9736

Методические указания
Форма
Ф СО ПГУ 7. 18.2/06
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Кафедра «Биотехнология»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Процессы и аппараты пищевых производств»
для студентов специальности
050727 «Технология продовольственных продуктов»
Павлодар
Лист утверждения к методическим
указаниям
Форма
Ф СО ПГУ 7.18.1/06
УТВЕРЖДАЮ
Декан АТФ
__________ Т.К. Бексеитов
«___»____________2009 г.
Составитель канд. техн. наук, профессор
М.С. Омаров
Кафедра «Биотехнология»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»
для студентов специальности 050727 «Технология продовольственных продуктов»
Разработаны на основании Государственного общеобязательного стандарта специальности Республики Казахстан 3.08.353-2006 и типовой программы «Процессы и аппараты пищевых производств», утвержденной протокольным решением
Республиканского учебно-методического совета высшего послевузовского образования 22 июня 2006 г., Астана.
Рекомендованы на заседании кафедры
«__» __________20__ г. Протокол №__ .
Заведующий кафедрой _______________Ж.А. Адамжанова
Одобрена учебно-методическим советом Агротехнологического факультета
«__» __________20__ г. Протокол №__.
Председатель УМС____________________М.Е. Жагипарова
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………..4
Лабораторная работа № 1 ……………………………..5
Лабораторная работа № 2 ……………………………..9
Лабораторная работа № 3……………………………..13
Лабораторная работа № 4……………………………..16
Лабораторная работа № 5……………………………..20
Лабораторная работа № 6……………………………..23
Лабораторная работа № 7……………………………..27
Лабораторная работа № 8……………………………..32
Лабораторная работа № 9……………………………..36
Лабораторная работа № 10…………………………….39
Лабораторная работа № 11…………………………….42
Лабораторная работа № 12…………………………….46
Лабораторная работа № 13…………………………….48
Лабораторная работа № 14…………………………….51
Лабораторная работа № 15…………………………….58
Лабораторная работа № 16…………………………….60
ЛИТЕРАТУРА………………………………………….64
ВВЕДЕНИЕ
В общеинженерной подготовке студентов будущих специалистов промышленности
важную роль играет курс "Процессы и аппараты пищевых производств". Он является переходным от общеинженерного цикла дисциплин к специальному: студенты могут использовать
знания, полученные в общеинженерных дисциплинах, для решения практических задач по
эксплуатации, расчету и проектированию аппаратов промышленной технологии.
Особенность курса "Процессы и аппараты пищевых производств" состоит в его
комплексном характере: процессы изучаются с самых разных сторон - физико-химической,
тепловой, механической и т.п., т.е. так, как они в действительности протекают в зависимости
от применяемых методов (операций) обработки. Такие операции, как нагревание, охлаждение,
сушка, фильтрование и др. имеют общий характер в разных производствах, поэтому естественно рассмотреть эти процессы в обобщенном курсе на соответствующей основе, необходимой для разработки общих методов расчета процесса и аппаратов.
Программа курса "Процессы и аппараты пищевых производств" предусматривает лекции и лабораторные занятия. Цель лабораторного практикума - закрепление знаний по курсу,
практическое изучение процессов на действующих аппаратах, а также приобретение практических навыков пуска, испытания и анализа работы аппаратов.
Лабораторная работа № 1
1. Тема лабораторной работы: Физические свойства пищевых продуктов
2. Цель работы: Изучение теплофизических характеристик пищевых продуктов
3. Теоретическое обоснование работы: Современное учение о процессах и аппаратах
опирается на прочный фундамент химии, физики, математики, ряда инженерных и экономических дисциплин – механики, теплотехники, электротехники, технической кибернетики, материаловедения, промышленной экономики и других смежных областей знания, которые являются базой курса. Однако как наука учение о процессах и аппаратах имеет свой ясно очер-
3
ченный предмет, свои экспериментальные и расчетные методы и теоретические закономерности. В курсе «процессы и аппараты перерабатывающих производств» изучаются совокупность
физических и биохимических процессов и пути их осуществления в промышленном производстве различных продуктов в конкретных технико-экономических условиях.
4. Содержание лабораторной работы
Плотность
Плотностью однокомпонентного однородного вещества называется отношение его массы к единице объема
 М / V
где  - плотность, кг/м ; М - масса, кг; V - объем, м3.
Величина, обратная плотности (и измеряемая в м3/кг), называется удельным объемом:
3
v 1 /  V / М
Плотность химически однородного вещества связана с термодинамическими параметрами уравнением состояния и представлена в справочниках в виде диаграмм и таблиц (например, термодинамических таблиц для воды и водяного пара, углекислоты и др.). Плотность газов и паров примерно в тысячу раз меньше плотности жидкости и твердых тел. Плотность
жидких растворов чистых веществ зависит от концентрации растворенного вещества и температуры раствора
  f  СВ, Т 
где СВ - концентрация растворенного сухого вещества, %; Т - температура раствора, К.
Плотность бинарной неоднородной системы, состоящей из двух компонентов а и b,


  ma  mb 
 a b 
1
где та - массовая доля (концентрация) компонента а в смеси, кг/кг смеси; тb,= 1-та - массовая
доля компонента b; a и b - соответственно плотности компонентов а и b, кг/м3.
Доля общего объема системы, занятая жидкостью
с 
ч  
ч  c
где ч – плотность твердых частиц; с – плотность жидкой среды.
Для сыпучих пищевых продуктов (зерна, сахара-песка) характерна «насыпная», видимая плотность, зависящая от действительной плотности материала частиц и пустот между
ними. Она определяется по формуле
 н 1     ч
где н - насыпная плотность сыпучего продукта, кг/м3; ч - действительная плотность материала частиц кг/м3, при этом
Вязкость
Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение ее частиц при ламинарном течении. Количественно вязкость выражается законом внутреннего трения Ньютона
s  
где s - напряжение внутреннего трения (напряжение сдвига или касательное напряжение) слоев жидкости с градиентом скорости  , Па (знак  означает дифференциальный оператор
первого порядка и читается «набла»);  
d
— градиент скорости сдвига, характеризуюdn
щий изменение скорости , приходящееся на единицу расстояния между слоями по нормали
4
п, проведенной в направлении уменьшения скорости, 1/с;  - постоянный для данного состояния жидкости коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической
вязкости (или динамической вязкостью), Пас.
Различают динамическую и кинематическую вязкость.
Динамическая вязкость, найденная опытным путем при ламинарном течении жидкости
с помощью вискозиметров, является физическим параметром жидкости и зависит от ее температуры и химического состава. Динамическая вязкость жидких растворов зависит от концентрации и свойств растворенного вещества.
Вязкость жидкостей характеризуется также коэффициентом кинематической вязкости
  / 
где  - кинематическая вязкость, м /с;  - плотность жидкости, кг/м3.
Поскольку плотность газов примерно в тысячу раз меньше, чем у капельных жидкостей, кинематическая вязкость газов может быть больше, чем капельных жидкостей типа
воды.
Жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона, называются нормальными или ньютоновскими. Многие жидкости и пищевые продукты (густые суспензии, пасты,
патоки, продукты кондитерского и хлебопекарного производства, мучное тесто и др.), в различной степени отклоняющиеся от закона Ньютона, называются неньютоновскими.
Теплопроводность
Теплопроводностью называется молекулярный перенос теплоты в сплошной среде,
обусловленный наличием градиента температуры. Теплопроводность в данном теле описывается первым законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры
q  t
где q - плотность теплового потока по нормали к изотермической поверхности, проведенной
2
в направлении уменьшения температуры, Вт/м2; t 
dt
- градиент температуры, характериdn
зующий изменение температуры t приходящееся на единицу расстояния между изотермическими поверхностями по нормали в направлении уменьшения температуры, К/м;  - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(мК).
Коэффициент теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов является теплофизическим параметром этих тел, характеризующим интенсивность теплопроводности в веществе
и численно равный плотности теплового потока вследствие теплопроводности при градиенте
температуры, равном 1. Числовое значение его зависит от температуры, давления и вида вещества. Коэффициент теплопроводности определяется опытным путем и для различных тел
приводится в справочниках.
Теплопроводность пищевых продуктов в значительной степени зависит от их состава и
присутствия примесей. Коэффициенты теплопроводности пищевых продуктов обычно представляют эмпирическими формулами,
Удельная теплоемкость
Теплоемкостью вещества называется отношение количества теплоты, сообщаемой веществу в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры.
Удельной теплоемкостью называется теплоемкость единицы количества вещества.
Массовой удельной теплоемкостью называется количество теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для повышения его температуры на один градус,
с
q
dT
где с - массовая удельная теплоемкость, Дж/(кгК); q - приращение количества сообщаемой
теплоты, Дж/кг; dT - разность температур в начале и конце процесса, К.
Удельная теплоемкость зависит от типа процесса, при котором происходит обмен энергией между веществом (рабочим телом) и окружающей средой. Поэтому различают удельные
теплоемкости:
5
ср - изобарную при постоянном давлении р;
cv - изохорную при постоянном объеме V;
с = 0 - адиабатную при q =0;
с =  - изотермную при dT =0;
сп - политропную при политропном процессе, характеризуемом показателем политропы
п.
Изобарная и изохорная удельные теплоемкости связаны уравнением Майера
с р  cv  R
где R - газовая постоянная данного вещества, Дж/(кгК],
Кроме массовой удельной теплоемкости с (измеряемой в Дж/(кгК), различают теплоемкости объемную с/ (измеряемую в Дж/(м3К) и мольную с (измеряемую в Дж/(мольК),
где ,- молекулярная масса газа.
Между ними существуют следующие соотношения:
с V н с / ; с 22,4 с /
где
V н - удельный объем газа при нормальных условиях (t = 0° С; р = 0,1 МПа).
Различают также истинные удельные теплоемкости, определенные при данной температуре процесса, и средние (интегральные), усредненные в данном интервале температур.
Удельная теплоемкость пищевых продуктов зависит от рода вещества, температуры,
содержания влаги (или сухих веществ); Удельная теплоемкость неоднородных систем обычно
определяется по правилу аддитивности (прямой пропорциональности)
с са mа сb mb  сc mc
с ,сb , сc ... - массовые удельные теплоемкости компонента а ,b, c; mа , mb , mc
—массовые доли количества веществ, к которым отнесены теплоемкости с а , сb , сc
где с  а
Температуропроводность
Температуропроводностью называется процесс изменения температуры в окрестности
данной точки в объеме вещества при изменении температурного поля (распределения температур) в этом объеме.
Температуропроводность характеризуется коэффициентом температуропроводности


с
где  - коэффициент температуропроводности, м3/с;  - коэффициент теплопроводности, Вт/
(мК);  - плотность, кг/м3.
Из этого выражения следует, что  ac , поэтому первый закон Фурье (1-17) может
быть записан в другой форме
q  act
Физический смысл коэффициента температуропроводности уясняется при рассмотрении основного уравнения распространения тепла (уравнения энергии), которое в простейшем
виде записывается так:
dt
a 2 t
d
где
dt
- скорость (темп) изменения температуры в окрестности данной точки, К/с;
d
2
 t-
приращение градиента температуры в направлении нормали п к изотермической поверхности,
К/м2.
6
Поверхностное натяжение
В неоднородных системах, одной из сред которых является жидкость, имеется поверхность фазового раздела, площадь которой стремится к минимуму под действием поверхностных сил. Эти силы возникают вследствие нескомпенсированного притяжения внутренними
молекулами поверхностных слоев. В результате на поверхности жидкости возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности. При создании новой поверхности требуется затрата энергии для преодоления сил давления, которая характеризуется
коэффициентом поверхностного натяжения . Он выражается в следующих единицах системы
СИ:
[Дж/м2 = (Нм)/м2 = Н/м]
Коэффициент поверхностного натяжения рассматривается как сила, действующая на
единицу длины поверхности раздела жидкости и соприкасающейся с ней среды, а также как
работа, требуемая для образования единицы новой (межфазной) поверхности. Поэтому величина  существенна для расчета процессов образования капель при конденсации пара, паровых пузырей при кипении жидкостей и во многих других случаях, С увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается, снижаясь до нуля в критической точке.
6. Контрольные вопросы
1. Дайте определение плотности;
2. Дайте определение вязкости;
3. Дайте определение теплопроводности;
4. Дайте определение теплоемкости;
5. Дайте определение температуропроводности;
6. Дайте определение поверхностному натяжению.
Лабораторная работа № 2
1. Тема лабораторной работы: Испытание валковой дробилки.
2. Цель работы:
а) Изучение конструкции дробилки.
б) Исследование эффективности работы дробилки.
в) Определение энергозатрат на осуществление процесса измельчения.
3. Теоретическое обоснование работы: Процесс уменьшения размеров упруго –
хрупкого тела от исходной крупности до требуемой путем воздействия внешних сил называется дроблением или помолом, а машины, применяемые для этих целей, дробилками или
мельницами.
Использование измельченных материалов позволяет значительно интенсифицировать
такие процессы как растворение, экстрагирование, обжиг, химическое взаимодействие и др.
Интенсификация перечисленных процессов обусловлена увеличением поверхности фазового
контакта взаимодействующих масс.
В некоторых отраслях промышленности дробление является подготовительным процессом, после которого продукт направляется на дальнейшую переработку. В других случаях
после дробилок получается конечный продукт, т.е. процесс дробления является завершающей
стадией.
4. Содержание лабораторной работы
В дробильной машине в зависимости от ее назначения и принципа действия могут использоваться следующие виды нагрузок: раздавливание, удар, раскалывание, излом, истирание. В большинстве случаев различные виды нагрузок действуют одновременно, например
раздавливание и истирание и др. Необходимость в различных видах нагрузок, а также в различных по принципу действия конструкциях и размерах машин вызывается многообразием
свойств и размеров измельчаемых материалов, а также различными требованиями к крупности исходного и готового продуктов.
По принципу действия и конструкции различают следующие виды дробилок: щековые,
конусные, валковые, ударного действия. Выбор типа дробилки осуществляется с обязатель-
7
ным учетом физико-механических свойств исходного материала: прочность, хрупкость, абразивность, крупность кусков, а также необходимой крупности кусков готового продукта. Процесс дробления характеризуется отношением размера кусков исходного материала к размеру
кусков готового продукта. Данное отношение называют степенью дробления, и оно является
важнейшим качественным показателем как самого процесса, так и каждой дробилки в отдельности. Существуют различные оценки степени дробления. Например, ее можно выразить как
отношение размера максимального куска в исходном материале к размеру максимального куска в готовом продукте
или как отношение средней крупности
Важнейшим технико-экономическим показателем процесса измельчения твердых материалов является расход энергии.
Количество энергии, необходимое для измельчения какого-либо материала до определенного размера, зависит от многих факторов: размера, формы, взаимного расположения кусков, прочности, хрупкости, однородности исходного материала, его влажности, вида и состояния рабочих поверхностей машины и др.
В настоящее время для расчета мощности двигателя валковой дробилки предложены
несколько групп формул, в том числе эмпирические формулы, рекомендующие определять
мощность двигателя в зависимости от угла захвата дробилки и от производительности; аналитические зависимости, учитывающие усилия дробления; зависимости, выведенные на основе
основных энергетических законов дробления. Наиболее удобной для практических расчетов
мощности привода валковых дробилок является эмпирическая формула, учитывающая реальные условия дробления материала:
Эффективность работы дробильных машин оценивается количеством измельченного
материала при расходе электроэнергии в 1 кВтч. Для характеристики процесса измельчения
пользуются также понятием сопротивляемости материала измельчению или удельным расходом энергии измельчения.
Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления. Различают дробилки с гладкими (ДГ), рифлеными (ДР) и зубчатыми (ДДЗ) валками. ДР и ДДЗ применяются для
среднего дробления, ДГ - для мелкого.
Наиболее распространены двухвалковые дробилки (рис. 2.1), где материал измельчается
в пространстве между вращающимися навстречу друг другу валками одинакового размера (в ДР
и ДДЗ - раздавливанием и раскалыванием, в ДГ - раздавливанием и истиранием). Куски материала удерживаются между валками силами трения. Один из валков подвижен и прижимается к
другому системой тяг с пакетом пружин (для безаварийного пропуска недробимых тел).
1- шкив; 2,3 – неподвижный и подвижный валки; 4 – упругий элемент; 5,6 – зубчатые колеса.
Рис. 2.1 Схема дробилки ДГ
8
В одновалковых дробилках материал измельчается в пространстве между валком (зубчатым) и неподвижной плитой, многовалковые - это комбинации двух- и одновалковых, в которых материал дробится в несколько приемов. В валковых дробилках происходит однократное сжатие материала, что позволяет избежать переизмельчения продукта. Основной недостаток валковых дробилок - возможность перекоса зубчатой передачи при неравномерной загруз ке и пропуске недробимых тел.
5. Описание установки
Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления. Различают дробилки с гладкими (ДГ), рифлеными (ДР) и зубчатыми (ДДЗ) валками. ДР и ДДЗ применяются для
среднего дробления, ДГ - для мелкого.
Наиболее распространены двухвалковые дробилки, где материал измельчается в пространстве между вращающимися навстречу друг другу валками одинакового размера (в ДР и
ДДЗ - раздавливанием и раскалыванием, в ДГ - раздавливанием и истиранием). Куски материала удерживаются между валками силами трения. Один из валков подвижен и прижимается к
другому системой тяг с пакетом пружин (для безаварийного пропуска недробимых тел).
В одновалковых дробилках материал измельчается в пространстве между валком (зубчатым) и неподвижной плитой, многовалковые - это комбинации двух- и одновалковых, в которых материал дробится в несколько приемов. В валковых дробилках происходит однократное сжатие материала, что позволяет избежать переизмельчения продукта. Основной недостаток валковых дробилок - возможность перекоса зубчатой передачи при неравномерной загруз ке и пропуске недробимых тел.
6. Пример расчёта валковой дробилки
Технологический расчет валковой дробилки включает:
определение угла захвата  ≤ 2, диаметра D и длины L валков, частоты их вращения
n и потребляемой мощности.
Значение D находят из треугольника АВС (рис.2.2):
, т.е.
,
где fz = Cos(/2) - коэффициент захвата сырья.
Максимально допустимое значение n определяется условием отбрасывания частиц материала центробежными силами:
,
где  - плотность материала.
Величину L находят по заданной производительности дробилки, полагая, что из
выпускной щели выходит непрерывная лента продукта толщиной dr и шириной L p = 0.9L.
Тогда за один оборот валков из дробилки выйдет объем материала
и ее объемная производительность составит
,
где 1.25 - коэффициент, учитывающий расхождение валков при дроблении.
Потребляемую мощность рекомендуют определять по формуле:
.
К.п.д. дробилок с гладкими и рифлеными валками  = 0.7, с зубчатыми -  = 0.5.
9
Рис 2.2. Схема работы Валковой дробилки
Задание подобрать следующие параметры и произвести расчет
Наименование параметра
Длина валков, L, м
Диаметр валков, D, м
Угол захвата
Значение параметра
7. Контрольные вопросы
1) Чему соответствует максимально допустимый угол захвата дробилки?
а) Удвоенный угол внутреннего трения материала.
б) Удвоенный угол внешнего трения материала
в) Удвоенный угол естественного откоса материала
2) Что повлечет за собой увеличение величины угла захвата?
а) Увеличится диаметр валков дробилки.
б) Увеличится производительность дробилки.
в) Уменьшится диаметр валков дробилки.
3) Привод дробилки включает в себя:
а) Вариатор.
б) Валки.
в) Маховик.
4) От каких факторов зависит необходимое количество энергии для измельчения материала?
а) Размера.
б) Прочности.
в) Состояния рабочих поверхностей машины.
5) Почему диаметр валков дробилки намного больше их длины:
а) Для увеличения угла захвата.
б) Для большей прочности.
в) Для предотвращения перекоса в зубчатой передаче.
6) Чем характеризуется процесс дробления?
а) Отношение размера куска исходного материала к размеру куска готового продукта.
б) Отношение размера куска готового продукта к размеру куска исходного продукта.
в) Отношение размера куска исходного материала к размеру куска готового продукта,
умноженное на 2
7) Главное преимущество валковых дробилок перед другими:
а) Однократное сжатие материала.
б) Высокая производительность.
в) Высокая степень измельчения.
8) Как изменяется угол захвата в дробилке:
а) Автоматически.
б) С помощью пластин.
в) Никак.
10
9) Как защищена дробилка от попадания недробимого материала:
а) С помощью пружин.
б) С помощью срезных заклёпок.
в) Никак.
10) Каким способом измельчается продукт в валковых дробилках типа ДГ:
а) Истиранием.
б) Раздавливанием и истиранием.
в) Раздавливанием и раскалыванием.
Лабораторная работа № 3
1. Тема лабораторной работы: Отстойники в пищевой промышленности.
2. Цель работы: Изучение конструкций и работы отстойников.
3. Теоретическое обоснование работы: Механическая очистка производится для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворённых загрязнений путём процеживания, отстаивания и фильтрования. Для механической очистки используют решётки, песколовки, отстойники, жироловки, нефтеловушки, маслоотделители, гидроциклоны, фильтры.
Решётки служат для улавливания крупных загрязнений (тряпья, бумаги и других). Песколовки
необходимы для улавливания нерастворённых минеральных примесей (песка, шлака, боя
стекла и других). Отстойники применяют для очистки сточных вод от достаточно мелких
взвешенных частиц. Для очистки сточных вод от мелко- и тонкодисперсных частиц применяют фильтрование, используя ткани, сетки или слой зернистого материала.
4. Содержание лабораторной работы
Все методы очистки сточных вод разделены на три типа: механический, химико-физический и биологический. Для ликвидации бактериального загрязнения сточных вод применяют их обеззараживание.
Механическая очистка производится для выделения из сточной воды находящихся в
ней нерастворённых загрязнений путём процеживания, отстаивания и фильтрования. Для механической очистки используют решётки, песколовки, отстойники, жироловки, нефтеловушки, маслоотделители, гидроциклоны, фильтры. Решётки служат для улавливания крупных загрязнений (тряпья, бумаги и других). Песколовки необходимы для улавливания нерастворённых минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и других).
Физико-химические методы очистки применяют для производственных сточных вод.
К таким методам относятся: коагулирование, нейтрализация, экстрагирование, сорбция, электролиз и другие. При коагулировании в сточные воды вводят реагент, способствующий
укрупнению частиц (коагуляции), вследствие чего увеличивается количество задержанных нерастворённых веществ. Сущность электролитического метода состоит в том, что через сточную воду пропускают постоянный электрический ток.
Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих окислению и минерализации органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе. При этом применяют сооружения (аппараты), имеющие общее название окислителей.
Аппараты (сооружения) для биологической очистки сточных вод разделяют на два
основных типа:
1. Сооружения, в которых очистка происходит в условиях, близких к естественным.
2. Сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях.
Отстаивание (осаждение) наиболее простой и широко применяемый метод выделения
из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение основано на разности плотностей частиц дисперсной среды и частиц дисперсионной среды. Отстаиванием разделяются как
всплывающие, так и тонущие фракции, входящие в состав сточной воды – неоднородной жидкой системы (НЖС). В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме
очистки они подразделяются на первичные и вторичные. Первичными называют отстойники
перед сооружениями для биохимической очистки сточных вод, вторичными – отстойники,
11
установленные после биологической очистки для осветления сточных вод. Для очистки
производственных сточных вод (мясная, молочная, пищевая, биотехнологическая промышленность) используют отстойники непрерывного действия (проточные) с медленным движением
жидкости.
По направлению движения сточной воды отстойники делят на три группы: горизонтальные, вертикальные и радиальные. Продолжительность отстаивания составляет 1,5-2
часа. Вертикальные отстойники применяют при низком уровне грунтовых вод и производительности очистных сооружений до 10000 м3/сут. Горизонтальные и радиальные отстойники
применяют при любом уровне грунтовых вод и производительности свыше 20000 м3/ сут.
Пример 1. Определить диаметр отстойника (см. рис. 2) для непрерывного осаждения
отмученного мела в воде. Производительность отстойника 80 т/ч начальной суспензии, содержащей 8 масс. % Са СО3. Диаметр наименьших частиц, подлежащих осаждению, 35 мкм.
Температура суспензии 150С. Влажность шлама 70 %. Плотность мела 2710 кг/м3.
Рис. 2. Отстойник непрерывного действия.
Решение. Чтобы определить диаметр отстойника, надо вычислить необходимую площадь осаждения, для чего предварительно находят скорость осаждения:
d 2     c  g 3.5 2 10  10  2710  10009.81
woc 

