Практическая работа № 2. Расчет автоклавов.

В автоклавах стерилизуют продукцию, упакованную в банки и помещаемую в сетки.

Разрабатывая автоклав, проводят технологический, тепловой и конструктивный расчеты.

Технологический расчет

Технологический расчет включает определение производительности автоклава, количество автоклавов в линии и интервал времени загрузи, очередных автоклавов.

Вместимость одной сетки автоклава:

где: d_c , d_б - диаметр сетки автоклава и банки, м; h_c ,h_б - высота сетки и высота банки, м.

Время загрузки одной сетки (в с):

t_c = n_бс/Q_Л ,

где Q_Л - производительность линии, банок в секунду.

Количество сеток, загружаемых в один автоклав:

n_c = t_в/t_c ,

где t_в - продолжительность выдержки банок до их стерилизации, с.

Количество банок, загружаемых в один автоклав:

N_б = n_бсn_c ,

Продолжительность цикла работы автоклава (в с):

t_ц = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅ ,

где: t₁ - продолжительность загрузки, с; t₂ - продолжительность повышения температуры, с; t₃ - продолжительность стерилизации, с; t₄ - продолжительность снижения давления, с; t₅ -продолжительность разгрузки автоклава, с.

Производительность автоклава (банок/с):

Q_a = n_б.

Количество необходимых автоклавов в линии:

n_a = Q_л/Q_a.

Интервал времени загрузки очередных автоклавов:

Δt = n_б/Q_a.

Тепловой расчет

Тепловой расчет включает определение расхода теплоты и пара для работы автоклава.

Расход пара (в кг/с) для работы автоклава рассчитывают по формуле:

Q_m = Q_общ/((h_П – h_К)t) ,

где: Q_общ - общий расход теплоты в автоклавах, Дж; h_п- энтальпия пара, Дж/кг; h_K -энтальпия конденсата, Дж/кг; t - продолжительность нагрева, с.

Общий расход теплоты в автоклаве складывается из расхода теплоты на нагрев автоклава, Q_{1 ­}- сеток, Q₂ - банок, Q₃ - продукта, Q₅ - воды в автоклаве, потери в окружающую среду – Q₆:

Q_общ = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆.

Конструктивный расчет

Конструктивным расчетом определяют толщину стенки корпуса автоклава и диаметры патрубков для подвода пара и воды.

Диаметр патрубка d_п (в м) для подвода пара:

где:  - скорость движения пара, м/с; ρ - плотность пара, кг/м³.

Диаметр патрубка (в м) для подвода воды

где: _в - скорость движения воды, м/с; ρ_в - плотность воды, кг/м³.

Толщина стенок корпуса (в м) автоклава:

где: Р - давление в аппарате, Па; d_а.в - внутренний диаметр автоклава, м; [σ_Р]- нормальное допустимое напряжение, МПа; φ - коэффициент прочности сварного шва; С - прибавка на коррозию, м.

Нагрузка на один болт автоклава (в Н):

F = πd_.вР/4n,

где п - число болтов.

Внутренний диаметр резьбы болта (в м):

Практическая работа № 3. Расчёт сепараторов и центрифуг.

Машины, в которых суспензии разделяются в поле центробежных сил, называются центрифугами. Их используют для выделения расплавленного жира из кости или шквары и для очистки жира от твёрдых примесей.

По величине фактора разделения F_р центрифуги условно делят на три класса: тихоходные, скоростные, высокоскоростные. По назначению центрифуги бывают фильтрующие, отстойные и комбинированные.

Разделение неоднородных систем в отстойных центрифугах аналогично отстаиванию, но более интенсивно, так как происходит в поле центробежных сил. Интенсивность этого поля характеризуется критерием Фруда

,

где ω – угловая скорость ротора, рад/с; R – радиус ротора, м; g –ускорение свободного падения, м/с.

Скорость (м/с) осаждения частиц в центрифугах

υ_ч= υ_ос∙Fr,

где υ_ос – скорость свободного осаждения частиц, м/с.

Производительность центрифуги по осадку (м³/с)

где m – пористость осадка в барабане; τ_ц – продолжительность цикла фильтрации, с.

Продолжительность цикла фильтрации (с):

τ_ц = τ_ф + τ_пр + τ_ос + τ_п.з.,

где τ_ф, τ_пр, τ_ос, τ_п.з. – время фильтрации, промывки, осушки и подготовительно-заключительных операций.

