Phần 5/ Tính toán và chọn thiết bị
5.1.3.2. Tính cho công đoạn nấu hoa.
a) Tính thể tích.
Thể tích dịch đường sau đun hoa trong một mẻ nấu bia đen là 1084,5 lít và cho mẻ nấu bia vàng là 108,231 lít. Lượng nước bay hơi trong quá trình nấu hoa là 10%. Do vậy lượng dịch đường trong thùng nấu trước khi đun hoa của bia đen lớn hơn bia vàng. Vì vậy ở đây ta tính thể tích thiết bị theo bia đen. Thể tích dịch nấu bia đen đi vào nồi đun hoa là:
V = 90 100 5 , 1084 x = 1205 (lít).
Với nồi nấu hoa có quá trình sôi mạnh nên ta chọn hệ số đổ đầy là 0,75. Vậy thể tích nồi cần cho công đoạn nấu hoa là :
V = 1205 : 0,75 = 1606,667 (lít). b) Tính nhiệt.
Ở đây ta chọn sử dụng hệ thống gia nhiệt trung tâm cho quá trình nấu hoa. Hệ thống gia nhiệt trung tâm cũng làm bằng inox. Hệ thống bao gồm một vỏ hình trụ có nắp ở hai đầu. Trên hai nắp có gắn hệ thống ống nối từ đầu lắp này đến đầu lắp kia. Khi hoạt động hơi nóng đi trong khoảng không gian giữa vỏ trụ và các ống thép. Dịch đường và hoa houblon đi trong ống tuần hoàn từ dưới lên trên.
Tính Q:
Q = T
Qm
(kcal/h) Trong đó:
Qm : Nhiệt lượng cần thiết ở chế độ tỏa nhiệt lớn nhất, (kcal). T : Thời gian cấp nhiệt (h).
Vì quá trình nấu hoa cần đun sôi liên tục từ khi kết thúc quá trình lọc bã. Ở đây ta chọn thời gian từ lúc sôi hoa đến kết thúc là 90 phút. Vậy thời gian cấp nhiệt T = 1,5 (h)
Qm = 540 x W (kcal) Trong đó :
540 : Là nhiệt hàm của hơi nước. W : Là khối lượng nước bay hơi. W = 90 10 5 , 1084 x = 120,5 (kg)
Với 1084,5 là thể tích dịch của một mẻ nấu sau khi đun hoa. Qm = 540 x 120,5 = 65070 (kcal) Q = T Qm = 1,5 65070 = 43380 (kcal/h) Tính K :
Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức:
K = 1 2 1 1 1 α λ α + + s Trong đó : 1 α
: Là hệ số cấp nhiệt từ hơi nóng đến thành ống (kcal/m2.h.oC) Với áp suất hơi sử dụng ở đây là P = 2,5 kg/cm2 thì α1
= 6000 (kcal/m2.h.oC)
α2
: Là hệ số cấp nhiệt từ thành ống vào dịch (kcal/m2.h.oC) 2
α
= 2000 P
P : Là áp suất hơi nước. P = 2,5 kg/cm2
2α α = 2000 5 , 2 = 3162,3 (kcal/m2.h.oC) λ
: Hệ số dẫn nhiệt của thành nồi. Thành nồi làm bằng inox 304 có λ
= 46 ( w/m.oC) = 53,5 (Kcal/m.oC.h) s : Là chiều dầy ống và bao bên ngoài. Ở đây thành ống được chế tạo với chiều dầy là :
s = 2.10-3m Vậy : K = 3162,3 1 5 , 53 10 . 2 6000 1 1 3 + + − = 19922,7 (kcal/m2.h.oC) Tính ∆
t : Vì nhiệt độ của dịch đường khi sôi khoảng 102 đến 103oC. Ta chọn nhiệt độ dịch đường khi sôi là 102oC để tính toán.
Ở áp suất P = 2,5 kg/cm2 , nhiệt độ của hơi là th = 138,2oC. Vì vậy độ chênh nhiệt độ của hơi nước với dịch đường khi sôi là:
max
t
∆
= 138,2 – 102 = 36,2oC Vậy diện tích truyền nhiệt là:
F = K t Q ∆ . =1922,7x36,2 43380 = 0,623 (m2)
Hệ số an toàn là 1,2 nên diện tích truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt trung tâm là
Ftn= F x 1,2 = 0,587 x 1,2 = 0,750 (m2)
Với thiết bị gia nhiệt trung tâm thì diện tích truyền nhiệt của nắp phía trên và phía dưới nhỏ và khả năng đối lưu kém nên khẳ năng truyền nhiệt không đáng kể. Vì vậy ta bỏ qua và chỉ tính diện tích truyền nhiệt của các ống và thành bên.
