Расчет и проектирование пастеризатора сливок трубчатого типа (стр. 4 из 4)
где Тгод – общее время работы насоса в год, принимаем равным 1186 ч;
Цэ – стоимость электроэнергии, принимаем в расчетах равной 0,001; 0,0015; 0,002; 0,0025; 0,003 руб./(Вт·ч);
– коэффициент полезного действия электродвигателя, принимаемый равным 0,88.3.3.17 Определим шаг между трубками по формуле [4]
, (3.18)где
– наружный диаметр трубки.3.3.18 Трубки в трубных решетках располагаем по концентрическим окружностям. Исходя из этого условия, определим внутренний диаметр рабочих цилиндров по формуле [4]
, (3.17)где
– диаметр на котором располагаются крайние наружные трубки, м; 
– кольцевой зазор между крайними трубками и рабочим цилиндром, принимается согласно [4] конструктивно равным 6 мм и более. Принимаем = 0,014 м.Согласно [4] определим диаметр
, выраженный через шаг sмежду трубками, в зависимости от числа трубок n в рабочем цилиндре: | n | 7 | 19 | 37 | 61 | 91 | 127 | 187 |
| | 2·s | 4·s | 6·s | 8·s | 10·s | 12·s | 14·s |
3.3.19 Найдем площадь цилиндра одной секции по формуле [4]
, (3.18)гдеδкож – толщина стенки цилиндров, равная 0,002 м.
3.3.20 Определим массу трубок и рабочих цилиндров в кг
, (3.19)где ρмет– плотность металла, равная 7850 кг/м3;
F1 – площадь цилиндра одной секции, м2;
3.1.21 Определим оплату труда сварщика по формуле
, (3.20)где ОТсв1 – оплата труда сварщика за приварку одной трубки, руб.
Часовая тарифная ставка сварщика 6-го разряда 55,98 руб. Принимаем, что сварщик приваривает одну трубку с двух сторон за 10 минут, т.е. за 0,17 ч, тогда
.3.3.22 Определим капитальные затраты по формуле
, (3.20)где Цмет – цена металла трубок и цилиндров пастеризатора с учетом их изготовления, принимаем равной 100 руб/кг;
– коэффициент, учитывающий затраты на доставку и монтаж, принимаем равным 1,15.3.3.23 Определим эксплуатационные затраты в рублях
, (3.20)где А – амортизационные отчисления для теплообменника, принимаем равными 0,142·К;
ТОР – затраты на техобслуживание и ремонт, принимаем равными 0,12·К.
3.3.24 Определим приведенные затраты
, (3.22)где Ен – коэффициент нормативной эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,15.
3.3.25 Вычисляем удельные приведенные затраты, которые принимаются в качестве критерия оптимизации,
, (3.23)где Vп – годовой объем пастеризованных сливок, равный
Vп = Тгод· Мсл·кт= 1186·0,6667·3,6·0,942 =2682 т,
где кт – коэффициент, учитывающий затраты времени на пуско-наладочные работы и промывку оборудования, принимаем равным 0,942.
Минимизация критерия оптимизации позволит определить конструктивные оптимальные параметры кожухотрубного теплообменника.
3.4 Исследование целевой функции и выбор оптимального варианта
Так как необходимо рассчитать пастеризатор таким образом, чтобы при нужном тепловом потоке приведенные затраты были минимальны, необходимо произвести расчет при различных значениях конструктивных параметров пастеризатора, т.е. диаметре трубок dвн и количестве трубок n. Значениями этих параметров поочередно варьируем с постоянным и малым шагом, а затем выбираем оптимальный вариант по определяемому критерию Кр. Так реализуется метод многомерной оптимизации циклического покоординатного спуска. Для такого многократного расчета используем программу MicrosoftExcel. Для расчета задаемся начальной температурой сливок tсл н= 6°С, конечной температурой сливок tсл к = 95°С, производительностью пастеризатора Q= 0,000694 м3/с, а также толщиной трубок δст= 0,0015 м. На первом этапе при постоянном значении количества трубок n изменяем значение внутреннего диаметра трубок dвн. Затем при постоянном значении dвн, соответствующем минимальным приведенным затратам, варьируем значением n. В результате расчетов определяются конструктивные параметры, соответствующие минимальным приведенным затратам. Результаты расчетов приведены в таблицах приложений А и Б. Согласно данным этих таблиц строим графики зависимости приведенных затрат от варьируемых параметров dвн и n на формате А1 графического материала (лист МППЖ 06.17.01 Г). Анализ полученных кривых позволил установить, что при различном отношении цены металла к цене электроэнергии оптимальные размеры диаметра трубок варьируют не в широких пределах и составляют 16 – 18 мм, а оптимальное число труб равно 19.
По рассчитанным конструктивным параметрам выполняем рабочий чертеж трубчатого пастеризатора на формате А1 графического материала (лист МППЖ 06.17.02 ВО).
3.5Расчет массового расхода греющего пара
Расход греющего пара в рассматриваемом теплообменнике не зависит от конструктивных параметров.
3.2.1 Удельная энтальпия перегретого водяного пара согласно (2.2) равна
Дж/кг . (3.23)Удельная энтальпия конденсата в соответствии с формулой (2.3) равна
= 4190·110 = 460900 Дж/кг. (3.24)3.2.3 Расход греющего пара из (2.1) составляет
кг/с = 339,7 кг/ч,а удельный расход пара составит
d =D/ Мсл=0,0944 / 0,666 = 0,142 кг/кг сливок.
ВЫВОДЫ
1. В процессе выполнения работы изучены основные требования к сливкам и назначение пастеризации. Произведен обзор и анализ существующих конструкций пастеризаторов. Подробно описано устройство и работа трубчатого пастеризатора.
2. Рассмотрен механизм действия процесса теплообмена между паром и пастеризуемыми сливками через разделяющую стенку. Выявлены основные факторы, влияющие на теплообмен. Обосновано конструктивное решение теплообменного аппарата, а также обоснованы принятые допущения в разрабатываемой математической модели.
3. Произведен выбор критерия оптимизации и разработана математическая модель процесса пастеризации для кожухотрубного теплообменного аппарата. На основе данной модели разработан вычислительный алгоритм в среде MicrosoftExcel для оптимизации конструктивных параметров пастеризатора. Из расчета пастеризатора установлено, что необходимая площадь теплообменной поверхности при заданной производительности и температуре пастеризации сливок зависит от коэффициента теплопередачи и от температуры пара. Коэффициент теплопередачи зависит от скорости течения сливок по трубкам, а скорость течения зависит от диаметра трубок. На приведенные затраты главным образом оказывают влияние диаметр трубок и их число. Даже при различном отношении цены металла к цене электроэнергии оптимальные размеры диаметра трубок варьируют не в широких пределах и составляют 16 – 18 мм. При настоящей стоимости металла 100 руб./кг и стоимости электроэнергии 1,5 руб./(кВт·ч) минимум приведенных затрат достигается при внутреннем диаметре трубок 17 мм и числе трубок 19.
4. Разработана конструкция пастеризатора с оптимальными конструктивными параметрами и выполнен сборочный чертеж трубчатого пастеризатора.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Барановский Н.В. Пастеризаторы для молока и сливок, изд. 2-е, перераб., М.: Пищепромиздат, 1959.
2. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М.: Колос, 1997. – 551 с.
3. Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.– 432 с.
4. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева, Т. 2, Изд. 2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896 с.