Расчет заторного аппарата

Особый вид двухотварочного  способа – это ускоренный способ затирания с двумя короткими отваркам. Температура начала затирания в этом случае – 62 ºС, продолжительность всего процесса затирания всего 2 ч. Он может также проводиться и с использованием только одной отварки. Для применения этого способа требуется очень хорошо и равномерно растворенный солод. Температура начала затирания 62 ºС.

1.2.2.4. Трехотварочный  способ

При трехотварочном способе  повышение температуры происходит между основными температурами затирания благодаря отбору отварок, их кипячению и соединению отварки с жидкой частью затора.

К этим основным температурам относятся:

• 35 ºС – температура н начала затирания;
• 50 ºС – белкова пауза / расщепление гумми – веществ;
• 64 ºС – мальтозная пауза;
• 75 ºС – пауза осахаривания.

Так как основная часть  затора при этом способе очень  долго находится при основных температурах затирания, а густой затор очень долго обрабатывается, трехотварочный способ дает пиво с очень сильно выраженным солодовым ароматом. Поскольку процесс длится 4 – 5 ч и при этом потребляется очень много энергии, то применяют его очень редко и только для изготовления специальных сортов темного пива [6]

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

15

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

2. Заторные аппараты

2.1 Оборудование варочного отделения

Оборудование варочного  отделения, которое до сих пор  используется для производства охмеленного сусла, возникло на основе эмпирических сведений, полученных в период ремесленного производства пива. Сначала оно состояло из деревянного заторного и одновременно фильтрационного чана, в котором затор перемешивали вручную деревянными гребками, и из простого четырехгранного медного котла с прямым обогревом для кипячения заторов и охмеленного сусла. Примитивные деревянные резервуары были позднее заменены цилиндрическими из листового железа. Варочные агрегаты этого типа до недавнего времени использовались во всем мире и в отличие от современных^: конструкций они называются классическими.[4]

2.1.1. Заторный  аппарат

Изготовляют заторные аппараты ВКЗ-1, ВКЗ-1,5. ВКЗ-3 и ВКЗ-5 соответственно на 1000, 1500, 3000 и 5000 кг зернопродуктов. Заторный чан — это стальная, реже медная, емкость цилиндрической формы с плоским днищем (рис. 1). Переход от цилиндра к днищу должен быть закруглен, а днище должно иметь слабый наклон к спускному отверстию. Чан не обогревается и предназначен для получения   заторной   массы   и хранения   частей затора при перекачке их на кипячение. Чтобы части заторов не охлаждались, цилиндрическую поверхность чана теплоизолируют. Изоляция защищена стальным кожухом. Чан имеет сферическую крышку, а также вытяжную трубу. Крышка и кожух изоляции в хорошо оснащенных варочных отделениях иногда изготовлены из меди. На крышке имеются раздвижные дверцы, которые служат для наблюдения, а также в качестве лазов.

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

16

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Рис. 1. Заторный чан (ЗВУ).

Для смешивания солода с водой и перемешивания заторов применяются простейшие пропеллерные мешалки, размещенные вблизи днища. Пропеллеры соответствующей конструкции при частоте вращения 30— 40 об/мин перемешивают затор около стенок и отбрасывают в центр чана. Перемешивание затора должно быть интенсивным, однако осторожным, чтобы излишне не измельчалась оболочка и тем самым не затруднялась фильтрация. К чану крепится предзаторник, через который поступает дробленый солод и вода. Теплая и холодная вода перемешиваются в смесителе, снабженном термометром, а часто и расходомером. В современных варочных отделениях регулировка температуры заторной воды проводится автоматически.

