Модернизация гомогенизатора для молочного производства

Skhemy dlya proizvodstva (1).cdw

Схема непрерывного осахаривания с двухступенчатым
-паросепаратор; 2-барометрический конденсатор; 38-испарительная камера; 4 6-вакуум-насос; 5-коллектор; 7-конденсатор;
-барометрическая труба;10-расходные бачки; 11-дозатор; 12 18-сборник длябарометрической воды; 13-осахариватель; 14-ловушка;
-сборник для сусла; 16. 17-насос
- резервуар для хранения молока; 2 - центробежный насос для перекачивания молока;
- балансировочный бачок; 4 - центробежный насос; 5 - высокотемпературный теплообменник;
- пульт; 7 - сепаратор молокоочиститель; 8 - обходной клапан; 9 - гомогенизатор;
- выдерживатель пастеризованного молока; 11 - насос для подачи закваски;
- смеситель закваски;
- танк для заквашивания молока; 14 - тихоходный насос для перекачивания кефира;
охладитель; 16 - промежуточный резервуар для созревания кефира.
Техническая характеристика линии
Производительность лсутки 30000
Режим работы двухсменный
Расход холода для охлаждения (с 25 до 8
Установленная мощность квт 130
Температура пастеризации
Давление гомогенизации ат 125-175
Температура заквашивания
Температура охлаждения готового напитка
Технологическая схема
кисломолочных напитков
Технологическая схема производства кисломолочных напитков резервуарным способом

VKR.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра «Технологические системы пищевых полиграфических и упаковочных производств»
«Модернизация гомогенизатора для молочного производства»
Руководитель работы
Заведующий кафедрой
Работа содержит 64 с. 18 рис. 2 табл. 18 источников 2 прил.
Ключевые слова: пищевая промышленность сущность процесса гомогенизация двухступенчатый гомогенизатор А1-ОГМ расчёт основных параметров гомогенизатора.
Бакалаврская работа состоит из введения трех глав заключения списка использованной литературы приложений.
Объектом исследования являются методы применяемые для улучшения качества оборудования позволяющие проводить гомогенизацию молока.
Цель работы – модернизация гомогенизатора для молочного производства.
В рамках данной бакалаврской работы был детально изучен процесс гомогенизации молока рассмотрена конструкция клапанного гомогенизатора сделаны выводы которые отображают необходимость качественной гомогенизации молока.
В бакалаврской работе разработана модернизация клапанного гомогенизатора позволяющая обрабатывать приметно в три раза больший поток молока.
TOC o "1-3" h z u ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc484116433 h 5
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ PAGEREF _Toc484116434 h 7
1. Сущность процесса гомогенизации PAGEREF _Toc484116435 h 7
2. Режимы гомогенизации нормализованной смеси PAGEREF _Toc484116436 h 11
3. Технологическая схема производства кисломолочных напитков резервуарным способом PAGEREF _Toc484116437 h 12
4. Гомогенизирующая головка PAGEREF _Toc484116438 h 17
5. Двухступенчатая гомогенизация PAGEREF _Toc484116439 h 21
АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ PAGEREF _Toc484116440 h 24
1. Оборудование для гомогенизации молока PAGEREF _Toc484116441 h 24
2. Использование гомогенизаторов в других отраслях промышленности PAGEREF _Toc484116442 h 31
РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ PAGEREF _Toc484116443 h 34
1. Двухступенчатый гомогенизатор А1-ОГМ PAGEREF _Toc484116444 h 34
2. Определение мощности и выбор электродвигателя гомогенизатора А1-ОГМ PAGEREF _Toc484116445 h 38
3. Определение величин характеризующих рабочий процесс плунжерного блока PAGEREF _Toc484116446 h 41
4. Расчёт основных параметров кривошипно-шатунного механизма PAGEREF _Toc484116447 h 42
5. Расчёт клиноременной передачи привода гомогенизатора PAGEREF _Toc484116448 h 49
6. Модернизации гомогенизатора А1-ОГМ PAGEREF _Toc484116449 h 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ PAGEREF _Toc484116450 h 58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ PAGEREF _Toc484116451 h 59
ПРИЛОЖЕНИЯ PAGEREF _Toc484116452 h 61
Молочная промышленность – одна из важнейших среди пищевых отраслей народного хозяйства. Возникновение товарного молочного хозяйства в нашей стране относится к концу XVIII в. Молочные заводы России представляли собой мелкие производства.
Молоко используют либо как продукт питания в не переработанном или переработанном виде либо как сырье для молочной и пищевой отраслей промышленности. Молоко имеет высокую пищевую и биологическую ценность. В его состав входят необходимые для организма человека и хорошо усвояемые пищевые компоненты: молочный жир белки углеводы молочный сахар иминеральныевещества [7].
Одним из наиболее важных процессов в переработке молока является гомогенизация [13].
Процесс обработки молока на гомогенизаторах относится к технологическим операциям улучшающим консистенцию и качество жидких молочных продуктов. В сочетании с тепловой обработкой гомогенизация позволяет увеличить срок их хранения без изменения качества так как в результате этого процесса достигается раздробление жировых шариков в молоке и равномерное распределение их по всему объему что способствует улучшению качества а именно консистенции и вкуса.
Диспергирование молока проводят в клапанных и ротационных гомогенизаторах устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации быстроходных механических мешалках гидродинамических ультразвуковых аппаратах центробежных струйных гомогенизаторах но по эффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных изменений его свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокого давления [8].
Целью данной работы является повышение качества гомогенизируемого продукта.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
) изучить конструкции и теории работы гомогенизаторов с целью выбора наилучшего с точки зрения технических параметров;
) привести рекомендации по повышению эффективности работы гомогенизатора;
) разработать предложение по модернизации конструкции гомогенизатора и режима его работы.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Сущность процесса гомогенизации
Несмотря на открытия и достижения в различных областях позволившие раскрыть и понять сущность процесса производства кисломолочных напитков выработка их резервуарным способом по-прежнему является сложной.
Одним из основных факторов оказывающих наибольшее влияние на качество и срок годности этих продуктов является процесс гомогенизации молочной смеси.