0.001м / сек
18 c
18 1.14 10  3
где  с 1,14 спз=1,14 10  3 н сек / м 2
Проверим значение критерия Re:
w d
1 10  3 3.5 10  5 10 3
Re  oc c 
0.0307  0.2
c
1.14 10  3
Действительная скорость осаждения:
woc 0.5 0.001 0.5 10  3 м/сек
Площадь отстойника:
 c 
8 

G H 1  H 
80 10 3 1 

cK 
м2
30 


Foc 


32
.
5
3600  c w'oc 3600 10 3 0.5 10  3
Диаметр отстойника:
D
32.5
6.4 м
0.785
Задание №1
№ варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Производительность от- 81
82
83
84
85
86
87
88
79
78
стойника, т/ч
Масс. % СаСО3
8
7
9
10
6,5
7,5
8,3
9,4
8,5
7,9
Диаметр, мкм
35
40
45
36
37
39
42
41
38
43
3
Плотность мела, кг/м 2710 2711 2710,1 2709 2709,9 2712 2711,5 2710,5 2712 2709,5
12
Пример 2. Как изменится диаметр отстойника, если в условиях предыдущего примера
принять диаметр наименьших осаждающихся частиц равным 18 мкм?
Решение. Согласно формуле Стокса скорость осаждения пропорциональна квадрату
диаметра частицы; поэтому справедливо отношение:
2
2
w1oc  d1 
 35 
    4
w2oc  d 2 
 18 
т.е. в новых условиях скорость осаждения уменьшится в 4 раза. Следовательно, при прочих
равных условиях потребуется площадь осаждения в 4 раза больше, а диаметр отстойника в 2
раза больше, т.е. 14,8 м.
Таким образом, между диаметром осаждающихся частиц и диаметром отстойника существует обратная пропорциональность:
d 1 D2

d2
D1
Задание №2
№ варианта
Диаметр, мкм
1
18,5
2
19
3
17,9
4
18,1
5
19,5
6
20
7
17,5
8
19,3
9
20,5
18,3
10
Пример 3. Определить высоту отстойника (см. рис. 2), если известно, что для уплотнения суспензии в зоне сгущения необходимо 16 ч. Относительная плотность твердой фазы 2,6.
Среднее разбавление в зоне сгущения Т: Ж = 1: 1,5. Диаметр отстойника 10 м. Суточная
производительность отстойника 24,2 т твердой фазы. Жидкая фаза - вода.
Решение. Находим относительную плотность суспензии.
  n  1 2.61.5  1
 c  тв

1.32
 тв n  1
2.6 1.5  1
где n = Ж : Т = 1,5.
Массовая концентрация суспензии в зоне сгущения:
x=
1
0.4 кг твердой фазы/кг суспензии
1  1.5
Следовательно, 1 м3 сгущенной суспензии содержит твердой фазы:
Т= 1320*0,4=530 кг
По условию задачи, в течение суток на 1 м2 осаждается твердой фазы:
24.2
0.308 т /  м 2 сутки 
0.785 10 2
Следовательно, в зоне сгущения за16 ч пройдет 0,308 *(16/24)=0,205 т твердой фазы на
2
1 м площади осаждения.
Выше было найдено, что суспензия в зоне сгущения содержит 0,530т твердой фазы на
3
1 м ; поэтому высота этой зоны:
h2 
0.205
0.387 м
0.530
Высота зоны питания принимается 0,45-0,75 м. Для разбавленной суспензии (Т : Ж =
1 : 10) можно принять ее равной h1 =0.6 м.
Высота зоны отстойника, в которой вращаются гребки, зависит от наклона лопастей к
дну отстойника. Примем ее равной 0,146м на 1 м радиуса отстойника. Следовательно:
h3 =0.146* 5= 0.73 м
Таким образом, общая высота отстойника:
H = h1 + h2 + h3 = 0.6+0.387+0.73=1.717 м 1,72 м
13
Задание №3
№ варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Время, ч
16 17
15 16,1 15,5 16,8 17,6 17,3 17,1 16,9
Относительная плотность твердой 2,6 2,65 2,5 2,56 2,7 2,58 2,64 2,61 2,71 2,73
фазы
Т:Ж
1:1,1 1:1,2 1,2:1,8 1:1,8 1:1,121:1,19 1:2 1:1,9 1:17 1:1,1
Диаметр, м
10 11 10,5 11,5 12 12,5 9,5 13 11,3 10,9
Средняя производительность, т
24,2 22,2 23,9 25 24,9 22,9 21,9 26 25,3 24
5. Контрольные вопросы
1. Опишите механические методы очистки сточных вод;
2. Опишите Физико-химические методы очистки сточных вод;
3. Опишите Биологические методы очистки сточных вод;
4. Опишите Аппараты (сооружения) для биологической очистки сточных вод.
Лабораторная работа № 4
1. Тема лабораторной работы: Испытание аэроциклона типа НИИОГАЗа и определение основных параметров очистки.
2. Цель работы
1.
Изучение конструкции циклона.
2.
Изучение методики расчета циклонов
3.
Теоретическое обоснование работы
Очистка газов под действием центробежной силы применяется для увеличения скорости осаждения и более полного выделения из газа твердых взвешенных частиц. Для этой цели
применяют аппараты, называемые циклонами.
На рис. 4.1 изображена схема простого циклона, который включен в схему лабораторной установки. Газ, поступающий на очистку, подводится к циклону по воздуховоду, приваренному тангенциально к цилиндрической части аппарата, в результате чего газ совершает
вращательное движение вокруг выхлопной трубы внутри циклона. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении газа, твердые частицы, обладающие большей массой,
отбрасываются от центра к стенке цилиндрической части и осаждаются на ней; затем через
коническую часть частицы удаляются из аппарата. Очищенный газ через выхлопную трубу
подается на производство или выбрасывается в атмосферу.
Рис. 4.1 Схема простого циклона.
14
Величина центробежной силы определяется по известному выражению
mv 2
С
,
R
где т - масса тела (кг); v - окружная скорость вращения тела в м/сек; R - радиус вращения в м.
Величиной, характеризующей циклоны, является отношение ускорения центробежной
силы к ускорению силы тяжести. Это отношение называется фактором разделения
fр 
v2
,
Rg
При осаждении пыли в циклонах при ламинарном режиме (Re<0,2) сила сопротивления определяется по закону Стокса (сопротивление среды пропорционально первой степени
скорости осаждения) и скорость осаждения рассчитывается по формуле
d  1   2  v
,
v0 
18gR
2
2
где 1 - удельный вес улавливаемых частиц в кГ/м3 или н/м3; 2 - удельный вес газовой среды
в кГ/м3 или н/м3; d - диаметр частицы в м;  - коэффициент динамической вязкости в
кгсек/м2 или нсек/м2; R - радиус циклона в м; v - окружная скорость газа в циклоне в м/сек
Если через C1 обозначить начальную и через С 2 — конечную концентрацию пыли в
кг/ж3, то условный к. п. д. циклона, характеризующий степень очистки газа, будет равен
С
1  С2

С2
Если через Ci обозначить начальную и через Сз - конечную концентрацию пыли в
кг/м3, то условный к. п. д. циклона, характеризующий степень очистки газа, будет равен
4. Описание экспериментальной установки
Испытание циклона проводится на экспериментальной установке, изображенной на
рис. 2.
Рис. 4.2 Схема экспериментальной установки циклона.
Для получения запыленного газа с определенной концентрацией в воздушный поток
подают пыль (мучная пыль, сахарная пудра и т. д.).
Для упрощения методики определения концентрации пыли применяется мелкий кварцевый песок, который не адсорбируется на поверхности фильтрующей перегородки.
В камеру центробежным вентилятором 2 подается воздух и через форсунку 3 - пыль.
Начальную концентрацию пыли можно устанавливать по количеству подаваемого песка. Из
15
камеры запыленный воздух поступает в циклон 1, где очищается от пыли и через выхлопную
трубу направляется в фильтр 4 для окончательной очистки, после чего выбрасывается в атмосферу.
Методика проведения работы
Скорость воздуха регулируется шибером. При определенном его положении подается
известный секундный объем во входном патрубке циклона. Начальную концентрацию пыли
С1 задают постоянной, регулируя зазор в проходном отверстии форсунки 3. В бункер засыпают распыляемый материал и воздухом выдувают его в камеру, где пыль подхватывается воздухом, подаваемым вентилятором, и направляется в циклон.
Пыль, выносимая из циклона, окончательно осаждается в матерчатом фильтре, собирается и взвешивается для определения конечной концентрации С2. Через разгрузочное отверстие циклона отбирается осевшая в циклоне пыль и также взвешивается.
5. Методика обработки опытных данных
1. По результатам испытания, зная начальную С 1 и конечную С2 концентрации пыли,
можно определить к. п. д. циклона
С
1  С2

С2
Обычно количество пыли, находящейся в воздухе, определяют весовым методом, путем просасывания через фильтр из хлопчатобумажной ваты. Зная вес фильтра до взятия пробы
и после, а также объем протянутого через фильтр воздуха, определяют содержание пыли в 1
м3 воздуха.
В настоящей работе начальная концентрация пыли в воздухе определяется также весовым методом, но по иной методике. Через форсунку подается определенное количество пыли
за единицу времени в определенный объем проходящего через камеру воздуха. Начальная
концентрация пыли определяется по формуле
G1 г/м

С1
V1
3
где G1 - масса пыли, подаваемой в циклон, в г; V1 - объем воздуха, подаваемого в циклон, в м3.
Конечная концентрация пыли в воздухе, выходящем из циклона, определяется по формуле
G 2 г/м

С2
V2
3
где G2 - масса пыли, уходящей из циклона, в г; V2 - объем воздуха, уходящего из циклона, в
м3.
4.
Скорость осаждения пыли определяется по формуле
d  1  2  v г
v0 
18gR
2
2
vсек - скорость газа во входном патрубке;
v ВХ - скорость газа в циклоне;

v ВХ
1. 4
S ВХ
где v г 
Vсек - секундный объем газа; SВХ - площадь поперечного сечения входного патрубка.
3. Фактор разделения определяется по формуле
fр 
16
v2
Rg
6. Задание
Рассчитать циклон для выделения частиц сухого материала из воздуха выходящего из
распылительной сушилки по следующим данным:
- расход воздуха G, (кг/ч)
- коэффициент сопротивления циклона 
- температура воздуха t, (С)
- наименьший диаметр частиц d, (мкм)
- отношение
p
г
Определить:
1. Условную скорость газа в цилиндрической части циклона wц, (м/с)
2. Диаметр циклона D, (м)
3. Гидравлическое сопротивление циклона р, (Н/м2 или мм вод. столба)
4. Параметры циклона H, h1, h2, h3, D1, b, (м)
Методические указания к решению задачи
G
Диаметр циклона определяем по формуле D  3600  0,785 w
г
ц
Условную скорость газа в цилиндрической части циклона определяем из уравнения:
w ц2
p
 
