Разработка сусловарочного аппарата

ТИТУЛЬНИК.doc

Министерство сельского хозяйства и продовольствия
Учреждение образования
“Белорусский государственный аграрный технический университет”
по дисциплине: «Основы расчета машин и аппаратов»
По теме: «Разработать сусловарочный аппарат »
Пояснительная записка.
Исполнитель: студент 12т гр.
ст. преподаватель Носко В.В.
Курсовой проект 43 страницы 10 рисунков 5 источников.
Ключевые слова: сусловарочный аппарат пиво брожение корпус фланцевые соединения конструирование.
Объектом исследования является сусловарочный аппарат расчет его корпуса фланцевых соединений и опор а также проведение патентного поиска и обзор базовых машин.
Целью курсового проекта является получение навыков расчета и проектирования машин и аппаратов пищевой промышленности.
В результате выполнения курсового проекта был разработан сусловарочный аппарат для производства пива по заданным технологическим показателям. В соответствии с заданием выполнен раздел техники безопасности при эксплуатации аппарата.

опора.spw

стенка.cdw

Опора.cdw

Фланец.cdw

принципиальная Схема установки .cdw

основание.cdw

СБ корпусcdw.cdw

крышка.cdw

Спецификация.spw

Сусловарочный аппарат
Устройство для подачи сусла
Предохранительный клапан
Дроссельная заслонка
Разгрузочное устройство
Манипуляционный глаз