2.1.2. Варочные котлы

Котлы, входящие в варочные агрегаты, служат для кипячения заторов и для варки сусла с хмелем. Обычно это цилиндрические аппараты с плоским, полукруглым или вогнутым внутрь дном, которые можно обогревать. Форма дна различна в зависимости от способа обогрева и конструкции котла. Котлы изготавливают из стали или из меди, иногда со стальным цилиндром и медным дном. Медь является лучшим проводником тепла и лучше формуется. Котлы покрывают сферическими крышками, снабженными вытяжной трубкой и дверцами. Крышки внутри быстро корродируют и поэтому   их тоже   часто   изготавливают   из меди. [4]

Вытяжная труба должна быть хорошо рассчитана, чтобы обеспечить правильную тягу и выпаривание; ее диаметр должен соответствовать ¹/₃₀ или ¹/₄₀ площади поверхности. Внизу вытяжная труба снабжена желобком для улавливания конденсата, который отводится с помощью трубки для отходов (он не должен стекать в затор или сусло). Тепло вторичных паров, уходящих через вытяжную трубу сусловарочных котлов, используют в испарительных конденсаторах.

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

17

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Заторный котел так  же, как заторный чан, снабжен пропеллерной мешалкой (25—35 об/мин), с помощью которой заторы перемешиваются при нагревании, иногда и при кипячении, чтобы не подгорали. У котлов, обогреваемых паром, мешалка приводится в действие электромотором снизу через коробку передач. В сусловарочном котле, в который поступает только прозрачное сусло, мешалка не нужна. Тем не менее и в сусловарочных котлах часто монтируют мешалку, чтобы можно было перемешивать хмель, главным образом при перекачке сусла или для того, чтобы при движении сусла повышалось испарение.

Варочные котлы должны быть снабжены термометром и термографом.

Объем затора или сусла определяется с помощью поплавкового уровнемера. Обычно внутри котла в верхней части цилиндра ближе к дверцам закреплено также направляющее устройство измерительной штанги для контроля объема сусла, независимо от поплавкового уровнемера. Размещение остальной арматуры и общее устройство котла приводятся на рис.2 [5]

Важно, чтобы в варочных котлах достигалось интенсивное  кипячение, которое обычно контролируется по пароотделению. Оно зависит от способа обогрева, размера обогреваемой поверхности и конструкции котла. Котлы имеют паро-

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

18

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Рис. 2. Заторный сусловарочный котел (ЗВУ).

отделение 5—8%/ч, высокопроизводительные котлы с дополнительными обогревательными элементами— 12—15%/ч. Кипячение: сусла с хмелем должно быть вихревым, чтобы в сусле хорошо коагулировали горячие взвеси и сусло получалось с блеском. Это обеспечивается линзообразной формой дна или всего котла, местным подогревом и т. д. (рис. 3).

Рис. 3. Сусловарочный котел с отопительной линзой.

Варочные  котлы можно обогревать или непосредственно  огнем (уголь, масло, газ) или паром, иногда перегретой водой.

Варочные котлы можно обогревать или непосредственно огнем (уголь, масло, газ) или паром, иногда перегретой водой. Раньше использовалось исключительно отопление прямым огнем. Однако этот способ неэкономичен, поскольку нужно одновременно обогревать топку и кладку котла. Другим его недостатком является то, что после перекачки затора котел нельзя быстро охладить, обслуживание его трудоемко и дно быстро прогорает так, что повышаются расходы на ремонт. При прямом сжигании используется только 40—50% калорийного эквивалента угля.

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

19

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Отопление углем, кроме  того, можно использовать только для котлов небольшого объема (до 300 гл), поскольку площадь обогрева нельзя увеличивать пропорционально объему котла.

Используя масло или  газ, прямой нагрев упрощают, и им легче  управлять. Однако стоимость, рассчитываемая на калорийный эквивалент, превышает у этих двух видов топлива стоимость угля, и поэтому их используют только там, где для этого существуют благоприятные условия. По этим же причинам не нашел распространения обогрев электричеством, который имеет, кроме того, такой же недостаток, как и отопление прямым огнем, т. е. нагревательная система аккумулирует тепло и слишком медленно охлаждается.