Гомогенизация – это обработка заключающаяся в дроблении (диспергировании) жировых шариков путем воздействия на продукт значительных внешних усилий. Известно что при хранении свежего молока и сливок из-за разницы в плотности молочного жира и плазмы происходит всплывание жировой фракции или ее отстаивание. Скорость отстаивания жира зависит от размеров жировых шариков вязкости от возможности соединения жировых шариков друг с другом. Как известно размеры жировых шариков колеблются в широких пределах – от 05 до 18 мкм. Согласно формуле Стокса скорость выделения всплывания жирового шарика прямо пропорциональна квадрату его радиуса. В процессе гомогенизации размеры жировых шариков уменьшаются примерно в 10 раз (размер 10 мкм) а скорость всплывания их соответственно становится примерно в сто раз меньше. В процессе дробления жирового шарика перераспределяется его оболочечное вещество. На построение оболочек образовавшихся мелких шариков мобилизируются плазменные белки а часть фосфатидов переходит с поверхности жировых шариков в плазму молока. Этот процесс способствует стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомогенизированное молоко практически не отстаивается [14].
Механизм дробления жировых шариков схематично показан на рис. 1.1 и заключается в следующем:
Рис. 1.1. Схема дробления жировых шариков в клапанной щели гомогенизатора:
D – диаметр отверстия в седле клапана; v0 – скорость движения в клапане молока; v0 – скорость в пограничном сечении; p0 – давление в клапане; v1 – скорость движения в щели клапана; p1 – давление в щели клапана; h – высота щели клапана
В гомогенизирующем клапане на границе седла гомогенизатора и клапанной щели имеется порог резкого изменения сечения потока а следовательно и изменения скорости движения. При переходе от малых скоростей к высоким жировой шарик деформируется: его передняя часть включаясь в поток в гомогенизирующей щели с большой скоростью вытягивается в нить и дробится на мелкие капельки. Таким образом степень раздробленности или эффективность гомогенизации зависит прежде всего от скорости потока при входе в гомогенизирующую щель а следовательно от давления гомогенизации которое всегда определяет скорость [13].
Рис. 1.2. Дифференциальная кривая распределения жировых шариков по
размерам в зависимости от давления гомогенизации молока:
– при давлении 20 МПа; 2 – при давлении 15 МПа; 3 – при давлении 10 МПа; 4 – при давлении 5 МПа; 5 – молоко не гомогенизированное
Интенсивность гомогенизации возрастает с повышением температуры так как при этом жир переходит полностью в жидкое состояние и уменьшается вязкость продукта. При повышении температуры снижается также отстаивание жира. При температурах ниже 50ºС отстаивание жира усиливается что приводит к ухудшению качества продукта. Наиболее предпочтительной считают температуру 60 65ºС. При чрезмерно высоких температурах сывороточные белки в гомогенизаторе могут отстаиваться.
Кроме этого эффективность гомогенизации зависит от свойств и состава продукта (вязкость плотность кислотность содержание жира и сухих веществ). С повышением кислотности молока эффективность гомогенизации уменьшается так как в кислом молоке снижается стабильность белков и образуются белковые агломераты затрудняющие дробление жировых шариков. При повышении вязкости и плотности молока эффективность гомогенизации также снижается [17].
В настоящее время применяют два вида гомогенизации: одно- и двухступенчатую. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шариков а при двухступенчатой происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков.
Иногда при производстве молочных напитков и сыров используют раздельную гомогенизацию. Раздельная гомогенизация предназначена для получения гомогенизированного молока с требуемым содержанием жира повышенной стабильностью жировой дисперсной фазы и белков. Раздельная гомогенизация отличается от полной тем что при ней механическому воздействию подвергается лишь высококонцентрированная жировая эмульсия (сливки определенной жирности). Сущность раздельной гомогенизации заключается в том что молоко вначале сепарируют а полученные сливки затем гомогенизируют после гомогенизации их смешивают с обезжиренным молоком нормализуют пастеризуют и охлаждают. При производстве раздельно гомогенизированного молока с использованием двухступенчатой гомогенизации массовая доля жира не должна превышать 25% а при одноступенчатой 16%.
Раздельную гомогенизацию применяют для того чтобы увеличить производительность гомогенизации и ограничить нежелательное механическое воздействие на молочный белок при выработке питьевого молока кисломолочных продуктов. Полученное при раздельной гомогенизации молоко по своим физико-химическим и органолептическим свойствам не отличается от обычного гомогенизированного молока при условии если массовая доля жира в сливках используемых при гомогенизации не превышает 12% [18].
Режимы гомогенизации нормализованной смеси
Гомогенизация оказывает существенное влияние на консистенцию продукта посредством диспергирования жировых шариков и последующего включения их в структуру кисломолочного геля: увеличивается прочность геля уменьшается синерезис из-за повышения гидрофильности и способности связывать воду благодаря взаимодействию казеина и мембран жировых шариков и взаимодействию белок – белок. При этом термостабильность белков уменьшается вследствие изменений в их взаимодействии из-за сдвига солевого баланса и некоторой денатурации белков. Причем чем больше массовая доля сухих веществ или жира в нормализованной смеси тем больше влияние гомогенизации оказывает на термостабильность. Поэтому необходимо учитывать кислотность гомогенизируемой смеси и ее состав. При pH ниже 66 – 65 свойства гомогенизируемого продукта ухудшаются. Обычно молочную основу для кисломолочных напитков рекомендуется гомогенизировать одноступенчато при температуре 65 – 70ºС и давлении 15 – 20 МПа (при этом достигается средний диаметр жировых шариков от 138 до 069 мкм) для продуктов сливочных (с массовой долей жира 10%) более эффективна двухступенчатая гомогенизация при 125 и 35 МПа на первой и второй ступенях соответственно [6].
Жировые шарики молока после гомогенизации ведут себя подобно крупным мицеллам казеина так как их оболочки состоят из него и участвуют в процессе кислотного свертывания молока. Уменьшение диаметра жировых шариков с 18 до 11 мкм вызывает повышение стойкости продукта в хранении в 2 раза. В рекомбинированном молоке оболочки жировых шариков состоят из сывороточных белков поэтому влияние гомогенизации менее выражено.
По некоторым данным гомогенизация молочной основы после тепловой обработки приводит к достижению более высокой стойкости продукта так как во время образования новых жировых шариков гомогенизатор благодаря действию поверхностно-активных сил вызывает разрывы казеиновых мицелл и при сквашивании гидрофобные взаимодействия приводят к образованию более стабильной белковой системы. Но в этом случае возникает опасность повторного загрязнения продукта и для ее исключения необходим асептический гомогенизатор.
