Принцип работы и назначение гомогенизатора клапанного типа, эффективность его действия. Давление гомогенизации как характерный показатель ее режима. Порядок расчета гидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристик гомогенизатора.
Аннотация к работе
Диспергирование молока проводят в клапанных и ротационных гомогенизаторах, устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации, быстроходных механических мешалках, гидродинамических ультразвуковых аппаратах, кавитационных и суперкавитирующих динамических смесителях-эмульсорах, центробежных струйных гомогенизаторах, но по эффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных изменений его свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокого давления Продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. 1) основан на том, что гомогенизируемая жидкость нагнетается под большим давлением в канал и, поднимает прижатый пружиной 2 и стержнем 3 клапан 4 и с большой скоростью движется через узкую щель между клапаном и седлом 5. Кроме того, в результате патентного обзора можно отметить, что седло и клапан могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны под действием движущегося потока продукта и установлены в подшипниках, расположенных в неподвижном корпусе [3]. В нерабочем положении клапан плотно прижат к седлу пружиной 8, которая сжата регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в «плавающем» состоянии.Эти условия в основном определяются давлением гомогенизации, от которого зависит скорость движения жидкости в щели и высота клапанной щели (она определяет гидравлический радиус потока). Наибольшая теоретическая скорость зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли ?1 = , (2.2) где ? р = р0-р2 - давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2; Рисунок 4 - Основные параметры клапана и потока жидкости и клапанной щели: D-наружный диаметр клапана; d-внутренний диаметр; R-наружный радиус клапана; r-внутренний радиус; h-высота щели; l-длина щели; р0-давление перед клапаном; p1 - давление в начале щели; р2 - давление в конце щели (противодавление); ?0 - скорость потока перед клапаном; ?1 - скорость потока в начале щели; ?2 - скорость выходящего потока Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах в зависимости от расхода жидкости через клапан, размеров клапана, давления гомогенизации и вязкости жидкости. Несмотря на изменение скорости под клапаном и высоты клапанной щели при изменении давления гомогенизации, число Re для потока жидкости не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы: , (2.4) где d - внутренний диаметр клапанной щели, м;Для плунжерных насосов подача зависит от диаметра плунжеров и величины хода, количества плунжеров и числа оборотов коленчатого вала. Мощность N, необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов N = Вт, (2.7) где р0 - давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление перед клапаном), Н/м2; Повышение температуры продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле Связь между этим усилием, параметрами пружины и возникающим в пружине наибольшим касательным напряжением ?макс выражается формулой ?макс = Н/м2, (2.9) где Р - усилие, действующее на пружину, Н;Для расчета процесса гомогенизации возьмем сливки 25% жирности, т. к. при производстве сметаны гомогенизация исходного сырья имеет наиболее важное значение. Сливки 25% жирности гомогенизируют при температуре 700С и давлении гомогенизации ?р = 10 МПА. Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит ?1 = = = 143 м/с, где ?р = р0 - р2 - давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2; Число Рейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы: = 14793 где ? = 1,74•10-6 м2/с - кинематическая вязкость потока [3]. Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит ?1 = = = 171,8 м/с, где ?р = р0 - р2 - давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2;Расчет показывает, что при переработке молока и сливок (соответственно для кефира и сметаны) гидродинамические характеристики потоков примерно одинаковы: максимальная скорость для сливок 143 м/с, для молока 171,8 м/с за счет меньшей по сравнению со сливками вязкостью; высота клапанной щели для сливок 0,09 мм, для молока 0,06 мм; значение числа Рейнольдса для сливок 14793 получилось большим, нежели для молока 11848, что связано со значительным различием в высотах клапанных щелей; мощность, необходимая для работы гомогенизатора, как для молока, так и для сливок одинакова; температура продукта в гомогенизаторе повышается примерно одинаково - молока на 3,60С, а сливок на 4,40С; усилие затяжки пружины гомогенизирующей головки в случае молока незначительно больше 47,1 Н, чем в случае
План
Оглавление
Введение
1. Устройство и работа гомогенизатора
2. Основные расчеты
2.1 Теоретические основы диспергирования
2.2 Расчет гидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристик гомогенизатора
Заключение
Библиографический список
Введение
Кисломолочные продукты играют важную роль в питании людей, особенно детей, лиц пожилого возраста и больных. Диетические свойства кисломолочных продуктов заключаются, прежде всего, в том, что они улучшают обмен веществ, стимулируют выделение желудочного сока и возбуждают аппетит. Наличие в их составе микроорганизмов, способных приживаться в кишечнике и подавлять гнилостную микрофлору, приводит к торможению гнилостных процессов и прекращению образования ядовитых продуктов распада белка, поступающих в кровь человека.
