Федеральное Агентство поОбразованию
ВолгоградскийГосударственный Технический Университет
Кафедра ТПП
Курсовая работа
по дисциплине«технологическое оборудование»
тема:
«Расчет и инженерныйанализ работы гомогенизатора А1‑ОГ2А –1,26 в производствекисломолочных продуктов»
Волгоград, 2004
Оглавление
Введение
1. Устройство и работагомогенизатора
2. Основные расчеты
2.1 Теоретические основыдиспергирования
2.2 Расчетгидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристикгомогенизатора
Заключение
Библиографический список
Введение
Кисломолочныепродукты играют важную роль в питании людей, особенно детей, лиц пожилоговозраста и больных. Диетические свойства кисломолочных продуктов заключаются,прежде всего, в том, что они улучшают обмен веществ, стимулируют выделениежелудочного сока и возбуждают аппетит. Наличие в их составе микроорганизмов,способных приживаться в кишечнике и подавлять гнилостную микрофлору, приводит кторможению гнилостных процессов и прекращению образования ядовитых продуктовраспада белка, поступающих в кровь человека.
Немаловажнойстадией при выработке кисломолочных продуктов является механическое воздействиена исходное сырье, т.е. гомогенизация. Она не только предотвращает отстаиваниежира, но и способствует получению качественных кисломолочных продуктов сулучшенными консистенцией и вкусовыми свойствами, повышению его усвояемостиорганизмом и более полному использованию содержащихся в нем жира и витаминов.
Диспергирование молока проводят в клапанных иротационных гомогенизаторах, устройствах для ультразвуковой и электрогидравлическойгомогенизации, быстроходных механических мешалках, гидродинамическихультразвуковых аппаратах, кавитационных и суперкавитирующих динамическихсмесителях-эмульсорах, центробежных струйных гомогенизаторах, но поэффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных измененийего свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокогодавления
Гомогенизаторы клапанного типа. Продукт вкольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемыммногоплунжерным насосом. Дробление жировых шариков и увеличение их дисперсностипроисходит при истечении молока через канал со скоростью 200 м/с, при этомколичество жировых шариков увеличивается в 200–500 раз, а их суммарнаяповерхность в 6-10 раз. Гомогенизаторы клапанного типа относятся к энергоемкими металлоемким: в зависимости от давления и производительности расходэлектроэнергии изменяется от 36 до 140 кВт/ч, общая масса гомогенизатора можетнаходиться в пределах от 600 до 4000 кг. Клапанными двухступенчатымигомогенизаторами в настоящее время оснащены все комбинаты, заводы и цеха, вырабатывающиесухие и жидкие продукты питания.
Центробежные гомогенизаторы по конструкции прощеклапанных, менее металлоемки, в них нет быстроизнашивающихся деталей, но онидают недостаточно высокую степень гомогенизации.
Электрогидравлическая гомогенизация молока ивлияние на молочные системы электрогидравлического удара исследовались в МАПБ(Московская академия прикладной биотехнологии). В основу этого способагомогенизации положен электрогидравлический эффект, являющийся результатомвозникновения в жидкости импульсных сверхвысоких давлений, вызывающихобразование ударных волн.
Достигнутый общий гомогенизирующий эффект весьмавысок – раздробление жировых шариков в 7–8 раз. Кратковременный электрогидравлическийэффект не влияет на технологические свойства молока, но очень длительное его воздействиеизменяет вкус продукта.
Ультразвуковые гомогенизаторы– этоэлектромеханические и гидродинамические устройства, создающие упругие звуковыеи ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси. Наиболее известный из них– так называемый гидродинамический свисток. Принцип действия его основан напрохождении потока жидкости через зону максимального воздействияультразвукового поля, создаваемого самим же потоком. Поток дробится на струи,которые, многократно взаимно пересекаясь с большой скоростью, создаютинтенсивные вихри и акустические колебания высоких частот. При выходе из соплазакрученного потока возникают наиболее интенсивные вихри, создающие колебания, ещеболее усиливаемые установленной на выходе трубки – резонатора, образующей впотоке жидкости кавитационные полости.
Ультразвуковой метод эмульгирования весьмаэффективен: полнота эмульгирования составляет 95%. Метод обеспечивает высокуюстепень дисперсности (0,1–0,5 мкм) и устойчивость эмульсии при длительномхранении. Металлоемкость и энергоемкость ультразвукового гомогенизатора посравнению с гомогенизатором ОМ такой же производительности, используемым внастоящее время в отечественной молочной промышленности, ниже в 5–7 раз.