Котел с опорами.1cdw.cdw

корпус.spw

записка.doc

Обоснование темы курсового проекта7
Технологический процесс производства пива9
Обзор конструкций сусловарочных аппаратов (патентный поиск)25
Расчёт и описание конструктивной части31
2 Расчет фланцевых соединений34
3 Расчет опор аппарата37
Техника безопасности при эксплуатации40
Список использованных источников43
Одной из основных задач стоящей перед пищевой промышленностью и пищевым машиностроением является создание высокоэффективного технологического оборудования которое на основе использования прогрессивной технологии значительно повышает производительность труда сокращает негативное воздействие на окружающую среду и способствует экономии исходного сырья топливно-энергетических и материальных ресурсов.
Анализ современного состояния и тенденций развития пищевых и перерабатывающих отраслей АПК свидетельствует о том что технический уровень производств нельзя признать удовлетворительным. Лишь 19 % активной части производственных фондов предприятий соответствуют мировому уровню около 25 % подлежат модернизации а 42 % — замене.
Потребность в важнейших видах оборудования для предприятий удовлетворяется в последние годы только на 60 70 %. Это является следствием того что перерабатывающая промышленность была вынуждена в течение длительного времени закупать оборудование за рубежом. В результате этого на предприятиях почти треть (27 %) всего парка технологического оборудования составляет импортная техника.
Производительность труда на предприятиях перерабатывающих сельскохозяйственное сырье в 2 3 раза ниже чем на аналогичных предприятиях развитых стран; более 50 % трудоемких операций на отечественных предприятиях выполняют вручную. Лишь 8 % действующего оборудования работает в режиме автоматических линий.
Недостаточные темпы обновления активной части основных производственных фондов привели к тому что удельный вес изношенного оборудования находящегося в эксплуатации свыше 10 лет составил в целом по пищевой промышленности 35 % а в сахарной масло-жировой табачной дрожжевой и кондитерской промышленности— 40 70 %. Обновление парка оборудования в настоящее время не превышает 3 4 % вместо необходимых 8 10 % в год.
Более 13 парка машин и оборудования отработало уже два и более амортизационных срока. Степень износа основных средств составляет 70 %.
Общий уровень механизации производства пищевых и перерабатывающих отраслей АПК не превышает 44 %.
Эти цифры свидетельствуют о том какое огромное значение для развития пищевой промышленности имеет плодотворная деятельность инженеров. В этой деятельности важно не идти вслед не копировать известное оборудование а изыскивать свои пути разрабатывать конструкторские решения машин и аппаратов.
Научно-технический прогресс в агропромышленном комплексе - сложный динамический процесс. Он связан с формированием новых знаний и идей технологическим освоением научных открытий изобретений и результатов исследований и разработок внедрением нововведений в виде прорывных критически важных технологий прогрессивной техники новых видов сырья полуфабрикатов добавок продуктов питания и непродовольственных товаров выбором оптимальных форм организации производства и труда а также с другими немаловажными видами научно-технической деятельности составляющими в совокупности инновационный процесс.
Не умаляя роль мини-производств и малых предприятий в удовлетворении потребностей населения в продуктах питания необходимо отметить что будущее — за автоматизированными и автоматическими поточными линиями в составе крупных пищевых и перерабатывающих предприятий.
Известно что автоматизация производства представляет собой комплексную конструкторско-технологическую задачу создания новой техники. Главное направление в решении этой задачи - не замена функций человека при обслуживании существующих машин и агрегатов а разработка таких технологических процессов которые были бы вообще невозможны при непосредственном участии человека. Поэтому в соответствии с требованиями автоматизации предусматривается переход от многостадийных процессов с системой транспортирования продуктов от одного аппарата к другому к одностадийным от малопроизводительного оборудования к высокопроизводительному от периодических процессов к непрерывным.
Вот почему перспективные решения по автоматизации производственных процессов должны базироваться на решении неординарных технических задач инженерами-механиками что в свою очередь требует прогрессивных разработок инженеров-технологов.
ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Пиво – слабоалкогольный игристый напиток с характерным хмелевым ароматом и приятным горьковатым вкусом. В пиве кроме воды этилового спирта (28 – 60 масс. %) и диоксида углерода (03 – 035 масс. %) содержится значительное количество питательных и биологически активных веществ: белков углеводов микроэлементов и витаминов.
По цвету пиво делится на светлое и темное а в зависимости от вида применяемых дрожжей – на пиво низового и верхового брожения. Около 90% производимого пива низового брожения делится на светлые сорта для которых характерны тонкий слабо выраженный солодовый вкус хмелевой apoмат и ярко выраженная хмелевая горечь. Их готовят из светлого пивоваренного солода с добавкой несоложеных материалов (ячменя рисовой сечки обезжиренной кукурузы сахара) хмеля или хмелевых препаратов.
При производстве темных сортов пива используются также специальные сорта солода (темный карамельный и др.). Поэтому темное пиво имеет солодово-карамельный сладковатый вкус менее выраженную хмелевую горечь и более интенсивную окраску по сравнению со светлыми сортами.
- минеральные соединения которые поступают в пиво из солода других исходных материалов и с водой. В биологически значимых количествах в пиве присутствуют ионы калия натрия кальция магния фосфора серы и хлора. Пиво отличается от вина высоким содержанием калия. Необходимо отметить что при массивном употреблении пива избыточное поступление калия и воды резко увеличивает образование мочи и усиливает выделение почками натрия и хлора приводя в итоге к деминерализации организма. По содержанию кальция (около 80 мгл) магния (около 80 мгл) фосфора (около 140 мгл) а также железа меди цинка и других содержание которых не превышает 1 мгл пиво не отличается особыми преимуществами.
- витамины которые поступают в пиво в основном из солода богатого витаминами группы В. Однако в процессе приготовления пива концентрация витаминов неизбежно снижается и в результате содержание витамина В1 или тиамина составляет 0005-015 мгл а витамина В2 или рибофлавина - 03-13 мгл. Таким образом употребление пива с максимальной концентрацией витамина В1 в количестве 10 литров в день способно обеспечить 100% суточной потребности в этом витамине.
В пиве есть и иные витамины. Высокое содержание витамина С или аскорбиновой кислоты (20-50 мгл) часто обусловлено тем что ее добавляют в пиво в процессе производства для предотвращения процессов спонтанного окисления других компонентов. В пиве также наблюдаются высокие концентрации никотиновой (5-20 мгл) и фолиевой кислоты (около 110 мкгл). В пиве присутствуют в малых количествах витамин В6 пантотеновая кислота и биотин.
-фенольные соединения. Содержание полифенолов в пиве примерно в 10 раз ниже чем в натуральном виноградном вине и колеблется в пределах 150-300 мгл. Потребление пива и крепких алкогольных напитков ассоциируется с повышенным риском развития злокачественных образований в нижних отделах мочевыводящих путей что связывают именно с низким содержанием полифенолов.
- горькие вещества которые поступают в пиво из хмеля и придают напитку специфический горьковатый привкус. Эти вещества подразделяют на мало- и высокосмолистые. В зависимости от технологии приготовления и хранения пива они могут подвергаться полимеризации окислению и соответственно изменять свои изначальные свойства. Малосмолистые вещества которых особенно много в пиве состоят из a-кислот или гумулонов b-кислот или лупулинов и группы пока еще не охарактеризованных соединений.
Горькие вещества пива наряду с другими экстрактивными веществами хмеля относятся к категории психоактивных соединений. Они оказывают седативное снотворное а в больших дозах и галлюциногенное действие. Помимо этого они обладают бактерицидными бактериостатическими свойствами и оказывают стимулирующее действие на секрецию желудочного сока. Последнее лежит в основе индивидуальной непереносимости пива которое у людей с повышенной чувствительностью к действию стимуляторов желудочной секреции вызывает неприятные ощущения в области желудка и рефлюкс-реакцию.
- биогенные амины которые были обнаружены в пиве относительно недавно. Они сразу привлекли к себе внимание из-за способности оказывать выраженное биологическое действие. Уже давно известно что пиво противопоказано больным принимающих ингибиторы моноаминоксидазы. Смысл этих рекомендаций стал ясен после того как в пиве были идентифицированы кадаверин путресцин гистамин и тирамин. При употреблении пива в большом количестве биогенные амины провоцируют развитие гипертензии вызывают головную боль и могут привести к поражению почек.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ПИВА
Характеристика продукции сырья и полуфабрикатов. Пиво – слабоалкогольный игристый напиток продукт законченного спиртового брожения изготовленный из пивоваренного ячменного солода с применением хмеля.
Вследствие насыщенности диоксидом углерода и содержания небольшого количества этанола пиво не только утоляет жажду но и повышает общий тонус организма. Являясь хорошим эмульгатором пищи оно способствует более правильному обмену веществ и повышению усвояемости пищи. В пиве содержится значительное количество питательных и биологически активных веществ: белков углеводов микроэлементов и витаминов.
