Расчет и проектирование пастеризатора сливок трубчатого типа

ФГОУ ВПО

Башкирский государственный аграрный университет

Факультет: механизация сельского хозяйства

Кафедра: МППЖ

Специализация: МППЖ

Форма обучения: очная

Курс, группа: М504-1

Расчет и проектирование

пастеризатора сливок трубчатого типа

Курсовой проект

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

«К защите допускаю»:

Руководитель: к.т.н. Мартынов В.М.

( ученая степень, Ф. И. О.)

« 12
» января
2005 г.

Оценка при защите:

_____________________

_____________________

(подпись)

« 14
» января
2005 г.

РЕФЕРАТ

Проект 23 с., 1 рисунок, 2 таблицы, 6 источников, 2 листа формата А1 графического материала

ТЕПЛОТА, КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, СЛИВКИ, ПАСТЕРИЗАТОР, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ, ПАР

Объектом разработки являются кожухотрубный теплообменник и процесс пастеризации сливок.

Цель проекта – снижение эксплуатационных затрат у потребителя.

Описано устройство и принцип действия пастеризационной установки при производстве сливок, рассмотрен механизм теплопередачи через разделяющую стенку от более нагретой среды к менее нагретой. Разработан метод расчета теплообменного аппарата, оптимизированы его конструктивные параметры. Спроектирована конструкция пастеризатора трубчатого типа.

Основные конструктивные параметры установки: внутренний диаметр трубок 17 мм, число трубок равно 19.

Расчет и проектирование

пастеризатора сливок трубчатого типа

Пояснительная записка

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВедение………………….………………………………………………..…...

1 Назначение, устройство и принцип действия

кожухотрубного пастеризатора сливок………………………….

1.1 Основные требования к сливкам и назначение пастеризатора………….

1.2 Устройство трубчатого пастеризатора……………………...…………….

1.3 Порядок работы пастеризатора…………………………………………...

2 Механизм действия процесса ПАСТЕРИЗАЦИИ……………...…

3 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБЧАТОГО ПАСТЕРИЗАТОРА……..

3.1 Конструктивное решение теплообменного аппарата…………………….

3.2 Анализ факторов, принятые допущения………………………………….

3.3 Разработка математической модели процесса нагрева сливок…………..

3.4 Исследование целевой функции и выбор оптимального варианта……...

3.5 Расчет массового расхода греющего пара………………………………...

ВВЫВОДЫ………………………………………………………………………...

Библиография……………………………………………………………………...

ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты расчетов удельных приведенных затрат от диаметра трубок………………………………………………...…………………

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты расчетов удельных приведенных затрат от числа трубок ………………………………………………………………………

5

8

8

9

10

11

14

14

14

15

20

21

22

23

24

33

Объектом разработки является кожухотрубный теплообменник и процесс пастеризации сливок.

Молочные продукты, в частности сливки, являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Микроорганизмы, размножаясь, могут значительно ускорить процесс порчи молочной продукции. Кроме того, микроорганизмы могут вызвать опасные заболевания людей. Поэтому важнейшая задача при выпуске молочных продуктов – уничтожить содержащиеся в них микроорганизмы [1].

Одним из способов уничтожения микроорганизмов является кипячение. Однако кипячение сильно изменяет свойства молочных продуктов, вкус, запах и т. д. Установлено, что для уничтожения активных форм микроорганизмов нет необходимости нагревать продукты до кипячения. Жизнедеятельность микроорганизмов при соблюдении некоторых условий может быть подавлено при нагревании до (85–95)°С. Впервые установил губительное действие на микроорганизмы высоких температур и применил их для обработки продуктов с целью их сохранения французский ученый Л. Пастер. По имени этого ученого такая обработка называется пастеризацией [1].

Пастеризация может быть длительной, кратковременной и мгновенной. При длительной пастеризации сливки нагревают до (63–65)°С и выдерживают при этой температуре 30 минут, при кратковременной сливки нагревают до (72–76)°С с выдержкой 15–20 секунд, при мгновенной пастеризации сливки нагревают до (85–95)°С без выдержки [1].

Различные температурные режимы пастеризации зависят от назначения использования сливок. При длительной пастеризации происходят наименьшие изменения в составных частях продукта. При этом кислотность почти не снижается, удлиняется по времени сычужная свертываемость, уменьшается скорость отстаивания [1].