Работы по оптимизации режимов ультразвуковойгомогенизации, изучению механизма эмульгирования в ультразвуковом поле проводилисьмногими учеными в нашей стране и за рубежом, но в них не раскрыто или недостаточнораскрыто влияние ультразвукового облучения на изменения физико-химическихсвойств молока и его компонентов. Известно лишь, что в молоке может появитьсяпривкус топленого молока. Предполагается, что это результат взаимодействия сжирами атомарного кислорода, выделившегося при распаде. Значительно уменьшаетсявязкость молока, что указывает на деструкцию молекул белка.
Как отмечалось выше, наибольшее распространениеполучили гомогенизаторы клапанного типа. В связи, с чем и рассмотрим их вданной работе.
1. Устройствои работа гомогенизатора клапанного типа
Машины этоготипа обладают высокой эффективностью действия. Например, при гомогенизациицельного молока средний размер жировых шариков уменьшается с 3,5–4 до 0,7–0,8мкм.
Первоначально рабочим органом гомогенизатора был пучок капиллярныхтрубок, через которые под давлением нагнеталось молоко, нагретое до 50–60°С. Гомогенизаторэтого типа был несовершенен и часто засорялся, поэтому было предложеноиспользование головки с пружинным клапаном. Гомогенизирующие головкиподвергались тем или другим малосущественным изменениям, однако принцип устройстваих сохранился до сих пор без изменения.
Принцип действия гомогенизирующей головки (рис. 1) основан натом, что гомогенизируемая жидкость нагнетается под большим давлением в канал и,поднимает прижатый пружиной 2 и стержнем 3 клапан 4 и с большой скоростьюдвижется через узкую щель между клапаном и седлом 5. Высота клапанной щели приработе гомогенизатора не превышает 0,1 мм, а скорость молока при движенииего в щели обычно достигает 150–200 м/сек. При этом молоко подвергается взоне клапана сильному механическому воздействию, которое и приводит краздроблению жировых шариков, т.е. к гомогенизации.
Форма рабочей поверхности клапана обычно плоская, тарельчатая иликонусная с небольшим углом конусности. У гомогенизатора с плоскими клапанами сконцентрическими рифлями (проточками) располагаются такие же рифли наповерхности седла. Следовательно, форма прохода для молока в радиальномнаправлении извилистая, что должно способствовать лучшей гомогенизации.
Кроме того, в результате патентного обзора можно отметить, чтоседло и клапан могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположныестороны под действием движущегося потока продукта и установлены в подшипниках,расположенных в неподвижном корпусе [3].
/>
Рисунок 1 – Гомогенизирующая головка: 1 –канал, 2 – пружина, 3 – стержень; 4 – клапан; 5 – седло; 6– регулировочный винт
/>
Рисунок 2 – Схема клапанного гомогенизатора: 1 – насос; 2– кривошипно-шатунный механизм; 3 – всасывающий клапан; 4 –нагнетательный клапан; 5 – гомогенизирующая головка; 6 – седло; 7– клапан; 8 – пружина; 9 – предохранительный клапан; 10 – манометр; 11 – регулировочныйвинт
Жидкий продукт в головку может нагнетаться любымнасосом, обладающим равномерной подачей и способным создать высокое давление.Для этой цели применимы многоплунжерные, роторные и винтовые насосы. Наибольшеераспространение нашли гомогенизаторы высокого давления с трехплунжерныминасосами. Схема устройства плунжерного гомогенизатора клапанного типа показанана рис. 2.
Молоко при ходе плунжера влево проходит черезвсасывающий клапан 3 в цилиндр, а при ходе плунжера вправо проталкивается черезклапан 4 в нагнетательную камеру, на которой установлена манометрическаяголовка 10 для контроля давления. Она имеет дросселирующее устройство, дающеевозможность эффективно уменьшить амплитуду колебания стрелки манометра. Далеемолоко по каналу поступает в головку 5, в которой поднимает клапан 7,прижимаемый к седлу 6 пружиной 8. Натяжение пружины регулируется винтом 11.Клапан и седло притерты друг к другу. В нерабочем положении клапан плотноприжат к седлу пружиной 8, которая сжата регулировочным винтом 11, а в рабочем,когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в«плавающем» состоянии.
Характерным показателем режима гомогенизации,играющим большую роль при регулировке машины, является давление гомогенизации.Чем оно выше, тем эффективнее процесс диспергирования.