Режимы гомогенизации рекомендуется выбирать также в зависимости от содержания в смеси сухих веществ молока. Для смеси с содержанием 95 – 12% сухих веществ (СОМО 9 – 11%) – менее 15 МПа при 55 – 65ºС.
Технологическая схема производства кисломолочных напитков резервуарным способом
К кисломолочным напиткам относятся различные виды простокваши (простокваша обыкновенная ряженка йогурт и др.) кефир кумыс ацидофильные напитки. Кроме того вырабатывают кисломолочные напитки из пахты и сыворотки.
Для получения кисломолочных напитков используют молоко цельное и обезжиренное сливки сгущенное и сухое молоко казеинат натрия пахту и другое молочное сырье а также плодовоягодные и овощные наполнители пищевые ароматизаторы красители подсластители стабилизаторы структуры.
Существуют два способа производства кисломолочных напитков – резервуарный и термостатный. В данной выпускной квалификационной работе рассмотрим резервуарный способ (рис. 1.3) производства кисломолочных напитков так как он более эффективен по сравнению с термостатным [15].
Основные этапы технологического процесса следующие:
- тепловая обработка и гомогенизация молока идущего на выработку кефира;
- сквашивание молока охлаждение и созревание кефира в резервуарах.
При производстве кефира резервуарным способом молоко пастеризуют при 85ºС и выдерживают. С увеличением температуры пастеризации продолжительность выдержки уменьшается. Обязательной операцией является гомогенизация молока: она препятствует отстою сыворотки в готовом продукте и придает ему однородную сметанообразную консистенцию. Молоко гомогенизируют под давлением не ниже 125 атм оптимальное давление гомогенизации 175 атм. Сквашивают молоко при температуре 20 – 25ºС в двустенных танках-резервуарах специально сконструированных для производства кисломолочных напитков. Закваску вносят в потоке или любым другим способом при непрерывном перемешивании молока в резервуаре. Конец сквашивания определяют по достижению кислотности сгустка 85 – 90ºС. В межстенное пространство танка от охлаждения сгустка до температуры созревания подают воду температурой 1 – 3ºС а затем включают мешалку для размешивания его и оставляют в покое для созревания [10].
В процессе созревания кефир приобретает специфический вкус отличный от вкуса присущего простокваше.
Способ охлаждения зависит от выбранной схемы технологического процесса принятой на данном предприятии.
При производстве кефира большое значение имеет перемешивание и охлаждение при его подаче. Мешалка должна не взбалтывать и не резать его на пласты и кубики а плавно и равномерно перемешивать всю массу кефира. Частичное перемешивание или резка сгустка приводит к отделению сыворотки (синерезису) так же как взбалтывание кефира мешалкой приводит к пенообразованию что влечет за собой образование отстоя сыворотки. Для сохранения качества кефира нельзя пользоваться насосами вспенивающими кефир и разбивающими продукт. Ниже приводится основная технологическая схема производства кисломолочных напитков резервуарным способом разработанная ВНИКМИ и предусматривающая механизацию и автоматизацию основных и вспомогательных операций [16].
Особенностью этого технологического режима является то что молоко сквашивается в двустенном резервуаре или в обычном молокохранительном танке 13 оборудованным приводными трубчатыми мешалками а по достижении кислотности 85 – 90ºТ продукт с помощью тихоходного насоса 14 из танка 13 поступает на охладитель 15. Напиток охлаждается в тонком слое очень быстро. Далее он поступает на промежуточный танк 16 а затем самотеком направляется на фасовку [5].
Рис. 1.3. Основная технологическая схема производства кисломолочных напитков резервуарным способом с охлаждением в потоке:
– резервуар для хранения молока; 2 – центробежный насос для перекачивания молока; 3 – балансировочный бачок; 4 – центробежный насос; 5 – высокотемпературный теплообменник; 6 – пульт; 7 – сепаратор-молокоочиститель; 8 – обходной клапан; 9 – гомогенизатор; 10 –выдерживатель пастеризованного молока; 11 – насос для подачи закваски; 12 – смеситель закваски; 13 – танк для заквашивания молока; 14 – тихоходный насос для перекачивания кефира; 15 – пластинчатый охладитель; 16 – промежуточный резервуар для созревания кефира
Преимущества производства кисломолочных напитков резервуарным способом следующие:
- почти полностью исключается ручной труд в результате механизации и автоматизации технологического процесса;
- повышается квалификация рабочих обслуживающих линию;
- снижаются затраты труда и повышается его производительность;
- снижается стоимость 1т продукта;
- сокращаются производственные площади так как готовый продукт созревает и охлаждается в тех же танках в которых приготавливается а не в термостатных помещениях;
- снижается расход тепла и холода.
Практика эксплуатации оборудования для резервуарного способа получения напитков показала что линии скомплектованные из машин и аппаратов специально сконструированных для резервуарного способа производства кисломолочных напитков в эксплуатации рентабельны и обеспечивают выпуск продуктов высокого качества. Линия производства кисломолочных напитков скомплектованная из двустенных танков является универсальной так как на ней можно вырабатывать напитки по двум вариантам технологической схемы после внесения в нее насоса и пластинчатого пастеризатора [9].
Резервуарный способ производства кисломолочных напитков по сравнению с термостатным имеет ряд преимуществ. Во-первых этот способ позволяет уменьшить производственные площади за счет ликвидации громоздких термостатных камер. При этом увеличивается съем продукции с 1м2 производственной площади и снижается расход теплоты и холода. Во-вторых он позволяет осуществить более полную механизацию и автоматизацию технологического процесса сохранить затраты ручного труда на 25% и повысить производительность труда на 35%.
Техническая характеристика линии производства кисломолочных напитков резервуарным способом приведена в табл.1.1.
Техническая характеристика линии производства кисломолочных напитков резервуарным способом
Производительность лсутки
Расход холода для охлаждения (с 25 до 8ºС) ккал
Установленная мощность кВт
Температура пастеризации ºС
Давление гомогенизации атм
Температура заквашивания ºС
Температура охлаждения готового напитка ºС
Гомогенизирующая головка
Гомогенизирующая головка является узлом гомогенизатора где непосредственно происходит диспергирование жировой фазы молока. В гомогенизаторе применяют двухступенчатую головку (рис. 1.4) которая представляет собой две соединенные вместе ступени связанные каналом позволяющим продукту переходить последовательно от первой ступени ко второй.
