Расчёт автоклава для стерилизации овощно-закусочных консервов

Тепловой расчет

Тепло, расходуемое на нагрев автоклава
Q 1 = G1 C1 (tc - t1); (8)
где G1 – масса автоклава; G1 =2370 кг.
C1 – теплоемкость стали из табличных значений; C1 = 0.481 КДж/кг
t 1 – начальная температура автоклава; t 1= 35 ۫ C
t c – температура стерилизации; t c = 125;
Q1 = 2370 ∙ 0.481 ∙ (125-25) = 102597 кДж
Тепло, расходуемое на нагрев сеток, определим по формуле :
Q2 = G2 C2 (tc – t2) (9)
где G2 – масса сеток. Из технической характеристики берем массу одной сетки m = 50 кг.
t2 - начальная температура сетки; t2 = 25 ۫ C
Q2 = 100 ∙ 0.481 ∙ (125-25) = 4810 кДж. (10)
Тепло расходуемое на нагрев банок рассчитаем по формуле:
Q3 = G3 C3 (tc – t3) (11)
где G3 – масса банок (по известным значениям масса одной равна 0.05 кг)
G3 = 0.05 ∙ 1624 = 81.2 кг
C3 – теплоемкость металла; C3 = 1.24 кДж/(кг ∙К)
t3 – начальная температура банок; приравниваем её к температуре продукта t3 = 60 ⁰C
Q3 = 81.2 ∙ 1.24 ∙ (125-60) = 6334 кДж.
Расход тепла на нагрев продукта в банках определим по формуле:
Q4 = G4 C4 (tc – t4) (12)
где C4 – теплоемкость продукта C4 = 3.4 кДж/(кг ∙ К)
G4 – масса продукта в банках, загружаемых в автоклав. В автоклав загружаются 1624 банки и в каждой находится 0.4 кг продукта.
G4 = 1624 ∙ 0.4 = 650 кг.
tc – температура продукта в конце подогрева tc = 125 ⁰C
Q4 = 650 ∙3.4 ∙ (125-60) = 150410 кДж.
Расход тепла на нагрев воды в автоклаве рассчитаем по формуле :
Q5 = G5 C5 (tc – t1); (13)
где G5 – масса воды в автоклаве; G5 = 1570 кг.
C5 = теплоёмкость воды; C5 = 4.18 кДж.
t1 = температура воды в автоклаве; t1 = бывает ниже конечной температуры продукта после охлаждения на 5⁰C
t1 = 35 ⁰C
Q5 = 1570 ∙ 4.18 ∙ (125-35) = 590634 кДж
Потери тепла в окружающую среду определяем по формуле
Q6= Fa T ao (tct - tв); (14)
где Fa – поверхность нагрева автоклава; Fa = 12 м²
T – продолжительность подогрева; T = 1450 с
tст – температура поверхности стенки автоклава с учетом изоляции ;
tст = 40 ⁰C
ao – суммарный коэффициент теплоотдачи; ao = 11 Вт/(м² К)
tв – температура воздуха в цехе; tв = 25 ⁰C
Q6 = 12 ∙ 1450 ∙ 11(40-25) = 2871 кДж.
Общий расход пара за цикл работы автоклава рассчитываем по формуле:
Q об = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 (15)
Q об = 102597 + 4810+6334 +590634 +150410+ 2871 =857656 кДж
Расход пара за время первого этапа работы автоклава рассчитываем по формуле :
D1 = Q об / i – iк (16)
где i – удельная энтальпия; i = 2627 кДж / кг;
iк – удельная энтальпия конденсата при стерилизации консервов в воде; iк =502 кДж/кг
Q об –общий расход тепла
D1 = 857656/2627-502= 403 кг
Интенсивность расхода пара в первый этап работы автоклава :

Du = D1 / T2 ; (17)

