Unit Operations and Apparatus for the Food Industry (Romanian) - Onita 2003

ELISABETA IVAN IULIAN CRAIU

NICOLAE ONIŢA

OPERAŢII ŞI APARATE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

Editura MIRTON Timişoara 2003

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României IVAN, ELISABETA Operaţii şi aparate în industria alimentară / Elisabeta Ivan, Iulian Craiu, Nicolae Oniţa – Timişoara Mirton, 2003 212 p.; 24 cm ISBN 973-585-991-2 I. Craiu Iulian II. Oniţa, Nicolae 664.2 Culegere şi prelucrare computerizată: Florian HARJA, Iulian CRAIU şi Nicolae ONIŢA

II

III

PREFAŢĂ Cursul “Operaţii şi aparate în industria alimentară”, cunoscut şi sub denumirea de „Procese şi aparate” sau „Operaţii şi utilaje”, face parte din disciplinele fundamentale ce profilează ingineria chimică în general şi este denumit în universităţile cu tradiţie „Operaţii unitare”. În general acest curs prezintă principalele operaţii unitare întâlnite în majoritatea subramurilor industriei alimentare, precum şi unele utilaje cu ajutorul cărora se realizează aceste operaţii. Materialul este structurat în conformitate cu programa analitică şi extins în funcţie de numărul de ore prevăzute în planul de învăţământ. Ordonarea şi sistematizarea materialului s-a făcut ţinând seama de gradul de dificultate, de operaţiile care intervin în procesul tehnologic; aspectele teoretice au fost selectate, prelucrate şi prezentate într-o manieră care să conducă la înţelegerea fără dificultate a problemelor, şi la formarea unei gândiri inginereşti. Lucrarea este structurată pe şapte capitole. Se analizează, în cadrul operaţiilor hidrodinamice, probleme legate de transportul fluidelor în diferite condiţii, amestecarea, sedimentarea, filtrarea, centrifugarea şi fluidizarea. Lucrarea se adresează studenţilor de la specializarea Tehnologia Produselor Alimentare, dar este utilă şi pentru inginerii care lucrează în această specialitate AUTORII

IV

V

CUPRINS Capitolul 1 ................................................................................................. 1 INTRODUCERE ........................................................................................... 1 Cerinţele de bază ale proiectării tehnologice ....................................... 10 Capitolul 2................................................................................................ 15 Transportul fluidelor prin conducte ............................................................. 15 2.1. Elementele caracteristice conductelor........................................... 15 2.2. Calculul conductelor ..................................................................... 17 2.2.1. Calculul diametrul economic ..................................................... 17 2.2.2. Transportul hidrodinamic al solidelor........................................ 21 2.2.3. Indicaţii pentru montarea şi exploatarea conductelor ................ 35 Capitolul 3................................................................................................ 39 AMESTECAREA ........................................................................................ 39 3.1. Generalităţi.................................................................................... 39 3.2. Factori care influenţează procesul de amestecare ......................... 40 3.3. Eficacitatea amestecării. Durata de amestecare ............................ 43 3.3.1. Durata de amestecare ........................................................... 45 3.4. Aparate de amestecare .................................................................. 47 Amestecătoare.......................................................................................... 48 3.4.1. Amestecătoare fără elemente mobile ................................... 48 Capitolul 4 ............................................................................................... 89 SEPARAREA SISTEMELOR ETEROGENE ............................................ 89 4.1. Sedimentarea..................................................................................... 89 4.1.1. Factorii care influenţează sedimentarea..................................... 89 4.1.2. Viteza de sedimentare în regim laminar (domeniul Stokes) ...... 95 4.1.3. Viteza de sedimentare în mişcare accelerată.............................. 97 4.1.4. Calculul diametrului critic ......................................................... 99 4.2.1. Aparate pentru separarea particulelor solide din sistemele eterogene solid-gaz ............................................................................ 100 4.2.1.1. Aparate bazate pe efectul gravitaţional................................. 100 4.2.1.2. Aparate de separare bazate pe impact (lovire, regim uscat), bazate pe principiul sedimentării şi inerţiei ....................................... 102 4.2.1.3. Aparate pentru separare prin efect centrifugal...................... 104 4.2.1.4. Aparate de sedimentare în regim uscat şi în regim umed ..... 108 4.2.1.4.1. Aparate pentru separarea umedă a prafului........................ 108 4.2.1.4.2. Aparate de separare prin filtrare......................................... 110 4.2.1.4.3. Separarea electrostatică a suspensiilor de gaze................. 111 VI

