  для пастеризації рідких харчових продуктів (вина, томатного і фруктових соків, компоту) в скляній і жерстяній тарі є пастеризатори-охолоджувачі безперервної дії, які обігріваються парою, гарячою водою або гарячим повітрям. Конструктивно пастеризатори цього типу складаються з секції власне пастеризації і секцій охолодження, через які проходить транспортер, який несе банки (пляшки) з продуктом. Швидкість руху транспортера регулюють таким чином, щоб забезпечити перебування продукту в зоні пастеризації протягом заданого часу, а після цього - поступове охолодження. Температура в пастеризаторах регулюється автоматично відповідно заданого режиму.

Широке поширення в харчовій технології має пастеризація в безперервному потоці, при якій продукт подається насосами в теплообмінні апарати пластинчастого або трубчастого типів.

Найбільш досконалими апаратами  для пастеризації є пластинчасті. Оскільки дані апарати забезпечують безперервність проведення процесу  і дозволяють повністю його автоматизувати. У них пастеризують молоко і молочні продукти, фрукти та овочеві соки, вино, пиво та інші рідини. У пластинчастих пастеризаторах по ходу руху рідини, яка обробляється (за секціями), здійснюються такі процеси: часткове нагрівання продукту, що надходить, теплотою виходячого (пастеризованого) продукту (секція рекуперації теплоти); нагрівання продукту гарячою водою або парою до заданої температури (секція пастеризації); витримка протягом деякого часу нагрітого продукту при температурі пастеризації (секція витримки); охолодження виходячого продукту з передачею теплоти продукту, який надходить, на нагрівання (секція рекуперації теплоти); охолодження продукту холодною водою (секція охолодження водою); охолодження продукту розсолом (секція охолодження розсолом ).

В трубчастому апараті продукт рухається по колектор труб, а у міжтрубний простір надходить нагрівальний агент в ролі якого можуть бути використані гаряча вода або пар. Останнім часом трубчасті пастеризатори використовують головним чином для високотемпературної пастеризації. 

 

 

 


2. Вимоги,пропоновані до розробляємого апарату.

Конструкцію теплообмінника варто  вибирати, виходячи з таких основних вимог, що пред'являються до теплообмінних апаратів.

Найважливішою вимогою є відповідність  апарата технологічному процесу обробки даного продукту; це досягається при таких умовах: 
1.підтримання необхідної температури процесу в секціях;

2. забезпечення можливості регулювання  температурного режиму проводиться збільшенням (зменшенням) швидкостей руху розсолу (пара);

3.відповідність робочих швидкостей  продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті;

4. вибір матеріалу апарата відповідно  до хімічних властивостей продукту.; 
5. відповідність апарата тискам робочих середовищ.

Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) і економічність роботи апарату, пов'язані з підвищенням інтенсивності теплообміну й одночасно з дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата.

Ці вимоги звичайно виконуються  при дотриманні наступних умов:

1.достатні швидкості однофазних  робочих середовищ для здійснення турбулентного режиму;

2.сприятливий відносний рух  робочих середовищ (в даному  апараті забезпечується протитечією);

3.досягнення порівнянних термічних  опорів по обидва боки стінки  поверхні нагрівання; 
 4.запобігання можливості забруднення і легка чистка поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота і ін.

Істотними вимогами є також компактність, мала маса, простота конструкції, зручність монтажу і ремонту апарату. З цієї точки зору впливають такі фактори; конфігурація поверхні нагрівання, наявність і тип перегородок, ущільнень, будову камер, коробок, днищ; габаритні розміри апарата й ін


3.Будова та принцип дії апарата,  вибір матеріалів для його  виготовлення.

Трубчаста пастеризації установка  включає в себе трубчастий пастеризатор молока, насоси, конденсатовідвідники, пульт управління, прилади контролю та регулювання процесу пастеризації, трубопроводи.

Трубчастий пастеризатор молока складається з двох циліндрів, розташованих паралельно на загальній рамі один над іншим. Із зовнішнього боку вони покриті термоізоляцією і обшивкою, в торцях є трубні решітки, в які запресовані і развальцьовані теплообмінні трубки. У місцях вальцювання теплообмінних трубок решітки мають камери, завдяки чому трубки з'єднані між собою послідовно, попарно.

Молоко надходить спочатку в нижній, потім у верхній циліндр. Міжтрубний простір в циліндрах є камерами для теплоносія. У ньому теплоносієм є пар тиском 0,02-0,05 МПа. Щоб уникнути створення повітряних пробок на циліндрах встановлені повітряні краники, через які перед пуском установки випускають повітря з міжтрубного простору.

