Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Аннотация
• Введение
• 1. Исследовательская часть
• 1.1 Расчет газовых нагрузок
• 1.2 Определение проводимости линии вакуумной откачки установки
• 1.3 Материальный баланс установки
• 1.4 Длительность цикла сушки
• 2. Конструкторская часть
• 2.1 Расчет на прочность камеры сублиматора и конденсатора
• 2.1.1 Расчет на прочность оболочки конденсатора
• 2.1.2 Расчет на прочность оболочки сублиматора
• 2.2 Расчёт основных размеров сублиматора
• 2.3 Тепловой баланс установки
• 2.4 Расчёт электрического нагревателя
• 2.5 Выбор типа конденсатора и его расчёт
• 2.5.1 Расчёт необходимой поверхности
• 3. Охрана труда и экология
• 3.1 Анализ установки с точки зрения БЖД
• 3.2 Освещение
• 3.3 Вибрация и шум
• 3.4 Расчет виброизолирущих опор
• 3.5 Электробезопасность
• 3.6 Пожарная безопасность
• 3.7 Герметичность установки
• 3.8 Автоматика
• 3.9 Охрана окружающей среды
• 3.10 Общий вывод
• 4. Организационно-экономическая часть
• 4.1 Определение себестоимости установки
• 4.1.1 Расчет затрат на материалы
• 4.1.2 Расчет затрат заработную плату основным рабочим
• 4.1.3 Расчет затрат создание установки
• 4.2 Определение эксплуатационных затрат
• 4.2.1 Затраты на заработную плату обслуживающего персонала
• 4.2.2 Затраты на электроэнергию
• 4.2.3 Затраты на смазочные материалы за один цикл установки
• 4.2.4 Амортизационные отчисления
• 4.2.5 Стоимость эксплуатационного цикла установки
• 4.3 Увеличение стоимости 1кг готового продукта
• 5. Технологическая часть
• 5.1 Анализ технологичности изделия
• 5.2 Контроль качества сборки
• 5.3 Сборка узлов
• 5.3.1 Сборка центральной крышки
• 5.3.2 Сборка правой крышки
• 5.3.3 Сборка ротора 1 ступени
• 5.3.4 Сборка ротора 2 ступени
• 5.3.5 Сборка электродвигателя
• 5.3.6 Сборка ступеней РПВН
• 5.3.7 Общая сборка ротационно-пластинчатого вакуумного насоса
• Заключение
• Список использованной литературы

Аннотация

Спроектировать вакуумную сублимационную установку для фермерского хозяйства, производительностью до 10кг готовой продукции за 1 рабочий цикл (производительностью до 45кг по испаренной влаге за 1 цикл).

Данная работа содержит ____ страниц текста, 14 листов чертежей формата А1. Целью данной работы является разработка вакуумной сублимационной установки производительностью 45 кг по испаренной влаге за 1 рабочий цикл установки (7-9ч).

Работа содержит конструкторскую часть, в которой спроектирован роторно-пластинчатый вакуумный насос и вакуумная камера. Выполнены расчеты роторно-пластинчатого вакуумного насоса. Проведены расчеты подшипников на нагрузку и расчет необходимой мощности электродвигателя.

В исследовательской части рассмотрен процесс сублимации пищевых продуктов, изучены кривые сублимации и рабочая область процесса. Произведено определение проводимости системы, времени выхода на рабочий режим и рассчитано время рабочего цикла сублимации 1 партии продукта.

В технологической части разработана схема узловой и общей сборки роторно-пластинчатого вакуумного насоса и схема испытаний РПВН на работоспособность.

В организационно - экономической части произведен расчет затрат на создание установки, эксплуатационных затрат на один час, 1 цикл и на один год работы установки.

В главе охрана труда и экология установка рассмотрена с позиции вреда и опасности для жизнедеятельности человека и безаварийности для предприятия, где она будет применяться.

Вывод по работе сделан с учетом всех проведенных исследований.

Введение

Одним из наиболее прогрессивных методов консервирования скоропортящихся продуктов является метод сублимационного обезвоживания в вакууме. Сублимационная вакуумная сушка соединяет достоинства двух технологий: замораживания и сушки (удаления влаги).

Вакуумная сублимационная сушка (еще ее называют лиофилизацией, возгонкой, - процесс перехода вещества из твердого состояния в газообразное без жидкой фазы) не разрушает структуру продуктов, сохраняет в них до 95% питательных веществ, витаминов, ферментов и других биологически активных веществ, поэтому ее используют в производстве продуктов питания, лекарств, биологически активных добавок.

Технология сублимационной сушки была открыта в 1929 г. советским ученым Лаппой-Старженецким. Впервые ее стали применять во время Второй мировой войны, в основном для производства антибиотиков и сухих кровезаменителей. Уже после войны этот метод получил широкое распространение в пищевой индустрии.

Ценность сушёных продуктов определяется в первую очередь по способности к набуханию и восстановлению первоначальных свойств сырья при замачивании в воде. Продукты животного и растительного происхождения атмосферной и особенно горячей сушки этим качеством не обладают, так как сушка при более высокой температуре сильно денатурирует белок и разрушает структуру продукта

В настоящее время разработаны два наиболее совершенных способа сушки, а именно:

сушка в вакууме при положительных температурах высушиваемого объекта (холодная вакуумная сушка);

"Холодная вакуумная сушка" - это процесс удаления основного количества влаги из продукта при давлении близком к состоянию тройной точки воды (p=610 Па) и положительной температуре (4-6С). Окончательное досушивание продукта до относительной влажности ниже 5% происходит при режимах традиционной вакуумно-сублимационной сушки, поэтому в пищевых продуктах в основном сохраняются витамины, ферменты, экстрактивные вещества, вкус, запах, что в максимальной степени приближает продукты после их восстановления к показателям качества исходного сырья.

Продукты после "холодной вакуумной сушки", как и после сублимационной, имеют пористою структуру, благодаря чему высушенные продукты хорошо и быстро восстанавливаются. В результате применения такого способа сушки получают продукты более высокого качества, чем из ранее известных методов сушки биологических материалов.

Сушка в вакууме при отрицательных температурах высушиваемого объекта (вакуумная сублимационная сушка

Первый способ основан на понижении температуры кипения веществ, находящихся в жидком состоянии. При соответствующем разрежении (менее 20 мм рт. ст.) можно добиться, что вода будет кипеть при температуре менее 25°С, то есть при температуре ниже той, при которой начинается свёртывание белка.