г
2
Откуда
 р  2
  
г

wц 

Т
,
Тt
Плотность воздуха определяется  г 1,29 
где Т = 273 К
После подстановки найденных величин wц и г определяем диаметр циклона D.
Гидравлическое сопротивление циклона (н/м2 или мм. вод. ст.) определяем из уравнения.
 w 2
р   г ц
2
Для расчёта параметров циклона примем следующие отношения:
Диаметр выходной трубы
D1 = 0,6D
Ширина входного патрубка
b = 0,3D
Высота входного патрубка
h1 = 0,78D
Высота выходной трубы
h2 = 1,96D
Высота цилиндрической части
h3 = 2,15D
Высота конической части
h4 = 1,8D
Общая высота циклона
Н = 4,32D
Таблица исходных данных к задаче
Величины
РазмерПо последней цифре шифра
ность
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
Расход воздуха G
кг/ч 200 250 240 270 300 280 210 270 290 260
Наименьший диаметр частиц d мкм
80 70 100 90 80 70 100 90 80 70
Коэффициент сопротивления
100 150 80 70 160 170 105 110 180
циклона, 
60
17
отношение
750 730 700 740 710 720 750 720 710 740
p
г
температура воздуха t,
С
120 110 100 130 120 130 100 120 110 130
Лабораторная работа № 5
1. Тема лабораторной работы: Основы рационального построения аппаратов.
2. Цель работы: Изучение требований предъявляемых к аппаратам.
3. Требования, предъявляемые аппаратам
Для осуществления того или другого процесса применяются соответствующие аппараты. Рационально построенный аппарат должен удовлетворять разнообразным требованиям.
Для удобства рассмотрения эти требования могут быть классифицированы на следующие
группы:
- эксплуатационные;
- конструктивные;
- экономические
- требования техники безопасности.
4. Эксплутационные требования. Соответствие аппарата целевому назначению
Целевое назначение аппарата заключается в создании определенных условий для протекания процесса. Эти условия определяются типом процесса, агрегатным состоянием обрабатываемых масс, их химическим составом и физическими свойствами (вязкость, упругость,
пластичность и т. п.). Чтобы аппарат отвечал своему целевому назначению, его форма должна
обеспечить возможность создания этих условий, которые будем называть технологическими.
К ним относятся: давление, при котором протекает процесс; температура; скорость движения
и степень турбулентности потока обрабатываемых масс; тесный их контакт; механические,
тепловые и электрические воздействия.
Для уяснения изложенных положений рассмотрим конкретный пример. Требуется
перемешать и подогреть вязкий раствор, содержащий взвешенные твердые частицы органического вещества (например, раствор сахара, содержащий кристаллы сахара).
К эксплуатационным требованиям относится также высокая интенсивность работы
аппаратов.
Основной характеристикой аппарата является его производительность - количество сырья, перерабатываемого в аппаратах за единицу времени, или количество готового продукта,
выдаваемого аппаратом за единицу времени.
При выработке штучных изделий производительность выражается количеством штук
изделий за единицу времени. При выработке массовой продукции производительность выражается в массовых или объемных единицах за единицу времени. Интенсивность процесса,
протекающего в аппарате, - это его производительность, отнесенная к какой-либо основной
единице, характеризующей данный аппарат. Так, интенсивность работы сушилки - это количество воды, удаленной из материала за 1 ч, отнесенное к 1 м 3 объема сушилки. Интенсивность
работы выпарных аппаратов - это количество выпариваемой воды (в кг) за 1 ч, отнесенное к 1
м2 поверхности нагрева.
Интенсивность работы аппарата может быть также повышена увеличением скоростей
движения его рабочих органов.
Устойчивость материала аппарата против коррозии. Материал, из которого построен аппарат, должен быть устойчивым при воздействии на него обрабатываемых сред.
Вместе с тем продукты взаимодействия среды и материала не должны обладать вредными
свойствами в том случае, если продукт используется для питания.
Малый расход энергии. Многие процессы пищевых производств энергоемкие. Энергоемкость аппарата характеризуется расходом энергии на единицу продукции. При прочих равных условиях аппарат считается тем более совершенным, чем меньше расходуется энергии на
единицу продукции.
18
Доступность для осмотра, чистки и ремонта. Для правильной эксплуатации аппарата его подвергают систематическим осмотрам, чистке и текущему ремонту. Конструкция
аппарата должна обеспечивать 'возможность производить эти операции без длительных остановок.
5. Конструктивные требования, предъявляемые к аппаратам
К этой группе относятся требования, связанные с проектированием, производством,
транспортировкой и установкой аппарата. Основные из них следующие: стандартность и заменяемость деталей аппарата; наименьшая трудоемкость при сборке; удобство разборки и ремонта; удобство транспортировки аппарата от места изготовления до места установки, минимальная масса (вес) как всего аппарата, так и его отдельных частей.
Рассмотрим требования, предъявляемые к массе (весу) аппарата.
Уменьшение массы аппарата снижает его стоимость. Оно может быть достигнуто за
счет устранения излишних запасов прочности, а также при изменении формы аппаратов. Так,
при конструировании аппаратов цилиндрической формы, если представляется возможность,
следует выбирать такое отношение высоты к диаметру, при котором отношение площади поверхности к объему будет минимальным. Известно, что поверхность цилиндрических сосудов
с плоскими крышками будет минимальной при Н: D = 2. Поэтому при этом отношении массовое количество металла, расходуемое на построение цилиндрического аппарата, будет минимальным. Расход металла может также быть уменьшен при замене плоских крышек выпуклыми. Во многих случаях значительное уменьшение массы аппарата дает переход от клепаных
конструкций к сварным. К той же цели приводят рационализация устройства отдельных узлов
аппаратов, применение металлов повышенной прочности, а также различных пластических
материалов - текстолита, винипласта и др.
6. Экономические требования
Экономические требования, которые предъявляются к аппаратам, могут быть разделены на две категории: требования, предъявляемые к проектированию и сооружению аппаратов,
и требования, предъявляемые к построенной машине, находящейся в эксплуатации.
С точки зрения этих требований стоимость проектирования, сооружения и эксплуатации машины должна быть, возможно, более низкой.
Аппараты, удовлетворяющие эксплуатационным и конструктивным требованиям, неизбежно отвечают также и экономическим требованиям. При внедрении новой техники и более
современных аппаратов может, однако, случиться, что более современный аппарат будет более
дорогим. Однако в этом случае, как правило, стоимость эксплуатации аппаратов уменьшается,
а качество продукции улучшается, что делает целесообразным внедрение нового аппарата. Более подробно экономические требования рассматриваются в курсах организации производства
и экономики промышленности.
7. Требования техники безопасности
Основными требованиями, предъявляемыми к аппаратам на предприятиях, являются
безопасность и удобство их обслуживания. Поэтому аппарат должен быть рассчитан и сооружен с надлежащим запасом прочности, снабжен оградительными устройствами для движущихся частей, а также предохранительными клапанами, автоматическими выключателями и
другими приспособлениями для предотвращения взрывов и аварий.
Операции по загрузке сырья и выгрузке готовой продукции должны быть удобны и безопасны для рабочего персонала. Это обеспечивается целесообразной конструкцией люков и
вентилей. Наиболее безопасны в этом отношении герметически закрытые аппараты непрерывного действия с непрерывным потоком материалов.
Большие неудобства в обслуживании и опасность для рабочих создает применение ременной передачи для привода аппарата. С этой точки зрения следует предпочитать индивидуальный электропривод.
Другое важное требование, специфическое для аппаратов перерабатывающих производств, вытекает из назначения продукции перерабатывающих предприятий.
19
На перерабатывающих производствах должны быть обеспечены высокие санитарногигиенические условия, предотвращающие возможность инфицирования продукции или загрязнения ее продуктами взаимодействия среды и материала, из которого построен аппарат.
Это обеспечивается герметичностью аппаратов, конструктивными формами, позволяющими
производить тщательную очистку, автоматизацией управления без прикосновения человеческих рук и подбором соответствующего материала для построения аппарата.
8. Материалы для изготовления аппаратов и их выбор
Аппараты перерабатывающих производств изготовляют из разнообразных материалов.
При выборе их руководствуются следующими правилами:
а) материал должен обладать достаточной механической прочностью для заданных
условий работы, а также способностью обрабатываться теми методами, которые необходимы
для придания ему нужной формы; такими методами являются электрическая и газовая сварка,
резание, гибка и т. п.;
б) материалы и соединительные швы должны обладать достаточной стойкостью против воздействия среды; иначе говоря, они должны быть устойчивыми против коррозии;
в) при возможности следует выбирать недефицитные материалы.
Химическая стойкость материалов. Коррозией металлов называется процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней
средой. Коррозийные процессы могут быть разделены на две большие группы: электрохимические и химические. При электрохимической коррозии разрушение металла обусловливается
наличием местных электрических токов (гальванокоррозия). Этот вид коррозии особенно активно протекает в том случае, когда в конструкции имеется контакт нескольких металлов с
разными электродными потенциалами. В этом случае при наличии электролита создаются
особо благоприятные условия для гальванокоррозии. Гальванопары могут также возникать
вследствие структурной неоднородности металла или неодинаковой обработки отдельных его
участков.
9. Контрольные вопросы
1.
Эксплутационные требования, предъявляемые к аппаратам;
2.
Устойчивость материала аппарата против коррозии;
3.
Конструктивные требования, предъявляемые к аппаратам;
4.
Экономические требования, предъявляемые к аппаратам;
5.
Требования техники безопасности;
6.
Материалы для изготовления аппаратов и их выбор.
Лабораторная работа № 6
1. Тема лабораторной работы: Испытание фильтрующей центрифуги периодического действия.
2. Цель работы:
1. Изучение основных закономерностей фильтрования под действием центробежной
силы.
2. Определение продолжительности процесса центрифугирования и заданной конечной
влажности.
3. Теоретическое обоснование работы
Одним из наиболее эффективных способов разделения жидких неоднородных систем,
применяемых в пищевой промышленности, является центрифугирования, осуществляемое в
специальных машинах, называемых центрифугами. В этих машинах отстаивание и фильтрация протекают в поле центробежных сил.
По принципу действия и технологическому назначению центрифуги делятся на отстойные и фильтрующие. Фильтрующие центрифуги применяются для разделения грубодисперсных сред и отделения влаги от сыпучих нерастворяющихся материалов и продуктов.Фильтрующая центрифуга имеет барабан с натянутой ил него перфорированной сеткой,
покрытой фильтрующей тканью.
20
Отстойные центрифуги имеют барабаны со сплошными cтенками и применяются для
супензий с диаметром частиц от 5 до 100 мкм, когда унос этих мельчайших частиц нежелателен.
Одним из критериев оценки работы центрифуги служит фактор разделения (критерий
Фруда)
Fr 
 2 R
g
где ω - угловая скорость барабана (с-1), R - внутренний радиус барабана (м ), g - ускорение
силы тяжести (м/с2).
Чем больше значение фактора разделения, тем интенсивнее протекает процесс центрифугирования.
При вращении барабана центрифуги и находящейся в нем суспензии возникает центробежная сила, действующая на вращающееся тело с массой m.. Ее величина:
Pц = m · ω2· R
В зависимости от режима осаждения скорость осаждения частиц в центрифуге определяется теми же закономерностями, что и скорость осаждения пыли в циклонах.
Аналитически продолжительность осаждения ( ) рассчитывают:
v0 
dR
При Re  2 осаждения (отложения осадка) определится
d
d 2  1   2   2 R
v0 
18 
Определяют время осаждения осадка

dR
d  v
0
0
R
R
18R
18 
dR
dR

2
2
2 
2
2 
d  1   2   R r
d  1   2   r R
0
Получают расчетную формулу времени образования осадка

d 
18 
R
0  2
ln
2
d  1   2  
r
Считая, что продолжительность пребывания жидкости в барабане должна быть равна
времени осаждения частиц, можно принять, что за время 0 жидкость проходит путь h равный
высоте фильтрующей части барабана со скоростью vср
Vc
vср 
 R2  r 2 
Vc – объемный секундный расход жидкой неоднородной среды (суспензии). R – внутренний
радиус барабана .r- внутренний радиус слоя осадка. Соотношение между R и r определяется
степенью загрузки барабана Обычно барабан загружается наполовину емкости, т.е. r = 0,71 R.
Следовательно, экспериментально продолжительность разделения жидкой неоднородной системы на осадок и осветленную жидкость (фугат) определяют
 
h
2
2
vср = ( R - r )  h  / Vc
Зависимость между продолжительностью разделения, полученной экспериментально
(эксп.), и временем разделения, рассчитанным аналитически расч.), можно выразить: эксп. =  
расч.
где  - поправка на форму частиц и другие неучтенные факторы.
4. Описание экспериментальной установки.
Установка состоит из фильтрующей центрифуги периодического действия, мерников
для фильтрата и емкостей для выгрузки осадка. Рис. 6.1
21
Нижняя часть барабана имеет форму конуса с углом, обеспечивающим сползание осадка во время остановки центрифуги. В подвесной центрифуге вал 1 вращается в подшипниках, закрепленных в стакане 2, который смонтирован на станине 3. Ступица барабана 4, закрепленная на валу, соединяется с днищем барабана при помоши спиц 5, между которыми выгружается осадок. Барабан центрифуги приводится во вращение через вал непосредственно от
электродвигателя 6. Для остановки центрифуги пользуются фрикционным тормозом 7.
В том случае, когда материал после обработки на центрифуге необходимо промыть или
обработать паром, в барабан вводятся форсунки 8 (например, для пробеливания сахара-песка).
Рис. 6.1 Фильтрующая центрифуга
5. Методика проведения испытания
После ознакомления с основами теории процесса и конструкцией центрифуги проводится опытная фильтрация. В барабан подается определенное количество предварительно
подготовленной суспензии.
Включают двигатель и с момента пуска сразу же начинают замер объемов вытекающего фильтрата но мерному стеклу сборного бачка за интервалы времени 15—20 сек. В процессе
работы центрифуги замеряют число оборотов при помощи тахогенератора, закрепленного на
верхней крышке двигателя (валы двигателя и тахогенератора жестко соединены между собой).
После прекращения стока фильтрата замеры прекращают, центрифугу останавливают и замеряют среднюю толщину осадка.
Результаты испытания заносятся в протокол испытания.
Протокол испытания центрифуги
№ Время от на- Интервалы Объем фильтрата V, м/с Число
Скорость Влажность
опыта чала замеров, м/у замера- От начала испытания V. оборотов фильтрации осадка

ми, 
n б/мин
vср /с
W
За отрезок , V
1
2
3
4
5
6
5
6
6. Методика обработки результатов испытания
Полный объем барабана:
D 2 H
V0 
D - внутренний диаметр барабана (м)
Н – высота барабана. (м)
22
4
Рабочий объем барабана:
Vp = (/4)  (D2 – D12 )
D1 - внутренний диаметр кольца материала (осадка) при вращении, (м).
Коэффициент наполнения барабана
K = Vр / Vб = 1 – (D1 / D2 )2
Фактор разделения:
Fr 
 2 r n 2 D

g
1800
Поверхность фильтрации:
F = D H
Средние скорости фильтрации за отрезки времени () между замерами:
vср = V” / F
V” - объем фильтрата за отрезок времени .
Влажность осадка в барабане центрифуги во время замеров ():
W = ( - 0 ) / (G - )100
где G - масса загрузки;  - масса влаги в загрузке; 0 - масса фильтрата к данному моменту
времени
По полученным расчетным данным и данным опыта строят графики зависимостей 
=(). vср =() . W =() и сравнивают продолжительность процесса, определенную экспериментально и аналитически по расчетным формулам.
7. Методические указания к решению задачи
Производительность центрифуги определяем по формуле
Vчас 25,3  L n 2 R б2 w ос k
При этом скорость осаждения находим по формуле Стокса
d 2   тв   ж  g
w ос 
18  ж
3
где плотность воды ж = 1000 кг/м , динамический коэффициент вязкости воды ж определяется из по формуле  ж  ж  ж , здесь ж кинематический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле
ж 
0,0178 10  4
1  0,0337 t c  0,000221 t с2
Скорость осаждения под действием центробежной силы
R n 2
w ц w ос  б
900
Проверяем режим осаждения
Re 
w ц d  ж
ж
Находим параметр полезного времени

k п
ц
Рассчитываем производительность центрифуги при  = 0,50
Таблица исходных данных к задаче
Наименование
РазмерВАРИАНТ
параметра
ность
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
наименьший диаметр частиц d мкм
5
3
2
6
7
4
3
5
2
4
плотность частиц тв
кг/м3 2000 1800 2100 1850 1700 1950 1600 1400 2100 2300
температура суспензии tс
С
30 25 15 35 40 30 45 50 20 15
23
Диаметр барабана D
Длина барабана L
диаметр борта Dб
частота вращения n
мм
950 800 700 500 850 650 900 750 550 600
мм
400 380 350 250 425 325 450 375 225 300
мм
600 550 500 350 620 420 640 520 390 410
мин-1 1400 1000 750 1750 2000 1800 950 800 1450
1200
8. Контрольные вопросы
1. Типы и конструкции центрифуг и сепараторов.
2. Устройство подвесной фильтрующей центрифуги.
3. Параметры, характеризующие работу центрифуг и сепараторов.
1.
Порядок проведения работы и анализ опытных данных.
5. Определить часовую производительность осадительной центрифуги Vчас, (м3/ч) по
следующим данным:
- наименьший диаметр частиц d, (мкм)
- плотность частиц тв, (кг/м3);
- температура суспензии tс, (С).
Характеристика центрифуги:
- диаметр барабана D, (м)
- длина барабана L, (м)
- диаметр борта Dб, (м)
- частота вращения n, (об/мин)
Цикл работы центрифуги ц = 22 мин, из них п = 20 мин - подача суспензии,
р = 2
мин - разгрузка осадка.
Лабораторная работа № 7
1. Тема лабораторной работы: Экспериментальное определение коэффициентов
фильтрации на рамном фильтрпрессе.
2. Цель работы:
1.Ознакомление с устройством фильтрпресса и его работой.
2. Проведение опытной фильтрации.
3. Расчет коэффициентов фильтрации по экспериментальным данным.
3. Теоретическое обоснование работы
Процесс фильтрации применяется для разделения суспензий на твердую (осадок) и
жидкую (фильтрат) фазы.
Для движения жидкости в порах осадка и фильтрующей перегородки необходимо создать перепад давления по обе стороны фильтрующей перегородки. Этот перепад, может быть
создан за счет разрежения (вакуум-фильтры) или за счет давления (фильтры под давлением) с
одной стороны фильтрующей перегородки.
Производительность фильтра зависит от режима фильтрации (давление, температура),
характера фильтрующей перегородки и физико-химических свойств осадка.
Поток жидкости в порах осадка и фильтрующей перегородке характеризуется весьма
малыми значениями чисел Рейнольдса, что соответствует ламинарному режиму движения
жидкости в капиллярах. Поэтому вывод уравнения фильтрации базируется на известном законе ламинарного течения, выражаемом уравнением Пуазейля:
u
p d 2
32  l
где Δр - перепад давления па фильтре в н/м.2. μ - вязкость жидкости фильтрата в н• сек1м2 l длина пор (капилляров) в м; d - диаметр пор м, u - скорость жидкости в капилляре в м/сек.
Зная скорость движения фильтрата, можно определить расход фильтрата
Vc = uּ F
F - поверхность фильтрации.
а) если Δp-=const, то по мере накопления осадка на фильтре, скорость фильтpaции u
убывает; такую фнльтрацию называют нестационарной;
24
б) если с увеличением толщины слоя осадка , когда соответственно увеличивают Δр, т.
е. градиент давления в слое осадка остается постоянным, прн этом скорость фильтрации будет также величиной постоянной. Такая фильтрация называется стационарной.
В промышленной практике наиболее распространена нестационарная фильтрация, скорость котоpoй выражается в дифференциальной форме.
Уравнение фильтрацни обычно пишется для 1 м2 поверхности фильтрации.
du 
dp
R
т. е. скорость u прямо пропорциональна перепаду давления dp и обратно пропорциональна сопротивлению фильтрации R.
Целью данной работы является определение коэффициентов, характеризующих сопротивление фильтрации.
Общее сопротивление фильтрации, которое складывается из сопротивления осадка Rос
и сопротивления самой фильтрующей перегородки Rпер может быть представлено следующим
образом:
Rф = Rос+ Rпер = k(V + V0)
где V0 –объем фильтрата, требующийся для получения осадка; V - объем фильтрата, проходящий за время , отнесенный к 1м2 поверхности, м3/м2; k - коэффициент, учитывающий свойства осадка и фильтрата при определенном перепаде давлений па фильтре, т. е. при определенном режиме фильтрации, кг • сек/м4 или н• сек/м4. Коэффициент k учитывает режим процесса, свойства осадка и жидкости.
Следовательно, скорость фильтрации для 1 м2 поверхности фильтрации может быть
выражена уравнением:
dV
p

d
k V  V0 
Для нестационарной фильтрации Р = const; обозначим Р/k = К
Тогда имеем
dV
К*

d
k V  V0 
Интегрируя это уравнение, получаем
V2 + 2VV0 = 2K  .
Из этого квадратного уравнения с двумя неизвестными определяем коэффициенты
фильтрации.
4. Описание экспериментальной установки
Работа проводится на опытной установке, которая позволяет измерять количество
фильтрата, прошедшего за определенное (фиксируемое) время. Давление на фильтре в процессе опыта должно поддерживаться постоянным.
Рис 7.1. Схема установки для определения коэффициентов Фильтрации
25
Опытная ycтановка состоит из рамного фнльтрпресса 1, в который подается суспензия из резервуара 2 с мешалкой 3. Вначале суспензия загружается в резервуар 2 и размешивается мешалкой 3 для получения равномерной концентрации. Затем суспензия вытесняется из резервуара 2 в камеры фильтра сжатым воздухом, подводимым из компрессорной установки 4. Давление в резервуаре регулируется при помощи воздушного крана 5 и контролируется по манометру 6. Фильтрат собирается в мерники с водомерными стеклами.
5. Методика проведения работы
Работа проводится в такой последовательности,
1. В резервуар 2 с включенной мешалкой 3 загружают 30-40 л меловой суспензии, после чего люк резервуара герметически закрывается.
2. Лаборантом пускается компрессорная установка 4 и npи помощи воздушного крана
5 в резервуаре устанавливается избыточное давление 0,1-0,2 ат,
3. Открывается кран на трубопроводе от резервуара к фильтру, н суспензия поступает
в камеры. Начало опыта (начало отсчета) считается с потерей на желобе фильтра первых
капель фильтрата.
4. По мере поступления в мерник очередных порций фильтрата отмечается количество
фильтрата {V) н время от начала опыта (τ)
5. Испытание заканчивается, когда поступление фильтрата практически прекращается.
6. Задание: Систему, технологические условия которой заданы в расчете отстаивания,
разделить при помощи фильтрования на рамочном фильтрпрессе при постоянном давлении
фильтрации.
№
Объем
Объем Коэффициент удельно- Коэффициент со- Фильтрующая поверхфильтрата Vж , осадка
го сопротивления противления ткани ность одной камеры
м3
Vо, м3
осадка r, (1/м2)
, (1/м)
а, м
b, м
14
1
17
1,8
4,5 10
1,91011
0,9
0,21
2
15,5
1,9
5,5 1014
1,61011
0,92
0,22
14
3
17,4
2,2
4,5 10
1,71011
0,99
0,26
4
16,4
2,1
3,5 1014
1,91011
0,85
0,27
14
11
5
18
2,3
4,8 10
1,610
0,88
0,28
14
11
6
15,8
1,8
4,9 10
1,510
0,95
0,18
7
16,2
2,4
4,4 1014
1,91011
0,86
0,19
14
11
8
17,3
2,5
4,2 10
1,510
0,96
0,16
14
11
9
16,4
2,8
4,3 10
1,810
0,99
0,18
10
16,8
2
4,8 1014
1,91011
0,92
0,19
Пример:
По материальному расчету получают: объем фильтрата 16,915 м3, объем осадка 2 м3
при 8 ч работы.
Объем влажного осадка на 1 м3 фильтрата
v= 2/16,915 = 0,118 м3/ м3
Динамический коэффициент вязкости фильтрата принимают
 110  6
кгс мин 
 6 н мин 
9
,
806