Рис. 1.4. Гомогенизирующая головка:
I – первая ступень; II – вторая ступень; 1 – седло клапана; 2 – клапан;
– корпус; 4 – нажимное устройство; 5 – накидная гайка; 6 – пружина; 7 – шток; 8 – стакан
Принцип действия гомогенизирующей головки основан на том что гомогенизируемая жидкость нагнетается под большим давлением в канал и поднимает прижатый пружиной 6 и штоком 7 клапан 2 и с большой скоростью движется через узкую щель между клапаном и седлом 1. Высота клапанной щели при работе гомогенизатора не превышает 01 мм а скорость молока при движении его в щели обычно достигает 150 – 200 мсек. При этом молоко подвергается в зоне клапана сильному механическому воздействию которое и приводит к раздроблению жировых шариков т.е. к гомогенизации [15].
Давление гомогенизации в каждой из ступеней задается нажатием на клапан штока путем завертывания накидной гайки передающей усилие посредством пружины. Причем согласно инструкции по эксплуатации гомогенизаторов сначала задается необходимое давление во второй ступени до 5 МПа а затем давление поднимается до требуемого технологическим режимом на первой ступени которое как правило выше давления во второй ступени (10 – 15 МПа). Общее давление гомогенизации которое показывает манометр установленный перед гомогенизирующей головкой на нагнетательном коллекторе плунжерного блока представляет собой практически сумму давлений на первой и второй степенях гомогенизирующей головки. Поэтому возможно задавать давление гомогенизации и в обратном порядке зная распределение давлений по ступеням и необходимое общее давление гомогенизации обрабатываемого молочного продукта.
Нежелательной можно считать работу гомогенизирующей головки когда наибольшее давление задается второй ступенью головки. Такое распределение давлений можно допустить поскольку имеются положительные рекомендации однако при этом работа уплотнений будет находиться в более жестких условиях что в первую очередь можно отнести к уплотнению штока головки первой ступени. Поэтому долговечность уплотнений головки зависит от правильной её эксплуатации.
К наиболее ответственным деталям гомогенизирующей головки помимо уплотнений можно отнести седла и клапаны обеих ступеней и пружины штоков. От технического состояния которых зависит эффективность процесса гомогенизации данной гомогенизирующей головки и гомогенизатора.
Гомогенизирующий клапан посажен на седло (клапаны и седла обеих ступеней одинаковы) так что его хвостовик входит в отверстие седла по ходовой посадке а тарелка опирается на притёртую коническую поверхность с углом конуса 120°. При работе гомогенизатора в результате вибрирующего движения клапана и различных гидродинамических процессов вызванных высокой скоростью движения молока сопряженные поверхности подвержены износу хотя и выполнены из нержавеющей стали прошедшей закалку. Наибольшему износу подвержены притёртые поверхности клапана и седла и в меньшей степени рёбра хвостовиков. Величина износа рёбер хвостовиков влияет на положение тарелки клапана при подъёме его в рабочее положение. В случае значительного износа или плохого качества изготовления тело клапана не будет соосно с седлом и высота щели по всей рабочей поверхности будет различна т. е. в каком-то месте она будет наибольшей и жидкость будет проходить по этому сечению. В результате получается односторонний износ притёртых поверхностей и резкое снижение качества гомогенизации. Частому наблюдению за их состоянием должны подвергаться притёртые конические поверхности седла и клапана. При движении жидкости изнашиваются острая передняя кромка седла клапана и соответствующая ей поверхность клапана. Вследствие кавитационных явлений в щели связанных с изменением скорости движения жидкости и условиями входа её в щель на указанных местах седла и клапана появляются «оспины» а остальная рабочая поверхность приобретает риски соответствующие радиальному движению жидкости. Увеличение размеров «оспин» и рисок приводит к значительному снижению эффекта гомогенизации поэтому необходима периодическая притирка седла и клапана или обновление сопряженных поверхностей с последующей их притиркой [8].
Пружина каждой из ступеней гомогенизирующей головки оказывает противодавление гомогенизирующему клапану и воспринимает толчки жидкости от пульсирующей подачи плунжеров. Цикличность подачи жидкости влияет на гомогенизацию по мере работы машины на жесткость пружины. Во время эксплуатации необходимо следить за состоянием пружин и не допускать соприкосновения витков друг с другом.
При замене вышедшей из строя пружины новую целесообразно рассчитать исходя из размеров гомогенизирующего клапана и давления гомогенизации.
Виды гомогенизирующих головок:
В промышленности распространены многие разновидности клапанных гомогенизаторов. Существенные отличия конструктивных форм заключаются в устройстве гомогенизирующих головок представленных на рис.1.5.
Рис. 1.5. Современные гомогенизирующие головки:
а – клапан конический; б – клапан с малым углом конуса; в – клапан и седло с перфорированными колпачками; г – клапан с кольцевыми проточками; д – клапан плоский; е – клапан из спрессованной проволоки
Основными рабочими органами гомогенизирующей головки являются седло и клапан от конструкции которых в известной мере зависит степень дисперсности молока при гомогенизации. Разнообразие конструктивных исполнений гомогенизирующих устройств обусловлено стремлением повысить гомогенизирующий эффект за счет повышения турбулентности потока гомогенизируемой жидкости усиления явлений кавитации повышения скорости движения жидкости на входе в клапанную щель [8].
Дальнейшее внедрение и расширение области применения гомогенизации оснащение предприятий высокопроизводительными установками для комплексной обработки молока выдвигают задачи по созданию гомогенизаторов с высокими технологическими и эксплуатационными показателями. Проводится большая работа по созданию машин современных моделей для молочных продуктов различных вязкостей с унифицированными узлами и деталями а также с повышенными эксплуатационными показателями [12].
Двухступенчатая гомогенизация
На рис. 1.6 приведен гомогенизатор с двойным дросселированием в котором жидкость проходит последовательно через две рабочие головки. В каждой головки 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 рассеиваний таких сравнительно неустойчивых образований.
Для этого требуется уже ни 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.
Рис. 1.6. Схема двухступенчатой гомогенизации
В общем конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находит применение основные принципы и положения технической эстетики санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям развития оборудования молочных предприятий новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей стали с полированной поверхностью.
Исходя из производительности гомогенизатора и конструктивных соображений за прототип выбираем гомогенизатор марки А1-ОГМ [8].
Одним из наиболее важных процессов в переработке молока является гомогенизация.