где D1 – расход пара за время первого этапа работы автоклава D1 = 403 кг.
T2 = 0.416
Du =403/0/416 = 969 кг/ ч
Определим расход пара за второй период работы автоклава .
Тепло расходуемое только на компенсацию потерь в окружающую среду:
Q’7 = Fа T3 a’о (t’сm - tв) (18)
где Fа –поверхность нагрева автоклава; Fа = 12 м²;
T3 – продолжительность стерилизации; T3 = 3000 с;
a’о – суммарный коэффициент теплоотдачи; a’о =12.325 Вт/ (м² К)
t’сm - температура поверхности стенки автоклава с учетом изоляции t’сm= 62.5 ⁰C
tв –температура воздуха в цехе tв=25 ⁰C
Q’7 = 12 ∙ 3000 ∙ 12.325 ∙ (62.5 - 25) = 16638 кДж
Расход пара за второй период работы автоклава
D2= Q7 / i – iк (19)
где Q7 – тепло, расходуемое только на компенсацию потерь в окружающую среду
Q7 =16638 кДж
i – удельная энтальпия пара; i = 2627 кДж / кг
iк – удельная энтальпия конденсата при стерилизации консервов в воде
iк =502 кДж / кг
D2 =16638 /2627- 502 = 7.38 кг
Общий расход пара за цикл работы автоклава
D= D1 + D2; (20)
где D1 – расход пара за второй период работы автоклава;
D2 – расход пара за второй период работы автоклава ;
D= 403+ 7.83 = 410.83 кг.

3. 
   Расчет расхода охлаждающей воды.
   

Расход охлаждающей воды при охлаждении продукции до температуры
tк = 40 ۫ C определяем по формуле :

W = 2.303 (G’ C/Cв lg (tс-tо/tк-tо)+ G’’ Cпр /Cв lg (tс-tо/tк-tо )) (21)

где : G’- масса продукта в банках; G’ = 650 кг
C – теплоемкость продукта С = 3.56 кДж / (кг К)
Cв - теплоемкость воды; Cв = 418 кДж / (кг К)
tс – температура стерилизации ; tс = 125 ⁰C
tо – начальная температура охлаждающей воды tо = 18 ⁰C
G’’ – масса автоклава, банок, сеток и воды;
G’’= G1 + G2 + G3 + G5; (22)
где G1 - масса автоклава;
G2 – масса сеток;
G3 – масса банок;
G5 – масса воды;
G’’ = 2370 +100 +81.2 +1570 = 4121 кг.
Спр – приведенная теплоемкость ;
Спр = G1С1 + G2 C2 + G3 C3 + G5 C5 / G’’ (23)
C1 – теплоемкость автоклава;
C2 – теплоемкость сеток;
C3 – теплоемкость банок;
C5 – теплоемкость воды;
G’’ – масса автоклава , сеток , банок и воды;
G’’ = 4121 кг.
Спр =2370∙ 0.481 + 100 ∙ 4.81 +81.8 ∙ 1.24 + 1570 ∙ 4.18/ 4121 =
=1.9 кДж /(кг∙К)
t к – конечная температура автоклава, сеток и банок ; t к = 35 ⁰C;
W = 2.303 (650 3.56/4.18 ∙ lg ((125-18)/(40-18)) + 4121 ∙ 1.9 / 4.18 ∙ lg ((120 -18)/(35-18))) = 2876 кг;
Расход воды за единицу времени :
Wc = W / T4 (24)
где W – расход охлаждающей воды при охлаждении продукта; W = 2876 кг.
T4 – время уменьшения давления и охлаждения; T4= 1450 с.
Wc = 2876/1450 = 1.98 = 2 кг/с = 7200 кг/ч.

4. 
   Конструктивный расчет
   

Диаметр патрубков для подачи пара рассчитываем по уравнению сплошности сред:
dn = √4D n / п V n g n; (25)
где Dn – расход пара;
п = 3.14;
Vn – скорость движения пара; Vn = 30 м/с
g n – плотность пара; g n = 2.125 кг/ м²
dn = √ 4∙ 410.83/3.14 ∙ 30∙ 2.125 = 2.8 = 3 см.
Диаметр патрубка для воды:
dв = √4 Dв/ п V в g в ; (26)
где Dв –расход воды; Dв = 3 см
п = 3.14
V в – скорость движения воды;
g в - плотность воды;

dв = √4∙ 7383/ 3.14 ∙2 ∙ 1000 = 2.2 принимаем равным 3см.

Толщину стенки корпуса автоклава определим по фомуле:
δ= (p Dв / 2.3 Vz ψ-p) +c; (27)
δ = (0.35 ∙1) /(2.3 ∙130∙ 0.8 – 0.35) + 0.002 = 3.5 мм
принимаем равным 5 мм.
Рабочая нагрузка на один болт автоклава.
P= p (п D²/ 4 Z) (28)
P = 0.35(3.14 ∙ 0.03 / 4 * 12) = 20.6 H
Внутренний диаметр резьбы болтов
d1= √4 P расл./п Vдоп. (30)
где P расл = 3.5 P (29)
P расл = 3.5∙20.6 = 72.1 H
Vдоп. – допускаемое напряжение на разрыв; Vдоп. = 88 Па;
d1= √4∙ 72.1/3.14 ∙18 = 22 см
Внутренний диаметр болтов d1= 22см.