Качество пива оценивают по органолептическим и физико-химическим показателям. По органолептическим показателям пиво должно соответствовать требованиям стандарта по прозрачности цвета аромату вкусу пенообразованию и др.
Пиво вырабатывают трех типов: светлое полутемное и темное. В зависимости от экстрактивности объемная доля спирта в светлом пиве не менее 28 94 % в полутемном и темном – 39 94 %. Во всех типах пива массовая доля диоксида углерода должна быть не менее 033 % высота пены – не менее 30 мм пеностойкость – не менее 2 мин. Энергетическая ценность 30 85 ккал в 100 г пива в зависимости от экстрактивности начального сусла.
По способу обработки пиво подразделяют непастеризованное и пастеризованное.
Основным сырьем для производства пива является ячменный пивоваренный солод: светлый темный карамельный и жженый. Два последних вида солода получают из светлого солода путем термической обработки в обжарочном барабане и применяют для темных сортов пива.
Качество солода должно соответствовать требованиям стандарта по органолептическим (внешний вид цвет запах вкус) и физико-химическим (размеры зерен массовая доля сорных примесей влаги экстракта в сухом веществе солода продолжительность осахаривания и др.). По этим показателям светлый солод разделяют на три сорта (высший I и II классы) жженый солод на I и II классы. От соотношения видов солода в рецептуре и его качества во многом зависят сортовые особенности пива.
Для выработки пива возможно использование несоложеного ячменя рисовой сечки пшеницы обезжиренной кукурузной муки. Применение несоложеного сырья экономически выгодно и технологически оправдано.
Вода считается оптимальной для пива если отношение концентрации ионов кальция к общей щелочности воды не менее единицы а соотношение ионов кальция и магния 1 : 1 1 : 3. Жесткость воды и ее солевой состав регулируют различными способами (реагентным ионообменным электродиалезным и обратноосмотическим).
Хмель придает пиву специфический горьковатый вкус и аромат способствует удалению из сусла некоторых белков служит антисептиком и повышает пеностойкость пива. Важная составная часть хмеля – дубильные вещества количество которых достигает 3 %. В пивоварении используют высушенные хмелевые шишки молотый гранулированный или брикетированный хмель а также различные хмелевые экстракты.
Ферментные препараты используют при применении более 20 % несоложенного сырья в количестве от 0001 до 0075 % к массе перерабатываемого сырья. Аминолитические препараты повышают выход экстракта и улучшают качество сусла протеолитические используют для ликвидации коллоидных помутнений в пиве цитолитические повышают стойкость пива.
Особенности производства и потребления готовой продукции. Основу технологических процессов производства пива составляют биохимические превращения веществ в живом организме происходящие под влиянием ферментов и физико-химические процессы взаимодействия этих веществ под влиянием условий внешней среды. Основные процессы пивоваренного производства связаны с получением и брожением пивного сусла дображиванием выдержкой и осветлением пива.
Цель процесса приготовления пивного сусла – получение водного раствора ценных сухих веществ зернового сырья и хмеля в соотношении определяемом сортом пива и жизнедеятельностью дрожжей при минимальных потерях и затратах.
Для более тесного соприкосновения экстрагируемых веществ с водой облегчения и ускорения их растворения зерновое сырье измельчают. Дробление стремятся вести так чтобы мучнистая часть зерна превратилась в мелкую крупку и муку а оболочку сохранить и использовать в качестве фильтрующего слоя. Весьма целесообразно дробить увлажненный солод что позволяет устранить потери на распыл характерные для дробления сухого солода увеличить выход экстракта на 25 30 % и сократить продолжительность фильтрования затора на 20 25 %.
В солоде и несоложеных зерновых материалах содержание водорастворимых веществ составляет 10 15 %. Большая часть ценных сухих веществ представленных в основном крахмалом и белком находится в нерастворимом состоянии. Для перевода в растворимое состояние их в процессе затирания подвергают ферментативному гидролизу. Процесс смешивания дробленых зернопродуктов с водой называется затиранием а полученная смесь – затором.
Основной целью затирания является перевод сухих веществ солода и несоложеных материалов в растворимое состояние под действием ферментов солода и применяемых ферментных препаратов. Солод для сусла и пива является не только источником получения экстрактивных веществ но и источником ферментов под действием которых нерастворимые вещества самого солода и несоложеных материалов переходят в раствор. В солоде высокого качества активность ферментов высокая позволяющая провести необходимые биохимические изменения в заторе при использовании до 15 % несоложенного сырья. При большом расходе несоложеных материалов добавляют ферментные препараты.
На действие ферментов и экстрагирование растворимых веществ зернового сырья влияет гидромодуль затирания. С увеличением концентрации затора скорость ферментативных реакций замедляется что заметно при увеличении концентрации свыше 16 %. Поэтому обычно при затирании используют соотношение дробленых зернопродуктов к воде 1 : 4 чтобы концентрация первого сусла не превышала 16 %.
При производстве темных сортов пива применяют жженый или карамельный солод который измельчают до тонкого помола затирают при температуре 80 90°С в течение 30 мин а затем подают в общий затор.
Затор готовят двумя способами: настойным (инфузионным) и отварочным (декокционным). При настойном способе сухой дробленый солод смешивают с водой требуемой температуры в дальнейшем затор медленно со скоростью 1 °мин подогревают с выдержкой белковой и мальтозной пауз пауз осахаривания и общего осахаривания. Длительность пауз определяют качеством солода и сортом приготовляемого пива и колеблется в пределах 20 30 мин. Настойный способ применяется при использовании только хорошо растворенного солода с высокой ферментативной активностью позволяет сократить продолжительность затирания и снизить энергозатраты.
Отварочные способы характеризуются тем что часть затора (называемая отваркой) подвергается кипячению с целью клейстеризации крахмала что облегчает воздействие на него ферментов и увеличивает выход экстракта. По количеству отварок различают одно- двух- и трехотварочный способы. Наиболее распространенными в промышленности являются одно- и двухотварочный способы. При использовании несоложеного сырья применяют способы совместного затирания с солодом или предварительной раздельной подготовки его с последующим соединением с солодовым затором.
Брожение пивного сусла – сложный биохимический процесс во время которого под действием ферментов пивных дрожжей сбраживается основное количество углеводов сусла. Потребительские свойства пива существенно зависят от вида применяемых дрожжей определяющих вкус и аромат готового продукта.
Для отдельных сортов темного пива применяют специальные расы дрожжей верхового брожения.
Существуют низовое и верховое брожение. Они отличаются применяемыми расами дрожжей и температурным режимом. Низовое брожение протекает обычно при 6 10 °С верховое – при 14 25 °С. Оба типа брожения протекают в две стадии: первую принято называть главным брожением вторую дображиванием.
Главное брожение характеризуется более или менее интенсивным сбраживанием большей части сахаров сусла. В условиях ведения главного брожения на начальной стадии одновременно происходит как брожение так и интенсивное размножение дрожжей. Биомасса дрожжей увеличивается в 3 4 раза. Но при нормальном брожении размножение дрожжей заканчивается задолго до конца брожения.
Основным биохимическим процессом при главном брожении является превращение сбраживаемых сахаров в этанол и диоксид углерода. Процессом сопутствующим спиртовому брожению является образование из аминокислот высших спиртов которые оказывают влияние на аромат и вкус пива. Высшие спирты являются своеобразными побочными продуктами брожения.
Качество пива существенно зависит от окислительно-восстановительного потенциала сбраживаемого сусла. При высоком значении этого потенциала происходят окислительные процессы в результате чего сусло и молодое пиво становятся темнее ухудшается вкус готового пива может появиться муть. Большую роль в изменении окислительно-восстановительного потенциала играют дрожжи. Они тормозят окислительные процессы быстро поглощая растворенный в сусле кислород затрачивая его на обменные реакции. Кроме того выделяющийся диоксид углерода вытесняет кислород из сусла что также замедляет окисление.
Из других физико-химических процессов важное значение для брожения имеют коагуляция белковых веществ и пенообразование. Образование спирта эфиров и понижение рН сбраживаемого сусла способствует коагуляции белковых веществ. Белковые вещества частично денатурируют частично теряют свой заряд и флокулируют. Происходит выделение некоторых фракций белков в виде крупных агрегатов с одновременной агглютинацией и осаждение дрожжей. Выделяются в основном белковые вещества изоэлектрическая точка которых близка к рН молодого пива. При этом осаждается и часть тонких взвесей (белково-дубильные соединения) которые поступили в бродильный аппарат с суслом.
Пенообразование обусловлено выделением пузырьков диоксида углерода. Образующийся в ходе брожения диоксид углерода сначала растворяется в сбраживаемом сусле а по мере насыщения сусла выделяется в виде газовых пузырьков. На поверхности газовых пузырьков появляется адсорбционный слой поверхностно-активных веществ (белки пектин хмелевые смолы). При слипании отдельных пузырьков появляется пена постепенно покрывающая поверхность сусла. В процессе брожения сусла внешний вид пены изменяются: в определенный период она напоминает завитки. Основу для образования завитков создают коагулируемые белки и выделяемые хмелевые смолы а их формирования – диоксид углерода.