З обох сторін циліндри мають  відкидні кришки, що закріплюються  на баранчиках. Між циліндром і  кришкою встановлена гумова прокладка. Всі деталі контактуючі з молоком, виконані з нержавіючої сталі.

Молоко одним насосом подається в нижній циліндр. Пройшовши послідовно через всі його трубки, воно потім другим насосом подамся в верхній циліндр, де також проходить послідовно через всі трубки, з температурою 85 - 95 °С виходить з пастеризатора через автоматичний пропускний клапан. Датчиком його служить термобалон термометра-сигналізатора.

Якщо температура молока на виході з пастеризатора виявиться нижче  заданої, замикаються контакти пропускного  клапана і молоко направляється  на повторну пастеризацію. При відновленні заданої температури клапан повертається у вихідне положення.

Кількість пара, що подається в  міжтрубний простір циліндрів, регулюється спеціальними приладами. Конденсат з верхнього і нижнього циліндрів пастеризатора відводиться через конденсатовідвідники.


В трубчастих теплообмінниках немає  секцій регенерації та охолодження, тому їх зазвичай встановлюють там, де за умовами технологічного процесу не потрібно охолодження молока безпосередньо після пастеризації (лінії потокового виробництва масла, вироблення згущеного і сухого молока).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4. Проектний розрахунок трубчастого пастеризатора.

Розрахуємо вертикальний кожухотрубний  пастеризатор. В якості теплоносія використовується насичена водяна пара, що надходить у міжтрубний простір. Продуктом є молоко, яке під створюваним за допомогою насосу тиском, переміщається по пучках труб. Рух теплоносія і продукту зустрічний. Для розрахунку маємо наступні вихідні дані: продуктивність пастеризатора, початкову та кінцеву температуру продукту, тиск гріючої пари, швидкість руху продукту, тепловитрати від корисної теплоти, продукт.

Значення вище перелічених даних представлені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1.

G, кг/с

T1, ºС

T2, ºС

P, ºС

υ, м/с

Qвит, %

Продукт

1,5

12

80

0,14

1,2

6

Молоко


 

4.1. Тепловий розрахунок апарата

4.1.1. Визначення середньої різниці температур теплоносія і продукту:

- більша різниця температур

  • менша різниця температур:

Оскільки  то

4.1.2. Визначення середньої температури продукту:

4.1.3. Різниця температур теплоносія і стінки визначається по формулі:


 

і різниця температур стінки і продукту:

Приймаємо

4.1.4. Температура стінки з боку теплоносія:

4.1.5. Температура стінки з боку продукту:

4.1.6. Температура плівки конденсату теплоносія:

4.1.7. По температурі плівки конденсату визначаємо теплофізичні параметри конденсату, а також питому теплоту конденсації пари r.

λ, Вт/мК

ρ, кг/м3

С, кДж/кгК

μ∙10-6, Па∙с

r, кДж/кг

0,680

965,3

4,224

307,43

2232


Вищенаведені дані отримані шляхом застосування лінійної інтерполяції табличних даних.

Вт/мК;

кг/м3;


кДж/кгК;

кДж/кг;

м2/с;

Па∙с.

4.1.8. Коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до стінок трубок визначається з критеріального рівняння:

де С=1,15 при конденсації на вертикальних поверхнях

де l – довжина трубок, l=2...2,5 м.

Вт(м2К).

4.1.9. У залежності від середньої температури продукту Рср визначаються теплофізичні параметри продукту:

Вт/мК;

кг/м3;

Дж/кгК;

Па∙с.

4.1.10. Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до продукту визначається в залежності від режиму руху продукту. Тому, визначаємо значення критерію Re:


де dвн – внутрішній діаметр труби, який рекомендовано прийняти 0,025 м, а зовнішній діаметр dз=0,03 м. - швидкість продукту (за вихідними даними) , що дорівнює 1,5 м/с.

>104.

4.1.11. Визначення критерію Нуссельта:

>
звідси

4.1.12. Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до продукту:

Вт/(м2К).

4.1.13. Термічний опір стінки:

де 

коефіцієнт теплопровідності стінки (для сталі
).

4.1.14. Загальний коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м2К).

4.1.15. Визначення різниці теплових напорів з боку теплоносія і з боку продукту:

Оскільки [|A|-0,05 ] = 55213,3-0,05∙4551,21∙34,11=47451,2>0, то розрахунок повторюємо.

4.1.3'.   

4.1.4'.   

4.1.5'.  


4.1.6'.  