Давление регулируют винтом 11, руководствуясьпоказаниями манометра 10. При завинчивании винта давление пружины па клапанувеличивается, следовательно, высота клапанной щели уменьшается. Это приводит кувеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т.е.к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количестважидкости.
Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставитпод угрозу сохранность деталей в случае, если канал засорится в седле клапана.Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным пружинным клапаном 9, черезкоторый жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного.Предельное давление, при котором предохранительный клапан открывается, регулируют,затягивая винтом пружину.
Недостатокпростого плунжерного насоса одинарного действия заключается в крайненеравномерной подаче жидкости на протяжении одного оборота кривошипа. При ходевсасывания такой насос совсем не подает жидкости, а при ходе нагнетания подачаизменяется от 0 до максимума аналогично изменению скорости плунжера, т.е. посинусоиде. В гомогенизаторах используют трехплунжерные насосы со сравнительноравномерной подачей, что достигается смещением кривошипов коленчатого вала на120° и поочередной работой цилиндров.
Степень неравномерности подачи, представляющаясобой отношение максимальной подачи к средней, для трехплунжерного насосасоставляет 1,047, т.е. близка к единице. Поэтому в подаче жидкости через клапанне только нет полных перерывов, но и сам поток приблизительно постоянен, чтообусловливает непрерывно «взвешенное» положение при работе и лишь небольшие егоколебания относительно среднего положения.
Двигаясь с большой скоростью, жидкость оказываетсильное механическое действие на седло и клапан, что вызывает быстрый износ их.Клапан и седло изготовляют из стали высокой твердости. Они обычно имеютсимметричную форму и рабочие поверхности с обеих сторон. Это позволяет послезаметного износа рабочих поверхностей с одной стороны перевернуть седло иклапан другой стороной, использовать вторую пару рабочих поверхностей ипродлить в 2 раза срок службы гомогенизатора.
Оригинальным способом решения этой задачи следуетсчитать также применение клапанных конусов, изготовленных прессованием вспециальных формах комков нержавеющей тонкой проволоки. Клапан представляетсобой конус, пронизанный тонкими капиллярами извилистой формы. Такой клапан врабочем положении плотно прижат к седлу, и гомогенизация происходит благодаряпрохождению продукта под давлением через капилляры. После одного цикла работыклапан засоряется, и его заменяют другим. Действие такого клапана хорошосогласуется с приведенным ниже объяснением механизма процесса гомогенизации.
На рис. 3приведен гомогенизатор ОГБ‑М производительностью 1200 л/ч. Станина 1(рис. 3а) литая, чугунная, снабжена съемными крышками. На ней расположенэлектродвигатель 2, от которого движение передается на шкив 5 тремя клиновымиремнями 3. Для натягивания ремней по мере их вытяжки служит натяжной винт 4,посредством которого электродвигатель перемещают по пазам. Шкив 5 насажен наконец коленчатого вала 6, который приводит в движение три шатуна 7 исоединенные с ними ползуны 8, передающие движение плунжерам 9.
Кривошипно-шатунный механизм расположен в картерев верхней части станины. Нижняя часть картера заполнена маслом, котороеразбрызгивается во время работы машины и смазывает поверхности трения вголовках шатунов и ползунах. Уровень масла в ванне контролируют помаслоуказателю.
Блок цилиндров (рис. 3б) изготовлен изнержавеющей стали. Вдоль блока проходит всасывающий канал 1, из которогогомогенизируемый продукт через свободные всасывающие клапаны 2 поступает вцилиндры. При работе плунжеров молоко выталкивается через нагнетательныеклапаны 3 в нагнетательный канал 4, который проходит вдоль всего блокацилиндров. Он сообщен с гомогенизирующей головкой предохранительным клапаном иманометром.
Для уплотнения мест входа плунжеров в цилиндрыимеются сальники с нажимными гайками.
Манометр 5 установлен на специальном штуцере,внутри которого расположен патрон, играющий роль мембраны. Она препятствует попаданиюпродукта внутрь манометра.
Плунжеры при работе сильно нагреваются отгорячего продукта. Продукт, проникающий через уплотнение, присыхает кповерхности плунжеров, если не принимать меры к его удалению. Поэтому в гомогенизаторахнаходится специальное смывное приспособление, через которое на плунжерыподается вода, смывающая продукт.
Давление гомогенизации регулируют винтом 6,который нажимает на пружину 7, стержень 8 и клапан 9. Клапан и седло 10симметричные, двусторонние. Перед работой винт послабляют, начинают работу прималом давлении по манометру, а затем плавно доводят его, вращая винт, дотребуемого.