Сушкой методом сублимации называют способ консервирования, при котором сушат продукты в замороженном состоянии. Данный способ основан на способности некоторых твёрдых тел (например, твёрдого льда), обладающих высокой упругостью паров, переходить при определённых условиях из твёрдого состояния в пар, минуя жидкую фазу. Особенностью этого способа консервирования является замораживание продукта перед сушкой. Чтобы ускорить процесс и предотвратить оттаивание продукта в результате притока извне, его сушат под значительным вакуумом (остаточное давление менее 1 мм рт. ст.).

Для осуществления сублимационной сушки, парциальное давление водяного пара над сушимым материалом должно быть ниже тройной точки. В воде, содержащейся в продуктах питания, растворены различные соли и минеральные вещества, поэтому температура её замерзания и равновесное давление водяного пара ниже, чем для чистой воды. Соответственно для льда, образующегося в реальных продуктах питания, парциальное давление составляет от 40 до 130 Па (0,3-1,0 мм рт. ст.).

Для получения качественного сухого продукта при сублимационной сушке, температура в центре продукта поддерживается на уровне от минус 20°С до минус 25°С. Конечная температура продукта не должна превышать 60°С, чтобы не наблюдалась тепловая денатурация белков продукта.

Наибольшее применение сушка сублимацией получила в технологиях производства лекарственных препаратов, заквасок, ферментов, экстрактов лекарственных трав и других достаточно дорогостоящих объектов, когда требуется обеспечить сохранность в сухом объекте всех полезных начал сырья в течение длительного времени. Низкая, порядка 2-5%, конечная влажность сублимационных материалов создает предпосылки для их длительного хранения в условиях нерегулируемых температур.

К достоинствам сублимированных продуктов относят:

длительные сроки хранения (несколько лет);

малая масса;

сохраняется размер, форма и цвет;

Консервирование методом вакуумной сублимации является прогрессивной технологией, в ряде случаев не имеющей альтернативы. Несколько десятков установок (отечественных) используются в сфере производства сублимированных пищевых продуктов.

На сегодняшний день вакуумная сублимационная сушка представляет собой самый совершенный метод консервирования. Метод сублимационной сушки позволяет сохранять высокие вкусовые качества и питательную ценность пищевых продуктов продолжительное время (до 5 лет) при нерегулярных температурах (от-50до+40С).

В производстве продуктов питания сублимация представляет собой технологию удаления влаги из свежих предварительно замороженных продуктов вакуумным способом, что позволяет практически полностью (до 95%) сохранить в них питательные вещества, витамины, микроэлементы, первоначальную форму, естественный запах, вкус и цвет. Это является одним из важнейших достоинств сублимации, при этом позволяет избегать разрушения структуры продукта, быстро восстанавливать сублимированные продукты, так как они имеют пористую структуру. Данный факт примечателен тем, что сублимированные продукты в полной мере пригодны для детского и диетического питания.

Способом сублимационной сушки отлично консервируются фрукты, овощи, молочные изделия, мясо, рыба, супы и каши, грибы, приправы.

Продукты сублимационной сушки имеют широчайшие возможности для использования их в качестве готовых продуктов быстрого приготовления, так и в качестве полуфабрикатов для дальнейшей промышленной переработки (кондитерская, пищеконцетратная, мясо-молочная, парфюмерная и другие отрасли).

Технология сублимации включает в себя два основных этапа: замораживание и сушку. Во время вакуумно-сублимационной сушки из продукта удаляется влага путем испарения льда. Высокое качество и биологическая полноценность готовых сублимированных продуктов объясняется еще и тем, что обработке должно подвергаться только свежее сырье. Например, хранить ягоды на сырьевой площадке разрешается не более 8 часов с момента уборки, абрикосов - 12 часов, а персиков - 24 часа.

Вес сублимированных продуктов в среднем принимается от 1/5 до 1/10 начальной массы. Столь малый вес сублимированных продуктов исключительно важен для существенного сокращения расходов при их транспортировке.

Упаковываются сублимированные продукты в трехслойные металлизированные пакеты с азотным наполнением весом от 2 г до 5000 г, в зависимости от условий реализации продукта.

вакуумная сублимационная фермерское насос

Если сублимированные продукты залить водой, они восстанавливаются в течение 2-3 минут. Весят они в несколько раз меньше свежих, не требуют специальных условий хранения и при температуре не выше 40оС хранятся 2-5 лет. Так как ультрафиолетовые лучи окисляют жиры животного происхождения, то сублимированные продукты, которые их содержат, фасуют в непрозрачную упаковку, наполняют азотом и герметично закрывают.

Перерабатывающие предприятия в Европе и США производят сублимированные грибы, зелень, овощи, каши, супы, мясо с гарниром, а также растворимый кофе. По оценке специалистов представительства датской компании Niro A/S в России (в 2001 г. в состав Niro A/S вошел отдел, занимавшийся сублимационной сушкой, ранее принадлежавший фирме Atlas-Stord), объем мирового производства сублимированных продуктов питания - 70 000 т в год, из них 40 000 т - овощи, 25 000 т - мясо и рыбопродукты, 5000 т - фрукты и ягоды. Рост мирового рынка сублимированных продуктов составляет примерно 3,5% в год.

В Советском Союзе сублимационную сушку стали использовать в пищевой индустрии в 60-х гг., в основном для снабжения армии и флота продовольствием - легким и не требующим специальных условий хранения. В небольших объемах сублимированные продукты производили научно-исследовательские институты и научно-производственные объединения, например НИИ пищеконцентратной промышленности и специальных пищевых технологий, ориентируясь на узкую группу потребителей - туристов, геологов, подводников и космонавтов.

Перспективное направление продуктов питания сублимационной сушки:

для улучшения питания населения страны;

для организации лечебно-профилактического питания лиц, связанных с химическими и физическими факторами риска на промышленных предприятиях и последствиями аварий на атомных реакторах;

для улучшения обеспечения высококачественными продуктами питания населения Севера и других труднодоступных районов;

для питания работников, условия труда и быта которых предъявляют повышенные требования к качеству питания (геологи, нефтяники, газовики, металлурги, шахтеры, подводники, строители дорог, заготовители леса и т.п.);

для детского и специального питания (радиопротекторного, иммуномодулирующего);

в рационах питания спортсменов, путешественников

для переработки лекарственных растений и эндокринно-ферментного сырья с целью длительного хранения и получения на этой основе лекарственных препаратов с заданными свойствами.

