Вакуумная сублимационная установка для фермерского хозяйства

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 (4-6°С). 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:

1.  Количество противней в сублиматоре, шт 22

2.  Поверхность загрузки, м 7

3.  Толщина слоя продукта на противне, мм 10-15

4.  Температура продуктовых плит, °С -35 - +35

5. Рабочее давление в сушильной камере, Па

для пищевых продуктов, Па

6.  Время достижения рабочего давления, мин 45 - 60

7.  Продолжительность цикла сушки

при толщине слоя 10 - 15мм., ч 7 - 9

8.  Расстояние между продуктовыми плитами, мм 65

9.  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)