В клапане гомогенизатора резко падает давлениежидкости в результате перехода потенциальной энергии давления в кинетическую вместе перехода жидкости из канала в седле в клапанную щель, где скорость потокаувеличивается во много раз.
На рис. 4 приведен гомогенизатор с двойнымдросселированием, в котором жидкость проходит последовательно через две рабочиеголовки. В каждой головке давление пружины на клапан регулируется отдельно,своим винтом. В таких головках гомогенизация происходит в две ступени. Рабочеедавление в нагнетательной камере равно сумме обоих перепадов.
Применение двухступенчатой гомогенизацииобусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации впервой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частици образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.
Задача второй ступени состоит в раздроблении,рассеивании таких сравнительно неустойчивых образований. Для этого требуетсяуже не столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений вовторой вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой,от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации. С той же цельюприменяют и трехступенчатую гомогенизацию.
/>
Рисунок 3 – ГомогенизаторОГБ – М: а – общий вид: 1 – станина; 2 – электродвигатель;3 – клиновые ремни; 4 – натяжной винт; 5 – шкив; 6 –коленчатый вал; 7 – гомогенизирующая головка; 12 – смывноеприспособление;б – разрез блока цилиндров и гомогенизирующей головки: 1 – всасывающийканал; 2 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный канал; 5 – манометр;6 – винт; 7 – пружина; 8 – стержень; 9 – клапан; 10– седло
/>
Рисунок 4 – Схема двухступенчатой гомогенизации
В общем, конструктивном оформлении современныхгомогенизаторов находят применение основные принципы и положения технической эстетики,санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитии оборудования молочныхпредприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы,облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей стали с полированнойповерхностью.
Одним из важных в санитарном отношении решенийследует считать также установку этих машин не на фундаменте, а на регулируемыхпо высоте ножках, обеспечивающих возможность легкой уборки и мойки пола подмашиной [1].
2. Основныерасчеты
2.1Теоретические основы диспергирования гидродинамика потока жидкости в клапанной щели
Эффективностьгомогенизации зависит от гидравлических условий в зоне клапанной щели. Этиусловия в основном определяются давлением гомогенизации, от которого зависитскорость движения жидкости в щели и высота клапанной щели (она определяетгидравлический радиус потока).
В радиальнорасходящейся клапанной щели (рис. 4) скорость потока υ1имеет наибольшее значение в начале щели на радиусе r. По мере расширенияпотока к выходу скорость уменьшается до величины υ2. Наосновании уравнения неразрывности скорость на радиусе R
υ2 = υ1/>. (2.1)
Наибольшаятеоретическая скорость зависит от давления гомогенизации и может быть вычисленапо формуле Торричелли
υ1 =/>, (2.2)
где ∆ р= р0–р2 – давление гомогенизации, т.е. перепаддавления до клапана и после него, Н/м2;
γ – объемныйвес жидкости, Н/м3.
/>
Рисунок 4 – Основныепараметры клапана и потока жидкости и клапанной щели: D‑наружный диаметр клапана;d‑внутренний диаметр; R‑наружныйрадиус клапана; r‑внутренний радиус; h‑высота щели; l‑длина щели; p–давление перед клапаном;p1– давление в начале щели; р2– давление в конце щели (противодавление); υ0– скоростьпотока перед клапаном;υ1 – скорость потока в началещели; υ2 – скорость выходящего потока
Действительнаяскорость истечения υ1 меньше теоретической, причемвеличина отклонения зависит от вязкости жидкости и высоты клапанной щели.Высота клапанной щели hпри работе гомогенизатора нестабильна, аизменяется в широких пределах в зависимости от расхода жидкости через клапан,размеров клапана, давления гомогенизации и вязкости жидкости. Ее можноопределить по формуле
h=/> = /> м,(2.3)
где V –расход жидкости через клапан (производительность гомогенизатора), мз/ceк;
µ – коэффициент расхода приистечении через клапан;
d – внутренний диаметрклапанной щели, м;
γ – объемный вес жидкости,Н/м3;
т – удельный расход наединицу длины окружности клапанной щели, м3/ (сек∙м).
Коэффициентистечения не является постоянной величиной и зависит от высоты клапанной щели ивязкости жидкости. При давлении от 3 до 40 МН/м2 (примерно 30–400 кгс/см2)в случае гомогенизации молока коэффициент истечения колеблется от 0,96 до 0,80.