В пищевой промышленности продукты сублимационной сушки используются в качестве натуральных красителей и для повышения общей биологической ценности колбас, хлеба, молочных и других продуктов.

Особая роль отводится этим продуктам в создании государственных резервов продовольствия.

В нашей стране высокое качество продуктов сублимационной сушки доказано многочисленными исследованиями, а также практикой их использования для организации питания космонавтов, где к качеству пищи предъявляются особо высокие требования.

Продукты сублимационной сушки не требуют холода и других специальных условий для хранения, могут транспортироваться любым видом транспорта в любую климатическую зону и отдаленный регион, их показатели качества в течение длительного времени (5-10 лет) практически равны показателям свежих продуктов. Это одно из преимуществ сублимации.

Применение таких продуктов оказывает воздействие на организм человека в разных направлениях:

нормализует работу желудка, кишечника, печени, почек, поджелудочной железы, очищает организм от вредных накоплений после химии - и радиотерапии, от солей тяжелых металлов, повышая при этом уровень гемоглобина в крови;

производит антиоксидантное действие, замедляя процессы старения и уменьшая риск злокачественных образований;

стимулирует иммунную, нервную, сердечно-сосудистую и другие системы организма, снижая тем самым вероятность и тяжесть заболеваний;

восстанавливает и поддерживает энергопотенциал человека.

Сублимированные продукты используются как оздоровительное питание и как направленное лечебно-профилактическое средство. Нужная направленность достигается подбором взаимодополняющих растительных биологически активных компонентов, чем обеспечивается нужное сочетание витаминов, ферментов, микроэлементов и других полезных веществ.

Описание установки.

Схема вакуумной установки представлена на отдельном листе. Помимо пластинчато-роторного насоса, производительностью 7 л/с, система включает в себя камеру-сублиматор, камеру-конденсатор (десублиматор), холодильный агрегат, вакуумную линию откачки: комплект вакуумной арматуры, который состоит из клапан SMC XLS25, трубопроводов, вакуумного затвора 2ЗВЭ-400, 3-х натекателей FCV10K, 3-х терморезисторных датчиков вакуума ПМТ-6-3, комбинированного датчика влажности/температуры HIH-4602-C и механической ловушки жалюзного типа. Так же в системе предусмотрено подключение течеискателя MS-40.

Порядок включения установки.

Включается вакуумный насос NI. Данный насос откачивает вакуумную камеру-сублиматор вакуумной до давления порядка 10 Па., далее открывается вакуумный затвор V1. Процесс откачки контролируется с помощью трех терморезисторных преобразователей ПМТ-6-3 с диапазоном измеряемых давлений от 0.1 до 10⁵ Па.

Если во время процесса работы установки произойдет внештатная ситуация и отключится электричество, то перекрывается клапан V2 и открывается напуск в вакуумный насос VF1, затвор V1 остается открытым и откроется напуск воздуха в рабочую камеру VF2 (чтобы пары масла не перешли со стороны нагнетания на сторону всасывания).

Порядок выключения установки.

Для выключения установки сначала открывают напуск воздуха в рабочую камеру, затвор V1 закрыт. Осуществляют напуск воздуха на РПВН через натекатель VF1 и впоследствии выключают насос.

Система автоматики.

В дипломном проекте система автоматики как таковая не представлена, но необходимо отметить основное требование к этой системе: управление установкой идет по показаниям датчиков давления и сигналу о подаче напряжения.

Основные кнопки, расположенные на пульте управления:

1) подключение питания;

2) пуск вакуумного насоса;

3) контроль давления в системе;

5) управление холодильным агрегатом подачи хладагента;

6) управление вакуумными клапанами и затвором;

7) управление теплонагревателями камер;

8) программное обеспечение.

Назначение:

Установка сублимационной сушки предназначена для выпуска сублимированных пищевых продуктов: грибы, мясо, овощи/фрукты, яйца, и т.д. Остаточная влажность готового продукта не превышает 5%.

Высушенный таким образом продукт может транспортироваться и длительное время храниться без охлаждения. Восстановление первоначального вида с полным сохранением формы, цвета, запаха, вкуса и пищевой ценности достигается путем добавления воды. Высушенный продукт может быть также измельчен с целью получения высококачественных пищевых добавок, натуральных порошкообразных напитков.

Применение:

Готовая продукция используется в пищевой промышленности, сфере питания.

Сушка биоматериалов методом сублимации льда.

Предварительно замороженный в противнях продукт с толщиной слоя 10-12 мм на транспортных тележках (входят в комплектацию) подвозят к сушильной камере 1, закатывают по направляющим в камеру и закрывают крышкой. После чего, в камере создают рабочее давление, необходимое для процесса вакуумной сублимационной сушки (Па), посредством включения вакуумных задвижек, перекрывающих откачку воздуха из камеры. Выход установки на заданный режим по давлению составляет в среднем 45-60 мин, после чего рабочее давление в сушильной камере поддерживается насосом.

При установлении в сушильной камере рабочею давления (данные контролируются и регистрируется на приборах пульта управления), включают нагрев теплопередающих плит, а соответственно и продуктовых полок. Температуру нагрева задают в ручную, она не должна превышать предельно допустимую температуру для данного продукта и автоматически поддерживается в течение всего процесса. Сушка биоматериалов в таком режиме сопровождается сублимацией льда, т.е. перехода влаги из твердого состояния в пар, минуя жидкую фазу. Далее, влажный пар, проходя через батарею конденсатора, конденсируется в виде льда, а неконденсирующиеся газы, посредством вакуумного насоса, выбрасываются в атмосферу. В результате на батареях конденсатора намораживается лед, толщина которого увеличивается по мере продолжительности сушки.

На этом все операции по подготовке установки к сушке продукта завершены и процесс вакуумной сублимационной сушки в камере проходит в автоматическом режиме.

Выгрузка продукта и подготовка оборудования к следующему циклу.

