Schimbatorul de Caldura Multitabular

CAPITOLUL V

Bilanțul de materiale.Schimbãtorul de cãldurã multitubular

5.1.Tema și date de proiectare

Sã se realizeze calculul bilanțului de materiale pentu o secție de fierbere pentru obținerea berii și calculul unui schimbãtor de cãldurã multitubular.

Fondul de timp disponibil pentru secția de fierbere este de 330 de zile/an . Capacitatea de producție este de 485.000 hl/an bere de 11,5 %.

Producția zilnică (PZ) se va calcula cu formula:

(5.1.)

(5.2.)

Numărul de șarje se impune a fi de 5. Deci capacitatea unei șarje va fi de:

(5.3.)

5.2.Bilanțul de materiale

Malțul folosit la fabricarea berii are randamentul în extract față de substanța uscată de 78 % și umiditate (uM) de 4 %. Consumul specific de malț (M) pentru obținerea berii de 11,5 % e 16,5 kg/ hl bere. În cazul nostru trebuie să recalculăm consumul specific de malț (M’), deoarece folosim malț cu o calitate mai slabă adică randamentul în extract față de substanța uscată (eM) de 77 % și umiditate (uM’) de 5 %.Acesta se va calcula cu urmatoarea formula:

(5.4.)

M’=16,67 (5.5.)

Dacă randamentul în extract față de substanța uscată e 77%, consumul specific de malț (M’’) va fi următorul:

(5.6.)

(5.7.)

Deci șarja de malț folosită se va calcula astfel:

(5.8.)

(5.9.)

Deoarece folosim și porumb într-un procent de 15% cantitatea necesară de malț se va determina cu formula (4.10.):

(5.10.)

(5.11.) Dacă conținutul de extract a porumbului e 86 % cantitatea de porumb necesar (P) va fi următorul:

(5.12.)

(5.13.)

(5.14.)

(5.15.)

(5.16.)

Unde: Mînl – cantitatea malțului înlocuit, kg malț/șarjă

– conținut de extract a malțului, %

– conținut de extract a porumbului, %

Raportul între cantitatea malțul înlocuit cu porumb folosit va fi determinat cu formula:

(5.17.)

5.2.1. Bilanțul de materiale pentru condiționarea malțului

În schema urmatoare se va arãta circuitul pe care îl parcurge malțul în etapa de condiționare.

Figura 5.1. Schema operației condiționării.

Bilanțul de materiale se determina cu formula (4.18.):

(5.18.)

Unde: Mco – cantitatea malțului condiționat, kg malț/șarjă

Wco – cantitatea apei necesare pentru condiționare, kg apă/șarjă

Bilanțul de materiale față de substanță uscată se va calcula astfel cu formula:

(5.19.)

(4.20.)

Cantitatea apei necesare pentru condiționare este datã de formula de calcul:

(5.21.)

(5.22.)

Pentru calculul randamentului în extract al malțului condiționat (eMco) se procedează astfel dacă folosim de malț. Cantitatea malțului condiționat se modifică (Mco’) în felul următor, dacă umiditatea malțului condiționat e 6,5 %.

Bilanțul de materiale față de extract, dacă folosim de malț se va determina cu formula:

(5.23.)

Mco’=101,06 kg (5.24.)

(5.25.)

(5.26.)

5.2.2. Bilanțul de materiale pentru măcinarea malțului

Bilanțul de materiale pentru mãcinarea malțului se va asocia cu urmatoarea schemã:

Figura 5.2. Schema operației de măcinare a malțului

Bilanțul de materiale se va reda cu formula:

(5.27.)

Unde: PlM – cantitatea plămezii de malț, kg plămadă de malț/șarjă

WPlM’ – apa necesară pentru plămădire, kg apă/șarja

P – pierdere, %

Cantitatea de apă totală de plămădire (WPlM) se determină cu ajutorul raportului adoptat malț (Mm) : apă plămădire (WPlM) =1 : 4.