Дображивание и выдержка пива имеют решающее значение для вкуса пенистости и стойкости пива. В этот период протекают те же процессы что и при главном брожении но более медленно. Уменьшение скорости биохимических процессов обусловлено в основном более низкой температурой и меньшим количеством дрожжевых клеток в единице объема сбраживаемого продукта так как основная масса дрожжей удаляется из него после окончания главного брожения.
Важным процессом при дображивании и выдержке является карбонизация пива т.е. насыщение пива СО2 – важнейшей составной частью пива которая придает пиву приятный и освежающий вкус способствует пенообразованию предохраняет пиво от соприкосновения с кислородом воздуха служит консервантом подавляя развитие посторонних и вредных микроорганизмов.
Насыщение пива газом осуществляется при длительной выдержке пива в спокойном состоянии. Связывание и накопление углекислоты в пиве возможно благодаря тому что дображивание происходит в закрытых емкостях под избыточным давлением. Этот процесс называется шпунтованием. В шпунтованном пиве большая часть углекислоты находится в пересыщенном состоянии. Молодое пиво после главного брожения содержит около 02 % растворенной углекислоты а готовое пиво– не менее 035 040 %. В среднем при нормальных условиях дображивания пересыщение пива углекислотой достигает 30 40 %.
Существенное отличие пива от газированной воды заключается в сохранении пересыщения пива диоксидом углерода после снятия давления. Медленное выделение углекислоты при употреблении пива объясняется адсорбционными свойствами коллоидно-растворимых веществ содержащихся в его экстракте.
Весьма важным процессом при дображивании и выдержке является осветление пива путем его продолжительного отстаивания. Цель осветления – удаление из пива твердых частиц для придания ему высокой прозрачности биологической и белково-коллоидной стойкости без ухудшения вкуса аромата и снижения пеностойкости.
Для удаления как можно большего количества частиц способных к образованию мути осветление необходимо вести при низких температурах (около 0 °C). С понижением температуры пива происходит выделение тех веществ которые при температурных условиях главного брожения являлись еще растворимыми. Наступает помутнение которое обусловливается главным образом белково-дубильными соединениями. Скорость и степень осветления зависят от характера и величины взвешенных частиц. Чем тяжелее и крупнее взвешенные частички тем быстрее наступает осветление. Дрожжевые клетки оседают быстрее чем белковые вещества. Тончайшие взвешенные частицы оседают очень медленно. Для их осаждения при 2 4°С требуется продолжительное время. Однако оседающие дрожжи сорбируют белковую муть и другие взвеси увлекая их на дно резервуара.
Особое значение при дображивании и выдержке имеют процессы созревания пива заключающиеся в формировании аромата вкуса и других потребительских свойств готового продукта. В период созревания протекают биохимические химические и физико-химические процессы. Вследствие окислительных процессов исчезают вещества которые обусловливают неприятный букет молодого пива. При выдержке вкус пива улучшается выраженный дрожжевой привкус и привкус хмелевой горечи исчезают. Уменьшение горького вкуса при выдержке пива объясняется коагуляцией и старением хмелевых смол. Это одна из причин перехода грубого горького вкуса в благородный. Дрожжевой привкус исчезает в результате оседания дрожжей.
Созревшее выдержанное пиво является сложной полидисперсной системой с содержанием твердой фазы 015 001 % на сухое вещество. Частицы твердой фазы пива можно разделить на три группы: дрожжи и микроорганизмы размером 1 10мкм; белки полифенолы и углеводы размером 01 10 мкм; соли различных металлов посторонние частицы (адсорбенты частицы покрытия резервуаров). Основную массу твердой фазы составляют дрожжи (около 90 %).
По структуре и форме вещества твердой фазы различают хлопьевидные (белок) желеобразные (крахмал и гуми-вещества) и кристаллические (соли различных металлов). Белковые и полифенольные комплексы нестабильны что может привести к образованию мути в готовом пиве. Эти реакции частично обратимы выпадение мути происходит при охлаждении пива.
Осветление пива методом отстаивания не достигается в достаточной степени поэтому готовое пиво дополнительно осветляют сепарированием фильтрованием или тем и другим вместе.
Сепарирование пива основано на интенсификации процесса осаждения примесей при помощи центробежной силы. Сепаратор для осветления пива отличается от сепаратора для осветления сусла конструкцией барабана: для осветления сусла применяют камерный барабан а для пива – тарельчатый.
Преимущества сепарирования: снижение производственных потерь пива более легкий переход от пива одного сорта к пиву другого сорта. Однако сепараторы обладают невысокой эффективностью осветления: плохо выделяются частицы высокой степени дисперсности. Поэтому сепарированное пиво не имеет блеска. При сепарировании хорошо выделяются дрожжи поэтому его применяют для предварительного осветления пива при высоком содержании плохо флокулирующих дрожжевых клеток (более 15 млн в 1 см3).
Фильтрование – наиболее эффективный способ очистки пива от примесей. Фильтрацию пива производят через намывной слой фильтрующего материала либо через фильтр-картон. В намывных фильтрах в качестве фильтрующего материала чаще всего используют диатомитовые порошки. Они механически задерживают частицы мути (смолы белковые вещества дрожжевые клетки и др.). Их готовят из сырого диатомита который представляет собой остатки кремнистых панцирей одноклеточных микроскопических водорослей – диатомий.
Диатомитовые фильтры обеспечивают хорошее фильтрование и высокую производительность при содержании дрожжевых клеток 015 03 млн в 1 см3 нефильтрованного пива. При большем содержании дрожжей производительность фильтра снижается поэтому рекомендуется использовать сепараторы для предварительного осветления пива.
Для осветляющего и стерильного фильтрования применяют картон. Размер пор картона для осветляющего фильтрования 10 15 мкм для стерильного – 3 5 мкм. Картон изготавливают из древесной и хлопковой целлюлозы с добавлением асбеста. Во избежание попадания волокон асбеста в фильтр одна сторона картона имеет пористое полимерное покрытие.
В настоящее время самым удобным фильтрующим материалом считается инфузорная земля – кизельгур. Этот материал образует фильтровальный слой со значительной структурной расчлененностью поверхности что позволяет ей задерживать частицы меньше чем средний размер промежутков. В зависимости от фракционного состава инфузорной земли кизельгуровые фильтры могут задерживать частицы размер которых превышает 2 5 мкм. С помощью этих фильтров выполняют стерильное фильтрование пива.
Однако если пиво инфицировано то в нем присутствуют бактерии размеры которых существенно меньше размеров пор фильтрующего материала. Для обеспложивания пива проводится пастеризация и стерилизация путем тепловых химических радиационных и др. процессов. В результате таких воздействий микроорганизмы гибнут или разрушаются благодаря чему повышается стойкость продукта. Стойкость непастеризованного пива – не менее 8 сут пастеризованного и обеспложенного – не менее 30 сут. Перспективным направлением эффективного обеспложивания пива является применение ультрафильтрационных установок.
Готовое пиво фасуют в новые и оборотные бутылки вместимостью 05 и 033дм3 изготовленные из прозрачного стекла оранжевого или зеленого цвета. Такие цвета снижают отрицательное виляние на пиво дневного света и способствуют сохранению его качества. Пиво фасуют также в новые полимерные бутылки вместимостью 05 2 дм3 бочки кеги автоцистерны. Бутылки должны быть стандартными с гладкой поверхностью со стенками равномерной толщины термостойкими. Они должны выдерживать внутреннее давление не менее 008 МПа. Во избежание потерь СО2 используют изобарический принцип фасования.
Стадии технологического процесса. Приготовление пива можно разделить на следующие стадии:
– подготовка и дробление солода и несоложеных материалов;
– получение пивного сусла;
– сбраживание сусла и дображивание пива;
– фильтрование и осветление пива;
– упаковывание в потребительскую и транспортную тару.
Характеристика комплексов оборудования. Начальные стадии технологического процесса выполняются с помощью комплексов оборудования для измельчения солода и приготовления пивного сусла: дробилки заторные и варочные агрегаты фильтрационные сусловарочные аппараты и хмелеотборные аппараты.
Следующим идет комплекс оборудования линии для охлаждения и осветления пивного сусла состоящий из холодильных компрессионных установок теплообменных аппаратов и пластинчатых теплообменников отстойных аппаратов и сепараторов.
Ведущий комплекс оборудования линии предназначен для брожения (дображивания) пива и состоит из бродильных аппаратов и танков установок для непрерывного брожения и дображивания.
Завершающим является комплекс оборудования для получения готового пива включающий фильтр-прессы сепараторы диатомитовые и кизельгуровые фильтры для осветления пива а также упаковочное оборудование.
Машинно-аппаратурная схема линии производства пива представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Машинно-аппаратурная схема линии производства пива
Устройство и принцип действия линии. Пивоваренный солод выгружают из автотранспорта в приемный бункер 1 из которого он транспортируется норией 2 через весы 3 в распределительные шнековые конвейеры 4 обеспечивающие загрузку сырья в силосы 5. В них солод выдерживается 4 5 недель и благодаря гигроскопичности приобретает равновесную влажность 5 6 %.
Отлежавшийся солод по возможности надобности выгружают из силоса 5 через магнитный уловитель и весы 6 на ленточный конвейер 7. С последнего солод с помощью нории 8 и шнекового конвейера 10 загружают в бункеры суточного запаса 11.