Немаловажной стадией при выработке кисломолочных продуктов является механическое воздействие на исходное сырье, т.е. гомогенизация. Она не только предотвращает отстаивание жира, но и способствует получению качественных кисломолочных продуктов с улучшенными консистенцией и вкусовыми свойствами, повышению его усвояемости организмом и более полному использованию содержащихся в нем жира и витаминов.
Диспергирование молока проводят в клапанных и ротационных гомогенизаторах, устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации, быстроходных механических мешалках, гидродинамических ультразвуковых аппаратах, кавитационных и суперкавитирующих динамических смесителях-эмульсорах, центробежных струйных гомогенизаторах, но по эффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных изменений его свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокого давления
Гомогенизаторы клапанного типа. Продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. Дробление жировых шариков и увеличение их дисперсности происходит при истечении молока через канал со скоростью 200 м/с, при этом количество жировых шариков увеличивается в 200-500 раз, а их суммарная поверхность в 6-10 раз. Гомогенизаторы клапанного типа относятся к энергоемким и металлоемким: в зависимости от давления и производительности расход электроэнергии изменяется от 36 до 140 КВТ/ч, общая масса гомогенизатора может находиться в пределах от 600 до 4000 кг. Клапанными двухступенчатыми гомогенизаторами в настоящее время оснащены все комбинаты, заводы и цеха, вырабатывающие сухие и жидкие продукты питания.
Центробежные гомогенизаторы по конструкции проще клапанных, менее металлоемки, в них нет быстроизнашивающихся деталей, но они дают недостаточно высокую степень гомогенизации.
Электрогидравлическая гомогенизация молока и влияние на молочные системы электрогидравлического удара исследовались в МАПБ (Московская академия прикладной биотехнологии). В основу этого способа гомогенизации положен электрогидравлический эффект, являющийся результатом возникновения в жидкости импульсных сверхвысоких давлений, вызывающих образование ударных волн.
Достигнутый общий гомогенизирующий эффект весьма высок - раздробление жировых шариков в 7-8 раз. Кратковременный электрогидравлический эффект не влияет на технологические свойства молока, но очень длительное его воздействие изменяет вкус продукта.
Ультразвуковые гомогенизаторы - это электромеханические и гидродинамические устройства, создающие упругие звуковые и ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси. Наиболее известный из них - так называемый гидродинамический свисток. Принцип действия его основан на прохождении потока жидкости через зону максимального воздействия ультразвукового поля, создаваемого самим же потоком. Поток дробится на струи, которые, многократно взаимно пересекаясь с большой скоростью, создают интенсивные вихри и акустические колебания высоких частот. При выходе из сопла закрученного потока возникают наиболее интенсивные вихри, создающие колебания, еще более усиливаемые установленной на выходе трубки - резонатора, образующей в потоке жидкости кавитационные полости.
Ультразвуковой метод эмульгирования весьма эффективен: полнота эмульгирования составляет 95%. Метод обеспечивает высокую степень дисперсности (0,1-0,5 мкм) и устойчивость эмульсии при длительном хранении. Металлоемкость и энергоемкость ультразвукового гомогенизатора по сравнению с гомогенизатором ОМ такой же производительности, используемым в настоящее время в отечественной молочной промышленности, ниже в 5-7 раз.
Работы по оптимизации режимов ультразвуковой гомогенизации, изучению механизма эмульгирования в ультразвуковом поле проводились многими учеными в нашей стране и за рубежом, но в них не раскрыто или недостаточно раскрыто влияние ультразвукового облучения на изменения физико-химических свойств молока и его компонентов. Известно лишь, что в молоке может появиться привкус топленого молока. Предполагается, что это результат взаимодействия с жирами атомарного кислорода, выделившегося при распаде. Значительно уменьшается вязкость молока, что указывает на деструкцию молекул белка.