Два разных способа обогрева варочных котлов жидким топливом и  газом схематически изображены на рис. 4 и 5.

Более экономичным, а  так же технически более выгодным является нагрев паром. Подачу пара легко регулировать, сусло можно довести до кипения и, если прекратить подачу пара, кипение быстро прекращается. Конструкция паровых котлов более простая, обслуживается легче и тепло используется лучше.

Дно котла, обогреваемого паром, обычно сферическое или вогнуто внутрь; оно сдвоенное и состоит из собственно дна и наружного кожуха.[5]

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

20

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Рис. 4. Отопление сусловарочного котла жидким топливом

1-5 – вытяжная труба  и крышка котла; 6 – дверцы; 7 –  смотровое окно; 8 – термометр; 9 – изоляция; 10 – воздушные каналы и отвод газов сгорания; 11 – мешалка; 12 – ударная пластина; 13 – лестница; 14 – предохранительный клапан; 15 – масляная горелка; 16 – выпускное отверстие; 17 – регулировка выпуска.

Рис. 5. Газовый варочный агрегат (ЗВУ):

1— изоляция  котла; 2 —котел; 3—рама с инфракрасным  обогревателем; 4 —

предохранительный клапан; 5 — распределение газа в инфракрасных

обогревателях; 6— газовая арматура; 7 — отведение сусла; 8 —

управляемый на расстоянии клапан.

Обе части прочно соединены заклепками и снабжены чугунным центром, через который проходит вал мешалки, а сферическое дно имеет также выпускное отверстие. К паровой рубашке подводится пар избыточным давлением от 0,15 до 0,25 МПа (1,5-2,5 ат), чему соответствует температура от 127 до 138°С. При впуске пара в паровую рубашку воздух выводится через соответствующий продувочный вентиль, конденсат отходит в специальный улавливатель, паровая рубашка должна быть снабжена предохранительным клапаном для случая, если давление поднимается выше допустимого максимума.

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

21

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Для повышения эффективности  паровую рубашку и дно котла  иногда изготовляют в виде линзы; в этих случаях паровая рубашка делится на две части: в нижнюю часть подводится пар низким избыточным давление 0,15—0,2 МПа (1,5—2 ат), в вогнутую часть (линза) пар давлением 0,4—0,5 МПа (4—5 ат) и температурой 164°С. Разница в температуре дна и линзы вместе с вогнутостью дна приводят к тому, что кипящее сусло «перекатывается», тем самым облегчается подвод тепла и предотвращается перекипание сусла.

Варочные котлы, главным образом их дно, должны быть хорошо изолированы, чтобы предотвратить потерю тепла. В варочных котлах большой емкости (500 гл и более) слой сусла бывает таким высоким, что при подогреве только снизу оно не могло бы достаточно прокипеть. Поэтому в центре котла монтируют различные дополнительные устройства (цилиндры, спирали), в которые подводится пар более высокого давления. [8]

Еще одним способом является отопление котлов перегретой водой. Ко дну котла приваривают трубки, по которым циркулирует перегретая вода. При избыточном давлении 0,4—0,7 МПа (4— 7 ат) вода имеет температуру 130—160°С и закачивается прямо из парового котла в систему, обогревающую дно варочного котла. Умеренно охлажденная вода потом снова возвращается в паровой котел. При хорошей изоляции дна и всей системы коэффициент использования тепла довольно высокий и регулировка температуры не представляет трудностей [8]

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

22

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

3. Расчет  и проектирование заторного аппарата

Типовой заторный аппарат  представляет собой цилиндрический сосуд с двойным сферическим днищем, в центре которого расположено отверстие для спуска затора. В нижней части котла на вертикальном валу насажена пропеллерная мешалка с нижним приводом. Верхняя сферическая крышка соединена с корпусом котла и заканчивается вытяжной трубой для отвода выделяющихся при нагревании и кипячении паров. Сечение вытяжной трубы (м²) принимают равным 0,02…0,03 площади поверхности F (м²) зеркала испарения.

