【正文】 鐘 換熱面積： F=Q1/（ K△ tm） 24 G==（㎏ /h） 其中 為冷麥汁的量 C= 千卡 /（㎏ ℃ ） Q1=GC(t1t2)= （ 946） =（千卡 /時(shí)） 其傳熱系數(shù) K 值取 4500[千卡 /（時(shí) ℃ ㎡） ] △ tm=(△ t1△ t2)/㏑ (△ t1/△ t2) =[(t1t2’) (t2t1’)]/㏑ [(t1t2’)/ (t2t1’)] =[144]/ ㏑ (14/4) =℃ F=Q1/（ K△ tm） =(4500) =(㎡ ) 重點(diǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型 糖化工段的重點(diǎn)設(shè)備：煮沸鍋的單體設(shè)計(jì) 煮沸工藝 : 麥汁的煮沸時(shí)間對啤酒的質(zhì)量影響很大，在常 壓下煮沸，淡色啤酒 (10%12%)的煮沸時(shí)間一般在 90120 分鐘，濃色啤酒可適當(dāng)延長一些。在加壓 MPa 條件下煮沸，時(shí)間可縮短一半左右。合理的延長煮沸時(shí)間，對蛋白質(zhì)的凝固、提高酒花利用率和還原物質(zhì)的形成是有利的，對泡沫性能不利。過分的延長煮沸時(shí)間，不僅經(jīng)濟(jì)上不合理，麥汁質(zhì)量也會(huì)下降。例如 :麥汁色澤深、口味粗糙、苦味減輕、泡沫不佳等，對淡色啤酒來說影響更嚴(yán)重一些。因此合理的煮沸時(shí)間是很重要的。 本次煮沸工藝是按照常用煮沸方法設(shè)定 78OC麥汁打入煮沸鍋進(jìn)行煮沸。在麥汁淹沒內(nèi)加熱器加熱區(qū)后往 內(nèi)加熱器殼程中通入 MPa 155℃ 的飽和蒸汽，麥汁由 92℃ 加熱到 1040C 并維持一段時(shí)間。其整個(gè)煮沸過程如下 : 在煮沸鍋內(nèi)麥汁從 780C 升至 1000C 約 22m in 內(nèi) 。 1000C 預(yù)煮沸 l0min 左右 。 煮沸溫度從 1000C 升至 102104 0C 約 1015min 內(nèi) 。 在壓力 ,溫度 1021040C 下煮沸 35min 左右 。 蒸汽在 15min 內(nèi)卸壓麥汁降至 1000C。 在 100℃ 后煮沸 IOmin. 鍋體設(shè)計(jì) 采用圓筒球底內(nèi)加熱式煮沸鍋 進(jìn)入煮沸鍋的麥汁量 = V有效 = 取充滿系數(shù)為 ,所以 V鍋 =30m3 采用圓柱形鍋身，球形鍋底 設(shè)鍋的徑高比為 2:1，即 D/H=2:1 球形鍋底高為 h=D/2，則有： 30=V=5/24* 則 D= 則 H=1800 mm， h=1800mm,D=3600mm 25 （ 1）形狀選擇 作為標(biāo)準(zhǔn)件的封頭，目前常用的主要有，橢圓形封頭，碟形封頭，半球形封頭，錐形封頭。 各種封頭比較如下 封頭形式 相同條件（材質(zhì)、溫度、 D、δ）下的承載能 力 相同條件（材質(zhì)、溫度、 P、D、 δ）下的壁厚 相同條件（材質(zhì)、溫度、 P、D、 δ）下的壁厚金屬耗量 單位容積的表面積 制造難易程度 半球形 最 大 最 小 最 少 最 小 難 橢圓形 次 之 次 之 次 之 次之 易 碟形 再次之 再次之 再次之 與橢圓形封頭接近 易 帶折邊的錐形封頭 差 α大，則 δ大α小，則 δ小 與 α、 Dis 有關(guān) 與半錐角 α有關(guān) 較復(fù)雜 本設(shè)計(jì)力求承壓能力好，焊接容易方便的原則，下封頭采用球形，上封頭采用錐圓形的封頭。 （ 2）球形下封頭厚度與強(qiáng) 度計(jì)算 厚度： δ= PcDi/(4[σ]tφ－ Pc) Pc－計(jì)算壓力， Di－圓筒內(nèi)直徑 , 3600mm δ－計(jì)算厚度 , mm φ－焊接接頭系數(shù) , [σ]t－設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，本設(shè)計(jì)封頭選鋼后號(hào)為的高合金材料 Q235A， 105 則 δ=3600/（ 4105） = δe=δ+C2=+= 查表 179 C1=,δn=5mm 強(qiáng)度： 計(jì)算應(yīng)力 δ= =(3600+3)/(43)= δ=[σ]t=105 故符合標(biāo)準(zhǔn) 最大工作壓力 [Pw]= =431051/(3600+3)= 設(shè)液面高度 h V液 = V球 =*D3= V柱 ===4**h 得 h= h 總 =+= 鍋底承受壓力 P=pgh=1048**=27730Pa 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 P 總 =++= 取設(shè)計(jì)壓力為 (3) 