4.1.7'.  Вт/мК;

кг/м3;

кДж/кгК;

кДж/кг;

м2/с;

Па∙с.

4.1.8'.   Вт/(м2К). 

4.1.9'. 

Pr

λ, Вт/мК

ρ, кг/м3

с, Дж/кгК

μ, Па∙с

6

0,517

1012,78

3866,6

0,8∙10-3


4.1.10'.  При >104

4.1.11'.  

4.1.12'.   Вт/( м2К);

4.1.13'.  

4.1.14'.   Вт/ м2К.

4.1.15'.  

Оскільки [|A|-0,05 ] = 123,78-0,05∙4556,58∙25,50=-5685,82<0, то розрахунок можна продовжувати далі.

4.1.16'.  Кількість теплоти, переданої через поверхню теплообміну від теплоносія до продукту

де с – теплоємність продукту tср.

Вт=394∙103 кВт.

4.1.17'. Поверхня  теплообмінника, що передає тепло:

м2.

4.1.18'. Загальна витрата тепла:

.

Вт

4.1.19'. Витрата пари, що гріє:

кг/с.

 

4.2. Конструктивний розрахунок

4.2.1. Площа перетину потоку продукту (площа перетину пучка труб):

,

де  ρ- густина продукту при  tср.

м2.

4.2.2. Кількість труб у пучку:



4.2.3. Уточнення значення швидкості руху продукту:

м/с. 

4.2.4. Розрахункова довжина однієї трубки в пучку:

,

м.

4.2.5. Число ходів теплообмінника:

,

4.2.6. Необхідне число труб у трубчастих решітках теплообмінника:

По таблиці вибираємо теплообмінник  з числом найближчого ряду, тобто 61.

Крок розміщення при закріпленні  в трубчастих решітках труб розвальцьовуванням знаходиться в межах:

- вибирають за ДСТ;

м.

4.2.7. Внутрішній діаметр корпуса:

- число труб по діагоналі  шестикутника з таблиці.

крок труб.

м.


Внутрішній діаметр рекомендовано  прийняти в межах від 400 до 3000 мм, отже Dв=480 мм.

4.2.8. Живий перетин міжтрубчастого простору:

м.

4.2.9. Розміри патрубків для робочих середовищ:

а) Діаметр патрубка для входу  пари в апарат:

б) Діаметр патрубка для виходу конденсату:

в) Діаметр патрубка для входу  продукту в апарат:

де ρ – визначають при значеннях  температури  продукту. Отже, кг/м3. Тоді:

г) Діаметр патрубка для виходу продукту з апарата:

де  визначаємо при температурі продукту, тобто кг/м3.


4.3. Механічний розрахунок

4.3.1. Товщина стінки корпуса (кожуха):

де ρ – внутрішній надлишковий  тиск у кожусі, МПа;

припустима напруга (для сталі  марки Ст3 МПа);

коефіцієнт міцності звареного  шва, ;

С – збільшення на корозію, С=0,001 м.

м.

4.3.2. Товщина трубчастих решіток:

де  зовнішній діаметр труб, мм.

мм.

4.3.3. Товщина днищ:

де  зовнішній діаметр корпуса апарата, м:

,

;

к – фактор днища, к=0,76...2,0;

0,95;

с=0,003 м.

м.

 

4.4. Гідравлічний розрахунок

4.4.1. Гідравлічний опір трубного простору:

де  опір тертя, Па;

місцеві опори, Па;

коефіцієнт опору тертя;

коефіцієнт місцевого опору;

діаметр труби, м;

швидкість руху продукту, м/с.

По числу Рейнольда визначаємо

Оскільки Re=47522,81:

Сума коефіцієнтів місцевих опорів:

Отже,    Па.

 

4.4.2. Потужність приводу насоса:

,

де V- об'ємна витрата продукту, м3/с;

,

м3/с.


ККД насоса;

Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Правила експлуатації і техніка безпеки. 

При експлуатації обладнання для теплової обробки молока необхідно ретельно стежити за герметичністю з'єднаних  трубопроводів і особливо ущільнених гумових прокладок в пластинчастих апаратах. Герметичність перевіряється перед роботою апарату пропусканням через нього холодної води.

Паропроводи, призначені для підведення пари до нагрівачів, пастеризаційно - охолоджувальних і стерилизационно - охолоджувальних установок, повинні мати теплову ізоляцію. Апаратні установоки, призначені для високотемпературної пастеризації та стерилізації, повинні мати захищені кожуха. Всі електродвигуни, пускова апаратура і щити управління повинні бути заземлені.