10
2
2
м 
мин 
Коэффициенты: удельного сопротивления осадка r = 5 1014 (1/м2), сопротивления ткани  = 21011 (1/м) (по опытным данным).
При промывке осадка на фильтре расход воды составляет 1,5 м3 на 1 м3 осадка. Принимают, что вязкость промывного фильтра равна вязкости фильтрата. Промывка идет при том же
давлении, что и фильтрование. При этих условиях коэффициент промывки по уравнению
26
А = а0 v
3
3
где а0 - расход воды, м на 1 м осадка
А = 1,5 0,118 = 0,177 м3/ м3
Расход воды на промывку составит
1,5 2 = 3 м3
или
0,177  16,915 = 3 м3
Принимают продолжительности - фильтрации  = 90 мин, промывки п = 40 мин, разборки, разгрузки и сборки фильтрата У = 30 мин; полный цикл фильтрования одной партии
продолжается 1 = 90 + 40 + 30 = 160 мин; за 8 ч обрабатывают 3 партии системы. Разность
давлений при фильтрации 3104 кгс!м2 [3 9,806  I04 н/м2].
Производительность 1 м2 фильтрующей поверхности по фильтрату — по уравнению
V1 

1  krvp
2

     м3/ м2
rv 


 2,5 1014 0,118 3 104 90

1
11 2  2 1011  = 0,3 м3/ м2


V1 
2

10

5 1014 0,118 
1 10  6



Поверхность фильтрации - по уравнению
F V ж   1
V1 60  р
м2
16,915 160
F

= 18,8 м2.
0,3 60 8
Фильтрующая поверхность одной камеры при а = 0,8 м, b= 0,1 м-—по уравнению
f 0 2 a  2b 
2
f 0 2 0,8  2 0,1 = 0,72 м .
2
2
Примечание. В расчете величины по уравнениям, пользуясь системой СИ, получим те
же конечные результаты, так как в числителе и знаменателе пересчетная величина 9,806 взаимно сокращается.
Количество камер - по уравнению
z = F/f0
z = 18,8/0,72 = 26
Толщина слоя осадка — по уравнению
h = vV1 м.
h = 0,118 0,8 = 0,035 м.
Ширина камеры - по уравнению
  2h м.
  2 0,035 = 0,07 м.
Объем осадка в одной камере
0,07  0,36 = 0,0252 м2.
Поверка расчета: объем осадка, оставляемый в 26 камерах при трех фильтрациях,
0,0252263 = 1,97  2 м3,
что соответствует заданию.
В расчете фильтрпресса при оптимальных условиях работы определяют: оптимальную
продолжительность фильтрации - по уравнению

 y  2
0 
y
1  Ak  krvp
1  Ak
27
30
1
 2 2 1011 30 6
= 22+1 = 23 мин.
0 
1  0,177 2
10 1  0,177 2 2 5 1014 0,118 3 104
оптимальную производительность фильтра - по уравнению
kp
м3/ м2
V 10   y
1  Ak  rv
2 3 10 4 106
= 0,15 м3/м2.
14
1  0,177 25 10 0,118
оптимальную продолжительность промывки - по уравнению



 п .о  А k  0 
V 10  мин,
V 10  30
p


11
2 10 0,15 

 = 8 мин.
 п.о 0,177 2 23 
106 3 104 

Продолжительность всех циклов фильтрации одной партии
1 = 23 + 8 + 30 = 61  60 мин
За 8 ч работы - 8 партий.
Поверхность фильтра
16,915 60
F0 

