Приклад № 5

Розрахувати апарат для вирощування (культивування) хлібопекарських дріжджів типу ВДА:

1) накреслити схему апарата з позначенням його елементів;

2) визначити повний об’єм і геометричні розміри апарата, користуючись відношенням Н/Dз вихідних даних;

3) визначити кількість теплоти, що має бути відібрана від бражки охолоджувачем;

4) розрахувати поверхню теплопередачі охолоджувача;

5) розрахувати загальну кількість барботажних отворів повітро-розподільної системи, довжину труб цієї системи.

Дріжджоростильні апарати призначені для розмноження дріжджів при збереженні їх достатньої підйомної сили [2, с. 475].

Фактори, які сприяють розмноженню дріжджів, протилежні факторам, які сприяють бродінню, тому в дріжджовому виробництві намагаються погасити процес бродіння і активувати розмноження. Це досягається при дотриманні правильного режиму живлення дріжджів і аерації їх під час розмноження.

Сучасний дріжджоростильний апарат повинен забезпечити: 1) значне розбавлення сусла (до 20 – 25 на 1 т меляси); 2) хорошу аерацію (до 100 м³/годповітря на 1 м³); 3) строго визначену концентрацію поживних речовин під час розмноження дріжджів (приплив) і визначену температуру (охолодження сусла). Тому дріжджоростильний апарат має повітророзподільну систему для аерації сусла і охолоджувальні змійовики.

Рисунок. 5.8 - Дріжджоростильний апарат ВДА:

а – вертикальна проекція; б – вигляд зверху.

Дріжджоростильний апарат ВДА (дріжджовий апарат системи Дерканасова), виготовлений Смілянським машинобудівним заводом, являє собою посудину зварної конструкції. Апарат випускається ємкістю 30 і 100 м³.

Дріжджоростильний апарат ВДА наведено на рис. 5.8. На вертикальній проекції показано циліндричний резервуар з охолоджувальною сорочкою 2. Резервуар установлений на стойках 3 і балках 4 і оснащений люками 5 і 6, оглядовим вікном 7, освітлювачем 8, гідро затвором (вакуум-запобіжником) 9. трубою 10, яка підводить повітря, повітророзподільними коробками 11, соплами 12 для промивання повітророзподільних коробок, колектором 13 для підведення води в секції охолоджувальної сорочки і колектором 14 для відведення води із охолоджувальної сорочки. У верхній частині резервуара на його кришці встановлена витяжна труба 15, яка перекривається засувкою 16. Засувка з’єднана муфтою 17 зі штоком 18, який несе поршень 19. Поршень рухається в циліндрі 20 за допомогою гідравлічного привода – триходового крана 21. По шлангу 22 подається промивна вода. На рис. 5.8б, крім вказаних раніше елементів, показані: вентиль 23, який регулює подачу повітря; труба 24 для спуску збродженого сусла; розподільна коробка 25 повітря і водомірне скло 26.

Корпус дріжджоростильного апарата виготовляють із листової нержавіючої сталі Х18Н10Т або Х-17Г9АН4.

Повітророзподільна система працює наступним чином. Повітродувка подає повітря в трубу 10, кількість якого регулюється вентилем 23. Із труби 10 повітря надходить в розподільну коробку 25, а з неї в коробки 11, покриті сіткою з отворами, діаметр яких дорівнює 0, 5 мм. Для промивання коробок і сіток служать сопла 12, в які промивна вода надходить із колектора 27. Для охолодження дріжджоростильного апарата він оснащений водяною сорочкою, яка складається із ряду горизонтальних, не з’єднаних між собою поясів. У ці пояси вода надходить із вертикальної труби-колектора 13. Паралельні потоки води, пройшовши навколо резервуара, поступають в другий колектор, із якого виходять по трубі 28. Внаслідок великого перерізу, по якому тече охолоджувальна вода, швидкість її невисока. Тому коефіцієнт теплопередачі невеликий.

Вихідні дані:

корисний об’єм апарата (робочий) V_р = 60 м³;

діаметр барботажного отвору d_о = 0, 5 мм;

швидкість повітря в барботажних отворах w_б = 13 м/с;

діаметр барботажних труб d_зовн = 76 мм;

відношення висоти апарата до діаметра H/D = 2/1;

витрата повітря для аерації апарата становить v_пов = 100м³/год на 1 бражки в апараті;

коефіцієнт теплопередачі охолоджувача K = 400 Вт/(м²· К).