Несмотря наизменение скорости под клапаном и высоты клапанной щели при изменении давлениягомогенизации, число Re для потока жидкости не зависит от давлениягомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любыхрежимах работы:
/>, (2.4)
где d –внутренний диаметр клапанной щели, м;
ν – кинематическая вязкостьжидкости, м2/сек.
Следовательно,число Re для потока в клапанной щели зависит от производительности машины,размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число Re = 25000–35000.
Давление вклапанной щели зависит в первую очередь от давления гомогенизации. Резкоепадение давления в головке происходит на входе в клапанную щель, причемосновная часть энергии давления (до 80–90%) расходуется на сообщение жидкостикинетической энергии, а остальная – на преодоление сопротивления под клапаном.Относительно малая величина давления в начале щели обусловлена тем, что большаячасть сопротивления трения преодолевается в результате уменьшения скоростногонапора при падении скорости расширяющегося потока отυ1доυ2.
Анализируяусловия, в которых происходит процесс дробления жидкой фазы, можно сделатьвывод, что он начинается с первоначальной деформации жидких капель, взвешенныхв жидкой среде. Степень деформации в начальной стадии дробления характеризуетинтенсивность действия механических факторов.
В клапанных гомогенизаторахпоток эмульсии подвергается в зоне клапана последовательным механическимвоздействиям, при которых диспергирующую роль могут играть следующие, наиболеевероятные факторы:
относительноесмещение жидких частиц с резкой переменой скорости в связи с переформированиемпотока в месте перехода жидкости из клапана в седле в клапанную щель;
относительноесмещение жидких частиц при наличии высокого градиента скорости поперек потокаэмульсии в узкой клапанной щели;
удар плоскойструи, выходящей с большой скоростью из-под клапана, о металлическую стенку,окружающую клапан на близком расстоянии.
Эмульсияподвергается механическому действию в цилиндре гомогенизатора, в нагнетательноми всасывающем клапанах, однако интенсивность этого действия незначительна всравнении с той, которая имеет место в гомогенизирующем клапане.
Экспериментальныеисследования, проведенные в МТИММПе H.В. Барановским, позволилиустановить, что основным фактором, определяющим дисперсность вторичнойэмульсии, является скорость потока в начале клапанной щели, где и происходитрешающая стадия процесса в результате резкой деформации капель припереформировании потока.
Последующеемеханическое действие на эмульсию при ее движении в щели и при ударе струи запределами клапана заметно не влияет на дисперсность эмульсин, несмотря наизменение градиента скорости при движении потока в щели и скорости выходящейструи, в широком диапазоне. На дисперсность эмульсии не влияет также изменениедлины пути, проходимого эмульсией под клапаном.
Отсутствие выраженногодействия скорости удара на выходе струи и поперечного градиента скорости в щелина дисперсность объясняется тем, что они действуют в то время, когда процессраздробления частиц уже завершен в результате их деформации при входе вклапанную щель, поэтому последующее влияние вторичных факторов не можетпроявиться [10].
Механизмпроцесса гомогенизации
На основанииисследования влияния различных гидравлических факторов на степень дисперсностижира при гомогенизации молока Барановским предложена следующая схема механизмадробления жидкой внутренней фазы эмульсии при проходе ее через рабочий орган(рис. 5).
/>
Рисунок 5 – Схемапроцесса гомогенизации
В каждомгомогенизирующем клапане имеется место резкого изменения сечения потока напереходе из канала седла в клапанную щель, а, следовательно, и место резкогоизменения скорости. На подходе к щели скорость потока равнаυ0,а при входе –υ1, причем первая представляет собойвеличину порядка нескольких метров в секунду, а вторая – нескольких сот метровв секунду.
При переходежировой капли из зоны малых скоростей в зону высоких передние части капливключаются в поток в щели с огромной скоростьюυ1,вытягиваются и отрываются от нее, а оставшаяся часть, еще принадлежащая кпотоку со скоростью υ0, продолжает проходить черезпограничное сечение и постепенно отдавать свой материал вновь образованнымчастицам.
При большойразности υ1 и υ0 капля можетрасчленяться последовательным отрывом частиц без промежуточного растягиваниявсей капли в цилиндр или шнур. При малой разности скоростей υ1 иυ0 вся капля может миновать пограничное сечение, неуспев расчлениться, но окажется деформированной до неустойчивого состояния,поэтому возвращение ее к первоначальному виду в условиях потока в щели окажетсяневозможным. Под механическим действием потока и сил поверхностного натяженияпроизойдет расчленение капли на более мелкие частицы.