4.2.1.4.4. Procedee sonice de separare............................................... 114 4.3.1. Sedimentarea suspensiilor solid-lichid..................................... 115 Tipuri constructive de decantoare ...................................................... 121 4.4.1. Separarea amestecurilor de lichide nemiscibile ....................... 127 Capitolul 5 ............................................................................................. 130 FILTRAREA.............................................................................................. 130 5.1. Generalităţi...................................................................................... 130 5.2. Factori care influenţează filtrarea ............................................... 131 5.3. Bazele teoretice ale operaţiei de filtrare...................................... 133 5.3.1. Filtrarea prin precipitate necompresibile ................................. 136 5.3.2. Filtrarea prin precipitate compresibile .................................... 143 5.4. Tipuri de aparate de filtrare......................................................... 144 5.4 l. Filtre cu funcţionare periodică .................................................. 144 5.4.2. Filtre cu funcţionare continuă .................................................. 157 CAPITOLUL 6 ....................................................................................... 161 CENTRIFUGAREA .................................................................................. 161 6.1. Definiţie. Scopul operaţiei unitare de centrifugare ..................... 161 6.2. Factori care influenţează operaţia de centrifugare ...................... 163 6.3. Clasificarea, construcţia şi funcţionarea centrifugelor................ 175 Capitolul 7 ............................................................................................. 186 FLUIDIZAREA ......................................................................................... 186 7.1. Consideraţii generale .................................................................. 186 BIBLIOGRAFIE........................................................................................ 206

VII

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE Industria alimentară transformă materii prime de origine biologică, provenind din regnul animal sau vegetal, în sensul de a le condiţiona, conserva, transforma sau de a extrage din ele anumite elemente destinate hranei omului. În momentul în care echilibrul biologic natural este întrerupt, încep fenomenele de degradare care pot să conducă la alterări şi pierderi de produse destinate industriei, fie chiar direct pentru pregătirea hranei omului. Din momentul întreruperii echilibrului biologic natural, toate operaţiile industriale care se efectuează aparţin industriei alimentare. Aceasta atrage după sine necesitatea, fie ca echilibrul biologic natural să fie întrerupt de industria alimentară în întreprinderi organizate şi dotate corespunzător, cum este de exemplu în industria cărnii (abatorul) fie ca materiile prime - după ce s-a întrerupt echilibrul biologic natural - să fie supuse unor tratamente care să Încetinească sau să elimine consecinţele fenomenelor de degradare. Spre deosebire de toate celelalte ramuri ale industriei, unele operaţii care trebuie efectuate sunt de natură biochimică, fiind de fapt caracteristica esenţială a industriei alimentare. Primele operaţii care trebuie efectuate asupra materiilor prime sunt legate de realizarea unei evoluţii mai mult sau mai puţin profunde a proceselor de ordin biochimic în scopul evitării fenomenelor de alterare, apoi operaţii care să le blocheze intr-un stadiu determinat. Procedeele biochimice şi microbiologice reprezintă caracteristicile de bază care deosebesc industria alimentară de celelalte industrii şi în special de industria chimică, cu care sub alte aspecte industria alimentară are foarte multe asemănări. Industria alimentară modernă este un complex coordonat de transformări fizice, chimice şi biochimice prin care se realizează produse utilizând procedee tehnologice şi instalaţii fundamentate ştiinţific, tehnic şi economic. De aceea, specialistul din industria alimentară trebuie să posede o cunoaştere aprofundată a fenomenelor biochimice şi microbiologice foarte complexe, trebuie să se bazeze pe cunoştinţe privind legile alimentaţiei, pe cunoaşterea proceselor tehnologice sectoriale, pe cunoaşterea operaţiilor şi utilajelor, funcţionării şi întreţinerii lor. Deci, specialistul din industria alimentară, ca să poată face fată condiţiilor impuse de evoluţia rapidă a 1