Процесс обработки молока на гомогенизаторах относится к технологическим операциям улучшающим консистенцию и качество жидких молочных продуктов. В сочетании с тепловой обработкой гомогенизация позволяет увеличить срок их хранения без изменения качества так как в результате этого процесса достигается раздробление жировых шариков примерно в 10 раз (размер 10 мкм) и равномерное распределение их по всему объему что способствует улучшению качества а именно консистенции и вкуса.
В настоящее время существует большое разнообразие машин для гомогенизации молочных продуктов российского и иностранного производства. К ним относятся гомогенизаторы с одно- и двухступенчатой гомогенизирующей головкой а также клапанные и плунжерные с высоким и низким давлением гомогенизации.
Механизм дробления жировых шариков молока при гомогенизации до настоящего времени окончательно не выяснен. Разрешение вопроса о механизме гомогенизации выявление всех сторон процесса имели бы большое практическое значение для конструирования гомогенизирующих устройств и гомогенизаторов.
Установили что процесс гомогенизации оказывает наибольшее влияние на качество и срок годности продуктов молочной промышленности.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Оборудование для гомогенизации молока
Известно что при хранении свежего молока из-за разницы в плотности молочного жира и плазмы происходит всплывание жировой фракции или ее отстаивание. Скорость отстаивания жира зависит от размеров жировых шариков вязкости от возможности соединения жировых шариков друг с другом. Для получения однородной по структуре жидкости в молочной промышленности применяется операция гомогенизации пастеризованного молока. Данная обработка заключается в дроблении (диспергировании) жировых шариков путем воздействия на продукт значительных внешних усилий. Этот процесс способствует стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомогенизированное молоко практически не отстаивается [7].
Диспергирование молока проводят в клапанных гомогенизаторах устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации гомогенизаторах роторно-пульсационного типа 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.
Гомогенизатор роторно-пульсационного типа (рис. 2.1) представляет собой гидродинамическое устройство сочетающее в себе свойства роторно-пульсационного аппарата и центробежного насоса.
В процессе работы в гидродинамическом режиме осуществляется пульсационное преобразование акустического поля в кавитационную энергию. При этом на эффективность обработки жидкости оказывает влияние время нахождения продукта в акустическом поле и профиль расщепляющего так называемого («стригущего») градиента скоростей перемещения частиц который зависит от скорости вращения ротора насоса и создаваемого напора. Таким образом комплексное воздействие на обрабатываемую среду позволяет использовать насос-гомогенизатор для приготовления гомогенных многокомпонентных и высокопластичных эмульсий и суспензий самого различного назначения [8].
Рис. 2.1. Роторно-пульсационный гомогенизатор
Конструктивно насос состоит из гомогенизирующей головки подшипникового узла и электродвигателя которые установлены на общей опорной раме. В свою очередь ротор головки закреплен на рабочем валу с радиально-упорными шарикоподшипниками. Передача вращения от двигателя к рабочему валу головки осуществляется с помощью специальной кулачково-дисковой муфты со скользящим «сухарем» из текстолита. При этом подвод рабочей среды – осевой а отвод приготовленного продукта – тангенциальный.
Процесс эмульгирования происходит следующим образом. Через входной патрубок крышки гомогенизирующей головки рабочая среда с помощью крыльчатки засасывается и отбрасывается лопастями крыльчатки на периферию вращающегося ротора. Далее рабочая среда последовательно переходит через пазы статорного диска и пазы ротора. При этом продукт подвергается необходимой обработке в пазах и зазорах между статором и ротором и отбрасывается в тангенциальный отводящий патрубок обечайки [5].
Размер частиц конечного продукта на выходе от 3 мкм что не позволяет использовать его для гомогенизации пастеризованного и стерилизованного молока.
Центробежные гомогенизаторы (рис. 2.2). Многокомпонентная разнородная масса из смесителя поступает в гомогенизатор где захватывается вращающейся пропеллерной крыльчаткой предварительно дробится и смешивается и подается в гомогенизирующее-измельчительныйузел [16].
Рис. 2.2. Центробежный гомогенизатор
В гомогенизирующем узле происходит их раздробление между вращающимся и стационарным откалиброванными цилиндрическими ножами ротора и статора. Попадающие в гомогенизирующий узел частицы (например жировые шарики) центробежной силой выбрасываются между ротором и статором гомогенизатора проходя через отверстия. 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 [8].
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 (рис. 2.3) – это электромеханические и гидродинамические устройства создающие упругие звуковые и ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси.
Рис. 2.3. Ультразвуковой гомогенизатор
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 (01 – 05 мкм) и устойчивость эмульсии при длительном хранении.
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 [9].
Кавитационные динамические смесители. Кавитационное воздействие не только способствует повышению дисперсности эмульсии но и уничтожает вредные микроорганизмы. При обработке молока при температуре 70ºС общее микробное число снижается в 103 – 105 раз. При этом происходит полное уничтожение вегетативных форм дрожжей и плесеней а также патогенных микроорганизмов группы кишечной палочки и нейтрализация фосфатазы [15].
Такая обработка позволяет увеличить сроки хранения молока при температуре 9 12ºС в неасептической упаковке не менее 5 суток без признаков его скисания.
На входе в каналы поток изменяет направление движения на 90º при этом возрастает гидродинамическое сопротивление что ведет к значительной потере давления и соответственно скорости потока. Поэтому в пристеночном слое жидкости примыкающего к неподвижной стенке канала сосредотачиваются наиболее плотные имеющие повышенную вязкость а возле поверхности вращающегося ротора концентрируются более легкие фракции. Недостаточное сопротивление движению потока в пристеночных областях канала приводит к ослаблению взаимодействия между молекулами жидкости. Следовательно при недостаточном напряжении в слоях переход потока жидкостей в турбулентный режим течения не произойдет [10].
Механическая лопастная мешалка (рис. 2.4). В промышленности для перемешивания в используют механические мешалки с вращательным движением. При работе таких мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости. Среди основных достоинств мешалок лопастного типа это относительно небольшая стоимость изготовления и несложность конструкции удобство и простота в обслуживании. Недостаток лопастных мешалок это слабый осевой поток который не обеспечивает полное перемешивание всего объёма жидкости в ёмкости или аппарате. Из-за незначительного создания осевого потока лопастная мешалка перемешивает в основном те слои жидкости которые расположены в близости от лопастей мешалки [11].