Такоетолкование механизма дробления капель объясняет экспериментально установленнуюзависимость степени дисперсности эмульсии от скорости в начале клапанной щели.Чем выше скоростьυ1, тем интенсивнее вытягиваетсяжидкая нить из капли в пограничной зоне, тем тоньше эта нить и мельче частицыпосле ее распада.
Зависимостьдисперсности от скорости υ1 объясняет связь,установленную практикой между эффектом гомогенизации и давлением, так как длялюбых данных условий скорость определяется давлением гомогенизации. Этопозволяет с достаточным основанием построить для любого гомогенизатора зависимостьдисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления ∆ р,которая действительна для других гомогенизаторов того же типа при условииработы на продукте с теми же свойствами.
/>
Рисунок 6 – Графикзависимости дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления
График нарис. 6 показывает, как зависит от давления гомогенизации дисперсностьнатурального молока при температуре гомогенизации 60°С. Средний диаметр жировыхшариков (dcp) быстро уменьшается при повышении давления до 12–14 МН/м2.В интервале 14–20 МН/м2 средний диаметр уменьшается медленнее,при давлении выше 20 МН/м2 дисперсность почти не улучшается. Этовполне объяснимо с точки зрения гидравлических предпосылок процесса.
Основнойфактор процесса – скорость υ1– с повышением давленияувеличивается пропорционально квадратному корню из перепада давления ∆ри его изменение при давлениях выше 20 МН/м2выраженосравнительно слабо. Технологические результаты процесса гомогенизациинаходятся, следовательно, в соответствии с гидравлическими закономерностями.
Послеперенесения зависимости dcp = f(∆р) налогарифмическую сетку можно получить эмпирическую формулу, действительную дляобычных условий гомогенизации цельного молока при температуре 60°С и длядиапазона давлений 3–20 МН/м2:
dср = />мкм, (2.5)
где ∆р– перепад давления в гомогенизаторе, МН/м2.
По формуле (2.5)можно ориентировочно определить давление гомогенизации для получения заданнойстепени дисперсности гомогенизированного молока [6].
Техническиехарактеристики гомогенизатора
Производительностьгомогенизатора равна подаче его насоса. Для плунжерных насосов подача зависитот диаметра плунжеров и величины хода, количества плунжеров и числа оборотовколенчатого вала. При заданных параметрах машины производительность Vсек ее можно рассчитать поформуле
Vсек = /> м3/ сек, (2.6)
где d‑диаметр плунжера, м;
S– ход плунжера, м;
п – угловая скоростьвращения коленчатого вала, об/сек;
φ – объемный к. п. д.насоса (для молока = 0,85; для вязкого продукта значительно меньше);
z – количество плунжеров.
Мощность N, необходимую для работыгомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N=/> Вт, (2.7)
где р0– давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление передклапаном), Н/м2;
η – механический к. п. д.гомогенизатора (= 0,75).
В результатезатрат большого количества механической энергии, которая превращается втеплоту, при клапанной гомогенизации заметно нагревается продукт. Повышениетемпературы продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле
∆t= /> град, (2.8)
где N ‑потребная мощность, Вт;
Vсек– объемнаяпроизводительность гомогенизатора, м3/ceк;
ρ – плотность продукта, кг/м3;
С–массовая теплоемкостьпродукта, Дж/(кг∙ град).
Высокоедавление гомогенизации является причиной того, что клапанные гомогенизаторыпоглощают много электроэнергии и отличаются большой металлоемкостью. Чтобыуменьшить расход энергии и облегчить конструкцию, за рубежом созданыгомогенизаторы «низкого» давления. Режим их работы позволяет получить эффектгомогенизации, достаточный при выработке цельного гомогенизированного молока.
Пружинагомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечитьнеобходимое давление гомогенизации, зависящее от усилия Р, с которымпружина действует на клапан. Связь между этим усилием, параметрами пружины ивозникающим в пружине наибольшим касательным напряжением τмаксвыражается формулой
τмакс= /> Н/м2, (2.9)
где Р –усилие, действующее на пружину, Н;
D– средний диаметр витков пружины,м;
d– диаметр проволоки, м;
k– поправочный коэффициент.
Поправочныйкоэффициент зависит от индекса пружины
С = />. (2.10)
Приближенно
k = />. (2.11)
Пружинадолжна удовлетворять условию τмакс ≤ [τ].Допускаемое напряжение на кручение [τ], которое зависит от механическихсвойств материала, колеблется в широких пределах (300 – 600 МН/м2).