折邊錐型封頭的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)壓力 (標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 )設(shè)計(jì)溫度 200℃ ,錐殼大端直徑 3600mm,大端過濾段轉(zhuǎn)角的半徑為 140mm,錐殼半頂角為 60 度 ,腐蝕余量 1mm,錐殼材料 Q235A,焊縫系數(shù)為 ,厚度與 26 主體一樣也為 6mm （ 1）鍋體材料選擇 選用型號(hào)為 Q235A. （ 2）鍋體壁厚的計(jì)算 由于本設(shè)計(jì) 選用球形封頭，球形封頭的薄膜應(yīng)力較其它封頭為最小，邊緣應(yīng)力影響也較小，為了焊接方便，標(biāo)準(zhǔn)上允許取封頭與筒體等厚度，本設(shè)計(jì)取 δ=6mm的不銹鋼板 (3) 鍋體重量計(jì)算 圓柱形鍋體的體積： V1 =πDiHδ = = m3 鍋底的體積： V2 =S 內(nèi) δ = = m3 錐形頂蓋 的體積： V3={[D+]}δ = = m3 ∴ G=( V1+ V2+ V3)ρ鍋 =(++)7800 =(㎏ ) 設(shè)升氣筒面積為料液面積的 1/40，則管徑 d 即 πd2/4=（ 1/40） πd2/4，即 d=550mm δ= PcDi=550(2105)= mm δe=δ+C1+C2+△ =+++=4mm 取鍋體重 3t，醪液重 22t 則 總重 G=3+22=25t 本設(shè)計(jì)選用八個(gè)支座 每個(gè)支座需承擔(dān)的負(fù)荷 Q=25/8= 按標(biāo)準(zhǔn)取 B 型耳式支座八支。 煮沸鍋加熱面積的計(jì)算 煮沸鍋的內(nèi)加熱器和管殼式換熱器相似，可以采用管殼式換熱器的設(shè)計(jì)方法計(jì)算所需換熱面積。 傳熱計(jì)算中的兩個(gè)基本方程式 傳熱方程式 熱流體將熱量通過某固定壁面?zhèn)鹘o冷流體的過程稱為傳熱。傳熱的基本方程式稱為傳熱方程式，以下式表示 : Q= kmF△ tm 式中 km換熱器的平均傳熱系數(shù)， W/(m2 K) F 傳熱面積， m2。 △ tm兩 個(gè) 流體之間的平均溫差， K。 由上 式 可 知，為求傳熱面積 F，必須先求取傳熱量 Q，傳熱系數(shù) k 以及熱、冷流體間的平均溫差 △ tm. 27 內(nèi)加熱器熱力計(jì)算步驟 整個(gè)麥汁加熱過程選取換熱量最大的兩個(gè)過程計(jì)算所需的換熱面積，分別是麥汁加熱段和加壓煮沸段。首先計(jì)算出每段所需吸收的熱量，并利用己知條件求出平均溫度及平均溫差，然后假設(shè)一個(gè)總傳熱系數(shù)后，計(jì)算出所需的換熱面積。得到內(nèi)加熱器的基本模型。再校核總傳熱系數(shù)。如校核合格即可確立所需的內(nèi)加熱器換熱面積。 兩個(gè)煮沸階段換熱面積的計(jì)算 1)麥汁加熱段 (700C1000C)的換熱面積計(jì)算 ① 平均溫度及平均溫度下的物性參數(shù) tm = (70+100)/2=85OC 麥汁的物性參數(shù) 粘度 μ= s 密度 p = 1014kg/m3 導(dǎo)熱 系 數(shù) λ= /(m K ) 比熱 CP =3 .968kJ/ （ kg K） tm =155OC 時(shí) 飽和蒸汽的物性參數(shù) 粘度 μ= s 密度 p = 汽化潛熱 r =② 麥汁升溫所需的熱量 Q1=CPG1(t2 t1)=(100 一 70)=2380667kJ G1 為麥汁的質(zhì)量， Gl=ρˊ V ③ 流體的平均溫差 △ tm △ tm=[(Tit0)(T0ti)]/ln[(Tit0)(T0ti)] =[(15570)(155100]/ln[(15570)(155100)] =69℃ ④ 傳熱面積的計(jì)算 先假設(shè)這個(gè)階段所需的傳熱系數(shù) K39。AB= 1200W/(m2K ) 相應(yīng)可 以確定所需的換熱面積 K39。AB K39。AB =Q 1/ (△ tmK39。AB) =2380667x1000/(20x60x69x1200) =24m2 2)加壓煮沸段 (1040C)的換熱面積計(jì)算 ① 平均溫度及平均溫度下的物性參數(shù) 平均 溫 度 tm=104oC 麥汁的物性參數(shù) 粘度 μ= s 密度 p = 1008kg/m3 導(dǎo)熱 系 數(shù) λ= /(m K ) 比熱 CP =3 .9785kJ/ （ kg K） Tm =155OC 時(shí) 飽和蒸汽的物性參數(shù) 粘度 μ= s 28 密度 p = 汽化潛熱 r =② 麥汁升溫所需的熱量 麥汁煮沸強(qiáng)度一般取 8%，但是考慮到加壓煮沸段的煮沸強(qiáng)度實(shí)際要比其它段強(qiáng)，因此在計(jì)算水份汽化所需熱量時(shí)，煮沸強(qiáng)度按 10%來計(jì)算 。 