Рис. 2.4. Механическая лопастная мешалка
Гомогенизаторы клапанного типа получили наибольшее распространение в молочной промышленности. Принцип действия этих гомогенизаторов заключается в следующем. В цилиндре гомогенизатора на молоко оказывается механическое воздействие при давлении 15 20 МПа. При подъеме клапана приоткрывающем узкую щель молоко выходит из цилиндра. При проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость молока возрастает отнулевой до величины превышающей 100 мс. Давление в потоке резко падает и капля жира попавшая в такой поток вытягивается а затем в результате действия сил поверхностного натяжения дробится на мелкие капельки-частицы [8].
В молочной промышленности для гомогенизации жидких молочных продуктов применяют гомогенизаторы почти исключительно клапанного типа. В них осуществляется одно и двухступенчатая гомогенизация. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шариков а при двухступенчатой происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков.
Для гомогенизации можно использовать различные центробежные установки ультразвуковое и другое устройства но по эффективности воздействия на продукт без значительных нежелательных изменений свойств эти установки уступают применяемым в отечественной и зарубежной молочной промышленности клапанным гомогенизаторам с использованием высокого давления именно поэтому в данной бакалаврской работе будет рассматриваться гомогенизатор клапанного типа.
Использование гомогенизаторов в других отраслях промышленности
Гомогенизаторы используются не только в пищевой промышленности но и в других областях промышленности.
При использовании в косметической промышленности гомогенизация даёт более стабильные однородные эмульсии с более высокими характеристиками. В фармацевтической промышленности основной механический характер процесса гомогенизации обеспечивает прямой доступ к ферментамбелкам липосомам и внутриклеточным активным веществам без необходимости использования химического лизиса мембраны.Другие эффекты видны при приготовлении устойчивых растворов продуктов с различными физическими характеристиками (протеиныкремы растворы активных элементов масла витамины). Увеличение площади поверхности раздробленных частиц также представляет интерес для химической и нефтехимической отраслей из-за результирующего увеличения реакций преобразования. Это так же создает дальнейшие преимущества такие как: ощутимое снижение катализирующих веществусиление пигментного цвета увеличенное применение и снижение количества добавок контроль вязкости переработанного продукта.Измельчение частей активных элементов вызывает увеличение площади поверхности таким образом увеличивая ассимиляцию подготовки.
Список некоторых продуктов из косметической химической фармацевтическойи нефтехимической промышленностей которые могут гомогенизироваться: клеи крахмалы антибиотики парафины красители косметика косметические кремы зубная паста моющие средства эмульсии смазки чернила латекс липосомные суспензии лосьоны крем для обувиэмульгирующие масла смазывающие масла пигменты духи протеины мыло сиропы краски витамины и многое другое.
Вакуумный смеситель-гомогенизатор (рис. 2.5) циркуляционного типа с гидравлической системой подъёма крышки вместе с мешалкой. Предназначены для получения однородных смесей которые состоят из нескольких компонентов что смешиваются механическим путем. Гомогенизаторы могут быть механические ультразвуковые и высоко давления.
Вакуумный смеситель-гомогенизатор необходим для осуществления смешивания твёрдых порошков в жидкой среде что позволяет получить различные пасты суспензии кремы гели и другую химическую косметическую и фармацевтическую продукцию. Также такое оборудование используется в пищевой промышленности но применяется реженежели гомогенизаторы клапанного типа.
Рис. 2.5. Вакуумный смеситель-гомогенизатор EMULSIFIER CPK
Стандартно применяются смесители следующих рабочих объёмов: 50 100 150 200 300 500 750 1000 1500 2000 литров. Применяется для производства косметических и фармацевтических продуктов требующих интенсивного и длительного процесса гомогенизации жидких и высоковязких (пастообразных) продуктов в особенности: мазей кремов паст суспензий гелей и т.д. Подъём крышки значительно облегчает ремонт и техническое обслуживание реактора.
Фармацевтический гомогенизатор (рис. 2.6) используется для получения однородных смесей состабильной структурой изаданными химическими свойствами.
Рис. 2.6. Фармацевтический гомогенизатор
Основная часть процесса перемешивания иизмельчения происходит вгомогенизирующем узле устройства где осуществляется раздробление твёрдых частиц между неподвижным ивращающимся модулями (ножами) ротора представляющими собой кольца снесколькими отверстиями. При прохождении обрабатываемым веществом данных полостей происходит поэтапное раздробление крупных фрагментов подвижной частью ротора. Одновременно осуществляется послойной разделение массы иинтенсивное перемешивание всех её ингредиентов.
Настройки гомогенизатора подбираются стаким расчётом чтобы поддерживалась оптимальная скорость расслаивания для материалов любой консистенции. При этом главная цель заключается вбыстром получении однородной многокомпонентной среды (эмульсии либо суспензии) вкоторую входят несколько нерастворимых составляющих.
Использование гомогенизаторов вфармацевтической промышленности позволяет тщательно смешивать несколько химических составов иполучать качественные унифицированные биопрепараты спостоянной структурой изаданным спектром активности.
Двухступенчатый гомогенизатор А1-ОГМ
Гомогенизатор А1-ОГМ предназначен для гомогенизации молока и молочных продуктов а гомогенизатор А1-ОГЯ можно использовать и для гомогенизации более вязких жидкостей: смесей мороженого заменителей цельного молока.
Производительность гомогенизатора в базовой модели изменяется в зависимости от установления электродвигателя с различной частотой вращения и коленчатого вала с различным эксцентриситетом кривошипа. Все остальные узлы и детали одинаковых типоразмеров.
Рис. 3.1. Гомогенизатор А1-ОГМ:
– станина; 2 – корпус; 3 – плунжерный блок; 4 – гомогенизирующая головка; 5 – система охлаждения; 6 – система смазки; 7 – клиноременная передача; 8 –кривошипно-шатунный механизм; 9 – платформа; 10 – электродвигатель
Гомогенизаторы А1-ОГМ (рис. 3.1) включают в себя сварную станину корпус привод кривошипно-шатунный механизм плунжерный блок двухступенчатую гомогенизирующую головку манометрическое устройство предохранительный клапан системы смазки и охлаждения [5].
Сварная станина изготовлена из профильной стали в виде рамы облицованной листовой сталью и сбоку закрытой съёмными щитами которые снабжены щелевыми отверстиями для лучшего охлаждения электродвигателя. Электродвигатель установлен внутри станины на плите которая меняет своё положение за счёт поворота относительно оси закреплённой с одного конца плиты. Внутри станины находятся коробка для подвода электроэнергии к двигателю три патрубка для подвода и отвода охлаждающей воды а в целях обеспечения безопасности со стороны вращающегося шкива установлен микровыключатель который останавливает машину в случае съёма щита при её работе. Станина опирается на четыре регулируемые ножки с подкладками.