tehnicii, trebuie să posede o pregătire polivalentă. Disciplina de operaţii şi utilaje în industria alimentară are rolul de a pune la dispoziţia celor interesaţi noţiuni de fenomenologia operaţiilor tehnologice şi caracterizarea aparatelor utilizate; este o disciplină tehnică de specialitate ce face posibilă înţelegerea cunoştinţelor de la disciplinele ce vor fi predate ulterior. Studierea operaţiilor se realizează în funcţie de caracteristicile comune ale acestora. Procesul tehnologic se defineşte ca transformarea materiilor prime în semifabricate sau produse finite prin operaţii mecanice, fizice, biochimice, chimice sau chiar combinate, mai simplu ansamblul ordonat al operaţiilor prin care se realizează produsul. Operaţiile sunt faze distincte ale procesului tehnologic şi anume: 1- operaţii pentru pregătirea materiilor prime în vederea prelucrării; 2- operaţii de obţinere a produsului brut sau semifabricatului 3- operaţii pentru transformarea semifabricatului în produse comercializabile 4- operaţii pentru prelucrarea subproduselor sau deşeurilor 5- operaţii auxiliare Ansamblul succesiunii operaţiilor pentru obţinerea unui produs în procesul tehnologic se numeşte schema bloc a procesului tehnologic. De exemplu, schema bloc de obţinere a zahărului (fig.1.1) şi schema bloc de obţinere a sucului şi pastei de tomate (fig.1.2). Elementele în care se realizează procesele tehnologice sunt utilaje (aparat ar fi un utilaj static, fără organe principale în mişcare, dar în practica deseori se utilizează şi ca utilaj – termenul respectiv). Termenul maşina – este de fapt identic cu utilaj – cu organe în mişcare. Însuşirea ordonata a schiţelor utilajelor sau simbolurilor acestora, în care se realizează operaţiile procesului tehnologic, cu indicarea circulaţiei materialelor se numeşte schema tehnologică. Daca analizam natura operaţiilor ce alcătuiesc procesul tehnologic se constată că: 1) o fabricaţie oricât de complicată este formată de o însuşire de operaţii simple distincte; 2) dintre toate operaţiile procesului tehnologic, doar câteva sunt operaţii în care transformările sunt molecular, în rest sunt operaţii fizice, mecanice; 3) cele mai multe operaţii fizice sau mecanice sunt comune mai multor procese tehnologice, produsele sunt asemănătoare sau diferite, multe operaţii se repetă în cadrul aceleiaşi scheme tehnologice; 2

Fig. 1.1. Schema bloc de obţinere a zahărului 4) utilajele întrebuinţate la realizarea anumitor operaţii îndeplinesc aceleaşi funcţiuni indiferent de procesul tehnologic; rar apar modificări datorate caracteristicelor produsului. 3

Apă

Seminţe Pieliţe

Tomate Recepţie sortare

Impurităţi Deşeuri

Spălare

Apă de spălare Impurităţi

Sare

Zahăr

Dozare

Dozare

Zdrobire Pasare Suc brut

Corectare

Suc corectat

Îmbuteliere Capsare

Concentrare

Sterilizare

Umplere Închidere

Suc sterilizat comerciabil

Sterilizare

Depozitare

Pastă de tomate

Vapori de apă

Depozitare

Fig. 1.2. Schema bloc a procesului de obţinere a sucului şi pastei de tomate

4

Fig. 1.3. Clasificarea operaţiilor tip din industria chimică şi alimentară I. Operaţii fizice - cu schimbarea stării fizice ··················· - între materiale cu stări fizice deosebite - în mediu omogen ————— - în mediu eterogen — · — · — · - între materiale cu stări fizice identice – – – – – – – II. Operaţii chimice: nitrare, sulfonare, reducere, oxidare, combustie, explozie, polimerizare, etc. III. Operaţii auxiliare: transportul materialelor, depozitarea materialelor, alimentarea cu apă, condiţionarea apelor potabile de cazan şi reziduale, evacuarea apelor de scurgere, producerea aburului şi forţei motrice, încălzire, ventilaţie, condiţionarea aerului, operaţii de măsurare şi automatizare, controlul fabricaţiei. 5

Diferenţieri dintre utilajele unei operaţii determinate de elementele constructive impuse, adică cum ar fi: debit şi capacitate şi modulul de realizare. Operaţiile fizico - mecanice sunt operaţii tip, adică unitare. Tratarea operaţiilor unitare (tip) după principiile procesului şi aparatelor se face prin cunoaşterea următoarelor aspecte: 1) cercetarea factorilor care intervin în operaţia respectivă: 2) analiza principiilor ştiinţifice fundamentale care stau la baza operaţiei tip (unitare); 3) deducerea modelului matematic al operaţiei, model ce cuprinde factorii care intervin în operaţie; 4) cunoaşterea legilor de conservare; 5) cunoaşterea relaţiilor de transformare a cantităţii de mişcare, a cantităţii de căldură, a cantităţii ce intervin la nivelul operaţiei, respective; 6) influenţa transformărilor între tipurile de transformare şi procesele biochimic; 7) relaţiile existente între tipurile de transformare şi procedeele biochimice; 8) cunoaşterea principalelor tipuri de utilaje în care se realizează operaţia tip(unitară); 9) relaţiile de similitudine şi analiza dimensionala; 10) relaţii de convenienţă economică, adică de optimizare a procesului de fabricaţie, la dimensionarea economica a utilajului. Clasificarea operaţiilor unitare (tip) Operaţiile tip în industria chimica tehnologica se clasifica (fig. 1.3): A ) După modul de acţiune asupra materialelor 1) operaţii cu schimbarea stării fizice a materialului (topire solidificare, fierbere - condensare); 2) operaţii de amestecare şi aglomerare (amestecare omogena şi eterogena, malaxare, frământare); 3) operaţii de vizitare şi separare (spargere, mărunţire, măcinare, tăiere, cernere, separarea electrostatica, sedimentare, filtrare, stoarcere, uscare, cristalizare, rectificare, distilare); 4) operaţii chimice şi biochimice: neutralizate, carbonatare, fermentare, maturare; 5) operaţii auxiliare: B) După natura operaţiilor, în: 6