Аналогичным образом ячмень используемый в качестве несоложенного сырья загружают и хранят в силосах а затем загружают конвейером 9 в бункер 11.
Из бункера 11 солод через магнитный уловитель 12 и весы 13 падают в полировочную машину 14 для очистки от пыли и остатков ростков. После этого солод измельчают в вальцовой дробилке 15 и накапливают в бункере 17. Зерно ячменя через магнитный уловитель и весы подают в вальцовый станок 16 а после измельчения загружают в бункер 17.
Перерабатывать солод различного качества позволяет двухотварный способ затирания при котором можно легко корректировать технологический режим. Для приготовления пивного сусла этим способом в заторный аппарат 20 предварительно набирают около половины всего количества воды необходимого для затирания включают мешалку и через предзаторник загружают из бункеров 17 дробленые зернопродукты и смешивают с теплой водой (40 45 °С). После окончательного перемешивания (затирания) затор нагревают до 45 52 °С и выдерживают белковую паузу 15 30 мин.
Затем густую часть (около 40 %) заторной смеси (затора) перекачивают насосом 19 в другой заторный (отварной) аппарат 18. В нем затор медленно подогревают до 61 63 °С и выдерживают мальтозную паузу 20 30 мин.
После этого затор в аппарате 18 осахаривают 15 30 мин при 70 72 °С а затем доводят до кипения и кипятят в течение 20 30 мин. Вначале крахмал расщепляется до декстринов а затем при 75 77 °С происходит общее осахаривание крахмала. Кипячение необходимо для разваривания крупных частиц солода заторной массы.
Первую отварку из аппарата 18 медленно возвращают в заторный аппарат 20 и смешивают с основным затором чтобы повысить его температуру до 61 63 °С и выдерживают мальтозную паузу 15 20 мин. После этого около 30 % основного затора (его густую часть) снова перекачивают в отварной аппарат 18 нагревают до 70 72 °С выдерживают 15 20 мин нагревают и кипятят 7 10 мин.
Готовую вторую отварку медленно перекачивают из аппарата 18 в аппарат 20 к основному затору. При этом температура затора поднимается до 70 72 °С и в течение 20 30 мин проводится осахаривание крахмала. Продолжительность выдержки может быть увеличена (но не более 1 ч) до полного осахаривания затора если качество солода понижено. После полного осахаривания затор подогревают до 75 77°С и перекачивают насосом 19 в фильтрационный аппарат 24.
При всех стадиях затирания для интенсификации тепло- массообменных и ферментативных процессов во время подогрева заторной массы в аппаратах 18 и 20 работают мешалки с большой частотой вращения; во время выдержек затора при различных температурных паузах мешалки вращаются медленнее.
Затор при фильтровании разделяют на две фракции: жидкую (пивное сусло) и твердую фазу (дробину). В фильтрационном аппарате 24 сусло отделяется через твердую фазу затора.
Фильтрационный аппарат представляет собой цилиндрический сосуд с плоским дном. На расстоянии 8 12 мм от основного дна расположено второе ситчатое дно которое служит основанием для дробины. Для полного извлечения экстрактивных веществ из дробины внутри чана находятся разрыхлительный механизм и сегнерово колесо. Фильтрационный аппарат снабжен регулятором давления который позволяет регулировать скорость фильтрования и указывает величину разности уровней жидкости в фильтрационном чане и резервуаре регулятора. Во избежание охлаждения затора при фильтровании боковые стенки фильтрационного чана покрыты теплоизоляцией.
Во время перекачки затора дробину равномерно распределяют по всей поверхности сит фильтрационного аппарата чтобы использовать слой дробины в качестве фильтрационного материала.
Процесс фильтрования затора подразделяют на две стадии: фильтрование первого сусла т.е. сусла получаемого при фильтровании затора и промывание дробины водой с целью извлечения экстрактивных веществ. Первые порции фильтрата получаются мутными его насосом 23 перекачивают обратно в фильтрационный чан. В дальнейшем на фильтрующем материале образуется слой взвешенных частиц через которые фильтруется затор и получается прозрачное сусло. Его направляют в сусловарочный аппарат 27.
При фильтровании сусла и промывке дробины поддерживают температуру 75 78 °С для того чтобы сохранить a-амилазу которая расщепляет остатки неосахаренного крахмала вымываемого из дробины.
Скорость фильтрования сусла в фильтрационном чане зависит от качества затора живого сечения сит и высоты слоя дробины который не должен превышать 30 35 см. Чем лучше растворен солод и лучше сохранена оболочка при дроблении тем рыхлее лежит слой дробины и быстрее проходит фильтрование. Следует следить чтобы затор не охлаждался ниже 75 °С. Фильтрование первого сусла продолжается 1 15 ч.
После фильтрования первого сусла в дробине остается еще 30 % сусла; для его извлечения дробину промывают водой которую нагнетают насосом 23 из сборника 21. При этом применяют разрыхлитель и ороситель. Ножи разрыхлителя разрезают дробину а вода поступающая из оросителя равномерно растекается по дробине и вымывает оставшийся в ней экстракт. Воду подают при работе разрыхлителя до появления ее над поверхностью дробины. При фильтровании необходимо следить за тем чтобы вода покрывала дробину и температура ее была не ниже 75 °С и не выше 80 °С.
После спуска последней промывной воды дробину с минимальным содержанием экстракта выгружают насосом 22 из фильтрационного чана в специальный бункер а сита и чан тщательно моют и готовят для фильтрования следующего затора.
Для интенсификации процесса разделения затора на жидкую и твердую фазы перспективно использование центробежных способов с применением центрифуг и сепараторов.
Отфильтрованное сусло и промывные воды собирают в сусловарочный аппарат 27 где и кипятят с хмелем. С момента когда поступающее из фильтрационного чана сусло покроет дно сусловарочного котла и до конца поступления промывных вод температуру жидкости поддерживают на уровне 75 78 °С. После спуска всех промывных вод проверяют полноту осахаривания и начинают кипятить сусло.
Экстракт хмеля дозируют насосом 26 из сборника 25. Хмель дозируют в сусло в два или три приема причем последнюю порцию – незадолго до конца кипячения. Доза хмеля зависит от сорта пива качества и способа внесения хмеля. Количество хмеля тем больше чем выше концентрация сусла. Чем больше должна быть стойкость пива тем короче продолжительность кипячения с хмелем. Светлые сорта пива охмеляются сильнее чем темные и хмелевая горечь их больше.
Наиболее эффективно применять хмель в виде экстракта. При этом повышается стойкость пива и упрощается технологический процесс охмеления сусла.
Для улучшения вкусовых свойств пива рекомендуется сначала кипятить сусло без хмеля тогда на белки будут действовать дубильные вещества солода. При добавлении хмеля к суслу частично освобожденному от белков оно приобретает сильный хмелевой аромат но без грубой горечи. Если же в сусло добавить хмель в начале кипячения дубильные вещества солода как более слабые не взаимодействуют с белками и остаются в растворе придавая суслу грубоватый вкус.
Для проведения дальнейших стадий технологического процесса приготовления пива требуется биологическая чистота сусла от которой зависит стойкость конечного продукта – пива. Для этой цели достаточна длительность кипячения 20 25 мин однако на практике сусло кипятят около 15 2 ч. Только длительное кипячение сусла позволит закрепить нужное соотношение отдельных фракций белковых веществ свертывание некоторых неустойчивых белковых веществ в виде крупных хлопьев которые в дальнейшем выпадут в осадок и приведут к осветлению сусла.
После кипячения сусло должно хорошо осветляться т.е. свернувшиеся крупными хлопьями белки должны быстро осаждаться на дне пробного стаканчика а сусло должно быть прозрачным.
Осветление и охлаждение сусла проводят с целью удалить взвешенные частицы из сусла понизить температуру до благоприятной для процессов брожения и насытить его кислородом воздуха. Прошедшее через слой хмелевой дробины горячее сусло прозрачно. Но при охлаждении из него продолжают выделяться грубые взвеси которые образуются во время кипячения сусла с хмелем. Основное количество этих взвесей выделяют из сусла в сепараторе – хмелеотборнике 28. Горячее пиво поступает в сборник 29 а затем перекачивается насосом 30 в гидроциклонный аппарат 31. В нем сусло охлаждают сравнительно медленно до 60 70 °С.
При охлаждении сусла выделяются вещества растворимые в горячем и нерастворимые в холодном сусле. Осадок образующийся на второй стадии называется «холодным» или тонким осадком. Осаждение взвешенных частиц – осветление сусла – положительно влияет на протекание последующего процесса брожения и улучшает качество пива.
В горячем сусле кислород растворяется незначительно; с понижением температуры сусла растворимость кислорода (как и других газов) увеличивается. Окислительные процессы за счет поступающего кислорода энергичнее протекают при более высокой температуре: сусло темнеет резко понижаются хмелевые аромат и горечь. Эти процессы ухудшают качество сусла. Однако кислород содействует коагуляции белков и образованию хорошего осадка в сусле благодаря чему оно лучше осветляется. Чтобы сократить нежелательные окислительные процессы до минимума общая продолжительность осветления и охлаждения сусла не должна превышать 100мин.
После этого сусло перекачивают насосом 32 в пластинчатый теплообменник 33 для быстрого охлаждения до начальной температуры брожения: до 6 7 °С при низовом брожении или 14 16 °С при верховом брожении. Быстрое охлаждение сусла производят для того чтобы снизить опасность инфицирования.
Разведение чистой культуры дрожжей необходимо для увеличения массы дрожжей из пробирки получаемой из музейной коллекции до массы разводки дрожжей дозируемой в бродильный аппарат. Первые стадии размножения дрожжей осуществляют в микробиологической лаборатории а затем в производственных условиях на оборудовании линии.