Сверху на станине укреплен шпильками корпус в котором помещаются кривошипно-шатунный механизм система охлаждения фильтр системы смазки. Корпус выполнен в виде резервуара с наклонным дном для стекания масла. Сверху корпус закрывают крышкой с отдушиной и двумя ручками.
Внутри корпуса уровень масла контролируется с помощью указателя установленного на задней стенке. Здесь же расположена пробка для слива масла которая выведена за пределы облицовки корпуса.
Коленчатый вал кривошипно-шатунного механизма устанавливают в отверстиях боковин корпуса и он получает движение от электродвигателя посредством клиноременной передачи с ремнями типа «Б» длиной 2600 мм.
К шейкам коленчатого вала подводят масло для отвода излишнего тепла и для смазки трущихся поверхностей шеек и вкладышей большой шатунной головки.
Система смазки включает сетчатый фильтр грубой очистки масла СЧ1-11 шестеренный масляный насос БГ-11-11 систему трубопроводов и манометр. Масло из корпуса гомогенизатора засасывается насосом установленным на станине приводимым в действие от индивидуального электродвигателя и подаётся к коленчатому валу. Масло в канал коленчатого вала нагнетают через нажимную крышку подшипника и патрубок. Чтобы предотвратить утечку масла во вращающемся коленчатом валу установлено уплотнение а с другого конца коленчатого вала отверстие заглушено винтом. Давление масла в системе контролируется манометром МТ-3. Для смазки узлов машины используют масло индустриальное 45 или 50.
Система охлаждения состоит из патрубков для подвода и отвода воды трубчатого змеевика уложенного по дну корпуса и трубки с отверстиями установленной над плунжерами. Водопроводную воду подводят через входные патрубки и подают к плунжерам. Часть воды проходит в змеевике охлаждает масло а затем отводится из гомогенизатора [5].
Снаружи корпус гомогенизатора облицован тонколистовой сталью. Сверху облицовки размещена легкая съёмная крышка для доступа к узлам машины. На передней стенке закреплены амперметр и манометр давления масла в системе смазки.
Гомогенизатор двухступенчатого сжатия типа А1-ОГМ также является трехплунжерным насосом и имеет ряд существенных конструктивных особенностей:
- привод с электродвигателем гомогенизатора располагается внутри станины;
- двухступенчатая гомогенизирующая головка;
- имеются фильтр для смазки системы предварительной смазки и охлаждения смазывающего масла.
В настоящее время гомогенизатор А1-ОГМ имеет наибольшую производительность из всех гомогенизаторов двухступенчатого сжатия применяемых в производстве [16].
Техническая характеристика гомогенизатора А1-ОГМ
Производительность лч
Рабочее давление МПа
Температура продукта ºС
Тип электродвигателя
Мощность электродвигателя кВт
Частота вращения электродвигателя мин-1
Частота вращения коленчатого вала мин-1
Диаметр плунжеров мм
Количество ступеней гомогенизации
Габаритные размеры мм
Определение мощности и выбор электродвигателя гомогенизатора А1-ОГМ
Для расчёта гомогенизатора А1-ОГМ используем следующие исходные данные:
Молоком 32%-ной жирности гомогенизируют при температуре 50°С и давлении гомогенизации р= 197МПа.
Пусть производительность гомогенизатора составляет П = 5000 лч = 5 м3ч = 000138 м3с.
Плотность молока 32%-ной жирности при t = 50°С ρ = 10159 кгм3.
Массовая теплоёмкость молока 32%-ной жирности при температуре 50°С С = 39665 Дж(кгград).
Наибольшая теоретическая скорость молока подвергаемого гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит:
где р = р2 – р1 – давление гомогенизации т.е. перепад давления до клапана и после него Нм2; γ – объёмный вес жидкости Нм3; γ = ρg = 10159 981 = 9966103 Нм3.
Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна а изменяется в широких пределах и зависит от расхода жидкости через клапан размеров клапана давления гомогенизации и вязкости жидкости. Для молока 32%-ной жирности и заданным расходом она будет равной:
где = 08 – коэффициент расхода при истечении через клапан;d = 10 мм 10-2 м – внутренний диаметр клапанной щели.
Число Рейнольдса для потока гомогенизируемого молока не зависит от давления гомогенизации и при работе сданным продуктов остаётся постоянным при любых режимах работы:
где м2с – кинематическая вязкость потока.
Мощность N необходимую для работы гомогенизатора определяют по формуле для расчёта мощности насосов:
где р2 = 20МПа; = 085 – механический кпд гомогенизатора.
По полученной мощности выбираем двигатель АО2-82-6 Nдв=40 кВт nдв=980 мин-1.
Повышение температуры tпродукта в гомогенизаторе получается равным:
гдеС = 39665 Дж(кгград) – массовая теплоёмкость молока.
Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жёсткой чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации.
Зададим индекс пружины СП = 5. Рассчитаем поправочный коэффициент:
Усилие затяжки определяют по формуле:
где f = d2 = 314 00012 = 31410-6 м2 – площадь сечения канала перед клапаном.
На основании рассчитанных значений возможно определить диаметр проволоки пружины:
где – допускаемое напряжение на кручении принимаем равным 50 МНм2.
Средний диаметр витков пружины:
Средний размер жировых шариков в диапазоне изменения давления до 20 МПа определяется по формуле Н. В. Барановского:
Расчёт предохранительных клапанов можно свести к определению проходного сечения седла клапана с учетом вязкости обрабатываемой жидкости. Для маловязких жидкостей (молоко соки) диаметр проходного сечения седла определяется по формуле:
где в – отношение массы перекачиваемой жидкости к массе воды.
Высокое давление гомогенизации является причиной того что клапанные гомогенизаторы поглощают много электроэнергии и отличаются большой металлоемкостью. Чтобы уменьшить расход энергии и облегчить конструкцию за рубежом созданы гомогенизаторы "низкого давления". Режим их работы позволяет получить эффект гомогенизации достаточный при выработке цельного гомогенизированного молока. Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации зависящее от усилия Р с которым пружина действует на клапан. Связь между этим усилием параметрами пружины и возникающим в
пружине наибольшим касательным напряжением maxвыражается формулой:
Пружина должна удовлетворять условию max[]. Допускаемые напряжения на кручение [] которые зависят от механических свойств материала колеблется в широких приделах (300 – 600 Нм2). Данное условие выполняется [1].