1) operaţii mecanice (fără schimbarea stării materialului) depozitare, transport. 2) operaţii fizice – cu schimbarea stării fizice a materialului şi anume: - operaţii cu transfer de impuls, cum ar fi: mărunţire, spargere, măcinare, tăiere, cernere, sortare, amestecare, malaxare, stoarcere. - operaţii cu transfer de căldura: încălzire, răcire, evaporare, concentrare, condensare, pasteurizare, sterilizare, refrigerare; - operaţii în care intervine ca faza principala schimbul de substanţă cum ar fi: uscarea, prăjirea, distilarea, rectificarea, extracţia, cristalizarea; - operaţii chimice şi biochimice – cum ar fi neutralizarea, fermentarea. În analiza operaţiilor tip se folosesc legile fizicii care guvernează diferitele fenomene, elementele matematice necesare stabilirii modelarii matematice. Procesul tehnologic general arata sistemul principal de fabricaţie, fără a se ocupa de procesele tehnologice de detaliu, care au loc în diferite ateliere sau secţii. El constituie punctul de plecare pentru studiul proiectării unei unităţi industriale şi poate fi concretizat prin schema procesului tehnologic. În aceasta schema se arata legăturile funcţionale care sunt necesare intre diferite ateliere sau secţii ale unităţii industriale respective. În schema procesului tehnologic se indica grafic legăturile de fabricaţie ale diferitelor faze de prelucrare, fără a se tine seama de dimensiunile atelierelor sau amplasare lor pe terenul unităţii industriale. În baza schemei procesului tehnologic se poate întocmi schema tehnologica a unei unităţi industriale care stabileşte relaţiile dintre diferitele ateliere şi secţii, de asemenea fără a preciza amplasamentul şi dimensiunile în plan ale acestora. În mod asemănător se întocmesc scheme tehnologice pentru fiecare secţie. Fluxul de materiale Drumul parcurs de materialele intrate în unitatea industriala, sub forma de materii prime, semifabricate sau materii auxiliare, pana la ieşirea lor sub forma de produse finite, poarta denumirea de flux de materiale. Fluxul de materiale se stabileşte pe baza procesului tehnologic, respectând amplasarea corespunzătoare a clădirilor şi legăturilor necesare între diferite secţii. 7

Regulile care se recomanda să se tina seama la stabilirea fluxului de materiale sunt: 1) fluxul să parcurgă drumul cel mai scurt evitând întoarcerile şi încrucişările 2) să fie pe cât posibil continuu: să permită folosirea mijloacelor optime de transport. Fluxul de materii poate fi: - flux orizontal, când se desfăşoară într-un singur plan orizontal, deasupra solului, în clădiri de tip parter; - flux vertical, când se desfăşoară pe verticala, în clădiri cu mai multe nivele; - flux mixt, rezultat din combinarea celui vertical cu cel orizontal. Având în vedere dezvoltarea rapida a tehnicii, care conduce la o uzura morala rapida a utilajului şi deci la necesitatea schimbării lui periodice, odată cu aceste schimbări se poate întâmpla ca nici clădirile aferente să nu mai corespundă. Fluxul la oameni Fluxul la oameni reprezintă drumul pe care - l parcurg oamenii de la intrarea în unitatea industriala pana la locul de muncă şi înapoi. Studiul fluxului de oameni trebuie făcut în concordanţă cu cel al fluxului de materiale, cele doua fluxuri nu trebuie să se întretaie. De asemenea fluxul de oameni trebuie să urmărească traseul cel mai scut şi să fie astfel rezolvat încât să permită degajarea aglomerărilor în timp foarte scurt. În general o rezolvare se obţine prin aşezarea intrărilor pentru oameni pe laturi opuse celor pentru materiale, fluxurile fiind astfel paralel dar de sensuri contrarii. Etapele proiectării tehnologice Realizarea unei investiţii pentru industria alimentară reprezintă un proces complex, care parcurge anumite etape bine definite pana la materializarea finala. Aceste etape se prezintă pe schema din figura 1.4. Documentarea este etapa în care pe baza studierii proceselor tehnologice existente, a literaturii de specialitate, investiţiilor şi inovaţiilor se fundamentează şi se justifica investiţia propusa, parametrii de care trebuie să se ţină cont în funcţie de destinaţia investiţiei, posibilităţile de finanţare şi de execuţie. Decizia de elaborare a procesului tehnologic se ia după etapa de documentare , dacă rezulta ca investiţia este justificată şi se ating parametrii cantitativi şi calitativi superiori fata de procesele tehnologice existente la data respectiva. 8