После окончания процесса сушки в одной из сушильных камер закрывают вакуумную задвижку, расположенную на патрубке между сушильной камерой и конденсатором, и отключают вакуумные насосы, работающие на эту камеру. Производят девакуумизацию конденсатора и сушильной камеры посредством напускных клапанов, установленных на установке и управляемых с пульта или вручную. Открывают крышку сушильной камеры и высушенный продукт, на противнях, выгружают и отправляют на упаковку или для дальнейшей переработки, а сушильную камеру и осушитель подготавливают для следующей сушки. Сушильную камеру и противни моют и дезинфицируют. Оттайка батарей осушителя осуществляется промыванием горячей водой, либо системой нагрева. После мойки сушильной камеры и противней и оттайки батарей осушителя, данный модуль готов к следующему циклу сушки, при этом вакуумный затвор между конденсатором и сушильной камерой открыт.

Технические характеристики:

Количество противней в сублиматоре, шт 22

Поверхность загрузки, м 7

Толщина слоя продукта на противне, мм 10-15

Температура продуктовых плит, °С -35 - +35

5. Рабочее давление в сушильной камере, Па

для пищевых продуктов, Па

Время достижения рабочего давления, мин 45 - 60

Продолжительность цикла сушки

при толщине слоя 10 - 15мм., ч 7 - 9

Расстояние между продуктовыми плитами, мм 65

Влажность продукта конечная, % 5

10. Количество циклов сушки без оттайки осушителя, цикл 1

11. Охлаждение вакуумных агрегатов естественное

12. Установленная мощность трехфазной электросети, кВт 12

13. Холодильная машина DWM Copeland M8-2SA-450

14. Потребляемая мощность (с холодильной машиной), кВт 8

15. Площадь, занимаемая установкой, м² 15

16. Общая масса, кг 700

1. Исследовательская часть

1.1 Расчет газовых нагрузок

Расчет вакуумной системы и выбор оборудования основывается на количественной оценке газовых потоков, поступающих в систему откачки

- технологические газовыделения, количество воздуха, содержащегося в водяном паре при сублимации.

В первые часы работы с противней сублиматора испаряется = 8кг/ ч или кг/с водяного пара, который в этом количестве осаждается на батареях конденсатора.

Но влажный воздух, кроме водяного пара, содержит воздух, который откачивается вакуумным насосом. Для оценки количества газов, растворенных в материале, можно воспользоваться данными, приведенными на рис.2, на котором представлены кривые растворимости газов в воде.

Рис.1

Как видно из рисунка, при давлении р=70Па и температуре влажного воздуха = 20°С содержится = 0.025 воздуха.

Из курса технической термодинамики известно выражение:

, где

- плотность влажного воздуха

- плотность смеси

- среднее рабочее давление, которое поддерживается в системе;

- газовая постоянная влажного воздуха;

= 20 + 273.16 = 293.16, К - температура входящей парогазовой смеси

Тогда газовый поток составит:

с

- десорбционное газовыделение с внутренней поверхности камеры. Известна скорость удельного газовыделения, измеряемая потоком газа, десорбирующегося с единицы поверхности в единицу времени , внутренняя площадь

, тогда

- натекания через фланцевые соединения.

Для оценки натеканий через соединения системы, суммируются натекания через каждые фланцевые соединения элементов входящих в систему.

Сублиматор сборный состоит из обечайки Dy = 1030 мм и боковых крышек.

Наибольшая величина натекания через каждое соединение не более

К обечайке привариваются пять фланцев = 63мм под датчики давления, датчик температуры, течеискатель и натекатель. Наибольшая величина натекания воздуха в вакуумную полость через каждый фланец .

На одной из крышек сублиматора предусмотрено смотровое окно, наибольшая величина натекания воздуха в вакуумную полость через смотровое окно . На другой крышке сублиматора предусмотрен фланец = 400мм для присоединения конденсатора. Между сублиматором и конденсатором установлен вакуумный затвор = 400мм, наибольшая

величине натекания воздуха в вакуумную полость через вакуумный затвор .

Конденсатор сборный, нижний поддон соединен с верхней частью через фланец =600 мм, наибольшая величина натекания воздуха в вакуумную полость через фланец .

К верхней части конденсатора привариваются пять фланцев

= 63мм для присоединения откачной системы: под датчик давления, комбинированный датчик температуры/влажности, течеискатель и натекатель. Наибольшая величина натекания воздуха в вакуумную полость через каждый фланец . На нижнем поддоне предусмотрены фланцы = 63мм подсоединение трубопроводов подвода и отвода

хладагента, и трубопровода слива воды при размораживании льда на батареях конденсатора. Наибольшая величина натекания в вакуумную полость через каждый фланец .

Система откачки представляет собой Роторно-Пластинчатый Вакуумный Насос (РПВН), трубопроводную арматуру, вакуумные клапаны с электромагнитным приводом, механической ловушки и фланцевых отводов для присоединения датчиков давления и течеискателя. Все элементы стыкуются между собой разборными фланцевыми соединениями = 63мм. Наибольшая величина натекания воздуха в вакуумную полость через каждый фланец

Суммируя величину натекания через каждые фланцевые соединения элементов входящих в систему:

или

Газовая нагрузка:

По известной газовой нагрузке, с учетом проводимости вакуумной системы, определяется величина Sм³/с - быстрота откачки насоса, необходимая для обеспечения работы установки в рабочем режиме при среднем давлении p=0.525 мм. рт. ст=70Па, которое поддерживается в системе.

1.2 Определение проводимости линии вакуумной откачки установки

Схема: Установка для сублимационной сушки продуктов пищевой промышленности (рис.1)

1. Сублиматор

Вакуумный затвор = 400мм, проводимость (теоретическая) в вязкостном режиме 35,3

Конденсатор

Участок вакуумного трубопровода = 63мм, L=500 мм.

Вакуумная механическая ловушка, проводимость (теоретическая) в вязкостном режиме 0,47 .

Участок вакуумного трубопровода = 63мм, L=220 мм.

Клапан вакуумный угловой КВМ, проводимость (теоретическая) в вязкостном режиме 0,18.

Участок вакуумного трубопровода = 63мм, L=240 мм.

Диаграмма состояния воды.

Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.

Кривая ОА (рис.2), отделяющая область пара от области жидкого состояния, называется кривой равновесия жидкость-пар или кривой кипения.