Объем заторного котла (м³) определяют, исходя из его необходимой производительности,

где G_зат – необходимая производительность заторного аппарата, кг/ч; τ_ц – продолжительность полнлго рабочего цикла аппарата, ч; ρ_зат – плотность заторной массы, кг/м³; ξ=0,9.

Объем заторного аппарата можно также определить по количеству затираемого солода, принимая, что  на 1000 кг сухого солода требуется 5…7 м³ полного объема современного заторного аппарата.

Полный объем аппарата (м³) складывается из объема цилиндрической части и объема сферического (полушарового) днища:

где D_зат – диаметр корпуса аппарата, м; H_ц – высота цилиндрической части, м; h_дн – высота выпуклой части наружной поверхности днища, м; R_дн – радиус кривизны в вершине днища, м.

При проектировании выпуклых днищ руководствуются следующими конструктивными требованиями:

H_ц =0,5 D_зат ; h_дн =0,25 D_зат и R_дн = D_зат

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

23

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

По нормам расчета  элементов сосудов на прочность  толщина стенки днища (м)

где P- наружное избыточное давление, Мпа; [σ] – допускаемое напряжение при сжатии, Мпа; k_{дн –} коэфициент формы днища; k_дн =1-(d₀/ D_зат); d₀ – диаметр неукрепленного отверстия в днище, м; φ=1;, с – прибавка к расчетной толщине; с=0,002 м.

    Эта формула  справедлива, если выдержано условие

(δ_дн - с)/ D_зат ≤ 1.

[4]

3.1 Расчет конструкции заторного  аппарата

Рассчитать оптимальную  конструкцию заторного аппарата для смешивания дробленого солода с водой, нагревания и кипячения заторной массы. Количество единовременно перерабатываемого солода G_зат  500 кг, продолжительность полного рабочего цикла котла τ_ц =24 ч, коэффициент заполнения заторного аппарата ξ=0,9 и плотность заторной массы ρ_зат =1081 кг/м³ . Избыточное давление греющего пара Р =0,25 МПа. Диаметр отверстия для спуска затора d₀ =0,2 м. Допускаемое напряжение при сжатии для стенки, изготовленной из стали 3, [σ] = 10 Мпа.

Если на 1000 кг одновременно перерабатываемого сырья требуется в среднем 6 м³ полного объема аппарата, то на G_сол=1500 кг потребуется       V_зат =6(500/1000) = 3 м³.

Необходимая производительность заторного аппарата

Диаметр корпуса заторного аппарата

Высота выпуклой части наружной поверхности днища 

h_дн=0,25 D_зат=0,25·1,74=0,435 м.

Радиус кривизны в  вершине днища R_дн= D_зат=1,74 м.

Объем днища заторного  аппарата

=1,047·0,435² (3·1,74-0,435) = 0,95 м³.

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

24

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Объем цилиндрической части  заторного аппарата

V_ц=V_зат-V_дн = 3-0,95=2,05 м³.

Высота цилиндрической обечайки

H_ц = 4V_ц/(πD²_зат )= 4·2,05/(3,14·1,74)=0,86 м.

Сопоставляем полученную высоту с  конструктивным требованием

H'=0,5 D_зат =0,5·1,74=0,87 м.

Площадь поверхности жидкости в  аппарате

F_ж= πD²_зат/4=3,14·1,74²/4=2,38 м².

Площадь сечения вытяжной трубы

Диаметр вытяжной трубы

Коэффициент формы днища заторного  аппарата

K=1-(d₀ /D_зат)=1-(0,2/1,74)=0,89 м.

Находим толщину стенки днища

Проверяем условие справедливого  расчета толщины стенки днища 

(δ_дн - с)/ D_зат ≤0,1

(0,012 – 0,002)/ 1,74= 0,006

Условие выполняется.[4]

Касумбекова

ТГЭУ ХТЖС КР

Лист

Черняев А.П.

25

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата