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糖果业务

计算糖浆和焦糖物料的热交换器和工位的基础知识

 热工程计算基础

在确定载热体(蒸汽)和热交换器的受热面的流量时,通常会编译计算出的热平衡和传热方程。

加热,溶解产品和蒸发水分所花费的总热量(通常考虑到热量损失)用公式(以J表示)表示

image001

 (1-9)

哪个Q.1,Q2,Q3 -有关消耗消耗在加热,溶解和蒸发产品组成部分上的有用热量的相关文章,J;

Qп -设备的外表面因辐射和对流而散发到环境中的热量,J。

在计算连续设备时,所有项目的热量消耗都以W(J / s)或J / h计算。

加热加工产品的每种成分的热量消耗由公式(以J表示)确定

image003   (1-10)

其中G是加热产物的相应成分的数量,kg;

s —部件的比热,J /(kg * K);

tk иŧн-组件的最终和初始温度,°C。

大多数产品的热容量取决于温度。 因此,例如:

糖的比热c = 1000 + 7,25t J /(kg * K)(1.11)

糖蜜的比热容c = 1714 + 5,76t J /(kg * K)。 (1.12)

糖溶液(包括糖浆和焦糖物料)的热容量取决于温度和浓度。 可以通过V.V. Yanovsky公式计算得出[in J /(kg•K)]

c = 4190-(2514-7,540t)* a,(1.13)

其中a是溶液中糖的浓度,kg / kg。

在实际计算中,水的比热容可以等于4190 J /(kg•K)[1 kcal /(kg•度)]。

溶解晶体(例如糖)的热量消耗由公式(以J表示)确定

Q2=Gqк,(1-14)

其中G是产品量,kg;

qк-1千克产品的溶解或结晶潜热,等于糖4190J。

水分蒸发的热量消耗(单位:J)由下式确定

Qз =D2r,(1-15)

D在哪里2 -水分蒸发量,公斤;

r —汽化潜热,J / kg; 由蒸汽的热力学性质表决定,取决于温度或压力(见附录)。

改变产品浓度时的蒸发水分量(千克)可以通过共同求解固体平衡方程来确定

Gc.в=G1a1=G2a2                         (1-16)

和物料平衡方程

然后(1-17)(1-18)image006

哪里gc.в —产品中的固体数量,kg;

G1 -蒸发的产品量,公斤;

G2 -成品量,公斤;

a1-产品中固体的初始含量(浓度),kg / kg;

а2 -成品中的最终固体含量,kg / kg 


如果水分从溶液表面蒸发而浓度没有明显变化,则

D2 = 3600KF (рр1)τ,(I-19)

哪里 К -比例系数,取决于风速和蒸发产物的物理性质,kg /(m2-s * MPa);

F -蒸发表面积,m2;

τ是蒸发过程的持续时间,s;

р -在环境温度下蒸发产物的饱和蒸气的弹性MPa(由申请表确定);

р'-蒸发产物的饱和蒸气在环境温度下的弹性(MPa)(由申请表确定);

φ—相对空气湿度(cf = 0,65-7-0,75)。

比例系数 К 水可以通过以下公式确定

K= 0,0745(ʋр)0,8,(1-20)

ʋ—风速,m / s;

ρ—空气密度,kg / m3。

当水蒸发时,取决于空气速度,比例系数K具有以下值:

V 0,5 1,0 1,5 2,0
К 0,036 0,083 0,114 0,145

通过辐射和对流通过设备外壁散发到环境的热量可以由公式(以W为单位)确定

Q == Faαk(t文章 tв)(1-21)

哪里fa -仪器的表面积,m2;

αк-传热系数,W /(m2 * K);

t文章 иŧв-墙壁和环境温度,°С。

假设设备处于密闭空间内,传热系数(总计)为tct 不超过150°С,大约

由公式[以W /(m2 •K)]

αк -9,76 + 0,07(吨文章 -tв)。 (I-22)

对于蒸汽完全冷凝的间歇式设备,每个循环的加热水蒸气量由公式(以千克为单位)确定

image007(1-23) 

哪个Q.社会 -每个循环的总热量消耗,包括环境损耗do,J;

i1=和我1'-加热蒸汽和冷凝水的焓分别为J / kg(请参阅附录)。

同一设备的每小时蒸汽消耗量为(千克/小时)

                                                image009                                                    (1-24)

其中τ是周期时间h

在以稳定的热状态运行的回火机中,加热蒸汽仅用于补偿对环境的热损失。 它的消耗量(千克/小时)由公式确定

                                              image011                                                                 (1-25)

哪个Q.п -对环境的热损失,W;

i“ —加热蒸汽的焓,J / kg;

i'-冷凝水焓,J / kg。

连续设备的蒸汽消耗(kg / s)由公式(1-23)确定。 但是在这种情况下,总热量消耗Q社会 以瓦为单位。

液体冷却剂(例如水)的流量由公式确定(单位:kg / s)

                                                  image013                                                                        (1-26)

其中c是冷却液的比热J /(kg-K);

tн иŧк-初始和最终冷却液温度°С。

该设备的传热表面积由穿过壁的传热方程确定

                                                                                                          Q地板= Fk周三Δtτ(1-27)

设备的热交换表面来自哪里(以m2为单位)

                                                 image015                                                                    (1-28)

批处理设备中热处理的持续时间(以秒为单位)为

                                                image017                                                             (1-29)

哪个Q.地板 -消耗设备中的有用热量,J;

F —设备的换热面,m2;

k比照 -平均传热系数W /(m2* K);

∆t是热载体和接受热量的介质之间的平均温度差,°С。

在计算连续设备时,以瓦特为单位计算热量消耗,在公式(1-28)中,过程持续时间为τ= 1s。

平均温度差Δt取决于热处理的性质。 如果在两股物流之间进行热交换时,一股物流的初始和最终温度用t表示1”和1',第二个到t2'和t2然后,对于前向流动和逆向流动,该过程可以用图形表示(图23)。image019

图 23.冷却液温度变化的时间表:a-直流; b-逆流; 在--加热蒸汽凝结时。

在直流和逆流的情况下,以及在一种介质处于恒定温度的情况下,例如,在加热蒸汽凝结期间(图23,c),平均水头由下式确定为对数平均值


                                  image021           (1-30)

Δtб 和Δtм -分别在热交换表面的开始和结束处的冷却剂之间的温度升高或降低。

如果<1,8,则可以将平均温度水头确定为算术平均值

                         image023                                                                      (1-31)

如果是,则可以使用公式代替公式(1-30)

                                                                        image027                              (1-32)

从载热体到单层壁的热量的传热系数[W /(m2 •K)]由公式确定

(1-33)

                                                                                                                                   image029(1-33)

其中α1 -从冷却剂到壁的传热系数,W /(m2-K);

α2 -从壁到加热介质的传热系数W /(m2-K);

s是壁厚,m;

ƛ是壁材料的导热系数W /(m * K)。

当由于产品浓度的变化而在分批设备中沸腾产品时,传热系数也会改变;因此,在分批设备的近似计算中,应采用平均传热系数。

计算糖浆冲泡站的基础知识

可以通过联合解决配方中给出的糖浆中糖和糖蜜部分的物料平衡方程以及考虑糖蜜,糖和糖浆水分的水分平衡方程来确定分配器所需的供应糖浆成分(糖,糖蜜,水)的性能。

在这种情况下,1小时的物料平衡方程为

               N =克ah+G+G                                   (1-34)

其中P是糖浆容量,kg / s;

Gah,G,G   -因此,供应给溶剂的糖,胶合剂和水的流量,kg / s。

根据配方,糖浆中糖和糖蜜的固体成分比例

                                                                                  image031                                       (1-35)

具有一定水分含量的糖浆的水分平衡方程为

                             Ωс=Gahωah +Gω+Gω                    (1-36)

其中ωс,ωahω八, ω-糖浆,糖和糖蜜的湿度; 在计算中,它们可以取下列极限值:ωс = 16÷18%,或0,16-0,18千克/千克; ωah = 0,14÷0,15%,或0,0014-0,0015千克/千克ω= 18÷22%,或0,18-0,22千克/千克。

将最后三个方程式求解在一起,并代入方程式(1-36)代替G 和G 根据方程式(1-34)和(1-35)的表达式,我们获得了必要的糖消耗量,因此得到了点胶机的生产率(kg / s)

                                                                                                                                                                      image033        (1-37)

根据找到的糖流量,将根据糖和糖蜜的比例公式(1-35)确定糖蜜消耗量,并根据物料平衡的公式(1-34)确定水消耗量。

加热糖浆的组成部分,溶解糖晶体并补偿溶剂向环境造成的热量损失所需的总热量由下式确定(以W为单位)

                        image035                            (1-38)

哪里gj -供应给溶剂的糖浆的组成部分的数量,kg / s;

Δgj-糖浆组成部分的焓变,J / kg;

Gah -供应给溶剂的糖量,kg / s;

gk -1公斤糖的晶体溶解潜热,焦耳/公斤(克к = 4190);

QП -辐射和对流对环境的热损失(单位:W)

由公式(1-21)和(1-22)定义。

应该记住,在公式(1-38)中

                              image037(1-39)

哪里gah,G,G -糖,糖蜜,水的消耗量(由上式确定),kg / s;

Δgah,Δg,Δg -因此,在初始和最终温度下,糖,糖蜜和水的焓变化为J / kg。image039

这些产品在初始和最终温度下的焓(以J / kg为单位)定义为g =нtн 和g游戏 -与кtк。 为此,首先根据公式(1-11)和(1-12)在最终(/ c)和初始(/ n)温度下计算糖和糖蜜的热容。 在这种情况下,糖的初始温度将是供给糖的房间的空气温度。 以加热形式加入的糖蜜的初始温度为55-60°C,水为70-80°C。

糖浆成分的最终温度将是糖浆的沸腾温度,其根据焦糖糖浆ω的给定水分含量,根据制定的焦糖糖浆沸腾温度的时间表确定с p和压力p(图24)(在这种情况下,对于开放式溶剂设备,大气压为100 kPa)。 例如,在糖浆湿度为16%和大气压下,根据指示的时间表,其沸点将约为120°C。

在确定加热蒸汽的参数时,应牢记蒸汽温度应比糖浆的沸点高约15-20°C。 因此,在这种情况下,加热蒸汽的温度为:tп = 120 + 20 = 140°C。

对于连续设备,溶剂的蒸汽消耗量由公式(1-23)确定。 在使用应用表根据加热蒸汽的可接受温度计算蒸汽消耗时,首先确定加热蒸汽的所需压力p,然后使用该表从该压力中找到加热蒸汽的焓i”1 和凝结我1.

溶剂的加热表面面积定义为连续设备的加热表面,同时仅考虑有用的热量(不损失环境)。

在这种情况下,式(1-38)中溶剂的有用热量为(W)


                              image041(1-40)

那么确定溶剂受热面的公式为2).

                          image043(1-41)

哪里kн—加热时的传热系数W /(m2-K)(可以取平均值kн = 1500÷1740);


Δt是载热体(加热蒸汽和混合物为糖浆,°C)的平均对数温差,由公式(1-30)和(1-31)确定。

在我们的例子中

                                    image045 (1-42)

Δt1 = tп - tн。厘米 (在这里н。厘米 -糖浆成分混合物的初始平均温度);

DT2 = tп- tк。厘米 (在这里厘米 -糖浆的沸点);

tп -加热蒸汽的温度,°С。

应当记住,加载到溶剂中的混合物(在这种情况下,是糖浆成分的混合物-糖,水和糖蜜的混合物)的平均温度由混合物的热平衡方程确定或通过简化计算指定。

在这种情况下,混合物的热平衡方程如下:

                      image047

или image049(1-43)

混合物的平均温度(°C)

                       image051(1-44)

其中P是混合物的量,kg / s;

Qah,Q,Q -因此,由糖蜜和糖蜜加到混合物中的热量W;

с厘米-混合物的比热J /(kg * K)。

其余的符号是在较早之前发现的。

溶剂混合器叶片的水所需的电动机功率由公式(1-6)确定。

几何体积V(m3)常压糖溶剂由下式确定

                              image053(1-45)

哪里gah 和G -糖和水的消耗,kg / h;

τр -溶解时间,h(tr = 0,5 -g-1,0); p是糖和水的混合物的密度,kg / m3;

ρ是填充因子(<p = 0,7 -g 0,8)。

ShSA-1站中线圈的长度是根据糖溶解的持续时间确定的

L =ʋcτρ                                                            (1-46)

ʋc -盘管中混合物的平均速度,m / s(ʋc = 0,55÷0,65)。

盘管的直径d(以米为单位)由混合物P沿其横截面积的钟向方程得出

                              image055(1-47)

                           image057(1-48)

计算焦糖熔化站的基础知识

要计算焦糖熔化站,必须首先确定其性能,并考虑生产线所有部分中焦糖质量可能损失的情况。 近似的计算顺序如下:

1,考虑到清洁生产线设备的时间(千克/小时),确定焦糖生产线的每小时生产能力:

                             image059(1-49)

其中p厘米 -预定的生产线生产率,每班公斤;

τ厘米 -轮班工作时间(h)减去大约15分钟(0,25小时)以清洁生产线设备。

2.确定每小时在生产线上以给定焦糖填充量的给定百分比(kg / h)处理的焦糖质量量,

                            image061(1-50)

在哪里н -制成的焦糖馅料的规定含量,%。

因此,用于准备该生产线的灌装的设备的生产率,即向生产线灌装的水果和浆果的量将为(kg / h)