Кривая ОС, отделяющая область жидкой воды от области льда, называется кривой равновесия твердое состояние - жидкость.

Рис.2 Кривая плавления.

Кривая ОВ - это кривая равновесия твердое состояние-пар, или кривая сублимации.

Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки - это единственная пара значений температуры и давления, при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки, =273,16 К,=610Па

Справа кривая кипения оканчивается в критической точке.

При температуре, отвечающей этой точке, - критической температуре - величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает, для воды = 647,2°С,=22,12МПа.

Сублимация - это такой процесс, при котором при низких давлениях твердое вещество переходит непосредственно в парообразное состояние, минуя жидкую фазу.

1.3 Материальный баланс установки

Любой влажный материал состоит из влаги (растворителя) и сухого вещества

где - масса влажного материала;

- масса влаги, содержащейся во влажном материале;

- масса сухого вещества, содержащегося во влажном материале. Отношение количества влаги к полному количеству влажного материала называется относительной влажностью материала:

Отношение количества влаги к количеству сухого материала называется влагосодержанием материала.

Соотношения между относительной влажностью и влагосодержанием.

Количество влаги, содержащейся в материале перед сушкой.

Количество влаги, содержащейся в материале после сублимации.

Количество влаги, удаляемой при сублимации

где - начальное влагосодержание материала;

m - норма загрузки материала на единицу поверхности загрузки

- поверхность загрузки.

Задано: - заданная производительность, кг/сутки

	,%	,%	,%	,%	,%
Мясо говяжье	77,2	4,1	13,9	338,6	4,3
Яйца диетические	74,0	3,4	12,6	284,6	3,5
Гриб белый (ломтики)	85,6	3,6	14,2	594,4	3,7
Картофель (пюре)	75,0	3,8	12,4	300,0	4,0

- начальная относительная влажность продукта;

- конечная относительная влажность продукта после досушивания;

- относительная влажность продукта после сублимации;

- начальное влагосодержание продукта;

- конечное влагосодержание продукта;

- коэффициент, учитывающий механические потери продукта в процессе

подготовки и загрузки сырья, по опытным данным =0.005-0.001

Выход готовой продукции

Вес влаги, которую необходимо удалить из продукта

	, кг/сутки	G, кг/сутки	, кг/сутки	В, %
Мясо говяжье	10	42,11	32,11	23,7
Яйца диетические	10	37, 20	27, 20	26,9
Гриб белый (ломтики)	10	67,0	57,0	14,9
Картофель (пюре)	10	38,5	28,5	25,9

Предварительное замораживание продукта.

Из двух способов перехода продукта в замороженное состояние, первый самозамораживание, второй предварительное замораживание, предпочтительно предварительно заморозить продукт.

Самозамораживание в вакууме подходит не для всех видов продуктов, например, у мяса в процессе самозамораживания образуется поверхностная корка, которая препятствует замораживанию и, кроме того, этот процесс очень длителен и дорог.

Расход тепла на замораживание продукта

где - начальная масса сырого продукта;

- теплоёмкость продукта в замороженном состоянии;

- теплоёмкость продукта при температуре выше криоскопической:

- начальная температура продукт;

- криоскопическая температура продукта;

- конечная температура охлаждения продукта;

- начальная относительная влажность продукта;

- скрытая теплота плавления.

	, кг	,	,	, К	, К	,K	, кДж	,
Мясо говяжье	21 ¦-	1,76	3,25	293,16	272,16	253,16	3043	56
Яйца диетические	18	1,68	3,18	293,16	272,63		2510	56
Гриб белый (ломтики)	35	1,76	3,85	293,16	271,16		6081	67
Картофель (пюре)	19	1,76	3,35	293,16	272,16		2788	58

Количество тепла, которое необходимо отвести от продукта, можно также определить по разности энтальпий продукта при начальной и конечной температурах

, кДж

где - начальная масса сырого продукта;

, - энтальпий продукта при начальной и конечной температурах.

Для увязывания графиков работы сублиматоров и для наилучшей загрузки морозильных устройств необходимо знать продолжительность предварительного замораживания высушиваемого материала различной формы. Продолжительность замораживания продукта любой формы может быть определена по уравнению Планка.

,

Где - полное количество тепла, отводимое от 1 кг продукта при доведении его до температуры замерзания, а также при замораживании до конечной температуры ;

- температура охлаждающей среды;

- коэффициент теплопроводности замороженного продукта;

- коэффициент теплоотдачи от продукта к охлаждающей среде,;

- плотность сырого материала;

- высота пласта нарезки замораживаемого продукта принимается 12 мм, как рекомендуемая.

	,	,	,	, К	, К	, ч	,	,
Мясо говяжье	14,49 ¦-	985	3,25	243,16	253,16	1,88	0,135	126-252
Яйца диетические	139,4	1045	3,18			2,16	0,115
Гриб белый (ломтики)	17,37	400	3,85			2,48	0,098
Картофель (пюре)	146,7	1050	3,35			2,04	0,102

R и P - коэффициенты, зависящие от формы и относительных размеров тела. Для прямоугольных плит, характерных для сушильных камер (противни в сублиматоре) коэффициенты R и Р зависят от соотношения сторон плиты, где l - длина b-ширина h-толщина плиты

l/h	b/h	Р	R	l/h	b/h	Р	R
1	1	0,1667	0,0417	4,5	1,0	0,2250	0,0580
1,5	1	0,1875	0,0491	4,5	3,0	0,3215	0,0902
2,0	1,5	0,2308	0,0656	5,0	2,0	0,2941	0,0827
2,0	2,0	0,2500	0,0719	5,0	5,0	0,3570	0,0982
2,5	1,0	0, 2083	0,0545	6,0	1,0	0,2308	0,0592
2,5	2,0	0,2632	0,0751	6,0	2,0	0,3000	0,0839
3,0	2,0	0,2727	0,0776	8,0	1,0	0,2353	0,0599
3,0	3,0	0,3000	0,0849	8,0	2,0	0,3077	0,0851
3,5	1,0	0,2186	0,0567	8,0	4,0	0,3200	0,1012
4,0	2,0	0,2857	0,0808	10,0	2,0	0,3125	0,0865
4,0	3,0	0,3156	0,0887	10,0	5,0	0,3846	0,1037
4,0	4,0	0,3333	0,0929	-	-	0,5	0,125

1.4 Длительность цикла сушки

Расчёт общего времени сублимационной сушки.