Cercetarea economica apreciază viabilitatea investiţiei şi rezultatele care pot fi scontate, etapizează şi stabileşte costul cercetărilor de laborator. Proiectarea şi realizarea instalaţiei pilot permite verificarea cercetărilor efectuate în laborator şi verifica dacă se ating parametrii proiectaţi. În aceasta fază se aduc toate modificările şi corecturile procesului tehnologic pentru a avea garanţia funcţionarii optime a instalaţiei. Pentru fabricile complet noi, sau de mare tonaj şi când rezultatele obţinute în staţia pilot nu sunt destul de garantate se trece la instalaţia semiindustrială. Proiectarea instalaţiei industriale se face pe baza notei de fundamentare aprobata de forul tutelar şi de factorii de răspundere în acest sens. La elaborarea proiectului de execuţie şi a detaliilor de execuţie se formează o echipa complexa formata din ingineri tehnologi alimentarişti, ingineri electrotehnici, arhitecţi, ingineri constructori, ingineri mecanici şi specialişti în întocmirea documentaţiei economice. La elaborarea proiectului de execuţie se stabilesc liniile tehnologice, se aleg tipurile şi numărul utilajelor necesare, se evaluează consumul de energie, costul investiţiei defalcat pe utilaje, construcţii montaj, energie, căi de acces, materii prime, parametri funcţionali, soluţia constructiva şi indicii tehnologico - economici. Proiectul de execuţie se prezintă beneficiarului care hotărăşte dacă se trece la elaborarea detaliilor de execuţie sau se revine la cercetări începând de la instalaţia pilot. La elaborarea detaliilor de execuţie se stabilesc parametrii definitivi, tipurile de utilajelor cu parametri funcţionali, numărul utilajelor pe fiecare linie, consumul de energie, materii prime, costul investiţiei pentru utilaje, construcţii montaj, dotări, căi de acces, amenajări exterioare etc., şi se prezintă desene de execuţie. Cu aceasta ocazie se stabilesc în detaliu parametri la care va funcţiona instalaţia în exploatare şi indicii tehnico economici.

9

Cerinţele de bază ale proiectării tehnologice În figura 1.4. se reprezintă cerinţele de bază ale proiectării tehnologice pentru orice unitate industrială CERINŢELE DE BAZA ALE PROIECTĂRII TEHNOLOGICE

FUNCŢIONALE

TEHNICE

* parametrii funcţionali (viteză, putere, productivitate, randament) *proprietăţi fizico-chimice *structura situării suprafeţelor *dimensiuni geometrice *greutate

ECONOMICE

*preţ de cost *cheltuieli de exploatare *cheltuieli de întreţinere, reparaţii *cheltuieli transport, manipulare, depozitare *cheltuieli de montaj

PSIHOSENZORIALE ŞI SOCIALE * nepoluarea mediului

*proprietăţi ergonomice *proprietăţi estretice *încadrarea în cerinţele actuale de gust, confort *grad de finisare

CALITATE * disponibilitate

*fiabilitate mentenabilitate *utilizabilitate *productivitate *grad de securitate

Fig. 1.4. Aceste cerinţe se refera la: - cerinţe funcţionale; - cerinţe psiho-senzoriale şi sociale - cerinţe disponibilitate. Cerinţele funcţionale se împart la rândul lor în cerinţe tehnice şi cerinţe economice Cerinţele tehnice trebuie să rezolve următoarele probleme: - definirea proprietăţilor fizico - chimice ale produsului; - structura producţiei, necesitaţi de suprafeţe; - stabilirea dimensiunilor geometrice ale produselor; - greutatea produselor şi utilajelor; Cerinţele economice se refera la: - evaluarea preţului de cost; - stabilirea cheltuielilor de exploatare 10