Ta chọn ống dùng để truyền nhiệt làm bằng inox với đường kính trong là 32mm, dầy 2mm. Thành bên làm bằng inox dầy 2mm. Thành bên của thiết bị có chiều cao 0,2 m, đường kính 0,32m.
Vậy diện tích truyền nhiệt của thiết bị được tính như sau: Ftn = 2 x R x π x h + 2 x r x π x h x n Với : R là bán kính của thiết bị. r là bán kính ống truyền nhiệt.
n là số ống truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt trung tâm. Thay số vào phương trình có:
0,705 = 2 x 0,16 x 3,14 x 0,2 + 2 x 0,016 x 3,14 x 0,2 x n
1,26( 0,16 + 0,016 x n) = 0,750
n = 27,2 vậy số ống truyền nhiệt là 27 ống.
Vậy thiết bị gia nhiệt trung tâm là 1 khối hình trụ cao 20 cm, được chế tạo bằng inox dầy 2mm và bên trong có 27 ống inox đường kính 32mm. Ống inox dầy 2mm. Khi đun dịch đi trong các ống từ dưới lên trên, hơi đi vào trong khoảng không giữa các ống và thành thiết bị.
Tính thể tích chiếm chỗ của thiết bị gia nhiệt trung tâm. Vcc = Vtrụ – 27 x Vống
Với Vtrụ là thể tích bao ngoài của thiết bị.
Vống là thể tích của 1 ống inox. Ống inox có đường kính ngoài là 34 mm, chiều cao 20cm. Vcc = 3,14 x 0,162 x 0,2 – 27 x 3,14 x 0,0172 x 0,2 Vcc = 3,14 x 0,2 x (0,162 – 27 x 0,0172) Vcc = 3,14 x 0,2 x 0,018375 Vcc = 0,0115 m3 = 11,5 (lít) 5.1.3.3. Chọn thiết bị.
Như tính ở trên thì thể tích cần cho công đoạn đường hóa là 1463,646 lít. Thể tích cần cho công đoạn nấu hoa là: 1606,667 lít. Vì vậy ta chọn thể tích thiết bị đủ cho công đoạn nấu hoa là 1606,667 lít. Ngoài ra do thiết bị gia nhiệt trung tâm chiếm 1 thể tích là 11,5 lít nên thể tích thiết bị cần có là:
V = 1606,667 + 11,5 = 1618,167 (lít)
Vậy ta chọn nồi có cấu tạo hình trụ đáy chóp có áo hơi cấp nhiệt ở đáy và thành thiết bị với diện tích truyền nhiệt là 0,528m2. Nồi có thiết bị gia nhiệt trung tâm cấu tạo như trình bầy ở trên với diện tích truyền nhiệt là 0,750m2. Nồi làm bằng inox 304 có chiều dầy 3 mm. Nồi được bảo ôn bằng bông thủy tinh dầy 100 mm. Vỏ làm bằng inox có nhiều dầy 2mm. Nửa trên và nắp có chụp bằng đồng đỏ dầy 5mm.
Ta chọn H = 0,8D
Với H là chiều cao bên trong của thiết bị. D là đường kính bên trong thiết bị.
h1 = 0,1D với h1 là chiều cao phần đáy trong lòng thiết bị. h2 = 0,15D với h2 là chiều cao phần đỉnh trong lòng thiết bị.
Thể tích thiết bị dùng cho các công đoạn đường hóa, nấu hoa chỉ tính thể tích của phần hình trụ và thể tích phần chóp nón ở đáy. V = 1,618167 = 4 2 D π (3 1 x 0,1D + 0,8D) = 120 25πD3 D = 1,35 (m) H = 1,05 (m)
Nhưng vì vật liệu chế tạo là inox thường được sản xuất theo tấm dài có bề rộng là 1m nên để tiết kiệm nguyên vật liệu ta sử dụng nồi có đường kính trong là 1,4 m và chiều cao bên trong là 1m. Vậy
D = 1,4 (m) H = 1 (m) h1 = 0,14 (m) h2 = 0,21 (m)