При расчёте процесса сушки пользуются эмпирическим коэффициентом массоотдачи , который предварительно определяют экспериментально для каждого продукта:

где - убыль массы материала за время ;

, - давление насыщения, соответствующее температуре материала и конденсации; F - поверхность испарения.

Скорость сублимации со всей поверхности

Продолжительность сублимации

При сублимации из равномерного слоя материала толщиной h имеем

Плотность сырого материала

где - плотность сухого остатка.

Для расчёта общего времени сублимационной сушки из слоя Э.И. Гуйго была предложена следующая формула:

- конечное влагосодержание материала;

- давление в сублиматоре;

- конечная температура материала;

- приведённый коэффициент скорости сушки при досушивании. Поверхность материала значительно возрастает, если материал гранулируемый.

Норма загрузки в случае сушки гранул одинакового размера,

где N - число частиц, загруженных на единицу поверхности;

- объём одной частицы;

-длина ребра куба (примем, что частица имеет форму куба).

Поверхность одной частицы

Общая поверхность всех частиц

Для пластины гидравлический радиус сублимации , м

где - площадь, занимаемая пластиной; - открытая поверхность сублимации;

h - толщина пластины.

При одностороннем высушивании ~, =h. При двухстороннем высушивании ~, =h/2

	=h, м	, мм. рт. ст/ Па	, мм. рт. ст/ Па	,	, мм. рт. ст/ Па	°С
Мясо говяжье	0,01	1,238 / 165	0,167 / 22	224,6	0,525 / 70	20
Яйца диетические				271,7
Гриб белый (ломтики)				155,5
Картофель (пюре)				262,5

	, ч	, ч	, ч
Мясо говяжье	9,124	3,579	12,703
Яйца диетические	8,988	3,878	12,873
Гриб белый (ломтики)	4,873	3,802	8,675
Картофель (пюре)	9,248	3,687	12,935

Действительная поверхность сублимации

Где - коэффициент использования поверхности.

После подстановки в выражение, для определения времени сублимации

Отношение объёма частицы к поверхности сублимации назовём гидравлическим радиусом

Тогда выражение для определения времени сублимации примет вид

,, - численные значения коэффициентов определены из опыта для трёх материалов типичной структуры и приведены в таблице.

Структура материала	В,	,	, %	,	А,
Коллоидного	0,131	0,06275	47,8	0,1572	6410
Каппилярно-пористого	0,222	0,00551		0,2664	81.2
Коллоидного каппилярно - пористого	0,557	0,0051		0,6684	315,0

, - давление насыщения, соответствующее температуре материала и конденсации, численные значения приведены в таблице.

-50	0,029	-20	0,772
-45	0,052	-15	1,238
-40	0,093	-10	1,946
-35	0,167	-5	3,008
-30	1,280	0	4,579
-25	0,471

Число циклов сублимационной сушки.

- продолжительность цикла сушки, ч;

- вспомогательное время, необходимое для подготовки и установки к следующему чиклу сушки, ч; зависит от конструкции аппарата уровня механизации работ, может быть определена из практических замеров, надо стремится снизить это время;

	, кг	, кг	, кг
Мясо говяжье	10	42,0	32,0
Яйца диетические	10	37,0	27,0
Гриб белый (ломтики)	10	67,0	57,0
Картофель (пюре)	10	39,0	29,0

Зная и можно определить часовую производительность установки по сырью:

по сухому продукту

среднее количество удаляемой влаги

В связи с большой неравномерностью влаговыделения во время сушки эта величина не может быть использована в расчётах.

Отношение максимального для данного процесса сушки часового влаговыделения к среднему расчётному часовому количеству удаляемой влаги называется коэффициентом неравномерности сушки.

Коэффициент неравномерности сушки изменяется в пределах от 1,5 до З,5 в зависимости от вида продукта, формы и размеров и принятой конструкции сушильной камеры

	, ч
Мясо говяжье	15	1	2,8	2,1	0,667
Яйца диетические	15		2,5	1,8	0,667
Гриб белый (ломтики)	8		3,7	3,2	0,556
Картофель (пюре)	15		2,6	1,9	0,667

2. Конструкторская часть

2.1 Расчет на прочность камеры сублиматора и конденсатора

Геометрия камер:

Параметры	Сублиматор	Конденсатор
Длина обечайки, м	1,2	0,66
Внутренний диаметр обечайки, м	1,03	0,6
Радиус сферической крышки, м	0,86	0,55
Толщина стенки, м	0,005	0,003
Длина соединительного патрубка, м	0,5
Внутренний диаметр соединительного патрубка, м	0,4

Площадь внутренней поверхности системы:

, где

- площадь внутренней поверхности сублиматора;

- площадь внутренней поверхности конденсатора;

- площадь внутренней поверхности вакуумного трубопровода;

Объем системы:

, где

- объем внутренней поверхности сублиматора;

- объем внутренней поверхности конденсатора;

- объем внутренней поверхности вакуумного трубопровода;

Материал:

Сталь коррозионно-стойкая 12Х18Н10Т

Предел выносливости

Модуль упругости первого рода

Коэффициент запаса устойчивости

Скорость удельного газовыделения, измеряемая потоком газа, десорбирующегося с единицы поверхности

2.1.1 Расчет на прочность оболочки конденсатора

Допускаемое давление из условия прочности:

Где - толщина стенки обечайки

- прибавка на коррозию

- радиус обечайки

Допускаемое давление из условия устойчивости:

Где

- длина обечайки

Допускаемое наружное давление:

Коэффициент запаса:

2.1.2 Расчет на прочность оболочки сублиматора

Допускаемое давление из условия прочности:

Где - толщина стенки обечайки

- прибавка на коррозию

- радиус обечайки

Допускаемое давление из условия устойчивости:

Где

- длина обечайки

Допускаемое наружное давление:

Коэффициент запаса:

2.2 Расчёт основных размеров сублиматора

При плотности исходного продукта общий объём сырья, одновременно загружаемого во все сублиматоры установки:

	, кг
Мясо говяжье	42,0	985	0,043
Яйца диетические	37,0	1045	0,035
Гриб белый (ломтики)	67,0	400	0,062
Картофель (пюре)	39,0	1050	0,037

Для сушки продукт должен быть размещён в слое минимальной толщины. Нередко обусловленной кулинарными требованиями обычно h = 5 + 20 мм.