-

stabilirea cheltuielilor de reparare şi întreţinere; stabilirea cheltuielilor de transport, manipulare şi depozitare; - stabilirea cheltuielilor de montaj Cerinţele psiho-senzoriale şi sociale se refera la: - stabilirea condiţiilor de nepoluare a mediului înconjurător şi încadrarea în normele admisibile în acest domeniu; - proprietăţile ergonomice se refera la relaţia om - maşină, la uşurarea muncii: comoditate în exploatare şi evitarea accidentelor, ambianta plăcută; - proprietăţile estetice + se referă la forma, aspectul şi ambalajul produsului şi vizează latura emoţională şi socială a produsului; - încadrarea în cerinţele de gust confort şi estetică , se referă la realizarea unui produs care să satisfacă aceste cerinţe. Pentru a fi eficient (de calitate), produsul trebuie să fie nu numai capabil de a îndeplini rolul prevăzut, ci trebuie să fie DISPONIBIL pentru utilizare, adică să poată fi folosit pe toată durata garantată de producător. La rândul ei disponibilitatea depinde direct de faptul dacă produsul este FIABIL, dacă poate fi reparat uşor, şi dacă are capacitatea de a - şi. MENŢINE în timp caracteristicile utile. Fiabilitatea – sau nivelul de siguranţă – exprimă încrederea, probabilitate ca produsul ( instalaţie, utilaj) să funcţioneze un anumit timp când este utilizat în condiţii de exploatare prestabilite. La ora actuală se identifică fiabilitatea previzională, fiabilitatea experimentală şi fiabilitatea funcţională. Este foarte important ca în faza de proiectare să se precizeze specificaţiile de bază ale fiabilităţii, care vizează următoarele aspecte: - cuantificarea fiabilit1ţii în termenii unei probabilităţi; - definirea clară a performanţei utilajului sau instalaţiei; - definirea precisă a mediului în care urmează să funcţioneze echipamentul - precizarea timpului de bună funcţionare, adică a timpului între defectări. Previziunea fiabilităţii este procesul de estimare cantitativă a probabilităţii că un sistem îşi va îndeplini misiunea. Acest proces continuu, care începe cu efectuarea unor “previziuni teoretice” (bazate pe informaţii aspra ratei defectărilor trecute, sau pe simulări experimentale) şi se termină 11

cu măsurarea fiabilităţii pe baza informaţiilor culese de la beneficiari în perioada exploatării. Mentenabilitatea – exprimă probabilitatea ca un sistem să fie repus în stare de funcţionare într-o perioadă de timp dată, sau uşurinţa de remedierea defecţiunilor ivite în exploatare. Se defineşte prin timpul în care utilajul stagnează şi nu poate fi folosit, datorită defecţiunilor. Depinde de gradul de demontare şi montare cu uşurinţă, de existenţa pieselor de rezervă şi de volumul activităţii de „service” în timpul şi după perioada de garanţie. Utilizabilitatea – arată necesitatea de a proiecta şi construi aparatele (produsele , instalaţiile) astfel încât să fie sigure şi comode în mâna utilizatorului. Productibilitatea – cerinţa de a proiecta şi construi aparate (instalaţii, produse) de aşa manieră încât să faciliteze fabricarea lor cu maşinile existente. Siguranţa – se referă la necesitatea de a proiecta utilaje şi instalaţii care să asigure securitatea oamenilor şi sănătatea lor. Aceşti parametri calitativi se influenţează reciproc şi împreună cu celelalte caracteristici calitative determină sensul evident al conceptului clasic de calitate. Colaborarea diferitelor specialităţi la elaborarea proiectului de execuţie. În fig.1.5. se prezintă etapele principale ale colaborării unui proiect de execuţie pentru o întreprindere industrială. Echipa complexă formată din ingineri de diferite specializări conlucrează şi colaborează la elaborarea proiectului de execuţie şi detaliilor de execuţie, care conduc la materializarea noii investiţii. Siguranţa în funcţionare a instalaţiilor tehnologice se exprimă prin funcţii ale calităţii concepţiei, montajului şi exploatării. În fig. 1.6. se reprezintă elementele care influenţează aceste funcţii.

12

CERCETAREA ŞTIINŢIFICĂ *teoretică *laborator *instalaţie pilot CERINŢELE DE BAZA PENTRU REALIZAREA INVESTIŢIEI

CORESPUNDE

NU

DA STUDIUL DE AMPLASAMENT NOTA DE COMANDĂ PROIECTUL DE EXECUŢIE

TEHNOLOGIC

*tehnologia optimă *alegerea utilajelor *amplasarea utilajelor *parametrii funcţionali *structura producţiei *costul şi indicatorii tehnico-economici *pregătirea cadrelor

ENERGETIC

MECANIC *alegerea maşinilor,

*sursele de energie *instalaţii energetice aparate de măsură şi control *costul instalaţiilor energetice *evaluarea consumului de combustibil

instalaţiilor, dispozitivelor şi sculelor *studierea şi proiectarea utilajelor şi dispozitivelor noi *stabilirea parametrilor funcţionali *evaluarea costului sectorului mecanic

CORESPUNDE DA DETALII DE EXECUŢIE (proiectare detaliată) OPTIMIZARE

CORESPUNDE DA EXECUŢIA INVESTIŢIEI

Fig. 1.5.