(5.28.)

(5.29.)

Deoarece am folosit apă și la procesul de condiționare (Wco), apa necesară pentru plămădire(WPlM’) este într-o cantitate mai putinã și se redã cu formula:

(5.30.)

(5.31.)

Cantitatea de plămadă de malț se calculează cu ajutorul bilanțului următor:

(5.32.)

(5.33.)

(5.34.) (5.35.)

5.2.3. Bilanțul de materiale pentru plămădire

Pentru plãmãdire bilanțul de materiale face referire la schema urmatoare:

Figura 5.3. Schema operației de plămădire.

Bilanțul de materiale este calculat cu formula:

(5.36.)

Cantitatea de apa de plămădire nemalțificate (porumb) se determină cu ajutorul raportului adoptat făină de porumb degerminat (P) : apă plămădire (WPL ) 1 : 5.

WPlp (5.37.)

WPlp = (5.38.)

Cantitatea a plămezii de porumb PlP se va determina astfel:

Plp = P +WPlp (5.39.)

Plp = (5.40.)

Cantitatea totală a plămezii este redata cu ajutorul formulei:

(5.41.)

(5.42.)

Calculul conținutului extract a plămezii de malț ePlM se calculeaza astfel:

(5.43.)

(5.44.)

(5.45.)

Calculul conținutului de substanță uscată a plămezii de malț (suPlM) este redat cu formula:

(5.46.)

(5.47.)

(5.48.)

Pentru plămada nemalțificată se folosește făină de porumb a cărei conținut de extract (ep)este de 86% și substanță uscată de 90%. Dacă pierderea din extract este 0.5% extractul recalculat a porumbului (ep’)

Conținutul de extract a porumbului plămădit (ePlp):

(5.49.)

(5.50.)

Conținutul de substanță uscată a plămezii de porumb (suPlp) se calculeaza cu formula:

(5.51.)

(5.52.)

(5.53.)

Calculul conținutului de substanță uscată și a extractului a plămezii totale.

Conținutul de substanță uscată a plămezii totale (suPltot) se determina cu formula:

(5.54.)

(5.55.)

(5.56.)

Conținutul de extract a plămezii totale (ePltot) se calculeaza astfel:

(5.57.)

(5.58.)

(5.59.)

5.2.4. Bilanțul de materiale pentru filtrare

Bilanțul de materiale pentru filtrare corespunde schemei urmãtoare:

Figura 5.4. Schema operației filtrării.

Unde: Wsp – cantitatea apei de spălare, kg apă/șarjă

Pm – cantitatea al primului must, kg must/șarjă

B – cantitatea borhotului, kg borhot/șarjă

Wsp’- cantitatea apei după spălarea borhotului, kg apă/șarjă

Date cunoscute:

– conținutul de substanță uscată și conținutul de extract a primului must (suPm și ePm) sunt egale: , unde eMpr – extractul mustului primitiv 11,5%.

– conținutul de substanță uscată și extract a apei de spălare:= =4,30 %

– conținutul de substanță uscată a borhotului:

– conținutul de extract a borhotului: eB = 0,4%

– cantitatea apei după spălarea borhotului (Wsp’): Wsp’ = 0,7· Pm

Bilanțul de materiale este calculat cu formula:

(5.60.)

Bilanțul de materiale față de substanță uscată se determina astfel:

(5.61.)

Bilanțul de materiale față de extract reiese din formula:

(5.62.)

Din acește ecuații putem calcula cantitatea primului must și cantitatea borhotului cu ajutorul formulelor:

(5.63.)

(5.64.)

Din formulele (5.63) și (5.64) am calculat:

Cantitatea apei după spălarea borhotului (Wsp’) :

(5.65.)

(5.66.)

Cantitatea apei de spălare (Wsp):

(5.67.)

(5.68.)