Розрахунок

Визначення геометричних розмірів апарата

Приймаємо коефіцієнт наповнення апарата η = 0, 7.

Повний об’єм апарата

м³.

За умовою Н/D = 2/1, висота апарата дорівнює H = 2D.

Діаметр апарата визначаємо з формули

,

звідки

м.

Висота апарата

м.

Визначення кількості відведеної теплоти охолоджувачем

В дріжджоростильному апараті в результаті життєдіяльності дріжджів виділяється значна кількість теплоти. Джерелом теплової енергії, що виділяється, є цукроза. При виробництві хлібопекарських дріжджів 1 кг цукрози в середньому виділяє 5000 кДж теплоти. Якщо цю теплоту не відводити від апарата, то сусло почне нагріватися і температурні умови для розмноження дріжджів стануть несприятливими. Тому дріжджоростильний апарат оснащують охолоджувальною системою у вигляді змійовиків або сорочки.

Кількість теплоти, яка виділяється в окремі періоди бродіння, нерівномірна і пропорційна швидкості припливу сусла. Тому поверхню охолодження треба розраховувати, виходячи із умов третього періоду припливу, коли швидкість зброджування досягає максимуму. В цей період за час зброджується до 13 % всього цукру, яка витрачається в даний цикл розмноження. Отже, 1 кг збродженого цукру виділяє за годину

кДж/год теплоти.

Деяка частина цієї теплоти виноситься продувним повітрям; для відведення іншої частини теплоти потрібно установити охолоджувальну систему. Кількість теплоти, яка виноситься продувним повітрям, дорівнює різниці між тепловмістом повітря, яке нагнітається вентилятором, і тепловмістом вологого повітря, яке пройшло крізь сусло.

Приймаємо температуру навколишнього повітря 20 º С, відносну вологість φ = 70 %, температуру бродіння 30 º С.

По І – х діаграмі волого повітря знаходимо точку, яка відповідає 20 º С і φ = 70%. В цій точці ентальпія дорівнює І ₁= 46, 4 кДж/кг.

По І – х діаграмі при 30 º С і φ = 100 % тепловміст повітря І ₂ = 101 кДж/кг.

Зміненнятепловмісту 1 кг повітря складає

кДж/кг.

Нехай в апараті зброджується сусло із меляси, яка містить 45% цукру. Кінцеве розбавлення дорівнює 1: 25.

Усього в апараті може бути зброджено меляси

кг.

В цій кількості міститься

кг цукру.

Кількість тепла, що виділяється в третій період припливу сусла

кДж/год.

Кількість повітря, що буде витрачена на аерацію сусла, складе

м³/год.

Густина повітря при 20 º С і φ = 70 % дорівнює ρ _пов = 1, 2 кг/ . Таким чином, маса витраченого повітря буде

кг/год.

Кількість теплоти, що поглинається повітрям,

кДж/год.

Кількість теплоти, яку потрібно відібрати від бражки охолоджувальним пристроєм,

кДж/кг.

Визначення поверхні теплопередачі охолоджувача

Нехай охолоджувальна вода надходить в охолоджувальну сорочку з температурою 10 º С і виходить нагрітою до температури 23 º С; температура сусла дорівнює 30 º С.

Визначимо середню різницю температур між суслом та охолоджуваль-ною водою:

Сусло

30 º С ­­­­­­­­­­­­­ _____________ 30 º С

23 º С _____________ 10 º С

Вода

_____________________

Δ t_м = 30 – 23 = 7 º C; Δ _б = 30 – 10 = 20 º C

º C.

Витрати охолоджувальної води будуть дорівнювати

кг/год або ≈ 5, 67 м³/год,

де с_в – питома теплоємність води, кДж/(кг· К).

Поверхня теплопередачі охолоджувача (сорочки) буде дорівнювати

м².

Розрахунок повітророзподільної системи

Сумарна площа барботажних отворів в повітророзподільній системі

м².

Кількість барботажних отворів

Приймаємо товщину стінки труб повітророзподільної системи δ = 2 мм, тоді внутрішній діаметр цих труб дорівнює

мм.

Приймаємо швидкість повітря в трубах w_тр = 10 м/с, тоді загальна площа перерізу всіх труб аераційної системи складе

м².

Довжина труб повітророзподільної системи

м.