= 14,1 м2.
0,15 60 8
Количество камер при f0 = 0,72 м2
Толщина слоя осадка на поверхности
h = 0,112  0,15 = 0,0177 м.
Ширина камеры
  2 0,0177 = 0,035 м.
Поверка расчета: объем осадка за весь период работы
0,035  0,36  20  8 = 2 м 3.
7. Контрольные вопросы
1. Назначение процесса фильтрации.
2. Способы создания напора на фильтре.
3. Чем характеризуется режим фильтрации?
4. Уравнение Пуазейля, его физический смысл и возможность применения для расчета
фильтрации.
5. Стационарная и нестационарная фильтрация.
6. Дифференциальное уравнение фильтрации и его решение.
7. Основные элементы экспериментальной установки.
8. Устройство фильтрпресса.
Лабораторная работа № 8
1. Тема лабораторной работы: Испытание лопастной мешалки.
2. Цель работы:
1. Практическое ознакомление с работой мешалок.
2. Изучение основных конструктивных элементов мешалок.
3. Обобщение экспериментальных данных испытания мешалок.
4. Расчет расхода энергии, затрачиваемой на перемешивание.
3. Теоретическое обоснование работы
Лопастные мешалки широко применяются в пищевой промышленности для перемешивания жидкостей с незначительной вязкостью, при растворении и для образования суспензий
из твердых веществ с небольшой плотностью.
Достоинство этих мешалок заключается в простоте конструкции.
28
Важной характеристикой работы лопастной мешалки является расход энергии, который
может быть определен экспериментально. Для обработки экспериментальных данных целесообразно применить теорию подобия и установить зависимость критерия Эйлера (Еи) от режима процесса.
Наиболее распространенным способом перемешивания жидких и пастообразных сред
является механический в аппаратах, называемых мешалками. В зависимости от устройств рабочих органов мешалки делятся на лопастные, пропеллерные, турбинные и специального назначения.
Процесс перемешивания с гидродинамической точки зрения может быть рассмотрен
как процесс внешнего обтекания тел потоком жидкости. В соответствии с этим при вращении
рабочего органа мешалки энергии затрачивается на преодоление трения лопастей о жидкость
и на вихреобразование. Для описания процесса перемешивания при установившемся режиме
используют общее критериальное уравнение, связывающее физические характеристики движения жидкости:
Еu м  f  Re м , Fr м , Г 1 , Г 2 
где Еu м N /  n 3 d 5 - обобщенная переменная (число) Эйлера; Re nd 2  /  - критерий
Рейнольдса; Frм n 2 d / g - критерий Фруда; Г1,Г2 - симплексы геометрического подобия; N мощность на валу мешалки, Вт;  - плотность жидкости, кг/м3; п - частота вращения рабочего
органа мешалки, с-1; d - диаметр рабочего органа мешалки, м;  - динамический коэффициент
вязкости жидкости, Па·с; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Действительную линейную скорость перемешивания жидкости определить сложно и
вместо нее используют эквивалентную величину - частоту вращения рабочего органа мешалки, а потерю давления характеризуют величиной потребления энергии.
Рабочий орган мешалки обычно погружен и жидкость на достаточную глубину, поэтому гидравлическое сопротивление в основном обусловлено силой трения, а влиянием силы тяжести можно пренебречь, т.е. из уравнения следует исключить критерий Фруда. Тогда согласно уравнению (1):
N /  n 3 d 5  f  nd 2  /  
Это уравнение можно представить в виде степенной функции:
Еu м  A Remм
где А и m - постоянные, определяемые опытным путем.
На основании экспериментальных исследований определяют энергию, потребляемую
мешалкой за время ее работы.
4. Описание экспериментальной установки
Испытание проводится на экспериментальной установке (рис. 8.1).
29
Рисунок 1. Схема установки лопастной мешалки.
В цилиндрическом сосуде 1 вращается лопасть 2, укрепленная на вертикальном валу 8.
Движение вертикальному валу передается через пару конических шестерен 4 и вариатор скоростей 5 от электродвигателя 6. При помощи вариатора скоростей изменяется число оборотов
рабочего органа - лопасти.
Число оборотов вала рабочего органа измеряется при помощи тахогенератора 7 с выходом на вторичный регистрирующий прибор (таховольтметр) с градуировкой шкалы в оборотах в минуту.
Требуемая для перемешивания жидких сред мощность измеряется самопишущим ваттметром, включенным в электрическую схему электродвигателя постоянного тока. Частота вращения рабочего органа измеряется при помощи тахогенератора 5 с выходом на вторичный
регистрирующий прибор (таховольтметр).
5. Методика проведения испытания
Перед началом испытаний знакомятся с основными параметрами установки и жидкости, к которым относятся диаметр сосуда D, высота слоя жидкости Н, плотность жидкости ρ,
динамический коэффициент вязкости µ, диаметр окружности вращения лопастей d, ширина
лопасти b, число лопастей х.
При испытании измеряют потребляемую энергию при работе мешалки на холостом
ходу при заданных частотах вращения рабочего органа. Далее жидкостью из измерительного
сосуда заполняют сосуд 1 и определяют ее температуру. При помощи винта 8 сосуд 1 перемещают вверх до полного погружения рабочего органа в жидкость. После этого включают электродвигатель мешалки и приводят замеры показаний при тех же частотах вращения, что и на
холостом ходу.
6. Обработка результатов испытания
Рассчитывают по формулам значения Euм и Reм.
На основании вычисленных значений Euм и Reм строят графики зависимости lgEuм от
lgReм (рис. 8.2) и по нему определяют значения постоянных величин А и т, входящих в формулу (3). Логарифмируя зависимость (3), получают уравнение прямой линии.
lg Eu м lg A  m lg Re м
Рис. 8.2. График зависимости lg Eu м  f  lg Re м 
Показатель степени т находят как тангенс угла наклона полученной прямой tg = ab /
bc. Так как угол расположен во второй четверти, то его величина будет отрицательной.
Постоянную А находят как отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, или из уравнения
lg А lg Eu м  m lg Re м
30
Мощность на валу мешалки
N м N 1 дв пер
где N1 - мощность, определяемая по ваттметру; ηдв - КПД электродвигателя; ηпер - КПД передачи.
Примечание: значение ηдв выбирают в зависимости от типа электродвигателя и передачи. Для установки, изображенной на рис. 1, ηдв = 0,8; ηпер = 0,85.
7. Задание
Рассчитать мешалку для перемешивания суспензии по следующим данным:
- частота вращения n, (с-1)
- диаметр аппарата D, (м)
- плотность жидкости ж, (кг/м3)
- вязкость жидкости ж, (Пас)
- содержание твердой фазы 
- плотность твердых частиц тв, (кг/м3)
- тип мешалки
Определить:
1. Плотность суспензии с, (кг/м3);
2. Вязкость суспензии с, (Пас);
3. Режим перемешивания Re;
4. Диаметр мешалки dм, (м);
5. Мощность, потребляемую мешалкой N,(Вт).
Методические указания к решению задачи
Плотность суспензии определяем по формуле
 с  тв    ж 1   
Вязкость суспензии определяем по формуле
 с  ж 1  4,5  
Определяем режим перемешивания:
 n d 2
Re  c
c
Диаметр нормализованной мешалки
d м 0,33 D
По критерию Рейнольдса и рис.VII-6 (1, с. 106) находим значение критерия Эйлера
Euм.
По найденному критерию Эйлера определяем мощность, потребляемую мешалкой
N Eu м  с n 3 d 5
Таблица исходных данных к задаче
величины
РазмерПо последней цифре шифра
ность
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
-1
частота вращения n,
с
4,7 5,0 4,3 2,0 2,7 3,5 4,0 2,1 3,5 2,2
диаметр аппарата D,
м
1,2 1,0 0,8 0,6 0,7 1,0 1,4 1,6 0,9 0,7
содержание твердой фазы 
0,3 0,2 0,1 0,4 0,5 0,3 0,2 0,1 0,4 0,5
3
плотность жидкости ж
кг/м 1070 1010 1020 1000 1015 1030 1040 1060 1080 1025
плотность твердых частиц тв кг/м3 1400 1300 1450 1500 1600 1750 1190 1120 1470 1380
вязкость жидкости ж
Пас 0,02 0,01 0,03 0,02 0,07 0,04 0,03 0,01 0,05 0,02
тип мешалки
13
2
6
14 10 13
2
6
14
10
31
8. Контрольные вопросы
1. Поясните назначение процесса перемешивания.
2. Какие вы знаете типы мешалок?
3. Поясните методику расчета с использованием общего критериального уравнения.
4. Какие факторы влияют на расход энергии при перемешивании?
Лабораторная работа № 9
1. Тема лабораторной работы: Изучение теплообменных аппаратов.
2. Цель работы: Изучение конструкций теплообменных аппаратов.
3. Теоретическое обоснование работы
Тепловые процессы (уваривание, стерилизация, пастеризация, обжаривание,
бланширование, сушка и замораживание) проводят при определенном режиме
(продолжительность и температура обработки, температура теплоносителя).
Тепловой процесс выбирают таким, чтобы за минимальное время обеспечивалась
необходимая тепловая обработка продукта при сохранении его качества. Так, при
концентрировании томатопродуктов стремятся удалить влагу при низких температурах
кипения (под вакуумом) для наиболее полного сохранения пищевой ценности томатов.
Однако значительное снижение температуры выпаривания томатопродуктов приводит из-за
увеличения вязкости к прекращению конвекционных токов и процесс выпаривания переходит
в сушку. При этом скорость удаления влаги резко снижается, что практически нецелесообразно. Выбирая давление и температуру греющего пара, учитывают особенности
нагреваемого продукта. Например, при подогреве томатной пасты перед розливом выбирают
такие температуру и давление пара, при которых на поверхности нагрева не образуется нагар.
Теплоносители
На предприятиях в качестве теплоносителя преимущественно используется водяной
насыщенный пар и в редких случаях—горячее масло, воздух и вода. Применение водяного
насыщенного пара как основного теплоносителя обусловлено удобством транспортировки и
регулировки его количества и легкостью поддержания температуры его регулировкой
давления, безвредностью, большой скрытой теплотой конденсации, незначительной
агрессивностью к материалу трубопроводов и аппаратов, огнебезопасностью, невысокой
стоимостью. Кроме того, водяной пар можно применять в условиях непосредственного
соприкосновения с пищевым продуктом.
Горячая вода и масло также широко применяются в качестве теплоносителей и
особенно выгодны при вторичном использовании теплоты конденсатов и жидкостей
(продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой
температуры. По сравнению с подогревом паром подогрев водой менее интенсивен и
характеризуется снижением температуры теплоносителя.
Общим недостатком пара и воды как теплоносителей является быстрый рост давления
с повышением температуры [достижение наивысшей температуры 150—160°С соответствует
давлению (57)105Па.
4. Аппараты для бланширования, разваривания и подогревания
Предварительная тепловая обработка сырья производится в горячей воде, водных
растворах поваренной соли, щелочи, кислоты, в среде водяного пара и путем соприкосновения
с поверхностью нагрева.
При предварительной тепловой обработке температура продукта повышается до 85-96
°С, продолжительность тепловой обработки определяется скоростью протекающих тепловых,
химических, биохимических процессов и составляет от нескольких секунд до 15 мин.
Тепловые аппараты, предназначенные для предварительной обработки, можно
классифицировать на бланширователи, развариватели и подогреватели в зависимости от
способа нагревания продуктов.
32
Аппараты каждой из этих групп можно разделить на аппараты периодического и
непрерывного действия; аппараты, работающие при атмосферном давлении, вакууме и под
избыточным давлением; аппараты с нагревательной камерой и барбо-терами.
При применении аппаратов с двустенной нагревательной камерой необходимо
соблюдать следующие правила:
содержать предохранительные клапаны в исправности, т. е. продувать не реже 2 раз в
смену;
не перегружать рычажные предохранительные клапаны;
следить за исправностью редукционных клапанов (вентилей) по манометру,
установленному после клапанов;
исключать работу поворотных двустенных котлов в наклонном положении;
не допускать в аппаратах с мешалками истирания лопастями поверхности нагрева, что
может снизить прочность ее из-за уменьшения толщины стенки;
подвергать нагревательную камеру ежегодному гидравлическому испытанию в
соответствии с допускаемым давлением при работе.
Перед эксплуатацией подогревателей с трубчатой нагревательной камерой необходимо
кожух подогревателя подвергнуть гидравлическому испытанию (даже при низких рабочих
давлениях пара). Крышки, закрывающие трубные решетки, перед пуском пара тщательно
зажимают барашками. Во избежание переполнения камеры конденсатом и возможных
гидравлических ударов обводные вентили на конденсатоотводчиках перед пуском пара
следует открыть. Предохранительный клапан должен находиться в исправном состоянии, для
чего его систематически продувают и оберегают от увеличения груза.
Двухстенные котлы
Двустенный котел состоит из двух плоскостей: открытой, в которой помещают
продукт, подвергающийся нагреванию, и герметически закрытой, являющейся паровой
камерой. Поверхностью нагрева является та часть паровой камеры, которая
соприкасается с продуктом. Наружная поверхность камеры не участвует в полезном
теплообмене, однако она имеет высокую температуру, поэтому для снижения потерь теплоты
в окружающую среду наружную поверхность камеры покрывают изоляционным материалом.
Подвод пара в паровую камеру и отвод из нее конденсата в опрокидывающихся, а
иногда и в стационарных котлах производят через полые патрубки, на которых закреплена
чаша. Патрубки соединены с трубопроводами при помощи сальниковых уплотнений. Для
отвода конденсата внутри паровой камеры установлена изогнутая трубка, один конец ее
соединен с опорным патрубком, а другой находится в нижней части паровой камеры. В
нижней части паровой камеры имеется продувочный кран для отвода скопляющегося воздуха
и остатков конденсата. Во избежание разбрызгивания продукта при кипении на чаше
установлен козырек.
На аппарате должны быть установлены предохранительный клапан и манометр, по
показаниям которого при помощи вентиля регулируют давление пара.
Двустенные котлы, изготовленные из красной меди или из нее сплавов, покрывают в
местах соприкосновения с продуктом, защитной пленкой, предохраняющей металл от
коррозии и окисления. Высокими качествами обладают двустенные котлы из нержавеющей
стали. В двустенных котлах часто устанавливают мешалки якорного типа.
Недостатки двустенных котлов:
при толщине стенки до 10 мм давление пара в котле должно быть более 0,3 - 0,6 МПа в
зависимости от диаметра котла;
неравномерная интенсивность теплообмена на поверхности нагрева: наибольшая в
верхней части котла и крайне низкая в нижней части (днище), где толщина пленки конденсата
максимальная. Интенсивность теплообмена особенно велика в местах входа пара в
нагревательную камеру, так как здесь скорость пара максимальная;
недостаточная интенсивность теплообмена, на которую значительно влияют диаметр
котла, давление греющего пара, способы подвода пара и отвода конденсата, форма котла,
33
степень отвода воздуха из паровой камеры.
Кожухотрубные подогреватели
Нагревание дробленой томатной массы, томатной пасты, томатной пульпы, фруктового
пюре, фруктовых и овощных соков осуществляют в кожухотрубных подогревателях.
Кожухотрубный подогреватель (рис.9.1) состоит из двух трубных решеток 1, в которые
ввальцованы 66 трубок 2 диаметром 34/32 мм и длиной 1986 мм.
Общая площадь поверхности нагрева аппарата около 13 м2. Трубные решетки с трубками заключены в металлический кожух 3 цилиндрической формы, с торцевых сторон закрыты
крышками 4.
Рис. 9.1. Кожухотрубный подогреватель
Последние прикреплены к кожуху при помощи откидных болтов; герметичность
соединения обеспечивает уплотняющая прокладка. Между крышкой и трубной решеткой
имеются перегородки 5, образующие камеры, которые объединяют один или два пучка тру
бок. Таким образом пучки трубок, по 16 в каждом, последовательно соединены между собой.
Пар подается в пространство между кожухом и трубками и омывает их снаружи. Конденсат отводится через патрубок 6 в нижней части кожуха. Давление пара поддерживается
равным 0,11-0,15 МПа. При подогреве томатной пасты давление пара не должно превышать
0,11-0,12 МПа.
При передаче теплоты от пара через стенку томатной пасте термическое сопротивление
от стенки к пасте является наибольшим. Следовательно, на коэффициент теплопередачи не
оказывают заметного влияния условия со стороны конденсации пара, а также свойства самой
стенки. Он главным образом будет зависеть от условий теплопередачи от стенки к пасте.
Трубчатый вакуум-подогреватель кпт-2
Этот подогреватель (рис. 9.2) предназначен для нагревания дробленых помидоров и
различных фруктовых и овощных соков.
Он представляет собой трубчатый многоходовой теплообменник, имеющий 12 последовательно соединенных труб 11 из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 2925 мм,
заключенных в стальной кожух 6 цилиндрической формы. С торцевых сторон подогревателя
установлены крышки. Задняя крышка 7 имеет шесть впадин, при помощи которых попарно
соединяются близлежащие трубки. Передняя крышка 2 имеет 5 впадин и 2 патрубка, из которых нижний 10 служит для входа продукта, а верхний 1 - для выхода продукта из нагревательных трубок.
Магистральный пар давлением 0,2 МПа редуцируется в вакуум-редукционном клапане
5 до давления 80-90 кПа, что соответствует температуре 93-96 °С, после чего поступает в
34
межтрубное пространство в верхней части кожуха 4. Конденсат отводится из подогревателя
через конденсатоотводчик с закрытым поплавком в вакуум-сборник 3. Из вакуум-сборника
конденсат и скопившийся там воздух удаляются водяным эжектором, создающим некоторое
разрежение и в вакуум-сборнике.
Вода в эжектор подается пропеллерным насосом 8 из бака 9. Продукт при помощи пропеллерного насоса последовательно проходит через все трубки подогревателя, нагреваясь до
80-90 °С. Терморегулятор автоматически поддерживает заданную температуру продукта на
выходе, изменяя давление пара в греющей камере.
Рис.9.2. Трубчатый вакуум-подогреватель КПТ-2
Производительность теплообменника 0,5 л/с, площадь поверхности нагрева 4 м2. Скорость движения продукта по трубам теплообменника 2,8-3,5 м/с. Мощность электродвигателя
насоса 1 кВт. Габаритные размеры 3295Х850Х2050 мм. Масса 600 кг. Коэффициент теплопередачи при подогреве сока 900-1200 Вт/(м2-К).
Терморегулятор автоматически поддерживает заданную температуру продукта на выходе, изменяя давление пара в греющей камере. Производительность теплообменника 0,5 л/с,
площадь поверхности нагрева 4 м2. Скорость движения продукта по трубам теплообменника
2,8-3,5 м/с. Мощность электродвигателя насоса 1 кВт. Габаритные размеры 3295Х850Х2050
мм. Масса 600 кг. Коэффициент теплопередачи при подогреве сока 900-1200 Вт/(м2-К).
5. Контрольные вопросы
1. Виды теплоносителей используемых на предприятиях
2. Опишите конструкцию и назначение аппаратов для бланширования, разваривания и
подогревания
3. Опишите конструкцию и назначение двухстенных котлов
4. Опишите конструкцию и назначение кожухотрубных подогревателей
35
5. Опишите конструкцию и назначение трубчатых вакуум-подогревателей кпт-2
Лабораторная работа № 10
1. Тема лабораторной работы: Изучение процессов теплоотдачи в кожухотрубном и
пластинчатом теплообменниках.
2. Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи К и получение обобщенной расчетной зависимости между критериями, а также определение потерь
в окружающую среду.
3. Теоретическое обоснование работы
Уравнение теплопередачи:
Q=КFtcp
выражает зависимость между потоками тепла Q (в ват.) передаваемого в теплообменнике от
горячего теплоносителя к холодному, коэффициентам теплопередачи К (в вт.м 2 град), поверхностью теплообмена F (м2) и средней) разностью температур горячего и холодного теплоносителя tcp (град).
Из уравнений (I) коэффициент теплопередачи К легко может быть найден, если известно Q, F и tcp. В том случае, если температуры хотя бы одного из теплоносителей меняется
вдоль поверхности теплообмена, средняя разность температур tcp вычисляется по формуле
tcp=t1-t2/2,3lgt1/t2
где t1 -разность температур теплоносителей на одном конце теплообменника; t2 - тоже на
другом конце.
Формула (2) справедлива как для прямопотока, так и для противопотока теплоносителей при условии, что остаются постоянным вдоль поверхности теплообмена:
1.
Массовые расходы и теплоемкости каждого из теплообменников.
2.
Коэффициент теплопередачи К.
Если отношение t1 к t2 лежит в пределах: Q5t1/t2 2
C достаточной точностью вместо формулы (2) можно применять: tcp=t1+t2/2 т.е.
вычислить не как среднюю логарифмическую, а как среднюю арифметическую зависимость
коэффициента теплоотдачи  для 1 2 и для плоской стенки ( а также приближенно и для цилиндрической стенки, если толщина ее вала по сравнению с диаметром определяется уравнением:
К=1/1/1+/+1/2
где 1 и 2 - коэффициент теплоотдачи, вт/м2. Град; /=R - термическое сопротивление стенки, м2 град/вт.
Если стенка состоит из нескольких слоев с разным термическим сопротивлением, то в
формуле (3) вместо / должно быть / здесь толщина стенки ; и  -коэффициент теплопроводности материала стенки (слоя), вт/град. м). Когда они из коэффициентов теплоотдачи, например: 2 значительно меньше другого 1 то (при малой величине
/ 1/21/1+/
и приближенно
К2 (4)
В данной работе определяют экспериментальные коэффициенты К. При вынужденном
турбулентном движении потока по трубе без изменения агрегатного состояния обобщенная
критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид:
Nu=СRenPm(P/Pcm)P
где
Nu=d/
критерия Нуссельта
Re=d/
критерия Рейнольдса
P=c/
критерия Прандля
Здесь - коэффициент теплоотдачи, вт/м2. град
d- внутренний диаметр трубы, м
- теплопроводность, вт/ (м. Град)
36
- скорость теплоносителей в трубе, м/с
- вязкость
- плотность теплоносителя, кг/м
cтеплоемкость, дж/кг. Град
Множитель (Р/Рсm)Р учитывает влияние направления теплообмена на теплоотдачу.
При Re10000 значения постоянных величин следующее: С=0,021, n=9,8; m=0,43;
Р=0,25
При Re10000 действительные значения коэффициента теплоотдачи и критерий Нуссельта будет меньше вычисленных на 15-20%.
Для пластинчатого аппарата следует использовать формулу:
Nu=0,10Re97P0,43(P/Pcm)0,25
4. Описание установки:
Она состоит из цилиндрического корпуса, в котором между двумя трубными решетками расположено 300 латунных труб.