                          image063 (1-51)

3,考虑到规定的焦糖质量水分含量和干物质损失(以千克/小时计),确定生产线上每小时处理的干物质焦糖质量

                image065(1-52)

其中ωк-焦糖成品质量的设定湿度,%;

α是每行干物质上焦糖质量的损失率,%(大约在1,67-1,7%的范围内)。

根据公式(1-52),还可以考虑从生产线末端到该部分或机器的干物质的产品损失来确定生产线的各个部分或机器和设备的生产率。

4.考虑到成品物料的指定湿度,通过焦糖质量(单位为kg / h)确定焦糖酿造站的小时容量

                       image067(1-53)

5.根据干物质平衡方程(1-16)确定糖浆流速,即必须从糖浆站向盘管真空设备供应的糖浆量。 由于任何溶液的浓度(以千克/千克计)等于

a =(100-ω)/ 100

ω是溶液的湿度,%,

那么在这种情况下,固体平衡方程将是

Gc (100-ωс)= Gк (100-ωк),所需的焦糖糖浆量将从

Gc = Gk(100-ωк)/(100-ωс)(1-54)

这里ωс -水分焦糖糖浆,%。

连续线圈真空装置的计算按以下顺序进行。

焦糖沸腾时线圈真空装置的热平衡方程为

 image069 (1-55)

哪里gс,Gк -煮沸的糖浆的供应量和最终焦糖质量,kg / s;

сс 并与к -糖浆和焦糖质量的比热,J /(kg-K)

tc,Tk -糖浆和焦糖质量的温度,°С;

我”1,我1 —加热蒸汽和冷凝水的焓,J / kg;

D2 -蒸发水分(二次蒸气)量,kg / s;

i2 -二次蒸气的焓,J / kg;

D是加热蒸汽的消耗量,kg / s;

Qп -设备向环境中散发的热量,瓦特。

热平衡方程(1-55)的左侧表示热量的到达:

Gс随着c,Tc -由糖浆W引入设备的热量;

Di1 -通过加热蒸汽W引入设备的热量。

等式右侧的成员表示该热量的消耗项:

Gk随着k,Tk -焦糖成品W带走的热量;

D2i2 -二次蒸汽带走的热量W;

Di1-由于加热蒸汽W冷凝而产生的冷凝水带走的热量;

Qп -释放到环境中的热量(损耗),W。

根据热平衡方程(1-55)确定设备的加热蒸汽消耗(以kg / s为单位)

                     image071(1-56)

焦糖糖浆温度tс根据附表(参见图24),根据糖浆在大气压下(参见溶剂)的规定水分含量,确定供给到设备盘管的气体。

煮焦糖沸点tк 根据相同的时间表确定焦糖物质的最终最终水分含量,并确定设备真空室中的真空度。 在这种情况下,残余压力(kPa)

ρо = 100-V,                             (I-57)

其中B是设备真空室中的指定真空度kPa。

糖浆的热容量с 和焦糖块к 由式(1-13)确定的糖溶液的热容。

根据公式(1-18)从物料平衡方程确定二次蒸汽(蒸发的水分)的量。

二次蒸气的逸出2取决于应用表中真空室中的残余(绝对)压力。

加热蒸汽的焓1“凝结我1根据所采用的加热蒸汽的压力,根据同一表确定。

供应到盘管真空装置加热部分的蒸汽空间的加热蒸汽的温度应比通过上述方法发现的焦糖物料的沸腾温度高15–20°C(实际上,加热蒸汽的温度应在

在158-159°C之间,相当于加热蒸汽的最高压力,最高可达0,6 MPa。 在确定加热蒸汽的参数时必须牢记这一点。

电器向环境的热损失Qп 由式(1-21)确定或根据实验数据被接受。

这样确定了公式(1-56)中包括的所有量的值后,计算出蒸汽消耗量。

盘管真空设备的热交换表面积2)时,根据公式(1-28)根据通过壁的传热方程确定沸腾糖浆

                                   image073(1-58)

Q地板 -消耗的有用热量(不包括损耗),W;

k是线圈的传热系数; 实验建立。 对于近似计算,根据线圈直径350-1000W /(m2 •K);

∆t —加热蒸汽,糖浆和焦糖质量之间的平均温差,°С; 由公式(1-30)和(1-31)确定。

用公式(1-48)以筛网速度velocity = 1,0m / s确定盘管的直径后,从发现的热交换表面确定盘管的几何尺寸。

盘管的长度,根据GOST指定管子的直径,可以通过公式确定(以m为单位)