В стерилизатор 34 набирают горячее охмеленное сусло кипятят и охлаждают до 8 12 °С. Охлажденное сусло направляют в бродильный аппарат 35 куда переносят лабораторную разводку чистой культуры дрожжей. Сбраживание сусла продолжают в течение 3 сут. При этом дрожжи размножаются и их биомасса увеличивается. После брожения из аппарата отбирают часть разводки дрожжей (10 дм3) в сосуд для посевных дрожжей где она хранится до следующего пересева. Основную часть разводки дрожжей из аппарата перекачивают во второй бродильный аппарат 36 в котором дрожжи размножаются в течение 3 сут. Сброженная биомасса поступает в бродильный аппарат 37 вместимостью 1000 дм3 куда доливают 300 дал заводского охмеленного сусла а через 12 ч – еще 400 дал. Через 36 ч забродившее сусло в качестве дрожжевой разводки сжатым воздухом передавливается в ток сусла поступающего на брожение.
На следующих циклах бродильные аппараты освобожденные от дрожжей заполняют стерильным суслом из стерилизатора и засевают дрожжами хранящимися в сосудах (10 дм3). Процесс размножения дрожжей в аппарате повторяют многократно до обнаружения в дрожжах посторонней микрофлоры.
Избыточные семенные дрожжи из аппарата главного брожения 42 с помощью вакуум-насоса 39 через промежуточный вакуум-сборник 40 направляются в вибрационное сито 38. Дрожжи обрабатывают на вибросите для отделения крупных хлопьев белковых веществ и хмелевых смол а затем тщательно промывают холодной водой температурой 1 2 °С. Очищенные жидкие дрожжи поступают в сборник 41 для повторной подачи в аппарат 42 или для отгрузки на реализацию.
Брожение пивного сусла производят в бродильных аппаратах (танках). Бродильные аппараты 42 44 и 45 представляют собой закрытые резервуары из нержавеющей стали цилиндрической формы.
В аппарат главного брожения 42 дозируют бродильную смесь полученную при перемешивании дрожжевой разводки и холодного охмеленного сусла путем продувания стерильного воздуха или диоксида углерода. Брожение в аппарате 42 протекает в несколько стадий. Они отличаются друг от друга и характеризуются изменением внешнего вида поверхности бродящего сусла изменением температуры понижением экстрактивности сусла и степенью осветления пива.
Продолжительность главного брожения зависит от экстрактивности сусла и температуры брожения. При холодном способе продолжительность брожения сусла с экстрактивностью 11 13 % составляет 7 8 сут 14 20 % – 9 12 сут. Главное брожение считается законченным если произошло осветление молодого пива а за сутки сброжено 01 02 % экстракта сусла.
Молодое пиво из аппарата 42 насосом 43 перекачивают в аппараты для дображивания и созревания пива (лагерные танки) 44 и 45. Дображивание пива проводят при температуре 1 2 °С в закрытых аппаратах без контакта с воздухом под давлением диоксида углерода 004 006 МПа. Для проведения выдержки пиво под определенным постоянным давлением применяют специальные регуляторы давления называемые шпунтаппаратами.
Сначала процесс дображивания протекает при открытом шпунтовом отверстии и только по истечении некоторого времени (через 1 2 сут) танки герметически закрывают. Сразу после перекачки молодое пиво шпунтовать нельзя так как в танках над пивом имеется 2 4 % воздушного пространства. При повышенном давлении воздух может раствориться в пиве и будет препятствовать процессу созревания. За несколько дней до шпунтования весь воздух над поверхностью пива успеет вытесниться диоксидом углерода.
Общая продолжительность дображивания и созревания пива в аппаратах 44 и 45 составляет 11 90 сут в зависимости от вида приготовляемого пива и принятой технологии. Ход дображивания и выдержки контролируют по убыли экстракта увеличению содержания диоксида углерода и алкоголя степени осветления и наконец по аромату вкусу и пенистости. Показателем окончания дображивания является конечная степень сбраживания. Для получения более стойкого пива достигают почти конечной степени сбраживания разница составляет только 1 2 %.
Наряду с периодическим способом брожения и дображивания пива в нашей стране и за рубежом применяют непрерывные и ускоренные методы. Для получения пива эффективно используют цилиндроконические бродильные аппараты большой вместимости (ЦКБА). Этот аппарат 47 представляет собой выполненный из нержавеющей стали вертикальный цилиндрический сосуд с коническим днищем оборудованный поясами охлаждения благодаря которым можно устанавливать индивидуальный температурный режим по высоте. Внутренняя поверхность полированная.
В аппарате 47 совмещены процессы главного брожения дображивания и созревания пива. Аппарат заполняют суслом и дрожжевой разводкой причем сусло насыщают воздухом при помощи специального аэратора. Процесс брожения начинают при температуре 9 10 °С. В течение первых двух суток температуру повышают до 14 °С. Главное брожение заканчивают когда содержание сухих веществ в сусле снизится до 22 26 %.
Дображивание и созревание молодого пива начинают с охлаждения нижней конической части аппарата 47 до температуры 0 2 °С при этом происходит осаждение дрожжей. В цилиндрической части аппарата в верхней зоне поддерживают температуру 13 14 °С в нижней – 10 13 °С избыточное давление 004 005 МПа. После завершения дображивания в рубашку цилиндрической части аппарата подают хладагент и доводят температуру всей массы пива до 0 2 °С что обеспечивает оптимальные условия для его осветления.
Продолжительность процесса в цилиндроконическом аппарате 47 существенно сокращена по сравнению с резервуарными аппаратами 42 44 и 45. Она прежде всего зависит от концентрации сухих веществ в сусле. Общая продолжительность брожения и дображивания пива для сусла с экстрактивностью 11 % до 12 14 сут для 12 % – до 18 20 для 13 % – до 22 25 сут.
Созревшее пиво осветляют на кизельгуровом фильтре 48 иногда дополнительно подвергают тонкому обеспложивающему фильтрованию в фильтре 49 и собирают в сборник 50 готового пива.
Комплекс оборудования для фасования пива в потребительскую и торговую тару работает следующим образом. Автопогрузчик 51 подает пакеты с пустыми бутылками в пакеторасформировывающую машину 52 и машину для выемки бутылок 53. Далее с помощью системы конвейеров пустые бутылки через световой экран загружаются в бутылкомоечную машину 54. Качество мойки контролируют в инспекционной машине 55. Бутылки заполняются пивом в фасовочной машине 56 и укупориваются в машине 57. Контроль заполнения и укупорки бутылок осуществляют во второй инспекционной машине 58 а затем наносят этикетку и оформляют бутылки в этикетировочной машине 59. После этого бутылки укладывают в ящики в машине 60 формируют пакеты в машине 61 и направляют эти пакеты автопогрузчиком 62 в экспедицию. При реализации свежего пива без продолжительного хранения нефильтрованное созревшее пиво загружают в мерный сосуд 63 для дозированной подачи в автоцистерны 64 или другие специальные емкости.
ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СУСЛОВАРОЧНЫХ АППАРАТОВ (ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК)
Сусловарочные аппараты предназначены для варки пивного сусла с хмелем и выпаривания части воды для получения сусла определенной плотности. По конструкции эти аппараты аналогичны заторным и представляют собой сварной цилиндрический резервуар с паровой рубашкой сферическим днищем и крышкой обеспечивающей интенсивную круговую циркуляцию кипящего сусла.
В сусловарочных аппаратах открытого типа ВСЦ-1А и ВКС-5 (на 1 и 5 т затора) интенсивность испарения составляет 5 6 % в час при длительности кипячения сусла 15 20 ч. При кипячении сусла под давлением 003 005 МПа в аппаратах ВСЦ-15 и ВСК-3 (на 15 и 3 т затора) достигается более полная коагуляция белков повышаются биологическая стойкость пива и коэффициент теплоотдачи.
Сусловарочный аппарат ВСЦ-15 (рисунок 2) представляет собой сварной стальной цилиндрический резервуар 4 с двойным сферическим днищем 7 и сферической крышкой 1. Пространство между сферами днищ является паровой рубашкой в которую подается греющий пар. Паровая рубашка имеет соответствующие фланцы и устройства для подвода пара отвода воздуха и конденсата.
Рисунок 2 - Сусловарочный аппарат ВСЦ-15 (ВКС-5).
В нижней части сферического днища аппарата смонтировано разгрузочное устройство 14 для выпуска сусла из котла. Управление разгрузочным устройством осуществляется с помощью зубчатой конической передачи 9 поворотом любого из двух маховиков. Маховичок 8 закреплен на поворотной оси устройства а маховичок 3 — на стойке находящейся на площадке 6 для обслуживания. Над сферическим днищем внутри аппарата размещена пропеллерная мешалка 15 для размешивания сусла в целях лучшей его циркуляции в процессе кипячения.
Внутри аппарата по его периметру закреплен трубчатый ороситель 22 для гашения водой волнообразования возникающего на поверхности кипящего сусла; там же расположен трап для обслуживающего персонала. Через крышку установлена труба 23 в которой помещается мерная линейка 17 для определения уровня сусла в аппарате. Труба опущена ниже уровня сусла что создает в зоне ограниченной стенками трубы ровную поверхность сусла во время кипячения и позволяет правильно определить его уровень.
Для контроля за температурой в аппарате устанавливается термометр сопротивления 2 с термопарой укрепленной в корпусе аппарата.
Крышка имеет вытяжной штуцер 29 в котором расположен конический клапан 28 позволяющий герметически закрывать аппарат в процессе выпаривания сусла. С помощью клапана также регулируется тяга в случае использования аппарата для выпаривания сусла без давления. Управление клапаном производится маховичком 37 установленным на краю крышки. Храповое устройство 38 позволяет фиксировать клапан в любом промежуточном положении.