Пространство между крылышками и трубными решетками разделено тремя перегородками 4, благодаря чему в аппарате образуется четыре хода (75 труб в каждом ходе). Холодная
вода из водопровода через штуцер поступает в аппарат проходит четыре хода, нагревается и
через штуцер удаляется в канализацию.
Схема пластинчатого аппарата делается самостоятельно студентами с натуры.
Расход холодной воды в кожухотрубном аппарате определяется положением риска на
кране. При вертикальном положении расход равняется 44 л/мин. при положении риска под 45 0
расход 24 л/мин в пластинчатом аппарате - по расходометру.
Нагревание холодной воды в аппаратах осуществляется горячей водой из мерного бака
с помощью центробежного насоса «Кама-3» - который подает ее в межтрубное пространство
аппарата через штуцер.
Горячая вода отдавая определенное количество тепла через теплопередающую поверхность, удаляется через теплопередающую поверхность, удаляется через штуцер в канализацию.
Количество используемой горячей воды определяется объемным методом по уровню в
мерном баке. Бак выполнен в виде куба со сторонами 0,5 м. Максимальная емкость бака 0,125
м3. Температура воды и теплоносителя измеряется термометрами 14 установленными на штуцере.
5. Методика проведения испытаний
Перед началом испытания аппарата готовится к пуску:
1.
Открывается вентиль для пуска холодной воды.
2.
Открывается вентиль для горячей воды.
3.
Включается насос для горячей воды.
С этого момента температура холодной воды на выходе из аппарата начинает повышаться. Спустя некоторое время, когда нагреваются трубы и корпус аппарата, на основании
теплового баланса при постоянном количестве проходящей горячей воды, температура проходящей воды устанавливается постоянной.
Момент установления постоянной температуры воды на выходе из аппарата, характеризующего наступление стационарного режима, применяется за начало испытания. В этот момент замечается время и через 5 минут проводится регистрация следующих величин;
а) температура поступающей в аппарате холодной воды.
б) температура выходящей из аппарата нагретой воды.
в) количество проходящей через аппарат воды.
г) температура горячей воды (теплоносителя) на выходе из аппарата.
е) количество прошедшего теплоносителя (замеряется разница уровня в баке).
Все данные заносятся в журнал.
37
Протокол испытания теплообменного аппарата.
Дата испытания
а) трубчатый аппарат:
число трубок Z- 300 штук
число трубок в одном ходе п=75 штук
диаметр трубок - d= 8/9 мм
дина трубок l= 240мм
б) пластинчатый аппарат
Данные о числе и размерах каналов определяется самостоятельно:
6. Обработка результатов испытания и методика расчетов
Для расчета используется значение из протокола:
Коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева воды определяется из критериального уравнения. Для выбора уравнения определяется числовое значение критерия Рейенольдса:
а) для кожухотрубного аппарата: Re=/=dэ/
где - кинетическая вязкость, м2/с
б) пластинчатого аппарата: Re=dэ/:dэ=4f/п
где П - периметр канала, а- ширина, в- длина, f- сечение канала, l-расстояние между пластинками. f=dl
Средняя температура воды в аппарате: tср=tсрн+tсрк/2
По средней температуре воды tср из таблиц определяется параметрами воды:
,с,,,,Р
Из уровня расхода: Gобщ=S
(г)
Определяется скорость воды в аппарате: =Gобщ/60S
где а) S= d2вн60/4
б) S= bl
Найденные величины подставляются в формуле для определения критерия Рейнольдса
и Прандтля: Р=С/;
По выбранному критериальному уравнению находятся числовые значения критерия
Нуссельта и определяются коэффициент теплоотдачи:
Nu=d2dbн/;
d2=Nu/ dbн
так в данном случае d2=d1, коэффициент теплоотдачи можно принять: К=0,5d2
Сравнить полученный результат значения К с величиной этого же коэффициента, рассчитанного по формуле 1. Для чего по известным данным аппарата предварительно определяется.
Потери тепла в окружающую среду
Расчет потери тепла в окружающую среду производится по формуле
1.
Количество тепла, отданное теплоносителем в аппарате:
Qпог=Qтепл-Qвых/Qтепл100%
Количество тепла, прошедшего на нагревание воды в аппарате:
Qтепл=GтQг(tmк-tтн);
Qводы=Qc(tк-tн)
7. Контрольные вопросы
1.
Конструкции и принцип работы многоходового трубчатого теплообменного аппарата.
2.
3.
Что дает увеличение числа ходов в аппарате л.
В чем заключается физический смысл коэффициентов теплоотдачи и теплопере-
4.
5.
6.
7.
8.
Как определяется tсп ?
Чем вызван и как определяется потери тепла в окружающую среду.
Как определяется коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи.
Как определяется критерий Нуссельта и Рейнольдса? Смысл критерия.
Основные правила по технике безопасности к лабораторным работам.
дачи.
38
Лабораторная работа № 11
1. Тема лабораторной работы: Испытание выпарного вакуум-аппарата.
2. Цель работы: Изучение работы выпарных установок.
3. Теоретическое обоснование работы.
Вакуум-выпарные установки можно классифицировать следующим образом. В зависимости от принципа действия различают установки непрерывного и периодического от формы
от числа корпусов - одно- и многокорпусные установки, действия; греющих поверхностей установки с трубчатыми и пластинчатыми калоризаторами; от греющего агента - установки с
паровым, аммиачным и фреоновым обогревом; от условий кипения продукта -циркуляционные и пленочные.
Необходимым условием передачи тепла от греющего пара выпариваемому раствору
является разность температур греющего пара и кипения раствора. В вакуум-аппаратах благодаря пониженной температуре кипения эта paзность увеличивается; следовательно, уменьшается потребная поверхность нагрева (F = Q/K·t) или в аппарате с определенной поверхностью нагрева от греющего пара к раствору будет передано больше тепла и больше выпарится
воды, или то же количество воды выпарится за меньшее время.
Применение вакуума позволяет при низкой температуре кипения для обеспечения той
же разности температур (t) использовать греющий пар более низкого давления, т. е. отработавший (мятый) нар.
В вакуум-аппаратах вследствие низкой температуры кипения понижается температура корпуса аппарата (стенки) и уменьшаются потери тепла в окружающую среду [Q =  · Fкорп · (tкорп - tвозд)],
следовательно, уменьшается расход греющего пара.
Однако удельный расход греющего пара (dвып) в вакуум-аппаратах несколько выше, чем
в аппаратах, работающих под атмосферным давлением (вследствие увеличения значения
скрытой теплоты парообразования r = f (1/р).
4. Установки с трубчатыми калоризаторами
Однокорпусная установка с барометрическим конденсатором (рис.11.1) предназначена преимущественно для сгущения сыворотки на небольших сыродельных заводах.
Рис. 11.1. Схема вакуум-выпарной установки с барометрическим конденсатором:
1 — суховоздушный вакуум-насос; 2 — ловушка; 3 — барометрический конденсатор; 4 — резервуар; 5 — площадка обслуживания; 6 — сепаратор (пароотделитель); 7 — пульт управления; 8 — пробоотборник; 9 — трубчатый калоризатор; 10 — воздушный кран; 11 — инжектор;
12 — предохранительный клапан; 13 — конденсатоотводчик
39
Осветленная сыворотка температурой 55°С поступает в трубчатый калоризатор 9, в
межтрубное пространство которого из инжектора 11 поступает греющий пар (75°С). Сыворотка интенсивно закипает при температуре 55°С. Вторичные пары вместе с частицами продукта попадают в сепаратор (пароотделитель) 6, в котором сгущенный продукт отделяется от
вторичных паров. Продукт опускается в низ сепаратора и по возвратной трубе направляется в
калоризатор. На возвратной трубе установлен пробоотборник 8.
Вторичный пар, освобожденный от частиц продукта, из сепаратора 6 расходится по
двум направлениям: в барометрический конденсатор 3 и инжектор 11, в сопло которого поступает острый пар. Пар из инжектора попадает в межтрубное пространство калоризатора 9. Вторичный пар, поступивший в барометрический конденсатор 3, конденсируется. Смесь конденсата и воды по трубе опускается в резервуар 4.
Воздух и газы, не сконденсировавшиеся в конденсаторе 3, переходят из него в ловушку
2, где от них отделяются частицы воды, стекающие по трубам в резервуар 4. Затем воздух и
газы непрерывно отсасываются суховоздушным вакуум-насосом 1. Конденсатор и суховоздушный насос обеспечивают требуемое разрежение во всей системе.
Греющий пар, поступающий в межтрубное пространство калоризатора и отдающий
тепло кипящему молоку, конденсируется. Конденсат отводится из межтрубного пространства
конденсатоотводчиком 13, соединенным двумя трубопроводами с калоризатором. Верхний
трубопровод служит для выравнивания давления во внутренней полости конденсатоотводчика
и межтрубном пространстве калоризатора, а нижний - для поступления конденсата из калоризатора в конденсатоотводчик. В последний вводится острый пар, который выдавливает конденсат через клапан и трубу.
Вакуум-выпарная установка снабжена пультом управления 7, на который вынесены
основные приборы (термометры, манометры, вакуум-манометры и т. д.) контроля за режимом
работы установки. Калоризатор снабжен предохранительным клапаном 12 и воздушным краном 10 для гашения вакуума во всей установке.
После герметизации всей системы первоначальный вакуум в установке создается
включением в работу барометрического конденсатора и суховоздушного насоса. При этом вакуум создается и в межтрубном пространстве калоризатора. В случае необходимости в межтрубное пространство калоризатора можно вводить и острый пар. Для создания предварительного вакуума и подачи в межтрубное пространство острого пара на соответствующих трубопроводах установлены вентили.
Описание экспериментальной установки
Объектом испытания является однокорпусная выпарная установка (рис. 11.2), состоящая из вертикального выпарного аппарата 1, поверхностного трубчатого конденсатора 2, воздушного вакуум-насоса.
Рисунок 11.2. Схема установки вакуум-аппарата
40
Раствор (или вода) поступает в аппарат из мерного бака 4 через подогреватель 5, в котором его можно подогреть до любой нужной температуры (или подавать в аппарат без предварительного подогрева).
Греющий пар подается из котельной в нагревательную камеру аппарата через вентиль
16, а конденсат пара поступает через конденсационный горшок 8 в мерники 9. Образующийся
при выпаривании вторичный пар через сепаратор 6 отводится в конденсатор 2. Воздух отсасывается вакуум-насосом. Остаток раствора после выпаривания через вентиль 18 сливается в
мерник 5.
Для определения давления греющего пара установлен манометр 10, для определения
разрежения в аппарате – вакуумметр 11, температура раствора измеряется термометром 12.
Для автоматического измерения температур, необходимых, для расчета процесса выпаривания, установка снабжена электронным автоматическим мостом ЭМП-209М2 в комплекте
с термометрами сопротивления ТСП-380. Термометры сопротивления расположены непосредственно в местах измерения температуры: I - конденсата, II - греющего пара, III - раствора
(воды).
Изменение температуры в характерных местах установки ж течение процесса записывается на движущейся ленте прибора % виде линий из точек с соответствующими номерами.
Таким образом, расчет необходимых величин можно производить по показаниям термометров и по данным, записанным на ленте прибора ЭМП-209М2.
5. Методика проведения испытания
Перед началом испытания установку готовят к пуску:
1. В мерный бак заливают солевой раствор (или воду) в количестве 50 л;
2. При открытых вентилях 13 и 14 сливается 40 л раствора из мерного бака через подогреватель в вакуум-аппарат (работа проводится без предварительного подогрева раствора). Количество залитого раствора определяется по водомерному стеклу мерника;
3. Фиксируют начальную температуру раствора по термометру 12;
4. Включают вакуум-насос;
5. В конденсатор подают охлаждающую воду (вентиль 7);
6. Открывается вентиль 15, благодаря чему аппарат соединяется с конденсатором и вакуум-насосом, в паровом пространстве аппарата создается разрежение. Величина разрежения
(вакуум) определяется по показанию вакуумметра.
7. По известному разрежению рассчитывается давление в соковом пространстве аппарата р':
р' = В - рвак
где: В - барометрическое давление; рвак - разрежение в аппарате.
8. Давление на средний слой раствора в аппарате будет выше, чем р', за счет давления
самого столба раствора:
р = р' + р.
где: р – гидростатическое давление столба раствора на средний слой
р =  · H/2
где:  - плотность, кг/м3; Н - высота столба раствора в аппарате в м.
9. По найденному давлению р определяется начальная температура кипения воды (или
раствора) в среднем слое tнач кип.
После проведенной подготовки начинается испытание установки.
1. В нагревательную камеру аппарата при открытом вентиле 16 подается греющий пар.
Этот момент считается началом испытания - началом периода подогрева раствора. Замечается
время. Продувается конденсационный горшок.
2. От начала испытания (момент пуска пара) через каждые 5 мин делаются следующие
замеры:
а) температуры раствора t;
б) давления греющего пара ргр.п;
41
в) разрежения в аппарате рвак;
г) количества конденсата греющего пара в мернике D.
3. Момент достижения раствором рассчитанной температуры кипения (tнач кип) является
началом периода выпаривания; отмечается время и делается внеочередной замер всех величин, указанных в п. 2.
4. С момента закипания раствора делаются те же замеры через каждые 10 мин.
Продолжительность испытания 1,5 2 ч.
Все данные испытания заносятся в протокол по следующей форме:
Протокол испытания вакуум-аппарата.
Дата испытания.
Поверхность нагрева аппарата F;
Барометрическое давление В;
Начальное количество раствора Sнач;
Конечное количество раствора Sкон;
Количество выпаренной воды U;
Начальная температура кипения (при остаточном давлении рвак) tнач кип.
6. Обработка результатов испытания и методика расчета
Для расчета используют средние значения давления и температуры греюще-го пара,
разрежения в аппарате и общие значения количества конденсата, най-денные по данным протокола отдельно для периода подогрева раствора и пери-ода выпаривания.
Удедьный расход греющего пара на выпаривание определяют по формуле:
dвып = Dвып/U.
Количество выпаренной воды:
U =Sнач - Sкон.
Расход греющего пара на выпаривание (Dвып) равен количеству конденсата, образовавшегося за период выпаривания.
Коэффициент теплопередачи для периода п о-до грев а раствора определяют по формуле:
Кпод = Qпод /Fпод · t · под.
Количество тепла, пошедшее 'на подогрев раствора до температуры кипения:
Qпод = Sнач c · (tсркип - tо).
Продолжительность периода подогрева раствора под соответствует времени от начала
испытания до начала кипения раствор.
Средний температурный напор в период подогрева определяется по формуле:
tподср = (tб + tм)/2, если tб /tм< 2
или
под
t ср = (tб - tм)/2,3 · lg (tб /tм), если tб /tм  2.
Коэффициент теплопередачи для периода выпаривания определяют по формуле:
Квып = Qвып/Fвып · t · вып.
Количество тепла, пошедшее на выпаривание:
Qвып = U · r,
где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; определяют по табл. 2 приложения по среднему давлению в аппарате р´ в период выпаривания.
Продолжительность периода выпаривания соответствует времени от начала кипения до
конца испытания вып.
Разность температур теплоносителей в период выпаривания:
tвып = tсргр.п - tначкип.
7. Вопросы для самопроверки
1. Из каких основных элементов состоит установка для выпаривания при разрежении?
2. В чем преимущества выпаривания под вакуумом?
42
3. Как определяется температура кипения воды в вакуум-аппарате при известном разрежении?
Лабораторная работа № 12
1. Тема лабораторной работы: Автоматизированные пластинчатые установки.
2. Цель работы: Изучение работы пластинчатых установок.
3. Теоретическое обоснование работы.
Автоматизированные пластинчатые установки выпускают четырех типоразмеров.
Пластинчатый охладитель состоит из двух теплообменных секций; в первой - молоко
охлаждают холодной водой, а во второй - циркулирующим рассолом или ледяной водой.
Теплообменные пластины с рифлями изготовляют штамповкой холодным способом из
холоднокатаной листовой нержавеющей стали марки Х18Н9Т или Х14Г14НЗТ, полированной
до штамповки с обеих сторон. Каждая секция состоит из пакета пластин - группы пластин с
одинаковым направлением потока жидкости.
В установку входят следующие основные аппараты, машины и узлы:
пластинчатый охладитель; насос для молока; пульт управления; приборы автоматического контроля, регулирования и регистрации технологического процесса и трубопроводы с
обвязкой регулирующего клапана, установленного на рассольной линии.
Пластинчатый охладитель (рис. 12.1) - основной аппарат установки. Он состоит из
двух секций - водяного и рассольного охлаждения. В первой секции молоко охлаждается с 20
до 13 С, а во второй оно охлаждается до 4° С.
Рис. 12.1. Пластинчатый охладитель ООУ-М:
1 - пластинчатый охладитель; 2 - шкаф управления; 3 - исполнительный механизм;
4 - термометр сопротивления; 5 - ртутный термометр.
Для уплотнения зазора между пластинами по периферии рифленых пластин имеются
углубленные каналы с уплотнительными прокладками из пищевой резины ГР ВТУ МХП 232.
Прокладки приклеены к пластинам термопреновым клеем ТУ МХП 351-42.
Аппарат состоит из чугунной станины-стойки и нажимной чугунной плиты, между которыми имеются две стальные штанги - верхняя, на ней подвешиваются рабочие пластины, и
нижняя, служащая в качестве направляющей для пластин. Секции охладителя разделены между собой гладкой пластиной.
В станине-стойке и нажимной плите имеются штуцера для ввода и вывода холодной
воды и рассола. Верхняя и нижняя штанги одним концом закреплены в станине-стойке, а другие их концы имеют трапецеидальную резьбу с гайками, посредством которых через промежуточные втулки производят сжатие пластин охладительных секций до их герметического?
уплотнения. Степень сжатия определяется стрелкой, нанесенной на нижней и верхней распорках. Стрелка должна совпадать с центром вертикальной распорной стойки, соединяющей
верхнюю и нижнюю тяги.
Пластинчатый охладитель устанавливают на четырех ножках, регулируемых по высоте.
43
Щит управления состоит из металлического шкафа, на передней панели которого установлены приборы управления и выключатель щита. Он имеет контрольно-измерительные
приборы, регуляторы, выключатели и тепловую защиту.
В охладительной установке предусмотрена световая и звуковая сигнализации, действующие при ручном и автоматическом режимах работы.
Отклонение температуры охлаждения молока от установленных пределов сигнализируется звонком. Снятие звукового сигнала производят одноштифтовой кнопкой, расположенной
внизу щита управления.
4. Эксплуатация пластинчатых охладительных установок и техника безопасности
Пластинчатый охладитель устанавливают на полу производственного помещения без
фундамента строго по уровню с помощью регулирующих устройств ножек аппарата. Чистые
теплообменные пластины, расположенные в соответствии с их нумерацией, образуют пакеты
секций, которые вручную продвигают по тягам на рабочие места. Затем винтовым устройством окончательно зажимают все секции до предусмотренного положения указательной
стрелки относительно контрольной риски. Отечественные охладители снабжены двухвинтовым зажимным устройством. Поэтому пластины необходимо сжимать равномерно, не допуская перекоса нажимной пластины.
Сжав пластины, штуцера аппарата соединяют с трубопроводами для молока, воды и
рассола. Собранный охладитель подвергают гидравлической опрессовке холодной водой под
избыточным давлением до 3,5-4 ат.
Затем обрабатывают установку горячей водой (85°С) в течение 20- 30 мин. В этот период трубопроводы холодной воды и рассола выключают.
После пуска установки аппаратчику необходимо лишь наблюдать за работой аппарата
и вспомогательного оборудования. При внезапной остановке работы следует сразу выключить
рассол во избежание замораживания молока и воды в секциях. В этом случае последовательно
прекращают подачу рассола, воды, молока и затем полностью обесточивают щит управления.
По окончании работы установки выключают подачу молока и впускают по молокопроводу воду. После вытеснения из аппарата молока и появления воды прекращают подачу рассола, обесточивают щит управления и выпускают рассол. Далее тщательно промывают аппарат
0,7%-ным содовым раствором (65-70° С) в течение 30 мин, а затем холодной,) водой, освобождают секции от зажима, чистят пластины и ополаскивают их водой из шланга (при ручной
санитарной обработке установки). Запрещается для чистки применять металлические щетки и
скребки, так как они нарушают целостность полированной поверхности пластин, что приводит их к коррозии.
Рабочие поверхности тяг, по которым скользят пластины и плиты, а также резьбу зажимных устройств необходимо периодически смазывать. Это облегчает ручное передвижение
пластин и плит.
Пусковую аппаратуру, электродвигатели и щит управления надо обязательно заземлять.
5. Контрольные вопросы
1. Опишите конструкцию и принцип работы пластинчатого охладителя ООУ-М:
2. Как осуществляется эксплуатация пластинчатых охладительных установок
Лабораторная работа № 13
1. Тема лабораторной работы: Испытание перегонного куба.
2. Цель работы:
1. Изучение процесса простой перегонки.
2. Экспериментальное определение состава и количества дистиллята и кубового остатка.
3. Расчет расхода греющего пара.
4. Сравнение результатов экспериментального исследования (испытания) с расчетными
данными.
3. Теоретическое обоснование работы.
44
В процессе простой перегонки при испарении жидкости в пар переходит больше низкокипящего компонента, а его содержание в оставшейся жидкости уменьшается. Следовательно,
по мере протекания процесса температура кипения жидкости повышается, а образующийся
пар будет содержать все меньше и меньше низкокипящего компонента. И состав дистиллята
из этого пара по содержанию низкокипящего компонента с течением времени будет ухудшаться. Поэтому для сбора дистиллята разного состава, стекающего из конденсатора, устанавливается несколько приемников, которые соединяются с конденсатором поочередно в ходе процесса.