Общая площадь, необходимая для размещения всего объёма продукта в слое выбранной толщины

	, кг		h, м
Мясо говяжье	42,0	0,043	0,01	4,3
Яйца диетические	37,0	0,035		3,5
Гриб белый (ломтики)	67,0	0,062		6,2
Картофель (пюре)	39,0	0,037		3,7

Далее определяют площадь противней, которые необходимо разместить в сублиматоре

=0,8 - учитывает неравномерность заполнения противней слоем продукта.

Мясо говяжье	0,8	4,3	3,575
Яйца диетические		3,5	4,375
Гриб белый (ломтики)		6,2	7,75
Картофель (пюре)		3,7	4,625

В результате проектирования сублиматора получены следующие показатели:

Длина цилиндрической части м	1,2
Диаметр цилиндрической части м	1,03
Объём цилиндрической части, м	1
Ширина контейнера, м	0,7
Длина контейнера, м	1
Длина противня, м	1
Ширина противня, м	0,33
Площадь противня,	0,33
Общая площадь противней в контейнере,	6,60

2.3 Тепловой баланс установки

Так как теплообмен в сублиматоре определяется довольно сложными процессами массообмена, целесообразно расчёт вести по количеству подводимого в сублиматор тепла.

Примем, что поверхность нагревательных элементов равна поверхности загрузки сублиматора.

Таким образом, обеспечивается равномерное распределение тепла над высушиваемым материалом.

Таким образом, тепловой расчёт сублиматора сводится к нахождению тепловых потоков, которые должны создаваться нагревательными элементами для поддержания заданных температур и режимов сублимации.

В сушильную камеру поступает тепло от нагревателей и из окружающей среды за счёт теплопритока через стенки камеры

где - тепло, выделяемое нагревателями

- теплопритока через стенки камеры

При электрическом подогреве = 0,24, кДж

где - продолжительность работы нагревателя.

При циркуляции горячего теплоносителя через полые плиты количество тепла, выделяемого в камеру, определяется выражением

где - вес циркулирующего теплоносителя;

-теплоёмкость теплоносителя;

-температура теплоносителя на входе в сублиматор;

- температура теплоносителя на выходе из сублиматора.

Тогда всё тепло, вводимое в сушильную камеру в единицу времени

или

где К - коэффициент теплопередачи через стенку камеры;

- наружная поверхность камеры;

- разность температуры помещения и камеры.

Это тепло расходуется на испарение влаги и на нагревание высушиваемого материала, а также на прогрев всей массы камеры,

В период сублимация удельный расход тепла на удаление 1 кг влаги различен для процессов сублимации (на начальной стадии сушки) и испарения (в конце сушки).

Рассчитав количество сырья загружаемого в один сублиматор

	, кг	n, шт.	i	, кг
Мясо говяжье	84,0	2	1	42,0
Яйца диетические	74,0			37,0
Гриб белый (ломтики)	100,0			50,0
Картофель (пюре)	78,0			39,0

определяют количество влаги, удаляемой при сублимации

	,%	,%	,%	, кг	, кг
Мясо говяжье	338,6	4,3	74.78	42,0	25,264
Яйца диетические	284,6	3,5		37,0	22,914
Гриб белый (ломтики)	594,4	3,7		50,0	41,428
Картофель (пюре)	300,0	4,0		39,0	23,648

На этом участке температура меняется от начальной до = 0°С, соответственно меняются и значения р - теплоты сублимации, значение теплоты сублимации определяется по средней температуре продукта.

-30	2903,4	-18	2876,3
-28	2898,3	-16	2871,7
-26	2892,3	-14	2866,7
-24	2888,9	-12	2862,1
-22	2884,3	-10	2857,5
-20	2880, 19	0	2834,1

Тогда количество теплоты, затраченное на процесс сублимации, определяется:

Мясо говяжье	2526,4	2866,7	7,242
Яйца диетические	22,914		6,5685
Гриб белый (ломтики)	41,428		9,010
Картофель (пюре)	23,648		6,78

Количество влаги удалённое путём испарения:

	,%	,%	, кг	, кг	, кг
Мясо говяжье	4,3	74.78	42,0	25,264	6,749
Яйца диетические	3,5		37,0	22,914	17,784
Гриб белый (ломтики)	3,7		67,0	31,428	4,299
Картофель (пюре)	4,0		39,0	23,648	7,432

На этом участке температура меняется от начальной до = 20°С

В период досушивания на испарения влаги и нагрев материала расходуется

,

где R - среднее значение теплота испарения воды;

r - среднее значение теплота плавления льда в продукте.

Мясо говяжье	2834,1	209,34	2625	1,772
Яйца диетические		234,46	2600	2,024
Гриб белый (ломтики)		280,52	2554	1,098
Картофель (пюре)		242,83	2591	1,926

Полный расход тепла в одном испарителе:

Мясо говяжье	7,242	1,772	9,014
Яйца диетические	6,568	2,024	8,592
Гриб белый (ломтики)	9,010	1,926	10,108
Картофель (пюре)	6,78	1,772	8,706

Максимальное количество тепла необходимого для подвода к продукту в начальный период сублимации льда с поверхности

,

где - максимальное значение теплоты сублимации, определяется по начальной температуре продукта; - время сублимации; - количество влаги, удаляемой при сублимации.

Мясо говяжье	25,264	7,756	2880, 19	9,382
Яйца диетические	22,914	7,462		8,844
Гриб белый (ломтики)	31,428	8,176		8,558
Картофель (пюре)	23,648	7,738		8.802

2.4 Расчёт электрического нагревателя

Нагреватели сублиматора рассчитываются исходя из условия кратковременного получения от них тепла.

Максимальное количество тепла, которое необходимо получить от всех нагревателей, размещённых в сублимационной камере

где = 1.1 - 1.15 - коэффициент, учитывающий непроизвольный расход энергии на нагрев самих нагревателей, корпуса и аппаратуры сублиматора, на повышение температуры пара уходящего в конденсатор.