При кратковременной пастеризации наблюдается более глубокие изменения в составе молочных продуктов и свойствах их компонентов: сущест-

венно снижается отстаивание, уменьшается кислотность. Этот режим пастеризации используют при производстве питьевого молока, а также в сыроделии. Мгновенная пастеризация приводит к более заметным изменениям состава молочных продуктов. Ее обычно применяют в маслоделии и молококонсервной промышленности, в том числе и для пастеризации сливок [1].

В молочной промышленности для пастеризации молока и молочных продуктов применяют пастеризационные установки.

Наибольшее применение получили четыре типа пастеризационных аппаратов: ванны длительной пастеризации, паровые пастеризаторы с вытеснительными барабанами, пластинчатые пастеризаторы и трубчатые пастеризаторы. Пастеризационные установки пластинчатого типа, или пастеризационно-охладительные установки, предназначены для пастеризации и охлаждения в потоке питьевого молока, молока при выработке кисломолочных продуктов, сливок и смеси мороженного. Пастеризационные установки трубчатого типа предназначены для пастеризации в потоке молока и сливок. Все установки снабжаются системами автоматического контроля и регулирования температуры пастеризации. По производительности трубчатые пастеризаторы не уступают пластинчатым пастеризаторам [1, 3].

Недостатком трубчатых пастеризаторов является их большие размеры в сравнении с пластинчатыми при равной производительности. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что трубчатые аппараты требуют значительного свободного пространства с торцевой стороны, необходимого для работы длинными ершами при мойке аппарата [1].

Преимуществом трубчатых пастеризаторов в сравнении с пластинчатыми является значительно меньшее количество и меньшие размеры уплотнительных прокладок, требующих частого и трудоемкого ремонта. В трубчатых аппаратах нет секции рекуперации тепла. Поэтому трубчатые пастеризаторы применяются главным образом там, где регенерация тепла не нужна [1].

В линии производства пастеризованных сливок, по технологии, после пастеризатора установлен гомогенизатор, в который сливки должны подаваться

нагретыми. В этом случае предпочтительно применение трубчатого пастеризатора.

Процесс пастеризации сливок, как все тепловые процессы, является весьма энергоемким и дорогостоящим. Поэтому расчет и проектирование теплообменника для пастеризации сливок являются актуальными.

Целью данного курсового проекта является снижение себестоимости процесса пастеризации сливок путем оптимизации конструктивных параметров теплообменного аппарата.

Задачи исследования вытекают из поставленной цели и сводятся к следующему. При заданной производительности пастеризатора 2500 л/ч и температуре пастеризации 95°С определить оптимальные конструктивные параметры кожухотрубного теплообменника. Для этого необходимо разработать математическую модель процесса пастеризации в кожухотрубном теплообменнике с выбором критерия оптимизации и решить задачу многомерной оптимизации по определению конструктивных оптимальных параметров данного теплообменника.

1 Назначение, устройство и принцип действия

кожухотрубного пастеризатора сливок

1.1 Основные требования к сливкам и назначение пастеризатора

В зависимости от сырья сливки должны выпускаться 8%, 10%, 20%, 35% жирности.

Для выработки сливок из коровьего молока применяется следующее сырье:

- молоко коровье, заготавливаемое по ГОСТ 13264-70 не ниже второго сорта, кислотностью не более 19 Т;

- сливки свежие без посторонних привкусов и запахов, кислотностью плазмы не более 16 Т;

- обезжиренное молоко кислотностью не более 19 Т.

Сливки для непосредственного потребления вырабатываются из коровьего пастеризованного молока путем его сепарирования.

По органолептическим показателем сливки из коровьего молока должны удовлетворять следующим требованиям:

- консистенция и внешний вид – однородные, без взбившихся комочков жира и хлопьев белка. Для сливок 8%, 10% жирности, вырабатываемых из сухих сливок, сладко-солоноватый привкус;

- цвет – белый с кремовым оттенком, равномерный по всей массе.

