Q=Cм*Мм*(tм.к.-tм.н.)
13) Необходимая площадь теплообмена f, м2
f=Q/(k*∆tср). (3.15)
14) Длина одной трубки L, м
L=f/(р*(dвн+2*дтр)). (3.16)
15) Площадь поверхности рабочего цилиндра F, м2
F=р*(Dвн+2*дц)*L, (3.17)
где дц – толщина стенки рабочего цилиндра, равная 0,002 м.
16) Давления, необходимые для транспортирования молока Pм и воды Pв, Па
Pм=л1*(L/l1)*см*(vм)2/2; (3.18)
Pв=л2*(L/l2)*св*(vв)2/2. (3.20)
17) Мощность насоса на подачу молока, Вт
Nм=Pм*Qм/(зн*зпр), (3.21)
где зн=0,9 – КПД насоса;
зпр=1 – КПД привода.
18) Мощность насоса на подачу воды, Вт
Nв=Pв*Qв/(зн*зпр), (3.22)
где зн=0,7 – КПД насоса;
зпр=0,9 – КПД привода.
19) Суммарная мощность на подачу молока и воды насосами, Вт
N=Nм+Nв. (3.23)
20) Определим затраты в рублях на электроэнергию для привода насоса
Эл=N*Tгод*Цэ/здв, (3.24)
где Tгод – общее время работы насоса в год, принимаем равным 1186 ч;
Цэ – стоимость электроэнергии, принимаем равной 0,0015 руб./(Вт*ч);
здв – КПД электродвигателя, принимаем равным 0,88.
21) Определим массу трубок и рабочих цилиндров в кг
mмет=р*смет*L*(дц*(Dвн+дц)+дтр*(dвн+дтр)), (3.25)
где смет – плотность металла, равная 7850 кг/м3.
22) Определим капитальные затраты по формуле
K=mмет*Цмет*в, (3.26)
где Цмет – цена металла, равная 100 руб./кг;
в – коэффициент, учитывающий затраты на доставку и монтаж, принимаем равным 1,15.
23) Определим эксплуатационные затраты в руб.
Э=А+ТОР+Эл, (3.27)
где А – амортизационные отчисления для теплообменника, принимаем равным 0,142*К;
ТОР – затраты на техобслуживание и ремонт, принимаем равными 0,12*К.
24) Определим приведенные затраты в руб.
П=Э+Ен*К, (3.28)
где Ен – коэффициент нормативной эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,15.
25) Вычисляем удельные приведенные затраты, которые принимаются в качестве критерия оптимизации
Кр=П/Vп, (3.29)
где Vп – годовой объем пастеризованного молока, равный
Vп=Тгод*Мм*kт=3.6*1186*0,338633*0.942=1361,971 т,
где kт – коэффициент, учитывающий затраты времени на пуско-наладочные работы и промывку оборудования, принимаем равным 0,942.
Минимизация критерия оптимизации позволит определить оптимальные конструктивные параметры и кратность расхода воды теплообменника типа «труба в трубе».
3.4 Исследование целевой функции и выбор оптимального варианта
Так как необходимо рассчитать пастеризатор таким образом, чтобы при нужном тепловом потоке приведенные затраты были минимальны, необходимо произвести расчет при различных значениях конструктивных параметров пастеризатора, т.е. внутреннем диаметре трубок dвн, зазоре д а также кратности расхода воды nкр. Значениями этих параметров поочередно варьируем с постоянным и малым шагом, а затем выбираем оптимальный вариант по определяемому критерию Кр. Так реализуется метод многомерной оптимизации циклического покоординатного спуска. Для такого многократного расчета используем программу MicrosoftExcel. Для расчета задаемся начальной температурой молока tм.н.=50 °С, конечной температурой молока tм.н.=75 °С, производительностью пастеризатора Qм=0,000444 м3/с, а также толщиной стенок трубок дтр=0,0015 м. На первом этапе при постоянном значении зазора д и кратности расхода воды nкр изменяем внутренний диаметр трубок dвн. Затем при постоянном значении dвн, соответствующем минимальным приведенным затратам, и nкр варьируем значением д. Далее при постоянных значениях dвн и д, соответствующем минимальным приведенным затратам, варьируем значением nкр. В результате расчетов определяются конструктивные параметры и кратность расхода воды, соответствующие минимальным приведенным затратам. Результаты расчетов приведены в таблице приложении А. Согласно данным этих таблиц строим графики зависимости приведенных затрат от варьируемых параметров dвн, д, nкрна формате А1 графического материала (лист ТОЖПП 65.ХХ.00.001 Г.). Анализ полученных кривых позволил установить, что dвн=0,016 м, д =0,0065 м, nкр=2,64.
Выводы
В процессе выполнения работы изучены основные требования к молоку и назначение пастеризации. Произведен обзор и анализ существующих конструкций пастеризаторов. Подробно описано устройство и работа трубчатого пастеризатора.
Рассмотрен механизм действия процесса теплообмена между нагретой водой и пастеризуемым молоком через разделяющую стенку. Выявлены основные факторы, влияющие на теплообмен. Обосновано конструктивное решение теплообменного аппарата, а также обоснованы принятые допущения в разрабатываемой математической модели.
Произведен выбор критерия оптимизации и разработана математическая модель процесса пастеризации для теплообменника типа «труба в трубе». На основе данной модели разработан вычислительный алгоритм в среде MicrosoftExcel для оптимизации конструктивных параметров пастеризатора. Из расчета пастеризатора установлено, что необходимая площадь теплообменной поверхности при заданной производительности и температуре пастеризации молока зависит от коэффициента теплопередачи и от температуры воды. Коэффициент теплопередачи зависит от скорости течения молока по трубкам, а скорость течения зависит от диаметра трубок. На приведенные затраты главным образом оказывают влияние диаметр трубок и кратность расхода воды. Было установлено, что dвн=0,016 м, д=0,0065 м, nкр=2,64.
Разработана конструкция пастеризатора с оптимальными конструктивными параметрами и выполнен сборочный чертеж трубчатого пастеризатора.
Библиографический список
1. С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. для вузов – М.: Высш. шк., 2001. – 703 с.
2. С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2: Учеб. для вузов – М.: Высш. шк., 2001. – 680 с.
3. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 2000. – 551 с.
4. Бредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. – М.: Колос, 2001. – 400 с.
5. Л.П. Ковальская, И.С. Шуб, Г.М. Мелькина и др.; Под ред. Л.П. Ковальской. Технология пищевых производств – М.: Колос, 1999. – 752 с.
6. Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев; Под ред. А.М. Шалыгиной. Технология молока и молочных продуктов – М.: КолосС, 2006. – 455 с.
7. Шалыгина А.М., Калинина Л.В. Общая технология молока и молочных продуктов. – М.: КолосС, 2004. – 200 с.