Как отмечалось выше, наибольшее распространение получили гомогенизаторы клапанного типа. В связи, с чем и рассмотрим их в данной работе.
1. Устройство и работа гомогенизатора клапанного типа
Машины этого типа обладают высокой эффективностью действия. Например, при гомогенизации цельного молока средний размер жировых шариков уменьшается с 3,5-4 до 0,7-0,8 мкм.
Первоначально рабочим органом гомогенизатора был пучок капиллярных трубок, через которые под давлением нагнеталось молоко, нагретое до 50-60°С. Гомогенизатор этого типа был несовершенен и часто засорялся, поэтому было предложено использование головки с пружинным клапаном. Гомогенизирующие головки подвергались тем или другим малосущественным изменениям, однако принцип устройства их сохранился до сих пор без изменения.
Принцип действия гомогенизирующей головки (рис. 1) основан на том, что гомогенизируемая жидкость нагнетается под большим давлением в канал и, поднимает прижатый пружиной 2 и стержнем 3 клапан 4 и с большой скоростью движется через узкую щель между клапаном и седлом 5. Высота клапанной щели при работе гомогенизатора не превышает 0,1 мм, а скорость молока при движении его в щели обычно достигает 150-200 м/сек. При этом молоко подвергается в зоне клапана сильному механическому воздействию, которое и приводит к раздроблению жировых шариков, т.е. к гомогенизации.
Форма рабочей поверхности клапана обычно плоская, тарельчатая или конусная с небольшим углом конусности. У гомогенизатора с плоскими клапанами с концентрическими рифлями (проточками) располагаются такие же рифли на поверхности седла. Следовательно, форма прохода для молока в радиальном направлении извилистая, что должно способствовать лучшей гомогенизации.
Кроме того, в результате патентного обзора можно отметить, что седло и клапан могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны под действием движущегося потока продукта и установлены в подшипниках, расположенных в неподвижном корпусе [3].
Жидкий продукт в головку может нагнетаться любым насосом, обладающим равномерной подачей и способным создать высокое давление. Для этой цели применимы многоплунжерные, роторные и винтовые насосы. Наибольшее распространение нашли гомогенизаторы высокого давления с трехплунжерными насосами. Схема устройства плунжерного гомогенизатора клапанного типа показана на рис. 2.
Молоко при ходе плунжера влево проходит через всасывающий клапан 3 в цилиндр, а при ходе плунжера вправо проталкивается через клапан 4 в нагнетательную камеру, на которой установлена манометрическая головка 10 для контроля давления. Она имеет дросселирующее устройство, дающее возможность эффективно уменьшить амплитуду колебания стрелки манометра. Далее молоко 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 плотно прижат 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, руководствуясь показаниями манометра 10. При завинчивании винта давление пружины па клапан увеличивается, следовательно, высота клапанной щели уменьшается. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т.е. к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количества жидкости.
Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставит под угрозу сохранность деталей в случае, если канал засорится в седле клапана. Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным пружинным клапаном 9, через который жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного. Предельное давление, при котором предохранительный клапан открывается, регулируют, затягивая винтом пружину.
Недостаток простого плунжерного насоса одинарного действия заключается в крайне неравномерной подаче жидкости на протяжении одного оборота кривошипа. При ходе всасывания такой насос совсем не подает жидкости, а при ходе нагнетания подача изменяется от 0 до максимума аналогично изменению скорости плунжера, т.е. по синусоиде. В гомогенизаторах используют трехплунжерные насосы со сравнительно равномерной подачей, что достигается смещением кривошипов коленчатого вала на 120° и поочередной работой цилиндров.
Степень неравномерности подачи, представляющая собой отношение максимальной подачи к средней, для трехплунжерного насоса составляет 1,047, т.е. близка к единице. Поэтому в подаче жидкости через клапан не только нет полных перерывов, но и сам поток приблизительно постоянен, что обусловливает непрерывно «взвешенное» положение при работе и лишь небольшие его колебания относительно среднего положения.