Таблица 1.1 Требования к физико-химическим показателям сливок

Примечание: допускается в отдельных единицах упаковок отклонение в массовой доле жира ±0,5%. Массовая доля жира в средней пробе должна быть не менее нормы, указанной в таблице 1.1. допускается выпуск сливок 8% и 10% жирности, вырабатываемых из сухих сливок, кислотностью не более 22Т, выдерживающих пробу на кипячение

.

Таблица 1.2 Требования к микробиологическим показателям сливок

Сливки из коровьего молока не должны содержать патогенных микроорганизмов.

Установка пастеризационная трубчатая предназначена для быстрой пастеризации сливок в потоке на молочных, сыро- и маслодельных заводах.

1.2 Устройство трубчатого пастеризатора

В состав установки входят центробежный насос 30, трубчатый теплообменный аппарат, сливкопроводы 2, 3, 13 и конденсатоотводчики 27 (лист МППЖ 06.17.02 ВО графического материала).

Трубчатый теплообменный аппарат представляет собой два рабочих цилиндра 6, смонтированных на раме 1. Рабочие цилиндры смонтированы один над другим. В торцы каждого цилиндра вварены трубные решетки 18 и 19. В трубные решетки вварено по 19 трубок 17 наружным диаметром 20 мм. Внутренний диаметр трубок 17 мм. Трубные решетки и трубки пастеризатора изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Трубные решетки имеют выфрезерованные каналы, попарно соединяющие концы трубок [1]. Длина цилиндров 611мм, диаметр паровой рубашки 160 мм.

В торцах цилиндров с помощью нажимных полуколец 9 плотно установлены крышки 4 и 5 с резиновыми прокладками 14 и 15, которые служат для герметизации и изоляции друг от друга каналов. Трубные решетки, прокладки и крышки попарно одинаковы, т.е. правые верхние с левыми нижними, а левые верхние с правыми нижними.

Поверх цилиндров наложена термоизоляция 16. Сверху рабочие цилиндры закрыты облицовочным кожухом 10, который приваривается к фланцам 20 [3].

Соединение труб и патрубков осуществляется с помощью накидных гаек 26. Пар в паровую рубашку подводится по паропроводам 11, 12 через запорные вентили 23. Конденсат отводится по трубам 7 и 8 через конденсатоотводчики 27.

1.3 Порядок работы пастеризатора

Исходные сливки температурой 4–6°С центробежным насосом 30 по сливкопроводу 2 подаются в первую трубку 17 нижнего рабочего цилиндра. Пройдя по этой трубке, сливки попадают в соединяющий канал трубной решетки и переходят в следующую трубку, затем опять в канал и так далее. Пройдя все трубки нижнего цилиндра, сливки через переходную трубку 13 попадают в первую трубку верхнего рабочего цилиндра и, пройдя по всем его трубкам, выводятся по выходной трубке 3 [1, 3].

Пар, через запорные вентили 23 по паропроводам 11 и 12 подается в межтрубное пространство рабочих цилиндров. На паропроводах при входе пара в рубашки цилиндров установлены манометры (не показаны) для контроля давления пара.

Сливки во время пастеризации проходят последовательно по 38 трубкам нижнего и верхнего цилиндров и нагреваются паром, который поступает в межтрубное пространство цилиндров, до температуры пастеризации, т. е. до 95°С.

Конденсат из межтрубного пространства цилиндров автоматически удаляется по конденсатоотводным трубам 7 и 8 через термодинамические конденсатоотводчики 27.

На выходе сливок из пастеризатора установлен возвратный клапан (не показан), с помощью которого в случае недогрева сливок до требуемой температуры, они направляются на повторную пастеризацию.

2 МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ПРОЦЕССА ПАСТЕРИЗАЦИИ

Процесс пастеризации сливок заключается в нагреве сливок в рекуперативном кожухотрубном теплообменнике, в котором теплопередача тепла осуществляется от водяного «глухого» пара к нагреваемым сливкам через разделяющую стенку. Сливки движутся по трубному пространству, а греющий пар подается в межтрубное пространство. При контакте пара с холодными трубками теплообменника происходит его конденсация. При фазовом превращении пара в воду выделяется большой поток теплоты, который затрачивается на нагрев сливок. Этот тепловой поток в Вт равен

Qw
=
D·(
iп
–
iк
),
(2.1)

где D
– массовый расход греющего пара, кг/с;

iп
– удельная энтальпия пара, Дж/кг;

iк
– удельная энтальпия конденсата, Дж/кг.