13

ARHITECTURĂ CONSTRUCŢ II INSTALAŢ II

*alegerea tipului de structură *alegerea materialelor *tehnologia de execuţie *instalaţii aferente *evaluarea costului investiţiei *indicii tehnico-economici

SIGURANŢA ÎN FUNCŢIONARE A INSTALAŢIILOR TEHNOLOGICE

FUNCŢIA CALITĂŢ II

* parametrii tehnici *caracteristici tehnologice *caracteristici estetice, ergonomice, ecologice *fiabilitate *mentenabilitatte *eficienţa economică - greutate - consum de material şi manoperăpentru fabricaţie - productivitate reală la beneficiar - cheltuieli de mentenanţă (întreţinere şi reparaţii)

FUNCŢIA MONTAJULUI *aparatură de măsură şi

control *aparatură sau dispozitive de protecţie - securitatea operaţională - securitatea instalaţiei - securitatea clădirii şi instalaţiilor vecine - instrucţiuni de exploatare - eficienţa economică la montaj - rodaj şi probe tehnologice pentru atingerea parametrilor proiectaţi

Fig. 1.6.

14

FUNCŢIA EXPLOATĂRII

*funcţionarea în limitele solicitărilor prescrise (sarcină, mediu, etc.) *respectarea ciclurilor de mentenanţă *revizii periodice de calitate *reparaţii planificate *asigurarea sculelor pentru control şi pentru serviciul de mentenanţă

CAPITOLUL 2 TRANSPORTUL FLUIDELOR PRIN CONDUCTE Transportul fluidelor este realizat, în genere, prin conducte sau reţele. Reglarea cantităţilor sau debitelor de fluide care trec prin conducte se realizează cu armături specifice acestui scop. În cazul curgerii gazelor prin conducte datorită proprietăţilor, indiferent care ar fi situaţia ele umplu toată acţiunea conductei după caz, iar la curgerea forţată se umple întreaga secţiune. Transportul prin conducte este utilizat şi pentru substanţe care în stare normală sunt solide. Realizarea transportului solidelor se face fie după ce în prealabil au fost dizolvate întrun solvent lichid, fie prin antrenare într-un fluid. Acesta din urmă poartă denumirea de transport hidrodinamic. În cele mai multe întreprinderi, există un sistem destul de complicat de reţele prin care se transportă fluide în conducte în diferite condiţii. Pentru industria alimentară, unde starea de igienă a producţiei impune o serie de restricţii, care necesită spălări, curăţări, dezinfectări, întreţinerea reţelei de conducte are o mare importanţă. Pentru montarea conductelor se folosesc o serie de tipuri de piese de legătură, montate fix sau demontabil, denumite generic fitinguri. Pentru dirijarea şi reglarea debitelor se folosesc pe conducte dispozitive denumite generic armături. Etanşarea pieselor demontabile se realizează prin intermediul garniturilor de etanşare. Garniturile de etanşare sunt din diferite materiale ca azbest, cauciuc marsitunit etc. garniturile de etanşare ca şi materialele din care sunt confecţionate ţevile pentru conducte, fitingurile, şi armăturile trebuie alese astfel ca să nu atace şi să nu fie atacate de produsele alimentare cu care vin în contact.

2.1. Elementele caracteristice conductelor Pentru uşurinţa fabricării şi procurării ţevilor pentru conducte şi fitingurilor, este necesară o normalizare sau standardizare industrială care pe de o parte, urmăreşte limitarea numărului de tipuri ce se fabrică, iar pe de altă parte pune la dispoziţia celor ce le utilizează tipurile de ţevi şi de accesorii corespunzătoare în diferite scopuri. Standardizarea dimensiunilor are la bază numere normale. La noi, numerele normale sunt standardizate prin STAS 288-74. Ţevile şi accesoriile sunt caracterizate printr-un diametru nominal Dn, care face parte din seria numerelor normale şi o presiune nominală Pn. Diametrul nominal, 15