Q2= V總 39。x10%x(35/60)xr39。 =%x(35/60)= ③ 流體的平均溫差 加壓煮沸階段麥汁進(jìn)口和出口溫度都是 1040C,△ tm = 510C ④ 面積的計(jì)算 先假設(shè)所需的傳熱系數(shù) K39?！疉B =1200W/（ m2K） 相應(yīng)可以確定所需的換熱面積 F’’AB F’’AB = Q 2/(△ tm K39?！疉B) =(35x60x51x1200)= 因?yàn)?F’’AB F’AB 所以取內(nèi)加熱面積為 FAB = 24m2。取 的安全系數(shù)。因此實(shí)際選用的內(nèi)加熱器面積為 FAB = FAB == 按照內(nèi)加熱器的換熱面積，選用 Φ60的 1Cr18Ni9 不銹鋼管，壁厚為 2mm 總共為 90根。管長為 1600mm。這樣可得到實(shí)際的換熱面積 F 實(shí) F 實(shí) = 60x1600x =27m2FAB= 校核兩個(gè)煮沸階段的傳熱系數(shù) KAB 1）、加熱階段的總傳熱系數(shù) KAB 的校核 在麥汁煮沸過程中內(nèi)加熱器殼程的飽和蒸汽是通過冷凝放熱對麥汁加熱的，所以在計(jì)算凝結(jié)氣向壁面放熱系數(shù)時(shí)用公式 qAB=Q1/F 來計(jì)算 1/KAB=1/α1+1/α2+d0/dm*b/λ+R0+Ri QAB=Q1/F=2380667/(27*20*60)= Re=qH/(rρˊ μ)=[*(**)]106=338 因 Re＞ 100，所以必須用混流下的公式計(jì)算放熱系數(shù)： Pr=CPμ/λ=4329**103/= α1=λ(g/μ2)2/3*(Re100+)=8356W/(m2K) 不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù) λ=17W/（ mK） Re=dμρ/μ=**1014/*103= Pr=cPμ/λ=3968**103/= α2=(m2K) 1/KAB=1/α1+1/α2+d0/dm*b/λ+R0+Ri =1/8356+1/+60/56+60/58*++09 = KAB=(m2K) 算得 K 值與開始計(jì)算中選用的 KAB 值相差為 （ ） /(1200*100%)=% 上述誤差在工程上是允許的?？梢哉J(rèn)為該內(nèi)加熱器的設(shè)計(jì)可以滿足加熱段的傳熱要求。 2）、加壓煮沸階段的總傳熱系數(shù) KAB 的校 核 凝結(jié)蒸汽向壁面放熱系數(shù)的確定可以借鑒加熱階段凝結(jié)放熱系數(shù)的計(jì)算 QAB=Q2/F=（ 35*60*27） = 29 則 Re=qH/(rρˊ μ)=[*（ **） ]106= Re＞ 100，則用混流下的公式計(jì)算換熱系數(shù) Pr=cPμ/λ=4329**103/= α1=λ(g/μ2)2/3*(Re100+)=9037 W/(m2K) 不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù) λ=17W/（ mK） Re=dμρ/μ=**1009/*103= Pr=cPμ/λ=**103/= α2=(m2K) 相對應(yīng)的無相變時(shí)的總傳熱系數(shù) KABˊ 1/KAB=1/α1+1/α2+d0/dm*b/λ+R0+Ri =1/9037+1/+60/56+60/58*++ = KAB=1136W/(m2K) 算得 K 值與 開始計(jì)算中選用的 KAB 值相差為 （ 12001136） /1200*100%=% 上述誤差在工程上是允許的。可以認(rèn)為該內(nèi)加熱器的設(shè)計(jì)可以滿足加熱段的傳熱要求。 鍋底開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)壓力 Pc= MPa；設(shè)計(jì)溫度為 200℃ ，標(biāo)準(zhǔn)球形封頭 Di=3500mm，封頭的厚度 δn=6mm，封頭中心設(shè)置 φ1505 的內(nèi)平齊接管，開孔未通過封頭焊接，腐蝕余量C2=，封頭材料為 Q235A， [ ]t =105 MPa，接管材料 Q235A， [ ]nt =105MPa （ 1）計(jì)算壁厚 封頭： δn= PcDi/{4[ ]tφ Pc} =（ 3600） /（ 4105） = 接管： δt=Pcdi/{2[ ]ntφ Pc} =(140)/(2) = （ 2）需要補(bǔ)強(qiáng)的面積 A=dδc+2δc(δntC)(1fr) = =(mm2) 式中， C1 是接管壁厚負(fù)偏差，查表 179