При расчетезадаются индексом пружины Сп= 4–5. Это дает возможность наосновании формулы (3.9) определить диаметр проволоки d:
d= />. (2.12)
По формуле(3.10) рассчитывают средний диаметр витков пружины.
Количествовитков пружины гомогенизатора п = 4 – 6. Усилие затяжки Ропределяют по формуле
Р = f∙∆p, (2.13)
где f– площадь сечения каналаперед клапаном, м2;
∆р– рабочее давление гомогенизации, Н/м2 [15].
2.2 Расчетгидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристикгомогенизатора
Для расчетапроцесса гомогенизации возьмем сливки 25% жирности, т. к. при производствесметаны гомогенизация исходного сырья имеет наиболее важное значение. Сливки 25%жирности гомогенизируют при температуре 700С и давлениигомогенизации ∆р = 10 МПа.
Пустьпроизводительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотностьсливок 25%-ной жирности при температуре 700С ρ = 978 кг/м3[3].
Массоваятеплоемкость сливок 25%-ной жирности при температуре 700С С = 3432,6Дж/ (кг∙град).
Наибольшаятеоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может бытьвычислена по формуле Торричелли и составит
υ1 =/>= />= 143 м/с,
где ∆р= р0– р2 – давление гомогенизации, т.е. перепаддавления до клапана и после него, Н/м2;
γ – объемный вес жидкости,Н/м3,γ = ρ∙g =978∙9,81 = 9,594∙103Н/м3;
Высотаклапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широкихпределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-нойжирности и заданным расходом она будет равной
h=/>=/>=0,09∙10-3 м = 0,09 мм,
где V= 1200 л/ч = 1,2 м3/ч= 0,00033 м3/с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициент расходапри истечении через клапан;
d= 10 мм = 10-2м – внутренний диаметр клапанной щели.
ЧислоРейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давлениягомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любыхрежимах работы:
/>= 14793
где ν =1,74∙10-6 м2/с – кинематическая вязкостьпотока [3].
Мощность N, необходимую для работыгомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N= />=/>= 6474,6 Вт,
где р0= 150 кгс/см2 = 147, 15∙105 Па;
η = 0,75 – механическийк.п.д. гомогенизатора.
Повышениетемпературы ∆t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆t=/>=/>= 4,4 град,
где С= 3432,6Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость сливок.
Пружинагомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечитьнеобходимое давление гомогенизации.
Зададиминдекс пружины СП = 5. Рассчитаем поправочный коэффициент
k = /> = /> = 1,3125.
Усилиезатяжки определяют по формуле Р = f∙∆р, где f = π∙d2=3,14∙0,0012=3,14∙10-6 м2 – площадь сечения каналаперед клапаном.
Р = 3,14∙10-6∙10∙106= 31,4 Н
На основаниирассчитанных значений возможно определить диаметр проволоки пружины:
d= />= />= 1,024∙10-3м,
где [τ]– допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м2.
Среднийдиаметр витков пружины:
D= d∙CП = 1,024∙10-3∙5= 5∙10-3м.
Для сравнениярассчитаем все выше перечисленные параметры и характеристики для кефира,изготовляемого из нормализованного молока жирностью не выше 3,2%. Молоко 3,2% –ной жирности гомогенизируют при температуре 500С и давлениигомогенизации ∆р = 15 МПа.
Пустьпроизводительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотностьмолока 3,5%-ной жирности при температуре 500С ρ = 1015,9 кг/м3[3].
Массоваятеплоемкость молока 3,5%-ной жирности при температуре 500С С =3966,5 Дж/ (кг∙град).
Наибольшаятеоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может бытьвычислена по формуле Торричелли и составит
υ1 =/>= />= 171,8 м/с,
где ∆р= р0– р2 – давление гомогенизации, т.е. перепаддавления до клапана и после него, Н/м2;
γ – объемный вес жидкости,Н/м3,γ = ρ∙g =1015,9∙9,81 =9,966∙103 Н/м3;
Высотаклапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широкихпределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-нойжирности и заданным расходом она будет равной
h=/>=/>=0,06∙10-3м =0,06 мм,
где V= 1200 л/ч = 1,2 м3/ч= 0,00033 м3/с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициентрасхода при истечении через клапан;
d= 10 мм = 10-2м – внутренний диаметр клапанной щели.
ЧислоРейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давлениягомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любыхрежимах работы:
/>= 11848
где ν =1,74∙10-6 м2/с – кинематическая вязкостьпотока [3].
