Для практических занятий по дисциплине
«Процессы и аппараты пищевых производств»
Направления: 260200 Производство продуктов питания из растительного сырья 260300 Технология сырья и продуктов животного происхождения 260600 Пищевая инженерия
Уфа 2006 Рекомендованы к изданию методической комиссией факультета пищевых технологий
Составитель: доцент Мартынов В. М.
Рецензент: профессор Алмаев Р. А.
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой «Технологическое оборудование животноводческих и перерабатывающих предприятий» проф. Юхин Г. П.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие Инженер пищевой промышленности должен не только знать устройство и принцип работы аппаратов, но и уметь анализировать и рассчитать процесс, определить параметры его протекания, а также рассчитать и разработать наилучшую конструкцию аппарата. Обоснованный выбор оборудования для осуществления различных процессов приводит к минимальным затратам энергии, сырья и материалов и имеет экономическую целесообразность, которая чаще всего выражается в минимуме приведенных затрат. Рассмотрены решения прикладных задач, относящихся к основным процессам пищевой технологии: гидродинамическим, тепло и массообменным. Рассмотрены гидравлические расчеты пищевой аппаратуры, расчеты процессов разделения неоднородных систем в гравитационном и центробежном полях, перемешивания жидких сред, нагревания, охлаждения, выпаривания и сушки пищевых продуктов. Материал каждой темы изложен в следующем порядке: вначале представлены теоретические основы процесса, основные расчетные формулы и методики расчетов параметров и показателей процесса, размеров аппарата и его основных узлов, а затем пример расчета конкретного процесса и аппарата. Расчеты выполнены для различных пищевых материалов применительно к конкретным условиям их обработки на пищевых предприятиях. Представленные расчеты являются базовыми при решении задач многомерной оптимизации процессов и аппаратов пищевых производств и будут полезны для студентов при курсовом и дипломном проектировании. 1 Расчет резервуаров для хранения и тепловой обработки молока. Перемешивание барботажем Резервуары для хранения молока бывают вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные резервуары используются в помещениях с малой высотой потолка. Рассмотрим два резервуара:
Пусть V1 = V2 и r1 = r2 = r, тогда
так как V1 = V2, имеем π · r2· l1 = π · r 2· l2 + 4/3 π r3; l1 = l2 + 4/3 r; Определим оптимальные соотношения размеров: l1 = Минимальная площадь достигается при условии
4 π r13 = 2V1; r1опт = С учетом этого V1 = 2 · π · r13; l1 опт = Таким же образом для второго резервуара: l2 = F2 = 2 π r2 ( =
r2опт = То есть во втором случае исполнения резервуара имеем шарообразную его форму. С учетом оптимальных размеров при равных объемах V1 = V2 имеем V1 = 2 · π · r13 = V2 = 4/3 · π · Отсюда r2 =
То есть площадь поверхности цилиндра больше чем у шара на 15% при условии, что объемы их равны. Пропускная способность резервуара характеризует количество молока, которое проходит через резервуар за смену М = V где τсм , τц – время соответственно смены и одного цикла обработки молока в резервуаре, причем τц = τн + τхр + τоп + τм, где τн – время наполнения резервуара. Оно определяется производительностью насоса Мн и объемом V резервуара τн =V/Mн; τхр – время хранения (не более 12 ч.) τоп – время опорожнения. В случае опорожнения резервуара самотеком это время можно определить следующим образом.
Элементарный объем равен dV = – S dh, где S – площадь поперечного сечения резервуара S = π D2/4. dτоп = Проинтегрировав, имеем τоп = – т.е. продолжительность опорожнения резервуара при переменном напоре в два раза больше, чем при постоянном напоре (уровне жидкости в резервуаре). τм – продолжительность мойки резервуара (τм ≈ 30 мин). Количество теплоты в Дж, воспринимаемое молоком за время хранения, определяется по формуле Q = m С (tк – tн), где m = ρ V – масса молока; ρ – плотность молока (= 1027 кг/м3); tк , tн – конечная и начальная температура молока; С – удельная теплоемкость молока (при t = 5°С С = 3868 Дж/(кг·град); (tк – tн) ≤ 2°С за 10 ч хранения при ∆ t = 24 °С. Это тепло поступает из окружающей среды через стенки и подсчитывается по формуле Q = к F ∆ tср ∙ τхр, где к – общий коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2 град); к = (4-7) Вт/ (м2 град) – для автоцистерн; к = (1-1,5) Вт/ (м2 град) – для стационарных резервуаров; F – поверхность теплопередачи; ∆ tср – средняя разность температур между температурами сред по обе стороны стенки ∆ tср = tс – ( tн + tк )/2, где tс – температура окружающей среды. Расчет мощности на перемешивание молока барботажем (сжатым воздухом) определяется по формуле N = Gв∙ Р/η, где Gв – расход сжатого воздуха в м3/с Gв = q S, где q – удельный расход воздуха, равный (0,4 - 1) м3/(мин∙м2) = (0,0067 – 0,0167) м/с; S – площадь открытой поверхности молока; Р – давление воздуха, Па Р = ρ g H ηn,, где ηn – коэффициент, учитывающий потери напора в сети (ηn = 1,2-2); η – коэффициент полезного действия пневматического устройства (η=0,7-0,9). Пример Вертикальный резервуар для хранения молока имеет цилиндрическую форму D = 2,4 м, Н = 6,63 м. Начальная температура хранения молока tн = 5°С. Температура окружающей среды tс = 25°С. Диаметр сливного патрубка d = 76 мм. Время наполнения резервуара τн = 0,5 ч. Коэффициент теплопередачи к = 1,5 Вт/(м2·град). Время хранения молока τхр = 12 ч. Вычислить объем резервуара V, площадь поверхности F, пропускную способность М, конечную температуру молока tк, мощность для перемешивания барботажем N.
|
,
.
; F1 = 2 π · r12+ 
.
;
.
.
;
)+4 π · 
= 
– 8/3 π · 
;
; V2 = 4/3 · π · r23 и l2 опт = 0.
.
r1;
,
Рисунок 1.1 – Схема для расчета расхода жидкости через отверстие
;
где μ – коэффициент расхода (μ ≈0,7);
f – площадь поперечного сечения сливного патрубка
f = 
;
h – высота уровня жидкости, которая изменяется от Н до 0 (рисунок 1.1).
.
,