Мясо говяжье	9,382	1,15	10,798
Яйца диетические	8,844		10,171
Гриб белый (ломтики)	8,558		9,842
Картофель (пюре)	8.802		10.122

Требования к нагревателю:

возможность плавной регулировки теплосъёма с нагревателей и снижения теплосъема

с нагревателей до нуля в конце сушки;

нагреватель необходимо изготовить в виде плиты минимальной толщины, чтобы обеспечить небольшой коэффициент использования объёма сублиматора;

количество энергии, излучаемой нагревателем вверх и вниз должно быть одинаково, размеры длины должны быть равны размерам противней с продуктом;

температура плиты должна быть по возможности более высокой, так как в условиях сублимационной сушки наиболее эффективен подвод тепла излучением;

должно быть обеспечено максимальная равномерность температуры на всей плоскости плиты нагревателя.

Максимальную мощность нагревателей, для одного сублиматора находят из условия

Количество нагревателей в сублиматоре на единицу больше количества рядов, тогда мощность одного нагревателя

Мясо говяжье	10,798	3,485	10	0,317
Яйца диетические	10,171	3,285		0,299
Гриб белый (ломтики)	9,842	3,179		0,289
Картофель (пюре)	10,122	3,269		0,297

Выбирается материал нагревателя НИХРОМ:

удельное сопротивление, при 20С;

= 0.00012 - 0.0004 - температурный коэффициент сопротивления.

Зная U = 220 В определяется ток

Далее определяется потребная температура излучающей поверхности нагревателя

где , - температура поверхности нагревателя и продукта,°К;

- площадь обкладки нагревателя, равная площади противней в одном горизонтальном ряду,

- приведённая степень черноты поверхности степень черноты поверхности продукта и нагревателя

В расчётах принимается =, так как данные по в литературе отсутствуют.

= 1.2-1.25 - учитывает влияние конвективного теплообмена между нагревателем и продуктом.

Температура нихромовой проволоки ,

где С =0,7-0,8 - величина, учитывающая охлаждение системы.

Далее определяется удельное сопротивление проволоки при данной температуре.

Зная силу тока и температуру нихромовой проволоки

по справочнику электрических нагревательных приборов определяется диаметр проволоки у 1000°С и 0,94А - 0,1 мм)

Затем определяется потребная длина нагревателя

2.5 Выбор типа конденсатора и его расчёт

В результате теоретических и экспериментальных исследований с последующей опытной проверкой в промышленных условиях в качестве основного принципа конструктивного оформления конденсаторов вакуум сублимационных установок принято устройство ступенчатого конденсатора с посекционным включением рабочей поверхности на охлаждение.

Первая особенность конденсатора - его расположение. Конденсатор составляет единое целое с сублиматором, и при расчёте конденсатора практически следует иметь в виду лишь группу трубных секций, каждая из которых включается через определённые промежутки времени.

В этих условиях расчёт конденсатора сводится к определению требуемого числа секций, определение поверхности каждой и разработке графика их включения на охлаждения.

Определение часового влаговыделения.

Зная закономерность влаговыделения с квадратного метра поверхности продукта производительность установки и длительность процесса сушки, легко установить характер влаговыделений походу процесса. Для этой цели следует определить общую поверхность испарения F по формуле:

где - поверхность протвиней, ;

- коэффициент, учитывающий проходное сечение противня:

для сетчатого = 1.1, для сплошного = 0.8;

- коэффициент, учитывающий степень использования поверхности противня для раскладки продукта = 0.7 - 0.9;

- коэффициент, учитывающий объёмное выделение влаги, значения даны в таблице

Коэффициент для	Способ замораживания
	Предварительно-замороженные	Самозамораживание
Мясо говяжье	1,0	1,2
Яйца диетические	1,1	1,3
Гриб белый (ломтики)	1,3	1.5
Картофель (пюре)	1,2	1,4

Результат вычислений представлен в таблице.

				,	,
Мясо говяжье	1,1	0,7	1,0	6,6	5,1
Яйца диетические		0,7	1,1		5,6
Гриб белый (ломтики)		0,7	1,3		6,6
Картофель (пюре)		0,7	1,2		6,1

Определив общую поверхность испарения, определяем максимальное часовое поступление вымораживаемого пара. Для этого воспользуемся усреднённым графиком скорости сушки, составленным на основе опытных данных промышленного использования вакуумно-сублимационных установок.

Максимальная величина площадь испарения F = 6.6

Яблочное пюре, максимальная величина скорости сушки (обычно для 1,2,3,4 - го часа) по усреднённому графику скорости сушки .

Тогда максимальное часовое поступление вымораживаемого пара, M=SF=6.61.2=7.92, кг/ч

Определение тепловой нагрузки на испарительные батареи конденсатора.

Исходные данные для расчёта
Производительность по намороженному льду за цикл, кг	42
Максимальное часовое поступление вымораживаемого пара, кг/ч	8
Давление в системе, мм. рт. ст. / Па	0.525/70
Температура входящей парогазовой смеси,°С	20
Температура поверхности конденсации,°С	-35
Температура помещения в котором находится конденсатор,°С	20

Температура поверхности конденсации = - 35°С, выбрана из условия возможности использования для охлаждения конденсатора холодильной машины, работающей на Хладоне-R22.

Полезная тепловая нагрузка на конденсатор:

где - количество намороженного льда за 1 час;

- скрытая теплота сублимации льда при

- теплоёмкость водяного пара;

- температура конденсации (вымораживания) пара,°С

- температура входящей парогазовой смеси.

Потери в окружающую среду определяются исходя из ориентировочных размеров конденсатора высоты 800 мм и диаметра 400 мм. Изоляция минеральная вата толщиной 75 мм с коэффициентом теплопроводности Коэффициент теплопередачи стенки с такой изоляцией составляет

Наружная поверхность конденсатора с учетом толщины изоляции будет.

Теплоприток из помещения :

где = 1.643 - наружная поверхность конденсатора;

- разность между температурой окружающей среды и температурой конденсации.

Общая нагрузка на испарительные батареи конденсатор

2.5.1 Расчёт необходимой поверхности

Пропускная способность соединительного патрубка определяется в первом приближении по уравнению

Где = 0.3 - радиус соединительной трубы, м;

= 0.2 - длина участка, м;

d = 0.6 - диаметр затвора, м;

= 1.238 - давление у поверхности сублимации, мм. рт. ст;

= 0.167 - давление у поверхности конденсации, мм. рт. ст;