Удельная энтальпия перегретого водяного пара равна [2]

, (2.2)

а удельная энтальпия конденсата, имеющего температуру пара,

, (2.3)

гдеt
п
– температура пара, °С;

– удельная теплоемкость конденсата, равная 4190 Дж/(кг·°С).

Тогда

Qw
/
D=
2493·103
+1970·
t
п
– 4190 ·
t
п
=2493000 – 2220·
t
п
=
r,
(2.4)

гдеr
– теплота парообразования, Дж/кг.

Тепловой поток прямо пропорционален площади теплопередачи f
, коэффициенту теплопередачи k
и средней движущей силы процесса теплопередачи, которой является средний температурный напор ∆
tср
,

Qw
=
k·
f·
∆
tср
. (2.5)

На рисунке 2.1 представлена схема изменения температур теплоносителей при изменении агрегатного состояния пара.

Рисунок 2.1 График изменения температур пара и сливок

Средний температурный напор определяется по формуле [2]

, (2.6)

гдеΔ
t
max
– разность температуры пара и начальной температуры сливок, °С;

Δ
t
min
– разность температуры пара и конечной температуры сливок, °С.

Δ
tmax
=
t
п
–
t
сл.н
;
(2.7)

Δ
tmin
=
t
п
–
t
сл.к
,
(2.8)

гдеt
п
– температура пара, °С.

t
сл.к
– конечная температура сливок, °С;

t
сл.н
– начальная температура сливок, °С.

Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплоотдачи от сливок к стенкам трубок α1
, коэффициента теплоотдачи от пара к стенкам трубок α2
и термического сопротивления трубки и определяется по формуле [2]

, (2.9)

где δст
– толщина стенки трубок, м;

λст
– теплопроводность стенки, Вт/(м·°С).

Коэффициент теплоотдачи от сливок к стенке трубки равен

, (2.10)

где N
u
– критерий Нуссельта;

λсл
– коэффициент теплопроводности сливок, Вт/(м·°С);

l
– характерный линейный размер, м; для круглых трубок l =
dвн
.

dвн
– внутренний диаметр трубок, м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам трубок для случая конденсации пара на пучке горизонтальных труб определяют по формуле [2]

, (2.11)

где ε
– коэффициент, зависящий от расположения труб (коридорное или шахматное расположение), принимаемый равным 0,55 – 0,68;

– плотность конденсата, кг/м3
;

– теплопроводность конденсата, Вт/(м·°С);

– ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2
;

µ
– динамический коэффициент вязкости конденсата, Па·с;

Δ
t
– разность между температурой насыщенного пара и температурой стенки, °С;

D
– внешний диаметр трубы.

При конденсации водяных паров коэффициент теплоотдачи достигает высоких значений и составляет 4000 – 15000 Вт/(м2
°С) [2].

Анализ уравнения (2.9) показывает, что коэффициент теплопередачи в основном определяется частным термическим сопротивлением 1/α1
от сливок к стенке трубки и практически не зависит от 1/α2
.

3 РАСЧЕТ И
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБЧАТОГО
ПАСТЕРИЗАТОРА

3.1 Конструктивное решение теплообменного аппарата

Для уменьшения габаритных размеров пастеризатор может состоять из нескольких секций. Это приводит с одной стороны к уменьшению занимаемой производственной площади, а с другой стороны – к некоторому усложнению конструкции. Поэтому целесообразно принять две горизонтально расположенные секции, установленные одна над другой. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от сливок к стенкам трубок кожухотрубного теплообменника и соответственно коэффициента теплопередачи необходимо иметь развитой турбулентный режим в трубном пространстве. Это достижимо при выполнении кожухотрубного теплообменника многоходовым по трубному пространству. Наибольшая скорость сливок достигается при их прокачке последовательно через все трубки, т. е. когда весь расход сливок приходится на сечение одной трубки. В межтрубном пространстве нет необходимости делать перегородки, так как в качестве теплоносителя используется водяной пар, обладающий высоким коэффициентом теплоотдачи.