Двигаясь с большой скоростью, жидкость оказывает сильное механическое действие на седло и клапан, что вызывает быстрый износ их. Клапан и седло изготовляют из стали высокой твердости. Они обычно имеют симметричную форму и рабочие поверхности с обеих сторон. Это позволяет после заметного износа рабочих поверхностей с одной стороны перевернуть седло и клапан другой стороной, использовать вторую пару рабочих поверхностей и продлить в 2 раза срок службы гомогенизатора.
Оригинальным способом решения этой задачи следует считать также применение клапанных конусов, изготовленных прессованием в специальных формах комков нержавеющей тонкой проволоки. Клапан представляет собой конус, пронизанный тонкими капиллярами извилистой формы. Такой клапан в рабочем положении плотно прижат к седлу, и гомогенизация происходит благодаря прохождению продукта под давлением через капилляры. После одного цикла работы клапан засоряется, и его заменяют другим. Действие такого клапана хорошо согласуется с приведенным ниже объяснением механизма процесса гомогенизации.
На рис. 3 приведен гомогенизатор ОГБ-М производительностью 1200 л/ч. Станина 1 (рис. 3а) литая, чугунная, снабжена съемными крышками. На ней расположен электродвигатель 2, от которого движение передается на шкив 5 тремя клиновыми ремнями 3. Для натягивания ремней по мере их вытяжки служит натяжной винт 4, посредством которого электродвигатель перемещают по пазам. Шкив 5 насажен на конец коленчатого вала 6, который приводит в движение три шатуна 7 и соединенные с ними ползуны 8, передающие движение плунжерам 9.
Кривошипно-шатунный механизм расположен в картере в верхней части станины. Нижняя часть картера заполнена маслом, которое разбрызгивается во время работы машины и смазывает поверхности трения в головках шатунов и ползунах. Уровень масла в ванне контролируют по маслоуказателю.
Блок цилиндров (рис. 3б) изготовлен из нержавеющей стали. Вдоль блока проходит всасывающий канал 1, из которого гомогенизируемый продукт через свободные всасывающие клапаны 2 поступает в цилиндры. При работе плунжеров молоко выталкивается через нагнетательные клапаны 3 в нагнетательный канал 4, который проходит вдоль всего блока цилиндров. Он сообщен с гомогенизирующей головкой предохранительным клапаном и манометром.
Для уплотнения мест входа плунжеров в цилиндры имеются сальники с нажимными гайками.
Манометр 5 установлен на специальном штуцере, внутри которого расположен патрон, играющий роль мембраны. Она препятствует попаданию продукта внутрь манометра.
Плунжеры при работе сильно нагреваются от горячего продукта. Продукт, проникающий через уплотнение, присыхает к поверхности плунжеров, если не принимать меры к его удалению. Поэтому в гомогенизаторах находится специальное смывное приспособление, через которое на плунжеры подается вода, смывающая продукт.
Давление гомогенизации регулируют винтом 6, который нажимает на пружину 7, стержень 8 и клапан 9. Клапан и седло 10 симметричные, двусторонние. Перед работой винт послабляют, начинают работу при малом давлении по манометру, а затем плавно доводят его, вращая винт, до требуемого.
В клапане гомогенизатора резко падает давление жидкости в результате перехода потенциальной энергии давления в кинетическую в месте перехода жидкости из канала в седле в клапанную щель, где скорость потока увеличивается во много раз.
На рис. 4 приведен гомогенизатор с двойным дросселированием, в котором жидкость проходит последовательно через две рабочие головки. В каждой головке давление пружины на клапан регулируется отдельно, своим винтом. В таких головках гомогенизация происходит в две ступени. Рабочее давление в нагнетательной камере равно сумме обоих перепадов.
Применение двухступенчатой гомогенизации обусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации в первой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частиц и образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.
Задача второй ступени состоит в раздроблении, рассеивании таких сравнительно неустойчивых образований. Для этого требуется уже не столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений во второй вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой, от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации. С той же целью применяют и трехступенчатую гомогенизацию.
В общем, конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находят применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитии оборудования молочных предприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы, облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей стали с полированной поверхностью.
Одним из важных в санитарном отношении решений следует считать также установку этих машин не на фундаменте, а на регулируемых по высоте ножках, обеспечивающих возможность легкой уборки и мойки пола под машиной [1].