presiunea nominală împreună cu indicaţiile asupra materialului de construcţii şi lungimea (din lungimile care se fabrică curent) alcătuiesc elemente care se prescriu prin comanda pentru livrare. Diametrul nominal tinde să coincidă cu diametrul interior al conductei, dar acest fapt se întâmplă mai rar. Toate conductele au un anumit diametru nominal şi un diametru exterior bine determinat indiferent de grosimea peretelui ţevii. În funcţie de diametrul exterior şi de grosimea peretelui ţevii se determină diametrul interior. La noi în ţară, diametrele nominale la care se pot construi ţevi şi armături sunt standardizate prin STAS 2099-79. Pentru a se strânge tipurile de ţevi şi piesele auxiliare pentru realizarea reţelelor, ca şi diametrele, s-au nominalizat o serie de presiuni nominale, pentru care se fabrică produsele. În STAS 2250 - 78 se reglementează presiunile nominale pentru care se construiesc ţevi şi pentru presiunile de încercare a ţevilor (P inc ). Presiunile nominale ca valoare fac parte din categoria numerelor normale. Presiunile de lucru din conducte pot fi diferite de presiunile nominale ţinând seama de necesităţile efective de presiune şi de temperatura la care se transportă fluidul prin conductă. Presiunea de lucru trebuie să fie cel mult egală cu presiunea nominală. Presiunea de încercare este 2Pn pentru presiuni mici şi 1,5Pn pentru presiuni peste 3·10 5 Pa. Scările de presiune efectivă maxim admisă în funcţie de temperatura fluidului sunt: ¾ Scara I - presiunea de lucru poate fi egală cu Pn temperatura fluidelor fiind sub 120°C; ¾ Scara II – presiunea de lucru poate fi egală cu 0,8 Pn, temperatura fluidelor fiind sub 300°C; ¾ Scara III – presiunea de lucru poate fi egală cu 0,64 Pn temperatura fluidelor fiind sub 400°C. aceasta scară este destinată în special pentru abur supraîncălzit. Temperaturile ridicate impun şi materiale pentru construcţia ţevilor speciale. Pentru temperaturi peste 400°C ţevile şi armăturile se produc numai la comenzi speciale. Ţevile care se produc sunt standardizate în funcţie de tehnologia care se aplică în procesul de fabricaţie, destinaţie, material care se întrebuinţează pentru construcţie, diametrul nominal şi grosimea peretelui ţevii, condiţiile de rezistenţă la o anumită presiune se determină în funcţie de diametrul interior, grosimea peretelui ţevii, matura materialului(rezistenţa la rupere) şi se ţine seama de condiţiile de scară de presiune, în funcţie de temperatura fluidului. 16

2.2. Calculul conductelor Elementele pe baza cărui trebuie să fie alese ţevile pentru o conductă sau o reţea pentru transportul fluidelor este diametrul, care în principiu trebuie să corespundă ecuaţiei continuităţii debitului, respectiv relaţiei între debitul volumic. Calculul diametrului conductelor este o problemă destul de importantă mai ales în cazul conductelor lungi sau reţelelor cu multe ramificaţii şi circulaţia fluidului concomitent în toată reţeaua. Stabilirea diametrului conductelor se face pe baza următoarelor principii: • pe bază de viteze optime de circulaţie a fluidelor în conducte; • prin calculul economic, stabilindu-se diametrul la care realizarea, exploatarea şi întreţinerea este economică; • ţinând seama de pierderile de presiune egale pe ramificaţiile reţelei echivalente. Calculul diametrului conductei pe bază de viteze optime este acceptat, în special, pentru conductele până la lungimea de 30 m. în acest caz, diametrul conductei se determină din ecuaţiile continuităţii funcţie de debitul volumic şi viteză din relaţia: d=

4Qv π ⋅W

(2.1.)

Vitezele recomandate pentru calcul sunt redate în tabelul nr. 2.1. Diametrul dedus astfel este un diametru de calcul. În funcţie de acest diametru se face standardizarea, alegându-se diametrul nominal şi un diametru interior al conductei şi apoi în funcţie de acesta se stabileşte viteza efectivă, care se foloseşte la determinarea pierderii de energie.

2.2.1. Calculul diametrul economic Pentru reţele mai lungi, stabilirea diametrului optim al conductei trebuie să fie făcută pe bază de bază de calcul economic. Diametrul economic sau optim al unei conducte este cel pentru care suma costurilor investiţiei, exploatării şi întreţinerii este minimă.

17

Viteze recomandate pentru fluide în conducte Fluidul

Apă

Abur

Aer

Specificaţia -

scopuri edilitare (în construcţii) transport alimentare cazane de abur pompe cu piston: - la aspiraţie - la refulare - pompe centrifuge: - la aspiraţie - la refulare - scopuri diverse : ţevi cu d < 0,05 ţevi cu d 0,05< dn