Практически простая перегонка состоит в непрерывном повторении процессов однократного испарения и конденсации пара, причем каждый раз состав жидкости по низкокипящему компоненту ухудшается, температура кипения повышается и содержание низкокипящего в дистилляте уменьшается, приближаясь к содержанию его в исходной смеси. Поэтому длительное испарение уже не дает разделения смеси.
Простая перегонка применяется в том случае, когда не требуется очень полного разделения смеси и когда температуры кипения компонентов смеси сильно отличаются друг от друга.
4. Описание экспериментальной установки
Изучение процесса проводится на установке для простой перегонки.
Установка (рис. 13.1) состоит из перегонного куба 1, в который из напорного бака 2 заливается исходная смесь, подвергающаяся разделению.
Рисунок 13.1. Схема установки для простой перегонки.
Дистиллят
Начальная смесь
Греющий пар и его конденсат
Пар, образующийся в кубе
Охлаждающая вода
Кубовой остаток
Нагревание смеси в кубе в течение процесса проводится греющим паром, поступающим в змеевик 8. Количество пара регулируют вентилем 4, давление измеряют манометром 5.
Конденсат пара через конденсационный горшок 6 стекает в мерник 7. Образующийся при кипении смеси пар отводится из куба в холодильник-конденсатор 8 давление этого пара определяется по манометру 22. Проходя по змеевику холодильника, пар конденсируется за счет отдачи тепла протекающей в корпусе охлаждающей воде. Полученный дистиллят охлаждается до
определенной температуры, которая измеряется термометром 23.
Для измерения температуры охлаждающей воды на входе и выходе из холодильника
установлены термометры 20 и 21. Расход охлаждающей воды определяют с помощью расходо45
мера или мерника 24. Дистиллят непрерывно стекает в поочередно соединяемые с холодильником мерники 9.
5. Методика проведения работы
1. Готовят подлежащую разделению начальную смесь из этилового спирта и воды
определенного состава (по массе): 40 % спирта (хн = 0,4) н 60 % воды. Готовую смесь заливают в напорный бак 2.
2. При открытом вентиле (11) 80 л начальной смеси сливают из напорного бака в куб 1
(вентиль 12 при этом должен быть закрыт). Количество залитой смеси Gн определяют по водомерному стеклу напорного бака.
3. При известном составе начальной смеси по низкокипящему компоненту х н = 0,4 по
табл. 9 приложения определяют температуру кипения смеси tкиg 1.
4. Открывают кран 13 на трубопроводе для отвода конденсата.
5. Открывают вентиль 14 и кран 15 на трубопроводах охлаждающей воды у холодильника-конденсатора и один из кранов 10 для стекания дистиллята в мерник.
6. В змеевик куба через вентиль 4 подают греющий пар, продувают конденсационный
горшок.
7. С этого момента ведут наблюдение за температурой смеси в кубе по термометру 16.
Момент достижения найденной (см. п. 3) температуры кипения tкип 1, т. е. начало кипения смеси считается началом испытания.
8. От начала испытания через каждые 10 мин производят следующие замеры:
температуру кипения смеси в кубе tкип по термометру 16;
давление греющего пара ргрп, поступающего в змеевик куба, по манометру 5;
количество конденсата греющего пара D в мернике 7 (при закрытом кране 17);
температуру конденсата конд по термометру 19;
давление пара рп.д, образующегося при кипении смеси в кубе по манометру 22;
количество образующегося дистиллята Gд в мерниках 9 при закрытых кранах 26;
температуру дистиллята tд , по термометру 23;
расход охлаждающей воды U в холодильнике-конденсаторе в мернике 24 (при закрытом кране 18);
температуру охлаждающей воды при входе в холодильник tни по термометру 20 и при
выходе tки по термометру 21.
9. Через каждые 10 мин от начала испытания производят также отбор проб из остатка в
кубе через кран 12 и из дистиллята через пробный кран 28 и определяют содержание спирта в
них, т. е. состав кубового остатка хк и состав дистиллята хд по спирту.
Испытание продолжают до тех нор, пока состав кубового остатка по спирту не достигнет заданного значения хк = 5 %.
Все данные испытания записывают в протокол.
По окончании испытания установку выключают в следующем порядке:
прекращают подачу греющего пара в змеевик куба - закрывают вентиль 4;
после того как прекратится стекание дистиллята в мерники, прекращают подачу охлаждающей воды в конденсатор-холодильник - закрывают вентиль 14;
дистиллят из мерников 9 сливают в общий сборник 25 - открывают краны 26;
конденсат и охлаждающую воду сливают из мерников в сливную линию - открывают
крапы 17 и 18; кубовой остаток сливают в мерник 27 и определяют его количество Gк.
6. Обработка результатов испытания и методика расчета
Для определения количества и состава дистиллята и количества кубового остатка используется уравнение
In Gн /Gк = dx
где Gн - количество начальной смеем, кг; Gк - количество кубового остатка, кг; хн, х - содержание (массовая доля) спирта в начальной смеси и в кубовом остатке; х, у - массовые доли спирта в жидкости и в равновесном паре над этой жидкостью.
46
Аналитически этот интеграл решить невозможно, так как неизвестна аналитическая зависимость у от х. Решается он графически.
1. На миллиметровой бумаге в определенном масштабе строят график зависимости 1/(у
- х) от х для смеси cпирт-вода (рис. 13.2) .
2. Значение интеграла в пределах от хн = 0,4 до хк = 0,05 изображается заштрихованной
площадью s (в мм2).
3. Тогда
где МS - масштаб площади на графике.
4. Следовательно, InF/W = SMS
Отсюда определяется величина F/W
5. Так как по условию Gн = 80 л, то находится неизвестная величина Gkm — количество
кубового остатка.
6. При известном составе кубового остатка определяется количество спирта в нем:
Gcn.w = WXW
Рис. 13.2. График зависимости 1/(у - х) от х
7. Количество дистиллята
P=F-W
8. Количество спирта в дистилляте:
Gcn.p = Gcn.F – GcnW,
где Gcn.F - количество спирта в начальной смеси; GcnW - рассчитанное (теоретическое) количество спирта в кубовом остатке.
9. Состав дистиллята по спирту (весовой процент)
Xp = (Gcn.p /p) 100
Расчет по данным испытания.
На основании данных протокола испытания определяем количество спирта в дистилляте:
Gспирт = Р Xp
Сравнение результатов аналитического расчета и данных испытания.
Результаты аналитического расчета и данные испытания записываются в табл. 2 и
определяется процент расхождения.
Таблица 2
Показатели
Кол-во кубового Кол-во дистилСостав
остатка
лята
дистиллята
47
Кол-во спирта
в дистилляте
Данные аналитического расчета (теоретические)
Данные испытания
Процент расхождения
Определение теоретического расхода греющего пара.
Расход греющего пара на перегонку определяется из уравнения теплового баланса
перегонного куба:
откуда
где F,W,p - количество начальной смеси, кубового остатка и дистиллята в л (иp протокола);
CF , CW - удельная теплоемкость начальной смеси и кубового остатка в ккал/кг -град, определяется но формуле:
c = c1x + c2(1-x)
где: c1 , c2- удельная теплоемкость компонентов смеси, Дж/(кгК); х - весовая доля низкокипящего компонента смеси); сконд – удельная теплоемкость конденсата, Дж/(кгК); tкипF и tкипW – температура кипения смеси в кубе в начале и конце испытания, °С iгр.п - удельная энтальпия греющего пара, Дж/кг (определяют по среднему давлению греющего пара; iпр — удельная энтальпия пара, поступающего из куба в конденсатор-холодильник, Дж/кг; tконд - средняя температура конденсата греющего пара, °С.
После расчета теоретического расхода греющего пара находят расхождение (в %) с
данными испытания (за счет потерь теплоты в окружающую среду).
7. контрольные вопросы
1. В чем сущность процесса простой перегонки?
2. В чем недостаток процесса простой перегонки?
3. В каких случаях целесообразно применять простую перегонку?
Лабораторная работа № 14
1. Тема лабораторной работы: Испытание барабанной сушильной установки.
2. Цель работы:
1. Построение по данным испытания процесса сушки в I - d-диаграмме.
2. Аналитический расчет: удельного и полного расхода воздуха, удельного и полного
расхода тепла в калорифере.
3. Графический расчет по I - d- диаграмме:
удельного расхода воздуха,
удельного расхода тепла в калорифере.
3. Теоретическое обоснование работы
Сушильная установка для конвективной сушки материалов состоит из трех основных
элементов:
1) сушильной камеры, в которой происходит процесс сушки; конструкция этой камеры
зависит в основном от свойств материала, подвергающегося сушке, и от производительности;
2) калорифера, в котором перед подачей в сушильную камеру нагревается воздух паром
или дымовыми газами;
3) вентилятора для циркуляции воздуха в установке.
Расход пара на нагревание воздуха в калорифере определяется количеством тепла, которое требуется на нагревание воздуха.
Производительность вентилятора и мощность его двигателя определяются количеством воздуха, которое необходимо для испарения влаги из материала в процессе сушки.
48
Таким образом, основными технико-экономическими показателями работы сушильной
установки являются расход воздуха и расход тепла в калорифере.
Полный расход воздуха, необходимый для испарения влаги материала, определяется по
формуле:
L = U·1000/(d2 – d0),
где: U - количество влаги, удаленной из материала в процессе сушки, кг/ч, кг/сек; d0 - удельное влагосодержание воздуха, поступающего в сушильную камеру, в г/кг сухого воздуха; d2 удельное влагосодержание воздуха, уходящего из сушильной камеры (отработавшего), в г/кг
сухого воздуха.
Полный расход тепла в калорифере на нагревание воздуха определяется по формуле:
Qкал = L· (I1 – I0),
где: L - полный расход воздуха в кг/ч или кг/сек; I1 - удельная энтальпия воздуха после калорифера (ккал или Дж/кг) сухого воздуха; I0 - удельная энтальпия воздуха перед калорифером
(ккал или Дж/кг) сухого воздуха.
Для оценки и сравнения работы сушильных установок определяются удельный расход
воздуха и удельный расход тепла в калорифере.
Удельный расход воздуха характеризует количество воздуха, отнесенное к 1 кг испаренной влаги:
l = L/U
или
l = 1000/(d2 – d0)
Удельный расход воздуха будет уменьшаться с уменьшением влагосодержания воздуха,
поступающего в калорифер, и с увеличением влагосодержания воздуха, уходящего из сушильной камеры.
Удельный расход тепла в калорифере характеризует количество тепла, затраченное на
нагревание воздуха в калорифере, отнесенное к 1 кг испаренной влаги:
qкал = Qкал /U
или
qкал = l· (I1 – I0),
Удельный расход воздуха и удельный расход тепла в калорифере, кроме приведенных
выше формул, можно определить по I – d-диаграмме влажного воздуха.
Диаграмма состояния влажного воздуха Л. К. Рамзина
По диаграмме состояния влажного воздуха I - d можно определить все параметры влажного
воздуха, их изменение при различных процессах в воздухе; на диаграмме можно также построить
процесс сушки и сделать его графический расчет.
Основные принципы построения диаграммы
1. Все параметры воздуха на диаграмме соответствуют среднему годовому барометрическому давлению В = 99,3 кПа (745 мм рт. ст.).
2. Диаграмма построена в косоугольной системе координат; угол между осями составляет 135° (рис. 1).
3. По оси абсцисс, а также на вспомогательной горизонтальной оси в определенных масштабах отложено удельное влагосодержание воздуха d в г/кг сухого воздуха.
4. По оси ординат отложена в масштабе удельная энтальпия воздуха I в Дж/кг сухого
воздуха.
5. Вертикальные линии на диаграмме являются линиями постоянного удельного влагосодержания (d = const).
6. Линии, расположенные под углом 135° к оси ординат, являются линиями постоянной
удельной энтальпии (I = const).
7. Линии постоянной температуры - изотермы (t = const) имеют вид почти параллельных прямых, расположенных под небольшим углом к горизонтальной оси влагосодержания.
8. Линии постоянной относительной влажности ( = const) имеют вид пучка кривых,
расходящихся вверх вправо.
49
Линия  =100 % делит диаграмму на две части. Выше этой линии лежит область смеси
сухого воздуха и ненасьпценного водяного пара. Чем выше на диаграмме расположена линия
 = const, чем дальше она от линии  = 100 %, тем суше воздух. Ниже линии  = 100 % лежит
область, в которой насыщенный водяной пар частично конденсируется в виде капель.
9. Линия парциального давления водяного пара проходит через нижнюю часть диаграммы.
10. Линии постоянной температуры мокрого термометра (tм = const) нанесены на диаграмме пунктиром.
Температура воздуха t2, соответствующая полному насыщению его водяным паром,
есть температура точки росы tр.
Охлаждение воздуха ниже температуры t2 = tр сопровождается конденсацией из него
пара, т. е. осушкой. Осушка воздуха изображается на диаграмме линией ВС вдоль линии  =
100 % от изотермы t2 до изотермы t3 , соответствующей конечной температуре охлаждения
воздуха.
Процесс осушки воздуха характеризуется уменьшением его удельного влагосодержания от d1 до d2. Если воздух состояния С вновь нагреть до начальной температуры t1, то получится воздух состояния D (более сухой).
Испарение в воздухе. Если в воздух состояния В поместить влажный материал, то будет происходить испарение влаги из материала в воздух. При этом (с учетом потерь тепла)
удельная энтальпия воздуха и температура его будут понижаться, а удельное влагосодержание
и относительная влажность - увеличиваться.
Такой процесс, происходящий в сушилках (рис. 14.1-б), изображается на диаграмме линией ВС.
Смешение воздуха различных параметров. Пусть смешивается воздух состояния А с
параметрами t1, 1, d1, I1 и воздух состояния С с параметрами t2, 2, d2, I2 в соотношении 1:n.
Получается смесь с параметрами tсм, см, dсм, Iсм.
Рисунок 14.1. Изображение на I - d–диаграмме основных процессов изменения состояния
влажного воздуха:
50
а – процессы нагревания и охлаждения воздуха; б – процесс осушки воздуха; в – процесс испарения влаги из материала в воздух; г – процесс смешения воздуха различных параметров.
Зависимость между параметрами смеси и ее составляющих следующая:
d1 + n · d2 = (n + 1) · dсм
I1 + n · I2 = (n + 1) · Iсм
Графически эта зависимость изображается прямой линией. На диаграмме (см. рис. 1-г)
процесс смешения изображается прямой линией, проходящей через точки А и С. Точка М, характеризующая состояние смеси, делит прямую АС на отрезки соответственно пропорции
смеси:
AM/МС = n/1 или АС/МС = n + 1
Параметры смеси (точка М) определяются по формулам:
dсм = (d0 + n · d2)/(n + 1)
Iсм = (I0 + n · I2)/(n + 1)
Процесс смешения воздуха различных параметров имеет место при возврате отработавшего воздуха (рециркуляции).
4. Описание установки
Работа проводится на установке, (рис. 14.2), состоящей из сушильного барабана 17,
вращающегося с определенной скоростью (барабанные сушилки применяются для сушки сыпучих материалов); парового пластинчатого калорифера 18, в котором происходит подогрев
сушильного агента (воздуха); вентилятора 19 и системы воздуховодов с заслонками-шиберами.
Рис. 14.2. Схема барабанной сушильной установки.
Материал и воздух движутся в барабане в одном направлении, т. е. сушилка работает
по принципу прямотока.
Движение материала. Влажный материал, подвергающийся сушке, подается самотаской или вручную засыпается через загрузочное отверстие 1 м поступает внутрь сушильного барабана. На внутренней поверхности барабана по винтовой линии расположены изогнутые лопасти, с помощью которых материал внутри барабана пересыпается и передвигается
вдоль его оси в потоке горячего воздуха.
Высушенный материал собирается в бункере 2 и ссыпается через периодически открывающееся разгрузочное отверстие и приемник 3.
Движение воздуха. Свежий воздух засасывается вентилятором 19 из помещения через
открытый шибер 4 и поступает на подогрев в калорифер. На воздуховоде между вентилятором
51
и калорифером установлен психрометр 5, по показаниям которого (tСо и tМо2) можно определить все параметры свежего воздуха.
В калорифере воздух нагревается паром, который подается через вентиль 6. Давление
пара определяется по манометру 7.
Конденсат пара стекает через конденсационный горшок 8 и краны 9 в мерники 10.
Подогретый до определенной температуры воздух поступает из калорифера по воздуховоду внутрь сушильного барабана. Параметры подогретого воздуха, которые зависят от количества воздуха и давления пара, определяются по показанию сухого термометра 11 (t с). Количество воздуха, поступающего в барабан, в зависимости от параметров воздуха и от количества и влажности материала регулируется шибером 12.
Из сушильного барабана выходит отработавший воздух, охлажденный и увлажненный,
параметры которого можно определить по показаниям психрометра 13 на выходе из барабана
(tС2 и tМ2).
Установка дает возможность проводить сушку только свежим воздухом (нормальный
сушильный процесс) и сушку с частичным возвратом отработавшего воздуха (сушка с рециркуляцией).
При сушке свежим воздухом шибер 14 должен быть закрыт, а весь отработавший воздух выбрасываться через шибер 15.
При сушке с возвратом отработавшего воздуха часть его выбрасывается через шибер
15, а часть через шибер 14 направляется к вентилятору, где смешивается со свежим воздухом,
поступающим через шибер 4 смесь направляется на подогрев в калорифер.
Соотношение количества отработавшего и свежего воздуха в смеси (кратность смешения) регулируется шиберами 4, 14, 15.
Выбор варианта сушки определяется свойствами материала, подвергающегося сушке.
Для автоматического измерения температур, необходимых для расчета процесса сушки,
установка снабжена электронным автоматическим мостом ЭМП-209М2 в комплекте с термометром сопротивления ТСП-380 (20).
Термометры сопротивления расположены непосредственно в местах измерения температуры:
1 - отработавшего воздуха по сухому термометру, 11 - отработавшего воздуха по смоченному термометру, III - свежего воздуха по смоченному термометру, IV — свежего воздуха
по сухому термометру, V - воздуха после калорифера по сухому термометру, VI - конденсата.
Изменение температуры в характерных местах установки в течение процесса записывается на движущейся ленте прибора в виде линий из точек с соответствующими номерами.
Таким образом, расчет необходимых величин можно производить по показаниям термометров и по данным, записанным на ленте прибора ЭМП-209М2.
Выбор варианта сушки определяется свойствами материала, подвергающегося сушке.
5. Методика проведения испытания
Объектом сушки является сахарный песок.
1. Перед началом испытания проводится заготовка материала: сахарный песок увлажняется путем вбрызгивания распылителем мельчайших капелек воды. Увлажненный материал
выдерживается в течение 20 - 30 мин для равномерного распределения в нем влаги.
2. Из влажного материала отбираются пробы (по 5 г) в два бюкса {масса бюксов определяется заранее) для определение начальной влажности материала.
3. Бюксы с пробой взвешиваются на аналитических весах и ставятся в сушильный
шкаф, температура в котором при помощи терморегулятора поддерживается постоянной равной 105 0С.
4. Периодически (через каждые 20 - 30 мин) бюксы вынимаются из сушильного шкафа
и после охлаждения в эксикаторе взвешиваются.
Пробы в бюксах высушиваются в сушильном шкафу до постоянной массы, т. с. до тех
пор, пока два очередных взвешивания не дадут одинакового результата.
Результаты всех взвешиваний бюксов записываются в протокол № 1.
52
6. Подготовка установки к испытанию.
1. Выбирается вариант сушки - нормальный сушильный процесс, т. е. сушка только
свежим воздухом. В соответствии с этим открываются шиберы 4, 12 и 15 на воздуховодах.
Шибер 14 должен быть закрыт.
2. Включается вентилятор.
3. Открывается кран 9 для отвода конденсата в мерник.
4. В калорифер подается пар; регулируя открытие вентиля 6, устанавливают избыточное давление пара по манометру около 1,3 атм (кгс/см 2). Продувается конденсационный
горшок.
С этого момента наблюдается быстрое повышение температуры воздуха после калорифера и
более медленное - после барабана, причем температура воздуха после барабана всегда остается ниже
температуры воздуха после калорифера (tС2 < tС1).
Это объясняется тем, что часть тепла, полученного воздухом в калорифере, идет на нагрев барабана и через его стенки передается в окружающую среду.
Спустя некoтopoe время стенки барабана прогреваются и при постоянных потерях тепла в окружающую среду температура воздуха, выходящего из барабана, установится постоянной, но ниже, чем до барабана (tС2 < tС1).
С этого момента можно начинить работу на установке, т. е. начинать засыпку влажного
материала в барабан сушилки.
1. Взвешивается па технических весах 2 - 2,5 кг (G´1) увлажненного сахарного песка и
засыпается в приемный бункер самотаски для подачи в барабан.
При загрузке барабана вручную необходимо засыпать сахарный песок через загрузочное отверстие 1 небольшими порциями непрерывно и равномерно в течение всего испытания
для распределения материала в барабане тонким слоем, для лучшего его пересыпания и, следовательно, для интенсификации сушки.
За начало испытания принимается момент засыпки первой порции материала в барабан.
2. С этого момента через каждые 5 мин, в течение всего испытания делаются следующие замеры:
а) температуру свежего воздуха по сухому и мокрому термометрам - tСо и t´Мо;
б) температуру подогретого воздуха по сухому термометру после калорифера - t´С1;
в) температуру отработавшего воздуха по сухому и мокрому термометрам - tС2 и t´М2;
г) давления пара, поступающего в калорифер, по манометру рп;
д) расхода пара по количеству конденсата в мернике - D;
е) температуры конденсата по термометру 16 - конд.
3. Через 20 мин от начала испытания часть высушенного материала ссыпается из бункера 2 через разгрузочное отверстие в приемник 3.
4. Из высушенного материала берутся пробы (по 5 г) в два бюкса для определения конечной влажности материала.
5. Бюксы с пробой взвешиваются на аналитических весах и ставятся в сушильный
шкаф (при t = 105 0С). Дальнейшее взвешивание бюксов проводится аналогично взвешиванию
бюксов с влажным материалом (см. п. 4); результаты записываются в протокол № 1.