Машины, в которых жидкие дисперсные системы (эмульсии и суспензии) разделяются в поле центробежных сил, называют сепараторами. Рабочий орган сепаратора – вращающийся барабан, укреплённый на коническом хвостовике или в подводковом патроне вертикального вала (веретена). В барабане устанавливают, как правило, пакет конических тарелок. Грубое разделение происходит во время подвода жидкости к пакету. В зазорах между тарелками осуществляется окончательное разделение фаз в зависимости от их плотности: более лёгкие оттесняются к центру, а тяжёлые – к периферии тарелок. Применение тарелок интенсифицирует процесс разделения, так как они разделяют поток жидкости на слои толщиной от 0,4 до 1,5 мм, тем самым сокращая путь осаждения частиц.

По технологическому назначению различают сепараторы: разделители, очистители (осветлители), очистители-разделители (комбинированные).

Производительность сепаратора должна быть такой, чтобы частицы дисперсной фазы успели осесть на нижнюю поверхность верхней тарелки при выходе из межтарелочного пространства.

Элементарный кольцевой объём (в м³) разделяющей части барабана, в котором установлен пакет тарелок

,

где R – радиус элементарного кольцевого цилиндра, м; b – расстояние между тарелками в осевом направлении барабана, м; z – число тарелок в пакете.

Продолжительность пребывания (dT) суспензии в данном элементарном объёме барабана

,

где П – производительность сепаратора, м³/с.

В направлении, перпендикулярном радиусу барабана, осаждающаяся частица переместится на расстояние S

В случае применения закона Стокса (при Re_ц<1)

,

где - скорость перемещения частицы, м/с; υ_о - скорость перемещения частицы в поле сил тяжести, м/с; ω – угловая скорость барабана, 1/с².

На основании последних трёх равенств и после интегрирования в пределах от 0 до S (левая часть) и от R₂ до R₁ (правая часть) можно получить значение S (в м):

.

Так как ,

где α – угол наклона тарелок.

.

После подстановки значения υ_о из известной формулы Стокса

.

При применении сепараторов с ручной выгрузкой осадка учитывают длительность их непрерывной работы — 2...3 ч. По технической характеристике сепаратора определяют объем грязевого пространства барабана и сравнивают время работы технологической линии с допустимой длительностью Т_Д0П (ч) непрерывной работы сепаратора-молокоочистителя:

,

где — объем грязевого пространства барабана сепаратора, м³; — плотность продукта, кг/м³; Р — загрязненность молока, % (Р= 0,03...0,06 %); Q_M — часовая производительность технологической линии, кг/ч.

Если время работы технологической линии значительно выше допустимой непрерывной работы сепаратора-молокоочистителя, то для очистки молока применяют два сепаратора с периодичес­ким их включением и мойкой или один с большим размером гря­зевого пространства барабана. При незначительной разнице ука­занных величин в технологической линии возможна установка проточного фильтра, позволяющего уменьшить загрязненность молока перед его поступлением на центробежную очистку.

Определение производительность сепаратора по формуле Лукьянова:

где: n – частота вращения сепаратора, с^-1; Z_m – число тарелок, шт; α – угол подъема образующей тарелки, град.; R_δ – большой радиус тарелок, м; t_м – температура молока, ⁰С; R_М – малый радиус тарелок, м; d_ч – диаметр частиц, м; Q – производительность сепаратора, м³/час.

Определим внутренний диаметр питательной трубки поплавковой камеры по формуле:

где: Q – производительность сепаратора, м³/час; h – высота уровня молока в см, считая от нижнего края трубки до уровня молока в поплавковой камере, м; μ – коэффициент истечения, равный 0,93-0,97.

Определим время непрерывной работы:

где: n₀ – процент отложения жидкости, n = 0,02%; V_P – объем грязевого пространства, см³.

Объем грязевого пространства определяют по формуле:

где: d – максимальный диаметр тарелок, см; D – диаметр барабана по внутреннему кругу, м; Н – высота барабана, м.

Определим предельное число оборотов барабана в минуту:

где D₃ – диметр барабана, мм.

Определяем момент инерции барабана сепаратора по формуле:

где: G – вес барабана, кН; α – половина расстояния между нитями, м; l – длина нити, м; Т – период полного колебания.

Определим пусковую мощность сепаратора:

где: J – момент инерции барабана, кг·м²; ω – угловая скорость при рабочих оборотах барабана, рад/с; ω = 10,4 рад/с; t_P – время разгона барабана до рабочих оборотов, с; t_P = 120…180 с.

Найдем потребную мощность электродвигателя, требуемую мощность электродвигателя опер делим по формуле:

где: N – мощность на валу, кВт; η – КПД червячной пары.