В вытяжном штуцере имеется конденсатосборник 27 для сбора образующегося конденсата удаляемого по трубе 26 которая выведена наружу и при монтаже аппарата присоединяется к канализационной сети.
На крышке аппарата смонтирована система трубопроводов. На трубе 30 по которой поступает вторичный пар из аппарата в теплообменник установлены предохранительный клапан 33 с перепуском пара в трубу 32 и вентиль 34. Труба 25 и вентиль 24 предназначены для снятия давления в аппарате в случае необходимости. На крышке также расположен люк 31 с противовесом 42 для обслуживания аппарата. В целях освещения поверхности продукта находящегося в аппарате на крышке имеются два смотровых окна 35 на одном из которых смонтирован рефлектор 41 с лампочкой 40.
Сусло поступает в аппарат из фильтрационного чана по патрубку 36 и трубе 16 которая опущена в нижнюю часть аппарата что обеспечивает правильную циркуляцию сусла. Вода к оросителю подается через патрубок 39.
Управление вентилями подачи пара в рубашку и отвода воздуха производится маховичком 20 который вынесен на вертикальную стойку установленную на площадке для обслуживания. На стойке находится манометр 21 для контроля за давлением пара.
На паропроводе перед аппаратом расположены предохранительный 18 и редукционный 19 клапаны отрегулированные на рабочее давление. Аппарат имеет опорное кольцо 5 с опорами для установки на площадке. Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 11 через червячный редуктор 12 которые смонтированы на фундаменте 10. Приводной вал мешалки сборный и соединяется с помощью муфт 13.
После набора сусла и подачи хмеля аппарат герметизируют и в паровую рубашку подают греющий пар. Когда сусло начинает закипать и давление в аппарате повышается до 003 МПа перекрывают паровой вентиль оставляя в нем небольшую щель для поддержания в сусле постоянной температуры кипения — примерно 105 °С. При этой температуре сусло выдерживают около 1 ч после чего прекращают подачу пара и постепенно открывают конический клапан вытяжного штуцера аппарата. Давление в аппарате начинает падать а пивное сусло интенсивно кипеть.
Кипячение сусла под давлением наряду с сокращением продолжительности варки и экономией расхода пара способствует более полному выпадению белков что в свою очередь улучшает осветление готового сусла и ускоряет его фильтрацию при этом полнее используются экстрактивные и ароматические вещества хмеля.
В результате выполнения курсового проекта проведён патентный поиск. Рассмотрим наиболее близкие по значению конструкции. Известно изобретение (патент №1 RU 2039800 авторы: Артамонов Ю.В. Белкин Е.К. Зашляпин Р.А.) Заторно-сусловарочный котел
Изобретение относится к области пищевой промышленности в частности к заторно-сусловарочным аппаратам минипивзаводов. Для обеспечения равномерного перемешивания затора исключения застойных зон пригорания и пенообразования цилиндрический сосуд заторно-сусловарочного котла снабжен паровой рубашкой а перколятор выполнен в виде цилиндра с входным и выходным патрубками пропеллерная мешалка расположена внутри перколятора.
Заторно-сусловарочный котел содержащий цилиндрический сосуд со сферическим днищем перемешивающее устройство с электроприводом и пропеллерной мешалкой крышку с вытяжной трубой люком для загрузки патрубками технического обслуживания и перколятор укрепленный в нижней части цилиндрического сосуда соосно перемешивающему устройству отличающийся тем что цилиндрический сосуд снабжен паровой рубашкой а перколятор выполнен в виде полого цилиндра с входным и выходным патрубками подключенными соответственно к патрубку подачи пара и патрубку слива конденсата причем пропеллерная мешалка расположена внутри перколятора.
Устройство по п. 1 отличающееся тем что отношение внутреннего диаметра перколятора к размаху лопастей пропеллерной мешалки равно 11-13.
Устройство по п. 1 отличающееся тем что отношение внутреннего диаметра цилиндрического сосуда к его высоте равно 10-12.
Рисунок 3 – Заторно-сусловарочный котел
Известно изобретение (патент №2 RU 94031757. авторы: Анисимов С.А. Жаркова Л.П. Мамкаева Л.В. Чернов Е.Е.). Гидроциклонный чан
Изобретение относится к пищевой промышленности в частности к гидроциклонным аппаратам. Для улучшения отделения белковой массы от сусла и снижения потерь осветленного сусла днище цилиндрического сосуда гидроциклонного чана выполнено с обратным конусом в вершине которого установлен патрубок слива осадка а со стороны патрубков слива осветленного сусла в днище установлен порог.
Гидроциклонный чан содержащий цилиндрический сосуд с патрубками тангенсального ввода сусла слива осветленного сусла слива осадка моющей головки расположенной в верхней части цилиндрического сосуда и с днищем с наклоном относительно горизонтали отличающийся тем что днище цилиндрического сосуда выполнено с обратным конусом в вершине которого установлен патрубок слива осадка а со стороны патрубков слива осветленного сусла в днище установлен порог.
Устройство по п.1 отличающееся тем что отношение диаметра цилиндрического сосуда к высоте его цилиндрической части равно 114 13.
Устройство по п.1 отличающееся тем что ось симметрии обратного конуса совпадает с осью симметрии цилиндрического сосуда.
Устройство по п.1 отличающееся тем что угол образующей обратного конуса относительно горизонтали равен 30o.
Устройство по п.1 отличающееся тем что угол наклона днища относительно горизонтали в сторону патрубков слива осветленного сусла равен 2 3o.
Устройство по п.1 отличающееся тем что отношение диаметра цилиндрического сосуда к диаметру основания обратного конуса равно 30; 35.
Устройство по п.1 отличающееся тем что патрубки слива осветленного сусла расположены на различной высоте цилиндрического сосуда.
Рисунок 4 –Гидроциклонный чан
Известно изобретение (патент №3 RU 97130 авторы: Третьяк Людмила Николаевна Герасимов Евгений Михайлович. Низкотемпературный сусловарочный котел
Низкотемпературный сусловарочный котел оснащенный паронагреваемой термостатирующей рубашкой и содержащий выпарной аппарат вынесенный за пределы котла отличающийся тем что котел оснащен выносными СВЧ-пастеризатором и теплообменным холодильным агрегатом при этом котел оснащен плавающей крышкой на которой размещены уровнемеры датчики контроля качества сусла и дозаторы технологических добавок функционально взаимосвязанные с управляющим микропроцессором.
Рисунок 5 – Низкотемпературный сусловарочный котел
РАСЧЁТ И ОПИСАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ЧАСТИ
Сусловарочные аппараты предназначены для варки пивного сусла с хмелем и выпаривания части воды для получения сусла определенной плотности. По конструкции эти аппараты представляют собой сварной цилиндрический резервуар с паровой рубашкой сферическим днищем и крышкой обеспечивающей интенсивную круговую циркуляцию кипящего сусла.
- избыточное давление - кПа;
- диаметр обечайки - м;
- материал оболочек - сталь Х18Н10Т;
- рабочая температура - .
Коэффициент прочности сварных швов принимаем равным .
Предел прочности при растяжении для стали Х18Н10Т принимаем равным МПа.
Коэффициент запаса прочности выбираем равным . Тогда допускаемое напряжение для стали Х18Н10Т при расчете данного аппарата будет равно:
Толщина стенки цилиндрической обечайки аппарата будет равна:
где с – прибавка на коррозию м.
Принимаем её в соответствии с сортаментом равную 12 мм.
Модуль упругости для стали Х18Н10Т примем Е=2·105 МПа и коэффициент Пуассона соответственно =03.
Коэффициент затухания для цилиндрической оболочки будет равен:
Коэффициент затухания для сферической оболочки (рисунок 6):
Рисунок 6 - Цилиндрическая и сферическая оболочки нагруженные внутренним давлением газа.
Значения некоторых вспомогательных параметров равны:
Краевые силы и моменты равны:
Рассчитываем нагрузки и деформации цилиндрической оболочки
- при нагружении ее давлением газа:
- при нагружени ее краевыми силами:
Рисунок 7 - Схемы нагружения цилиндрических оболочек краевыми силами (а) и краевыми моментами (б).
Определяем суммарные нагрузки и деформации:
- меридиональные усилия: Hм;
- кольцевые усилия: Hм;
- меридиональные и кольцевые моменты: ; ;
- линейные деформации:
- угловые деформации:
Меридиональные и кольцевые напряжения будут равны:
Эквивалентное напряжение равно:
Определяем затем напряжения в цилиндрической оболочке на расстоянии полуволны м (от края). Внутренние усилия от давления рассчитываем:
Внутренние нагрузки от краевых сил:
Суммарные усилия и моменты:
Напряжения будут равны:
Эквивалентные напряжения равны:
- для внутренних волокон:
- для наружных волокон:
В сечении значения напряжений находятся в допустимых пределах.
2 Расчет фланцевых соединений
Применение фланцевых соединений в аппаратах вызывается технологией изготовления как отдельных элементов аппаратов так и аппаратов в целом а также условиями их монтажа и эксплуатации в процессе которых их необходимо разбирать и собирать. Технологические отверстия в аппаратах должны быть прочно и плотно соединены с технологическими трубопроводами; отверстия для монтажа и осмотра (люки и лазы) – надежно заглушены.
Фланцевые соединения при рабочих параметрах давления и температуры должны быть герметичными прочными технологичными должны позволять быструю и многократную разборку и сборку.
Фланцевое соединение состоящее из двух фланцев и зажимаемой между ними прокладки является наиболее распространенным видом разъемного соединения частей аппарата. Стягивание фланцев производится либо только болтами либо гайками на болтах и шпильках.
Рассчитать фланцевое соединение между паровой рубашкой и устройством для отвода конденсата.
- давление в аппарате – МПа;
- рабочая температура – ;
- толщина стенки аппарата – мм;
Исходя из справочных данных (ГОСТ 12820-80) ориентировочно принимаем:
- внутренний диаметр фланца – 3300 мм;
- наружный диаметр привалочной поверхности – 3324 мм;
- наружный диаметр фланца – 3850 мм;
- диаметр болтовой окружности – 3600 мм;
- толщина фланца – 60 мм;