Мощность N, необходимую для работыгомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N= />=/>= 6474,6 Вт,
где р0= 150 кгс/см2 = 147, 15∙105 Па;
η = 0,75 – механическийк.п.д. гомогенизатора.
Повышениетемпературы ∆t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆t=/>=/>= 3,6 град,
где С= 3966,5Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость молока.
Пружинагомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечитьнеобходимое давление гомогенизации.
Зададиминдекс пружины СП = 5. Рассчитаем поправочный коэффициент
k = /> = /> = 1,3125.
Усилиезатяжки определяют по формуле Р = f∙∆р, где f = π∙d2=3,14∙0,0012=3,14∙10-6 м2 – площадь сечения каналаперед клапаном.
Р = 3,14∙10-6∙15∙106= 47,1 Н
На основаниирассчитанных значений, возможно определить диаметр проволоки пружины:
d= />= />= 1,255∙10-3м,
где [τ]– допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м2.
Среднийдиаметр витков пружины:
D= d∙CП = 1,255∙10-3∙5= 6,3∙10-3м.
Заключение
Итак,наиболее эффективными и распространенными в промышленности являютсягомогенизаторы клапанного типа, дающие необходимую степень диспергированияпродукта не оказывая каких-либо значительных негативных изменений его свойств.Эти гомогенизаторы применяются при переработке сырья, идущего на выработкувсевозможных кисломолочных напитков и сметаны.
Расчетпоказывает, что при переработке молока и сливок (соответственно для кефира исметаны) гидродинамические характеристики потоков примерно одинаковы:максимальная скорость для сливок 143 м/с, для молока 171,8 м/с засчет меньшей по сравнению со сливками вязкостью; высота клапанной щели длясливок 0,09 мм, для молока 0,06 мм; значение числа Рейнольдса длясливок 14793 получилось большим, нежели для молока 11848, что связано созначительным различием в высотах клапанных щелей; мощность, необходимая дляработы гомогенизатора, как для молока, так и для сливок одинакова; температурапродукта в гомогенизаторе повышается примерно одинаково – молока на 3,60С,а сливок на 4,40С; усилие затяжки пружины гомогенизирующей головки вслучае молока незначительно больше 47,1 Н, чем в случае сливок 31,4 Н; диаметрпроволоки пружины соответственно для молока и сливок равен 1,2 мм и 1,0 мм,а диаметр витков пружины 6,3∙10-3м и 5∙10-3м.
Библиографическийсписок
1. Бредихин С.А. Технологияи техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин.– М.: Колос, 2001. – 420 с.
2. Галат Б.Ф. Справочникпо технологии молока / Б.Ф. Галат, Н.И. Машкин, Л.Г. Козага. – 2-еизд., перераб. и доп. – К.: Урожай, 1990. – 192 с.
3. Курочкин А.А. Технологическоеоборудование для переработки продуктов животноводства / А.А. Курочкин, В.В. Лященко;Под ред. В.М. Баутина. – М.: Колос, 2001. – 440 с.
4. Павлов К.Ф. Примерыи задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов,П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. – 9‑еизд. перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. – 560 с.
5. Пат. 2142331 РФ, МПК 7А 01 J11/16. Устройство для гомогенизации и гомогенизирующая головка / В.Е. Карачевский,И.В. Карачевский, В.В. Карачевский.
6. Пат. 2170504 РФ, МПК 7А 01 J11/16. Гомогенизирующая головка / А.А. Шевцов, В.В. Горяйнов, О.Н. Федорова;Воронежская государственная технологическая академия.
7. Пат. 2138158 РФ, МПК 7А 01 J11/16. Устройство для гомогенизации жидкостей / В.Я. Грановский.
8. Принципы синтезатехнологических схем: учебное пособие по выполнению технологической системы вдипломных и курсовых проектах / К.Ф. Красильникова, Э.И. Уютова, Ю.В. Попов,В.А. Навроцкий; ВолгГТУ. – Волгоград: РПК «Политехник», 2001. – 107 с.
9. Степанова Л.И. Справочниктехнолога молочного производства. В 3 т. Т.1. Цельномолочные продукты/ Л.И. Степанова.– СПб.: ГИОРД, 2000. – 384 с.
10. Сурков В.Д. Технологическоеоборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, И.Н. Липатов,Н.В. Барановский. – 2‑е изд., перераб. и доп. – М.: Пищевая промышленность,1970. – 552 с.