                                            image075(1-59)

dн -盘管的外径。 盘管的长度通常取在盘管的800-1000管直径范围内。

给定线圈直径D比照 = 680 mm,线圈匝数可以找到线圈线圈的上升角度

image077

在这种情况下,取5等于1,5-2,0 s?N-线圈的线圈长度/(以m为单位)为

  

                            image079(1-60)

线圈匝数


                           image081(1-61)

线圈的高度(以米为单位)为


                        image083 (1-62)

在这里建设 -考虑到模压底部的高度的结构添加剂。

加热部主体直径(vm)

                                image085(1-63)

最后,将设备的加热部分的外壳的直径取到标准冲压底部的最接近直径。 设备真空室的几何体积直接由其蒸气空间Rv [in m3/(小时•米3)]

                   image087(1-64)

D2-二次蒸汽量,kg / h;

ʋ2 -二次蒸汽的比容,m3/公斤;

V —真空室的体积,m3.

在大气压下Rv = 8000 m3/(M3 •h)。 当稀有真空室时,Rv =8000φ,其中φ是取决于真空室中残余压力的系数(当沸腾的焦糖块质量约为0,85时)。

然后从(1-64)开始,真空室的体积(m3)将

                                     image089(1-65)

真空室外壳的内径dв 由于设计原因或标准冲压底的直径而被接受。

真空室外壳的高度(米)为

                                     image091 (1-66)

设备的加热部分的外壳的壁厚(以米为单位)为内部超压下工作的薄壁圆柱形容器,其计算公式如下:

                                  image093(1-67)

其中p是设备中的压力,MPa;

Dв -身体的内径,m;

δz-允许的拉应力,MPa;

φ是焊缝强度系数(cf = 0,7-g 0,8);

s-腐蚀增加,m。

焦糖成品质量的真空设备的生产率(kg / h)可以通过以下形式确定


                               image095(1-68)

哪里gс= Cсtc -进入沸腾的糖浆焓,J / kg;

gk.м =кtк -最终焦糖质量的焓,J / kg;

 tп -加热蒸汽的温度,°С。


混合冷凝器中发生热过程,可用以下热平衡方程式表示(见图21中的图表)

                                    image097 (1-69)

混合冷凝器中冷却水的流量为(千克/秒)

                                        image099(1-70)

D在哪里2 -可冷凝的二次蒸汽量,kg / s;

і2 -二次蒸气的焓,J / kg;

s-水的比热J /(kg-K)(s = 4190);

t2N иŧ2K -冷却水的初始和最终温度,°С(最终水温t2K 等于冷凝温度)。

以初始温度t向冷凝器供应的W量的冷却水2N 当蒸汽向下流动并凝结时,蒸汽加热到最终温度t2K,它在直流冷凝器中比冷凝蒸汽的温度低5-6°C。

电容器的内径(vm)由以下公式确定

                                     image101 (1-71)

ρп -蒸气密度,kg / m3;

ʋ-冷凝器中的蒸汽速度,m / s(ʋ= 20÷25)。

真空泵从冷凝器中抽出的空气量(千克/秒)由下式确定

                                     image103 (1-72)

空气体积流量(m3/ s)从冷凝器到泵的流量由公式确定

                                       image105(1-73)

哪里gв -进气量,kg / s;

288 —空气的气体常数,J /(kg-K);

tв -空气温度,°С; 用于直流混合电容器tv = t2k 即离开冷凝器的水的温度;

рв -局部气压,Pa。

局部空气压力(Pa)可以通过以下公式确定

Рв = P.а-Pп                                             (I-74)

其中pа -真空室和冷凝器中的绝对(残余)压力,Pa;

рп -分蒸气压Pa,等于大气温度下的饱和蒸气压。

在冷凝器中的蒸汽-空气混合物中,空气的分压也可以从以下公式确定:

                                                image107(1-75)

这里image109

用于泵送空气-水混合物的真空泵的生产率(m3/小时)

                            image111 (1-76)

泵活塞的直径(以米为单位)

                                   image113(1-77)

其中p是空气-水混合物的密度,kg / m3;

s是活塞冲程,m;

W是冷却水的流量,kg / s;

D2-冷凝水量,kg / s;

Vв -吸入的空气量,m3 / s;

n是每分钟活塞的两次冲程数;

ƛ0 -填充率(ƛ0 = 0,7÷0,8)。

在确定活塞直径时,将设置活塞冲程值和双活塞冲程次数(根据文献或参考数据中泵的特性)。

对“计算糖浆和焦糖质量的热交换器和站的基础”的一个答案

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