Теплообменный аппарат необходимо выполнить из нержавеющей стали. Для снижения потерь тепла в окружающую среду целесообразно снаружи теплообменника нанести теплоизоляционный слой.

3.2 Анализ факторов, принятые допущения

Расчёт трубчатого пастеризатора сводится к определению диаметра трубок, количества трубок в каждом рабочем цилиндре, длины трубок, а также диаметра рабочего цилиндра. Расчёт производится из условия обеспечения температуры пастеризации, а также обеспечения необходимой производительности пастеризатора по сливкам. Причём, конструктивные параметры пастеризатора необходимо рассчитать таким образом, чтобы приведённые затраты были минимальны.

При разработке математической модели принимаются следующие допущения.

1) Ввиду незначительного изменения занимаемой площади пола по рассматриваемым вариантам в приведенные затраты можно не включать амортизацию здания.

2) Так как теплоноситель пар, поэтому α2
имеет очень большое значение, и поэтому величиной 1/α2
можно пренебречь, т. е. при расчете коэффициента теплопередачи не учитывается термическое сопротивление между паром и стенкой трубки.

3) Ввиду незначительной стоимости слоя утеплителя пренебрегаем затратами, связанными с наружной теплоизоляцией аппарата.

4) Пренебрегаем изменением стоимости насоса и электродвигателя при изменении потребляемой ими мощности.

3.3
Разработка математической модели процесса нагрева сливок

С учетом всех уравнений процесса теплообмена в кожухотрубном теплообменнике математическая модель может быть представлена в виде следующей последовательности расчета.

3.3.1 При заданном численном значении внутреннего диаметра трубкиdвн
определяем площадь ее сечения [3]

. (3.1)

3.3.2 Определяем объемный и массовый расход сливок

Qсл
=2,5/3600=0,0006944 м3
/с;

М
сл
=Qсл
·ρ
сл
= 0,0006944·960 = 0,6667 кг/с;
(3.2)

где Qсл
, М
сл
– объемный массовый расходы сливок;

ρ
сл
– плотность сливок, равная 960 кг/м3
.

3.3.3 Исходя из уравнения неразрывности потока определим скорость движения сливок по трубкам пастеризатора [2]

. (3.3)

3.3.4 Найдем число Рейнольдса по формуле [2]

, (3.4)

гдеl
– характерный линейный размер, равный для круглых трубокdвн
;

γ
сл
– кинематическая вязкость сливок, равная 2,59·10-6
м2
/с.

3.3.5 Считая режим движения сливок в трубках турбулентным (Re>2320
) определим коэффициент гидравлического сопротивления λ
по формуле Блазиуса [2]

. (3.5)

3.3.6 Определим критерий Нуссельта для турбулентного режима движения сливок [2]

, (3.6)

где Pr
– критерий Прандтля, равный для сливок 22,5;

– для процесса нагревания.

3.3.7 Коэффициент теплоотдачи от сливок к стенке трубки определяется по формуле (2.10) с учетом того, что для сливок λсл
= 0,395 Вт/(м·°С).

3.3.8 Коэффициент теплопередачи k
определяется по формуле (2.9) при принятых значениях δст
= 0,0015 м [3];λст
= 14 Вт/(м·°С).

t
п
= (196,552+4,3826·
pп
0.25
+8,514·
ln
pп
) – 273
, (3.7)

t
п
= [196,552+4,3826·(0,13·106
)0,25
+8,514·
ln (0,13·106
)] – 273 = 107,02 °С;

t
п
= [196,552+4,3826·(0,15·106
)0,25
+8,514·
ln (0,15·106
)] – 273 = 120 °С.

Принимаем среднюю температуру пара tп
= 110 °С.

3.3.10 Определим средний температурный напор ∆
tср
по формуле (2.6) при начальной температуре сливок t
сл.н
=
6°С и конечной их температуреt
сл.к
=
95°С.

3.3.11 Из уравнения теплового баланса [3]:

Qw
= Ссл
·Мсл
·(
tсл.к
–
tсл.н
) =
k·
f·∆
tср
=
D·(
iп
–
iк
),
(3.8)

где Ссл
– теплоёмкость сливок, равная 3580 Дж/(кг °С);

D
– массовый расход греющего пара, кг/с;

iп
– удельная энтальпия пара, Дж/кг;

iк
– удельная энтальпия конденсата, Дж/кг,

определяется тепловой поток

Qw
= Ссл
·Мсл
·(
tсл.к
–
tсл.н
) = 3580·0,666·(95 – 6) = 212200,9 Вт

и необходимая площадь теплообмена

. (3.9)

3.3.12 Найдем длину одной трубки по формуле

, (3.10)

гдеn
– число трубок в одной секции пастеризатора;

δст
– толщина стенки трубок, равная 0,0015 м.

3.3.13 Определим общую длину трубок пастеризатора

. (3.11)

3.3.14 Определим давление в Па, необходимое для транспортирования сливок через пастеризатор, [3]

.
(3.12)

3.3.15 Определим мощность насоса, необходимую для перекачивания сливок по трубкам пастеризатора [3]

, (3.13)

где η
н
– КПД насоса, равный 0,9 [2];

η
пр
– КПД привода, равный 1.

3.3.16 Определим затраты в рублях на электроэнергию для привода насоса

, (3.14)

где Тго
д
– общее время работы насоса в год, принимаем равным 1186 ч;

Ц
э
– стоимость электроэнергии, принимаем в расчетах равной 0,001; 0,0015; 0,002; 0,0025; 0,003 руб./(Вт·ч);

– коэффициент полезного действия электродвигателя, принимаемый равным 0,88.

3.3.17 Определим шаг между трубками по формуле [4]

, (3.18)

где – наружный диаметр трубки.

3.3.18 Трубки в трубных решетках располагаем по концентрическим окружностям. Исходя из этого условия, определим внутренний диаметр рабочих цилиндров по формуле [4]

, (3.17)

где – диаметр на котором располагаются крайние наружные трубки, м;

– кольцевой зазор между крайними трубками и рабочим цилиндром, принимается согласно [4] конструктивно равным 6 мм и более. Принимаем = 0,014 м.

Согласно [4] определим диаметр , выраженный через шаг s
между трубками, в зависимости от числа трубок n
в рабочем цилиндре:

3.3.19 Найдем площадь цилиндра одной секции по формуле [4]

, (3.18)

гдеδ
кож
– толщина стенки цилиндров, равная 0,002 м.

3.3.20 Определим массу трубок и рабочих цилиндров в кг

, (3.19)

где ρ
мет
– плотность металла, равная 7850 кг/м3
;

F
1
– площадь цилиндра одной секции, м2
;

3.1.21 Определим оплату труда сварщика по формуле

, (3.20)

где ОТ
св1
– оплата труда сварщика за приварку одной трубки, руб.

Часовая тарифная ставка сварщика 6-го разряда 55,98 руб. Принимаем, что сварщик приваривает одну трубку с двух сторон за 10 минут, т.е. за 0,17 ч, тогда

.

3.3.22 Определим капитальные затраты по формуле

, (3.20)

где Ц
мет
– цена металла трубок и цилиндров пастеризатора с учетом их изготовления, принимаем равной 100 руб/кг;

– коэффициент, учитывающий затраты на доставку и монтаж, принимаем равным 1,15.

3.3.23 Определим эксплуатационные затраты в рублях

, (3.20)

где А
– амортизационные отчисления для теплообменника, принимаем равными 0,142·К
;

ТОР
– затраты на техобслуживание и ремонт, принимаем равными 0,12·К.

3.3.24 Определим приведенные затраты

, (3.22)

где Е
н
– коэффициент нормативной эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,15.

3.3.25 Вычисляем удельные приведенные затраты, которые принимаются в качестве критерия оптимизации,

, (3.23)

где Vп
–
годовой объем пастеризованных сливок, равный

Vп
=
Тго
д
· М
сл
·кт
= 1186
·0,6667·3,6·0,942
=2682 т
,

где кт
– коэффициент, учитывающий затраты времени на пуско-наладочные работы и промывку оборудования, принимаем равным 0,942.

Минимизация критерия оптимизации позволит определить конструктивные оптимальные параметры кожухотрубного теплообменника.

3.4 Исследование целевой функции и выбор оптимального варианта

Так как необходимо рассчитать пастеризатор таким образом, чтобы при нужном тепловом потоке приведенные затраты были минимальны, необходимо произвести расчет при различных значениях конструктивных параметров пастеризатора, т.е. диаметре трубок d
вн
и количестве трубок n
. Значениями этих параметров поочередно варьируем с постоянным и малым шагом, а затем выбираем оптимальный вариант по определяемому критерию Кр
. Так реализуется метод многомерной оптимизации циклического покоординатного спуска. Для такого многократного расчета используем программу MicrosoftExcel. Для расчета задаемся начальной температурой сливок t
сл н
= 6°С, конечной температурой сливок t
сл к
= 95°С, производительностью пастеризатора Q
= 0,000694 м3
/с, а также толщиной трубок δ
ст
= 0,0015 м. На первом этапе при постоянном значении количества трубок n
изменяем значение внутреннего диаметра трубок d
вн
. Затем при постоянном значении d
вн
, соответствующем минимальным приведенным затратам, варьируем значением n
. В результате расчетов определяются конструктивные параметры, соответствующие минимальным приведенным затратам. Результаты расчетов приведены в таблицах приложений А и Б. Согласно данным этих таблиц строим графики зависимости приведенных затрат от варьируемых параметров d
вн
и n
на формате А1 графического материала (лист МППЖ 06.17.01 Г). Анализ полученных кривых позволил установить, что при различном отношении цены металла к цене электроэнергии оптимальные размеры диаметра трубок варьируют не в широких пределах и составляют 16 – 18 мм, а оптимальное число труб равно 19.

По рассчитанным конструктивным параметрам выполняем рабочий чертеж трубчатого пастеризатора на формате А1 графического материала (лист МППЖ 06.17.02 ВО).

3.5
Расчет массового расхода греющего пара

Расход греющего пара в рассматриваемом теплообменнике не зависит от конструктивных параметров.

3.2.1 Удельная энтальпия перегретого водяного пара согласно (2.2) равна

Дж/кг
. (3.23)

Удельная энтальпия конденсата в соответствии с формулой (2.3) равна

= 4190·110 = 460900 Дж/кг.
(3.24)

3.2.3 Расход греющего пара из (2.1) составляет

кг/с
= 339,7 кг/ч
,

а удельный расход пара составит

d
=
D
/ Мсл
=0,0944 / 0,666 = 0,142 кг/кг сливок.

ВЫВОДЫ

1. В процессе выполнения работы изучены основные требования к сливкам и назначение пастеризации. Произведен обзор и анализ существующих конструкций пастеризаторов. Подробно описано устройство и работа трубчатого пастеризатора.

2. Рассмотрен механизм действия процесса теплообмена между паром и пастеризуемыми сливками через разделяющую стенку. Выявлены основные факторы, влияющие на теплообмен. Обосновано конструктивное решение теплообменного аппарата, а также обоснованы принятые допущения в разрабатываемой математической модели.

3. Произведен выбор критерия оптимизации и разработана математическая модель процесса пастеризации для кожухотрубного теплообменного аппарата. На основе данной модели разработан вычислительный алгоритм в среде MicrosoftExcel для оптимизации конструктивных параметров пастеризатора. Из расчета пастеризатора установлено, что необходимая площадь теплообменной поверхности при заданной производительности и температуре пастеризации сливок зависит от коэффициента теплопередачи и от температуры пара. Коэффициент теплопередачи зависит от скорости течения сливок по трубкам, а скорость течения зависит от диаметра трубок. На приведенные затраты главным образом оказывают влияние диаметр трубок и их число. Даже при различном отношении цены металла к цене электроэнергии оптимальные размеры диаметра трубок варьируют не в широких пределах и составляют 16 – 18 мм. При настоящей стоимости металла 100 руб./кг и стоимости электроэнергии 1,5 руб./(кВт·ч) минимум приведенных затрат достигается при внутреннем диаметре трубок 17 мм и числе трубок 19.

4. Разработана конструкция пастеризатора с оптимальными конструктивными параметрами и выполнен сборочный чертеж трубчатого пастеризатора.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Барановский Н.В. Пастеризаторы для молока и сливок, изд. 2-е, перераб., М.: Пищепромиздат, 1959.

2. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М.: Колос, 1997. – 551 с.

3. Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.– 432 с.

4. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева, Т. 2, Изд. 2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896 с.