- диаметр болта – 60 мм;
- толщина прокладки – 5 мм.
Из этих данных находим геометрическую толщину прокладки:
Принимаем привалочные поверхности плоскими с двумя рисками. Приведенная и эффективная ширина прокладки соответственно будут равны:
Расчетный диаметр прокладки таким образом будет равен:
В качестве прокладочного материала выбираем мягкую резину находим коэффициент удельного давления и посадочное напряжение МПа.
Нагрузка на болты от давления будет равна:
– условное (или рабочее) давление;
– расчетный диаметр прокладки;
– коэффициент давления на прокладку.
Нагрузка на болты от затяжки:
– посадочное напряжение прокладки.
Принимаем кольцевую прокладку между привалочными поверхностями с двумя выступами (рисунок 8).
Болты будем изготовлять из стали Х18Н10Т при значении предела прочности болтов равного примерно 300 МПа допускаемое напряжение будет равно:
Рисунок 8 - Схема размещения кольцевых прокладок между привалочными поверхностями без выступов (а) с одним выступом (б) и с двумя выступами (в).
Допускаемая нагрузка на один болт:
– внутренний диаметр резьбы болта или шпильки м;
– конструктивная прибавка от 1 до 2 мм;
– допускаемое напряжение при растяжении Па.
– наибольшая нагрузка на болт;
– допускаемая нагрузка на один болт.
Принимаем количество болтов равное 72.
Фланцы изготовляем из стали Х18Н10Т для которой можно принять МПа. Тогда толщина фланца будет равна:
– диаметр окружности расположения центров болтов;
– окончательно принятое число болтов;
– диаметр отверстия под болт;
– допускаемое напряжение при изгибе фланца (принимаем меньше в 5-6 раз).
Толщину фланца окончательно принимаем равной 60мм.
3 Расчет опор аппарата
Опоры служат для установки на фундаменты и несущие конструкции. Только простые резервуары не имеют опор и устанавливаются непосредственно на фундамент.
Размеры и форма опор зависят в основном от величины и характера нагрузок от материала из которого сделан аппарат массы аппарата а также от расположения аппарата в пространстве. Если аппарат подвержен сотрясениям и динамическим усилиям то его опоры делаются массивными.
Опоры вертикальных аппаратов обычно свариваются из кусков листовой стали (рисунок 9). Такая конструкция наиболее распространена. Для того чтобы распределить реактивное усилие на большую площадь стенки сосуда и избегнуть ее смятия между опорой и стенкой больших или тонкостенных аппаратов помещают (приваривают) металлическую прокладку.
Рисунок 9 - Опора вертикального аппарата: 1 — основание; 2 — ребро.
Количество опор на вертикальных аппаратах берут от двух до четырех количество ребер ввариваемых в каждую опору зависит от нагрузки приходящейся на опору.
Наибольшая масса вертикального аппарата (при гидравлическом испытании) составляет 24000 кг. Аппарат выполнен из стали Х18Н10Т. Рабочая температура в аппарате не превышает 150º С.
Рассчитываем опоры аппарата при условии установки его на бетонный фундамент.
Поверхность опор можно найти по формуле:
– максимальный вес аппарат во время испытания когда аппарат и вся его аппаратура заполнены водой Н;
– допускаемое напряжение для фундамента Па.
Принимаем количество опор 2. тогда нагрузка на одну опору будет равна:
Опоры будут изготовлять из стали Х18Н10Т для которой при заданных условиях работы аппарата допускаемое напряжение на сжатие можно принять равным допускаемому напряжению на растяжение т. е. 100 МПа.
Рисунок 10 - График зависимости коэффициента гибкости от гибкости ребра опоры.
Пусть каждая опора будет изготовлена с одним ребром (). Принимая отношение вылета опоры к ее ширине а:с=0.9 получим а=580 мм; с=640 мм. Вылет опоры А=600 мм.
Примем коэффициент . Тогда толщина ребра равна:
– коэффициент зависящий от гибкости ребра по его гипотенузе;
– число ребер в каждой опоре;
– допускаемое напряжение при сжатии Па;
По графику (рисунок 10) коэффициент будет больше принятого. Расчёт окончен.
Принимаем толщину ребра =20 мм.
Проверяем фланговые швы на срез:
– размер катета сварного шва м;
– общая длина швов м;
– допускаемое напряжение материала шва (80 МПа).
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Пищевые предприятия потребляют много тепловой энергии в виде теплоты подогретой воды воздуха и пара. При производстве около 22 000 дал в сутки безалкогольных напитков в сироповарочных купажных отделениях квасном и моечно-фасовочных цехах расходуется до 15 000 кг пара. На технологические нужды при приготовлении 1 дал пива требуется 784 кг пара.
В связи с этим на пищевых предприятиях широко используются паровые и водогрейные котлы эксплуатация и обслуживание которых относятся к работам повышенной опасности. Наибольшую опасность представляют взрывы паровых котлов.
Основными причинами взрывов котлов являются: нарушение правил технической эксплуатации режимов их работы а также должностных инструкций требований техники безопасности вследствие несоблюдения трудовой и производственной дисциплины обслуживающим персоналом; дефекты и неисправности конструкторских узлов котлов.
Нарушения указанных инструкций и правил приводят к следующим главным техническим причинам взрывов котлов: резкое снижение уровня воды превышение рабочего давления неудовлетворительный водный режим котла образование накипи наличие взрывоопасных топочных газов.
Наибольшее количество аварий при эксплуатации паровых котлов происходит из-за резкого снижения уровня воды в котле (упуск воды). Вследствие снижения уровня воды ниже линии соприкосновения поверхности котла с горячими газами в его топочной части стены котла нагреваются выше критической температуры. При этом механические свойства металла изменяются снижается его прочность и под давлением пара стенки выдуваются что может закончиться взрывом.
При упуске воды категорически запрещено подавать в котел холодную воду так как в этом случае его взрыв неминуем из-за потери металлом стенок котла свойств пластичности при резком изменении их температуры увеличения хрупкости металла и образования в нем трещин; бурного парообразования и резкого повышения давления в котле при соприкосновении воды с его перегретыми стенками. При выявлении упуска воды котел немедленно должен быть остановлен т. е. прекращена подача топлива к горелкам. Котел вводится в работу после его охлаждения проверки состояния и заполнения водой до установленного уровня.
Для предупреждения возможности снижения воды ниже допустимого уровня котлы должны быть оснащены устройствами автоматического контроля верхнего и нижнего предельных уровней воды автоматического прекращения подачи топлива к горелкам двумя водоуказателями прямого действия двумя независимыми друг от друга насосами производительностью не менее 110% и производительностью котла. Все котлы с давлением пара выше 007 МПа и производительностью более 07 тч должны быть оснащены автоматическими звуковыми сигнализаторами предельного нижнего уровня воды поплавкового типа. Котлы с камерным сжиганием топлива па-ропроизводительностью 07 тч и выше должны оборудоваться устройствами автоматического прекращения подачи топлива к горелкам при снижении уровня воды ниже допустимого а при производительности 2 тч и более— автоматическими регуляторами питания.
Два водоуказательных прибора прямого действия т. е. соединенные непосредственно с котлом и работающие на принципе сообщающихся сосудов устанавливаются на каждом котле так чтобы с рабочего места оператора котла были видны показания уровня воды в нем. Установленные на котлах водоуказательные приборы проверяются каждую смену продувкой. Основными причинами превышения допустимого давления в котле являются нарушение заданного режима его работы неисправность аппаратуры безопасности. Для предупреждения превышения допустимого давления котлы оснащаются манометрами и предохранительными клапанами.
На каждом паровом котле устанавливаются манометры для измерения давления—в котле на выходном коллекторе пароперегревателя на питающей линии и на отключаемом по воде экономайзере а на водогрейном котле — на входе холодной воды в него "и на выходе нагретой. Манометры должны иметь класс точности не ниже 25 (допустимая ошибка не должна превышать 25% диапазона показаний); рабочий участок в средней трети шкалы; красную черту на делении высшего допустимого давления. Они присоединяются к элементам котла с помощью соединительной сифонной трубки диаметром не менее 10 мм с 3-ходовым краном. Последний снабжается фланцем для присоединения контрольного манометра с целью проверки показаний рабочего манометра а также обеспечивает продувку трубки.
В курсовом проекте рассмотрены различные виды сусловарочных аппаратов а также конструкции и принцип действия произведен патентный поиск.
Описан технологический процесс производства пива.
По заданным исходным данным произведен расчет корпуса фланцевого соединения опор аппарата.
Отдельный раздел посвящен требованиям безопасности при эксплуатации оборудования для изготовления пива.
В графической части представлены: сборочный чертеж сусловарочного аппарата деталировка и принципиальная схема.
Создание и внедрение в производство новых спроектированных видов оборудования способствуют повышению эксплуатационной надежности и культуры производства улучшению квалиметрических характеристик машин экономии материальных ресурсов и активной охране окружающей среды.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
С. В. Харламов «Практикум по расчету и конструированию машин и аппаратов» 1991
А.Н. Остриков О.В. Абрамов «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств» Учебник для вузов. – СПб.: ГИОРД 2004. -352 с.
Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 1:Учеб. Для вузовС.Т.Антипов и др.; под ред. В.А. Панфилова. – М.: Высш. Шк. 2001. – 703с
И. Н. Чернин А. В. Кузьмин «Расчеты деталей машин» (справочное пособие) Минск «Вышэйшая школа» 1978г.
Груданов В.Я. Основы инженерного творчества. – Мн.: Изд. Центр БГУ 2005.