2. 
   Монтаж, наладка и ремонт
   

При монтаже автоклава и его систем необходимо выполнение следующих требований:
- монтаж и эксплуатацию автоклава и всех его систем производить в строгом соответствии с требованиями ГОСТ 24444-80, ОСТ 27-27-144-81, «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», «Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды», а так же требованиям, действующим в консервной промышленности.
-монтаж комплектующих изделий производить в соответствии с эксплуатационной документацией на эти изделия.
-ось автоклава должна быть вертикальной. Ось проверяется уровнем, устанавливаемым на базовую поверхность–фланец корпуса автоклава. Допустимое отклонение на диаметре фланца- 5мм. Вертикальность достигается установкой монтажных прокладок под опорами автоклава. Расстояние между осями двух соседних автоклавов должно быть не менее 2 м.
- автоклав должен быть надежно закреплен болтами либо шпильками к фундаменту.
- демонтированные с автоклава, для удобства упаковки и транспортирования, отдельные узлы, детали, арматура, и др. должны быть смонтированы согласно схем монтажа.
-монтаж коммуникаций должен исключать возможность, каких – либо повреждений при эксплуатации автоклава и проведении других видов работ и обеспечивать полный слив воды из автоклава и трубопроводов всех видов.
-собранный с арматурой и коммуникациями автоклав испытать пробным гидравлическим давлением 0.515 МПа (5,25 кгс/см²). Время выдержки под давлением 10 мин. На время испытания предохранительный клапан должен быть заменен на фланцевую заглушку.
- после окончания гидравлических испытаний, установить предохранительный клапан и проверить его срабатывание при подаче гидравлического давления 0,35 МПа (3.5 кгс/см²). При необходимости провести настройку предохранительного клапана.
Монтаж основных частей системы управления производят следующим образом:
Пульт управления для уменьшения запаздывания выходных сигналов и снижения расхода воздуха целесообразно размещать таким образом, что бы длинна импульсных линий от пульта управления до исполнительных устройств не превышала 15 м.
Преобразователи температуры и давления перед монтажом необходимо проверить в соответствии с техническим описанием. При этом нужно настроить преобразователь на температуру от 30 до 130 ۫ С, если перенастройка не произведена на заводе-изготовителе. Преобразователи устанавливают на одном кронштейне таким образом, чтобы исключить воздействия на них вибраций, тепловых потоков и обеспечить удобство обслуживания, при этом расстояние от автоклава до кронштейна с преобразователями, определяется длинной капилляра термосистемы преобразователя температуры. Необходимо обеспечить защиту капилляра преобразователя от механических повреждений и коррозии, поместив его в защитную оболочку и обработав смазкой.
Исполнительные устройства и запорную арматуру монтируют в соответствии с видом стерилизации (паровая либо водяная)
Для защиты уплотнительных устройств «седло-клапан» исполнительных устройств необходимо перед ними устанавливать фильтры. Перед монтажом исполнительные устройства необходимо проверить на герметичность уплотнения «седло-клапан» под давлением 300 кПа, а так же отрегулировать таким образом, чтобы при указанном давлении начало трогания штока исполнительного устройства происходило при сигнале20-25 кПа, а полный ход штока – при сигнале 100-105 кПа.
Перед монтажом исполнительных устройств, следует продуть магистрали к автоклаву.
После подключения устройств системы, необходимо проверить герметичность импульсных линий обмыливанием мест соединений под давлением 0.154 МПа.
После окончания и проверки монтажа устройства системы и автоклава, необходимо произвести подготовку к работе, проверку правильности функционирования и настройку системы в соответствии с технической документацией оборудования.
Произвести наладку термостатов, и установить необходимы температурный режим.
Внести на программный диск формулу стерилизации. Формула стерилизации в зависимости от вида среды и консервов вводится специальным приспособлением, входящим в комплект автоклава.
Перед началом работы автоклава необходимо провести его тщательный осмотр, и удалить посторонние предметы из мест обслуживания.
Так же необходимо проверить правильность и надежность всех коммуникаций и отсутствие течи и повреждений в магистралях воды, пара и сжатого воздуха, проверить исправность и правильность работы предохранительных и блокирующих устройств, системы автоматического регулирования температуры и давления рабочей среды в автоклаве, контрольно-измерительных приборов и арматуры.
Необходимо проверить состояние запорной и регулирующей арматуры. Привести автоклав в исходное положение.