Продолжительность испытания определяется временем, за которое весь влажный сахарный песок (2 - 2,5 кг) пройдет через барабан и высушенный ссыплется в бункер 2.
По окончании испытания:
1) прекращается подача пара в калорифер - закрывается вентиль 6;
2) выключается вентилятор;
3) высушенный материал ссыпается из бункера в приемник и взвешивается на технических весах (G2);
4) конденсат из меринков сливается в сливную линию.
Обработка результатов испытания и методика расчета
53
Определение начальной н конечной влажности материала.
Начальная и конечная влажность материала определяются по данным протокола № 1.
1. Начальная влажность материала определяется для навески в каждом из двух бюксов
для влажного материала по формуле:
Wс1 = gвл ·100 %/gсух,
где: gвл - масса влаги в навеске, г; gсух - масса навески после сушки до постоянной массы, г.
По найденной для каждой навески влажности (Wс´1 и Wс´´1) определяется средняя начальная влажность сахарного песка:
Wс1 = (Wс´1 + Wс´´1)/2
2. Аналогично определяется конечная влажность сахарного песка: сначала для каждой
навески в бюксах для сухого материала (Wс´2 и Wс´´2), а затем средняя конечная влажность Wс2.
Определение количества влаги, испаренной в процессе сушки.
Количество испаренной из материала влаги определяется по формуле:
U = G1 (Wс1 - Wс2)/(100 + Wс1)
где: G1 - масса поступившего в сушилку влажного материала pа 1 ч испытания, кг/ч. G1 = G
´1/общ ; G2 – масса высушенного материала, кг/ч. G2 = G´2/общ .
Иначе говоря, количество испаренной влаги:
U = G1 - G2
Построение процесса сушки в I – d-диаграмме.
Процесс сушки в I – d-диаграмме (см. вклейку) строится по средним данным испытания из протокола № 2.
Пример построения процесса сушки в I – d-диаграмме приведен на рис. 14.3.
Рисунок 14.3. Пример построения процесса сушки в I – d-диаграмме
1. На пересечении линии tСо = const и tМо = const находится точка А, характеризующая
состояние свежего воздуха. Для этого воздуха определяется удельное влагосодержание d0,
удельная энтальпия I0, относительная влажность 0.
2. Так как в процессе нагревания воздуха его удельное влагосодержание не изменяется,
d1 = d0, то положение точки В, характеризующей состояние воздуха после калорифера, определится пересечением линии d0 = cons и линии tС1 = const.
Для этой точки определяются удельная энтальпия I1 и относительная влажность 1.
3. На пересечении линии tС2, =const и линии tМ2 = const находится точка С, характеризующая состояние отработавшего воздуха.
Для этой точки определяются удельное влагосодержание d2, удельная энтальпия I2 и относительная влажность 2. Таким образом, на I – d-диаграмме получены три точки:
точка Л, характеризующая состояние (параметры) воздуха перед калорифером;
точка В, характеризующая состояние воздуха после калорифера;
54
точка С, характеризующая состояние отработавшего воздуха после сушилки.
Линия ЛВ изображает изменение параметров воздуха в процессе подогрева в калорифере.
Линия ВС изображает изменение параметров воздуха в процессе сушки.
Весь процесс изображается ломаной линией ЛВС
7. Аналитический расчет
Определение расхода воздуха
Удельный расход воздуха определяется по формуле:
1 = 1000/(d2 – d0),
где d0 и d2 - удельное влагосодержание свежего и отработавшего воздуха в г/кг сухого воздуха,
найденные для соответствующих точек по I – d-диаграмме.
Полный расход воздуха определяется по формуле L = I · U.
Определение расхода тепла в калорифере.
Удельный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
qкал = l · (I1 – I0)
где I1 и I0 - удельная энтальпия свежего воздуха и воздуха после калорифера в Дж/кг сухого
воздуха, найденные для соответствующих точек по I – d-диаграмме.
Полный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
Qкал = qкал · U
Графический расчет.
Удельный расход воздуха определяется по формуле:
L = 1000/CD · Md
где CD - отрезок в мм на I-d-диаграмме (рис. 14.2); Md - масштаб оси удельного влагосодержання на I – d-диаграмме.
Удельный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
qкал = АВ · m/CD
где АВ - отрезок в мм на I-d-диаграмме; m - масштабный фактор диаграммы.
m = 1000 · MI/Md,
здесь MI - масштаб оси удельной энтальпии.
4. Контрольные вопросы
1. Что характеризует и от чего зависит удельный расход воздуха?
2. Что характеризует и от чего зависит удельный расход тепла в калорифере?
3. Из каких основных элементов состоит сушильная установка для конвективной сушки?
4. Какие линии нанесены на I-d-диаграмме?
5. Как определяются по I-d-диаграмме основные параметры влажного воздуха?
6. Как изображаются на I-d-диаграмме процессы нагревания и охлаждения воздуха и
как в этих процессах изменяются его основные параметры?
7. Как изображается на диаграмме процесс осушки воздуха и как изменяются в этом
процессе его параметры?
8. Как изменяются параметры влажного воздуха в процессе сушки?
9. Как изображается на I-d-диаграмме процесс смешения воздуха различных параметров?
10. Как строится на I–d-диаграмме процесс, протекающий в калорифере и в сушильной
камере?
Лабораторная работа № 15
1. Тема лабораторной работы: Абсорбция углекислого газа на газоанализаторе типа
ГОУ-1.
2. Цель работы:
1. Изучить абсорбционный процесс поглощения СО2 абсорбентом.
55
2. Определить общее содержание углерода в СО2.
3. Описание Установки
Газоанализатор типа ГОУ-1 предназначен для определения общего содержания углерода в СО2, полученного при разложении карбонатов (NaHCO3, Na2CO3, CaCO3, MgCO3 и т. д.)
Газоанализатор состоит из газоизмерительной бюретки эвдиометра 2, который представляет собой узкий цилиндрический сосуд с расширением в верхней части. Стенки бюретки
двойные, пространство между ними через специальное отверстие в верхней части бюретки заполняется водой. Образующаяся таким образом водяная рубашка служит для поддерживания
постоянной температуры газа в бюретке. Термометр 7, вставленный с помощью резиновой
пробки, предназначен для измерения температуры газов, поступающих в бюретку.
Рис. 16.1. Схема газоанализатора ГОУ-1
Капиллярный конец верхней части бюретки соединяется в стык при помощи резиновой
трубки с крановой гребенкой 4, а через нее с атмосферой, холодильником 6, поглотителем 3. В
верхней части имеется стеклянный затвор - пустотелый поплавок, всплывающий при заполнении бюретки жидкостью и автоматически запирающий верхнее выходное отверстие. Узкая
нижняя часть бюретки имеет шкалу, при помощи которой производится отсчет измеряемого
объема. Деления шкалы рассчитаны таким образом, что соответствует непосредственно О-му
содержанию углерода в навеске вещества в 1 грамм.
Газоизмерительные бюретки - эвдиометры калибруются для измерения объема газа при
температуре 16 °С и давления 760 мм. рт. ст. Вследствие этого, при измерении объема газа при
других условиях необходимо вводить поправку, которая находится по прилагаемой к аппарату
таблице.
Поглотительный сосуд 3 также автоматическими затворами - поплавками, которые
запирают поглотитель при его наполнении жидкостью, благодаря чему исключается возможность попадания раствора щелочи из поглотителя в бюретку. Крановая гребенка 4 имеет центральный кран с тремя ходами и малый одноходовой кран. С помощью кран гребенки бюретка
прибора может быть соединена:
с холодильником;
с поглотителем;
с атмосферой.
Змеевиковый холодильник 6 служит для охлаждения поступающего в газоизмерительную бюретку газа СО2. Холодильник имеет два отростка для поступления и отвода воды. С
помощью уравнительной склянки 5, в которую наливается жидкость, осуществляется двухкратное перекачивание газовой смеси из бюретки в поглотитель и обратно, т.е. из поглотителя
в бюретку.
Перед началом работы проверяется герметичность всех соединений и кранов. Для этого заполняют поглотитель 40% раствором КОН, а в уравнительную склянку 5 наливают 400450 мл 20% раствора хлористого натрия, к которому прибавляют несколько капель серной
кислоты и раствора индикатора ( метилоранж). После каждого наполнения уравнительной
56
склянки свежей жидкостью рекомендуется провести одно-два предварительных пропускания
СО2 для насыщения им жидкости, в противном случае первые определения углерода после
наполнения уравнительной склянки свежей жидкостью окажутся неточными (заниженными).
Затем центральный кран ставят в положение, при котором бюретки, поглотительный
сосуд и холодильник разобщены между собой. Открыв малый кран на соединение бюретки с
атмосферой, поднимаем уравнительную склянку, при этом бюретка наполняется жидкостью.
Как только жидкость заполнит бюретку, кран, соединяющий бюретку с атмосферой, закрывают, центральный кран ставят в положение, соединяющее бюретку с поглотителем . Опустив
уравнительную склянку, дают жидкости стекать из бюретки в уравнительную склянку. При
этом уровень раствора щелочи в поглотителе повышается, поднимается поплавок. Как только
поплавок закроет выход из поглотителя, центральный кран ставят в положение соединения
бюретки с атмосферой и поднимая уравнительную склянку, наполняют бюретку жидкостью
до верхнего предела. Когда бюретка заполняется жидкостью, кран, соединяющий бюретку с
атмосферой, закрывают и уравнительную склянку опускают. Если аппарат герметичен, то
поглотитель остается заполненным, а уровень жидкости в бюретке должен оставаться без изменения. Если уровень раствора опускается, то аппарат следует разобрать, протереть краны и
смазать их вазелином, а испытание на герметичность повторить. При удовлетворительной герметичности прибор готов для проведения анализа.
4. Методика проведения работы и обработка опытных данных.
Сущность определения количества углерода, содержащегося в испытуемом материале,
заключается в следующем: навеску MgCO3 NaHCO3 CaCO3 в количестве (3-5) граммов загружаем в колбу Вюрца и газ, который получается в результате разложения карбоната подается в
аппарат. Измеряется первоначальный объем газа. Газоизмерительные бюретки выпускаются
для анализа различных содержаний углерода: от 0 до 0,625, от 0 до 1,5 и от 0 до 4,5 %. Причем
наименьшее подразделение шкалы первой бюретки соответствует 0,001% углерода, второй
бюретки - 0,005% углерода, третьей бюретки - 0,01% углерода.
При пропускании углекислого газа из колбы Вюрца в аппарат необходимо, чтобы измерительная бюретка была заполнена жидкостью до такого уровня, чтобы поплавок замкнул бюретку. Поглотитель так же должен быть заполнен раствором 40% КОН, а малый кран гребенки
при этом закрыт. Уравнительную склянку аппарата при этом надо поместить выше измерительной бюретки и оставить в верхнем положении до тех пор, пока газ не вытеснит объем
жидкости из верхней широкой части эвдиометра. После этого уравнительную склянку устано вить в нижнее положение на подставку. Как только уровень жидкости в бюретке опустится
примерно до деления 0,200, удаляется трубка, подводящая СО2, а уровень в уравнительной
склянке должен быть на одной горизонтали с уровнем жидкости в бюретке.
Поворотом центрального крана соединить бюретку с поглотителем и путем поднимания и опускания уравнительной склянки перегнать два раза газ из измерительной бюретки в
поглотитель обратно. После второго перекачивания газа из поглотителя в измерительную бюретку поворотом крана разобщить бюретку и поглотитель. Установить уровни жидкости в бюретке в узкой трубе и в уравнительной склянке на одной горизонтали. Уровняв точно мениски,
по шкале измерительной бюретки отмечается объем поглощенного углекислого газа. По разнице объема газа до и после поглощения углекислого газа находят непосредственно по шкале
бюретки 0-ое содержание углерода в исследуемом материале. Выравнивание уровней должно
занимать приблизительно 25 секунд для того чтобы жидкость могла полностью стечь со стенок бюретки. Этим устраняется возможность получения неправильных результатов.
Процентное содержание углерода в углекислом газе определяется по формуле:
где а - объем углекислого газа, выраженный в % углерода; б - поправочный коэффициент, соответствующий температуре и атмосферному давлению, наблюдаемому в момент измерения;
в - навеска в граммах.
57
Поправочный коэффициент берется из таблицы, которая прилагается к аппарату и рассчитана на калибровку бюретки при температуре 16 °С (для 20% раствора NaCl). Количество
опытов должно быть не более трех. На основе измерения % углерода составляется отчетная
таблица.
Процент ошибки определяется по формуле
где а - среднеарифметическая величина; б - расчетное содержание % С по формуле после каждого опыта; в - количество опытов.
5. Контрольные вопросы
1. Опишите устройство газоанализатора ГОУ-1
2. Каким образом определяется количества углерода, содержащегося в испытуемом материале
Лабораторная работа № 16
1. Тема лабораторной работы: Исследование процесса конвективной сушки пищевых продуктов в циркуляционной сушильной установке.
2. Цель работы:
1. Изучение процесса конвективной сушки кусковых матеpиaлoв.
2. Построение по результатам испытания кривых сушки и кривых скорости сушки.
3. Анализ процесса сушки па основании построенных кривых.
3. Теоретическое обоснование работы
Большинство материалов, подвергающихся сушке на пищевых предприятиях, является
коллоидными (желатин, агар-агар, прессованное мучное тесто) или коллоидными капиллярнопористыми телами (зерно, хлеб, овощи).
Наибольшее применение для пищевых материалов имеет конвективная сушка подогретым влажным воздухом.
Процесс конвективной сушки проводится в циркуляционной сушилке (рис. 16.1).
Сушилка состоит из двух горизонтальных каналов 1 и 2 длиной 3 м прямоугольного сечения (250х270 мм), соединенных трубами через гибкие соединения. Корпус сушилки снаружи имеет тепловую изоляцию.
Рисунок 16.1 Схема циркуляционной сушильной установки.
Свежий ВОЗДУХ из помещения засасывается вентилятором 3 при открытом шибере 4 и
поступает на подогрев в электрический калорифер 5, который состоит из нескольких секций.
Определенная температура воздуха поддерживается с помощью терморегулятора. Влажность
воздуха можно регулировать подачей определенного количества пара через штуцер 6. В начале верхнего канала установлена решетка 7 для выравнивания потока подогретого воздуха.
В середине верхнего канала расположена рабочая камера сушилки, в которой находится материал, подвергающийся сушке. Материал через дверку камеры помещается в кассету,
58
соединенную стержнем через отверстие в корпусе сушилки с чашкой весов 8. Таким образом,
в процессе сушки можно наблюдать за изменением массы материала.
Отработавший ВОЗДУХ после рабочей камеры может быть полностью или частично
удален через шибер 11, и частично направлен на рециркуляцию через шибер 12 и в смеси со
свежим воздухом направлен вентилятором на подогрев в калорифер.
Для определения параметров воздуха перед калорифером, перед рабочей камерой и после нее установлены психрометры 9 и 10.
Скорость воздуха в рабочей камере измеряется анемометром.
4. Методика проведения испытания
Объектом сушки является хлеб.
1. Перед началом испытания проводится заготовка образца материала: из буханки вырезается ломтик хлеба толщиной 7 -10 мм.
2. Из этой же буханки в два бюкса (масса бюксов определяется заранее) берутся пробы
(навески по 4 - 5 г) для определения начальной влажности хлеба.
3. Бюксы с пробами взвешиваются и ставятся на 40 мин в сушильный шкаф, температура в котором при помощи терморегулятора поддерживается равной 130 °С. После этого
бюксы вынимаются из шкафа и вновь взвешиваются.
Результаты взвешивания бюксов записываются в протокол № 1.
4. Установка готовится к испытанию:
а) в зависимости от выбранной кратности рециркуляции открываются шиберы 4, 11 и 12;
б) включается вентилятор;
в) включается калорифер;
г) через штуцер 6 подается пар (количество его определяется требующейся влажностью воздуха).
5. Готовность установки к испытанию определяется наличием стационарного режима,
т. е. достигается определенная температура и влажность воздуха до рабочей камеры по показанию психрометра.
6. Приготовленный образец хлеба взвешивается на технических весах - определяется
масса влажного материала G1;.
7. Образец материала вставляется в кассету, которая быстро подвешивается к тяге весов в рабочей камере сушилки. Образец должен быть расположен вертикально и параллельно
ПОТОКУ воздуха.
Момент помещения материала в сушильную камеру является началом процесса сушки,
т. е. началом испытания - замечается время.
8. Быстро уравновешиваются весы с недостатком в 5 г, т. е. масса гирь должна быть
меньше массы образца на 5 г.
9. По часам отмечается тот момент времени, когда стрелка весов пройдет нулевое деление, в этот момент масса образца за счет удаления влаги стала меньше на 5 г.
В протоколе № 2 записываются это время (от начала испытания) и убыль массы G = 5
г.
10. С этого момента на чашку весов с образцом помещаются перегрузки сначала
несколько раз по 2 г, потом по 1; 0,5; 0,3; 0,2; 0,1 г и каждый раз в протоколе отмечается время
прохождения стрелкой весов нулевого деления. Это время является временем удаления из материала соответственно 2; 1; 0,5; 0,3 и т. д. граммов влаги (G).
11. Одновременно с регистрацией убыли массы образца в течение всего испытания измеряется температура по сухому и мокрому термометрам (показания психрометров):
а) воздуха до калорифера tс и t´м;
б) воздуха перед рабочей камерой tс1, t´м1;
B) воздуха после рабочей камеры tс2, t´м2 .
12. Три раза во время испытания анемометром измеряется скорость воздуха в рабочей
камере.
59
Испытание продолжается до тех пор, пока практически не прекратится убыль массы
образна материала.
По окончании испытания:
1) образец вынимается из сушилки;
2) прекращается подача пара;
3) выключается калорифер;
4) выключается вентилятор.
5. Обработка результатов испытания и методика расчета
Начальная влажность определяется для навески в каждом бюксе Wс´о и Wс´´о по данным протокола № 1 по формуле:
Wсо = (gвл /g2) 100 %
где: gвл - масса влаги в навеске в г; g2 - масса навески после сушки до постоянного веса в г.
По найденной для каждой навески влажности (Wсо1 и Wсо2) определяется средняя начальная влажность материала:
Wсоср = (Wсо1 + Wсо2) / 2
Определение сухой массы образца.
Сухая масса образца материала определяется по формуле:
Gсух = G1 / (1 + Wсоср/100)
где: G1 - начальная масса влажного материала в г; Wсоср - средняя начальная влажность материала в %
Определение влажности материала в процессе сушки влажность материала определяется для каждого n-го замера по формуле:
Wсn = (Gвл.n / Gсух) 100 %
Для этого, используя данные расчета и протокола № 2, для каждого момента времени
(для каждого замера) предварительно определяется: масса образца
Gn = Gn-1 - G1,
где Gn - масса образца в данный момент; Gn-1 - масса образца в момент предыдущего замера;
G1 - убыль массы между этими замерами;
масса влаги в образце:
Gвл n = Gи n – Gсух,
Построение кривой сушки. Кривая сушки, дающая графическую зависимость между
влажностью материала и временем, строится на миллиметровой бумаге по данным протокола
№ 2.
По оси абсцисс откладывается в определенном масштабе время от начала испытания в
часах, а по оси ординат влажность материала Wс в процентах.
Экспериментальные точки соединяются плавной линией, которая и будет кривой сушки. На кривой сушки находится критическая точка К, которая делит весь процесс на периоды
постоянной и падающей скорости сушки.
Построение кривой скорости сушки. Кривая скорости сушки строится методом графического дифференцирования кривой сушки.
Графическое дифференцирование проводится следующим образом.
На кривой сушки (рис. 16.2) намечается несколько точек (от 10 до 15), для которых будет определена скорость сушки. Из каждой точки проводится касательная к кривой и определяется тангенс угла наклона каждой касательной. Например, для точки 5 тангенс угла наклона
касательной будет:
tg 5 = а / b
где: а - величина отрезка на оси ординат в %; b - величина отрезка вдоль оси абсцисс в ч.
Найденные таким образом тангенсы углов наклона касательных во всех точках имеют
размерность %/ч и показывают изменение влажности материала за единицу времени (d Wс/d
), т. е. соответствуют скорости сушки в этих точках при определенной влажности (для точки
5 при влажности Wс5, для точки 9 при влажности Wс9 и т. д.).
60
Для точек 1, 2, 3, лежащих на прямой, тангенсы угла наклона одинаковы; это подтверждает, что точки лежат в периоде постоянной скорости сутки. Для последующих точек тангенсы уменьшаются, следовательно, процесс сушки происходит с убывающей скоростью.
На миллиметровой бумаге строится кривая скорости сушки d Wс/d .
По оси ординат откладывается скорость сушки (%/ч), а по оси абсцисс - влажность материала в %.
На этом графике также отмечаются критическая точка, соответствующая ей критическая влажность Wск1 и два периода сушки.
Рисунок 2. Схема графического дифференцирования
Режим сушки.
1. По показаниям психрометров по средним значениям tc, и для каждого воздуха из
протокола № 2 определяется психрометрическая разность для воздуха перед калорифером,
перед рабочей камерон и после нее по формуле:
 = tc - tc
2. По найденным значениям  по психрометрической таблице (табл. 3 приложения)
определяется относительная влажность воздуха перед калорифером о перед рабочей камерон
1, и после рабочей камеры 2 .
6. Контрольные вопросы
1. Как строится кривая сутки?
2. Как строится кривая скорости сушки?
3. В чем заключается метод графического дифференцирования?
Литература
1. Аминов М.С., Дикис М.Я., Мальский А.Н., Гладушняк А.К. Технологическое оборудование консервных заводов. - М.: Агропромиздат,1986.
2. Сурков В.Д. и др. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности.- М.: Пищепромиздат, 1983.
3. Сурков В.Д. и др. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности.- М.: Пищепромиздат 1970.
4. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии.
5. Плаксин Ю.М. и др. Процессы и аппараты пищевых производств.
6. Гинзбург А.С. Технология сушки пищевых продуктов.
7. Гришин М.А. и др. Установки для сушки пищевых продуктов.
8. Лонцин М., Мерсон Р. Основные процессы пищевых производств.
61