5.2.5. Bilanțul de materiale pentru fierbere

Bilanțul de materiale pentru fierbere reiese din schema urmãtoare:

Figura 5.5. Schema operației de fierbere

Cantitatea mustului nefiert se calculeazã cu formula:

(5.69.)

(5.70.)

În condițiile fierberii evaporarea e 8%, deci se va face calculul urmator:

(5.71.)

Cantitatea mustului primitiv (Mpr) este dat de formula:

(5.72.)

(5.73.)

Conținutul de extract a mustului nefiert (emnf) se determina astfel:

(5.74.)

(5.75.)

Unde: eMpr – conținutul de extract a mustului primitiv 11,5 %,

Doza de hamei folosită e 0,032 kg/hl bere, deci cantitatea de hamei folosită la o șarjă (H) este: (5.76.)

Calculul cantității a borhotului de hamei (BH) dacă unoscută:

conținutul de substanță uscată a borhotului de hamei: suBH=80 %

conținutul de extract a borhotului de hamei: eBH= 0,7 %

conținutul de substanță uscată a hameiului : suH=31 %,

conținutul de extract a hameiului : eH= 10 %,

(5.77.)

(5.78.)

Cantitatea reală a mustului primitiv (Mpr’) se calculeazã cu formula:

(5.79.)

(5.80.)

(5.81.)

Recalculăm conținutul de extract a mustului primitiv (e’Mpr) cu ajutorul formulei:

(5.82.)

(5.83.)

(atât este și conținutul de exxtract al berii) [20].

5.3.Dimensionarea schimbãtorului de cãldurã

Figura 5.6. Schema schimbătorului de căldură multitubular

Dimensionarea schimbătorului de căldură multitubular constă în determinarea numărului de țevi, a numărului de treceri și a diametrul mantalei.

Numărul de țevi se determină din ecuația următoare:

(5.84.)

Unde: A – aria suprafeței de schimb de căldură, m2

n – numărul țevilor,

l – lungimea țevilor: l = 5 m

dm – diametrul mediul,( a diametrului interior și exterior a țevilor: di=50 mm și de=60 mm )

(5.85.)

(5.86.)

Aria de transfer de caldura este 45,8 m2 [Pavlov].

Numărul țevilor este:

(5.87.)

(5.88.)

Determinarea numărului de treceri și a numărului de țevi pentru o trecere, știind că în timpul fierberii mustul ecirculat de 7 ori/h prin fierbătorul interior, iar viteza lui e 2,5 m/s.

(5.89.)

Unde: Mnf – cantitatea mustului nefiert, kg

n1 – numărul de țevi pentru o trecere

din – diametrul interior a țevilor, mm

vm – viteza mustului: vm = 2,5 m/s

(5.90.)

(5.91.)

Numărul de treceri este calculat cu formula:

(5.92.)

Recalculează numărul de țevi astfel:

(5.93.)

Pentru determinarea diametrului mantalei se ține cont că așezarea țevilor e cercuri concentrice, dar distanța dintre țevi nu rămâne constantă din cauza pereților despărțitori din capace, care au formă circulară. Dispunerea țevilor se face pe 6 cercuri concentrice cu pasul dintre țevi mm .

Diametrul interior a mantalei va fi determinat prin formula:

(5.94.)

(5.95.)

Unde: k – cercuri concentrice: k = 6 buc.

p – pasul dintre țevi: p =

a – distanța dintre țevi și perete: a =

Diametrul exterior a mantalei va fi:

(5.96.)

(5.97.)

Unde: – grosimea peretului a mantei =

Dimensionarea cazanului de fierbere se calculeaza:

– volumul mustului nefiert:

(5.98.)

(5.99.)

Se consideră un coeficient de umplere de = 0,79 si se calculeaza astfel:

(5.100.)

(5.101.)

Înălțimea cazanului de fierbere (H) se determină în felul următor cu ajutorul formulelor:

(5.102.)

(5.103.)

(5.104.)

(5.105.)

[21].