Определение величин характеризующих рабочий процесс плунжерного блока
При расчете гомогенизатора следует учитывать конструкцию и назначение исполнительного механизма плунжерного блока.
Идеальная подача Qи каждого качающего узла плунжерного блока определяется рабочим объемом:
где – площадь плунжера 0002м2
где частота вращения кривошипа: z = 3 – количество плунжеров.
Действительная подача:
Так как объемные насосы предназначены в основном для создания значительных приращений давления то приращением кинетической энергии в насосе обычно пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между давлением p2 =20 МПа на выходе и p1 =03МПа на входе в него.
Полезная мощность плунжерного блока:
Мощность потребляемая плунжерным блоком:
Мощность потребляемая плунжерным блоком не превышает мощности необходимой для работы гомогенизатора следовательно мощность рассчитана правильно.
Расчёт основных параметров кривошипно-шатунного механизма
Перемещение x плунжера определяется углом α поворота вала который называется углом встречи или технологическим углом. Выбор величины угла влияет на размеры радиуса кривошипа и длины шатуна следовательно на размеры гомогенизатора. Для гомогенизаторов рекомендуется принимать α=30-45º. При расчете величины x от левой мертвой точки закономерность изменения x=f(α) будет следующей:
Обычно для получения закона подачи близкого к моногармоническому делают ab ≥ r поэтому cos 1
где h=2r – полный ход плунжера.
Текущее значение скорости плунжера:
текущее значение его ускорения:
Длина шатуна определяется по зависимости:
где λ = 01 – коэффициент учитывающий различные технологические назначения. По ГОСТ 6636-84 «Нормальные линейные размеры» принимаем Lш = 300мм [2].
Угол наклона шатуна к оси цилиндра :
Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма
Для практических расчетов достаточно знать нагрузку на шатун Рш действующую вдоль оси шатуна и нагружающую палец малой головки коленчатый вал
где Р – суммарная алгебраическая сила кг; – угол поворота кривошипа коленчатого вала; Рж – сила давления жидкости на плунжер кг; Рм – сила трения в манжетном уплотнении кг; Ри – сила инерции при возвратно-поступательном движении кг.
При максимальном усилии =0 тогда cos=1. Сила инерции в сравнении с силами входящими в равенство настолько мала что ею можно пренебречь.
Силу давления жидкости на плунжер определяют по формуле:
где D – диаметр плунжера см;
Силу трения поступательно движущихся частей условно принимают постоянной она направлена против движения и меняет свой знак в мертвых точках.
Силу трения рассчитывают по уравнению:
где φ = (06÷07) – коэффициент трения;l – длина сальника см.
Минимальная радиальная величина сальника определяется эмпирической зависимостью: где K – коэффициент равный 15÷25.
Длину сальниковой набивки принимают равной для давления 20 МПа:
В этом соотношении чем больше давление тем больше длина набивки сальника.
Подставляем все полученные значения в формулу для определения суммарной алгебраической силы:
Коленчатый вал устанавливают в отверстиях боковин станины в роликовых упорных подшипниках.
Диаметр вала кривошипа:
где Рп – нагрузка на подшипник Рп= 80кгсм2.
Округляем полученное значение в большую сторону тогда dв = 150мм.
Крутящий момент на валу: .
Коленчатый вал устанавливают в отверстиях боковин станины в роликовых упорных подшипниках. По справочнику выбираем подшипники роликовые радиально-упорные конические однорядные 7220 по ГОСТ 27365-87 [3].
По рекомендациям диаметр опорной шейки шатуна равен dш = 100мм. В большие разъемные головки шатуна уложены бронзовые вкладыши.
Расчет стержня шатуна
Расстояние между центрами поршневой и кривошипной головками шатуна внутренний диаметр кривошипной головки шатуна D = 006 м; внутренний диаметр втулки поршневой головки шатуна dвт=0025 м; наружный диаметр втулки d= 003 м; наружный диаметр поршневой головки шатуна D1 = 004 м; наибольшая растягивающая сила действующая на шатун Pш = 199 Н; наибольшая сжимающая сила действующая на шатун Рш.с.=7190 Н; допускаемое напряжение материала шатуна [] = 100 МПа; сила инерции вращающейся части шатуна Fин = 310 Н; материал шатуна – сталь 40.
Прочность стержня шатуна проверяем по среднему 1 – 1 и минимальному 2 – 2 сечениям рис 3.2.
Напряжение растяжения в среднем сечении (1 – 1):
где fср=м2 – площадь среднего сечения м2 (находится по данным сечения 1 – 1).
Суммарные напряжения от сжатия и продольного изгиба в среднем сечении определяют по эмпирическим зависимостям:
в плоскости качения шатуна
в перпендикулярной плоскости
Ix– момент инерции среднего сечения (1 – 1) шатуна относительно оси x-x м4:
Рис. 3.2. Расчётная схема шатуна
Iy – момент инерции среднего сечения (1 – 1) шатуна относительно оси y– y м4:
Напряжение сжатия в минимальном сечении (2 – 2) шатуна м2.
Допускаемые напряжения для шатунов из углеродистой стали [] = 100 Мпа [1].
Запас прочности стержня шатуна на выносливость:
где (-1)р= 190МПа – предел выносливости материала при симметрическом цикле растяжение-сжатие Па; в= 613МПа – временное сопротивление материала шатуна Па; k – коэффициент концентрации напряжений (при обработанных поверхностях k= 1; при необработанных – k= 130 – 135); = 087 – коэффициент влияния абсолютных размеров сечения определяемый по наибольшему размеру рассчитываемого сечения (рис. 3.2); – коэффициент характеризующий чувствительность материала к ассиметрии цикла (обычно = 005 – 020).
Рис. 3.3. Коэффициент влияния абсолютных размеров для сталей:
– углеродистых; 2 – легированных
Проверим выполнение условия прочности
Условие прочности соблюдается (здесь [n] = 2 – 4 – допускаемый запас прочности) [1].
Расчёт клиноременной передачи привода гомогенизатора
Исходные данные для расчёта: передаваемая мощность P = 33кВт; частота вращения ведущего (меньшего) шкива nДВ = 980 обмин; передаточное отношение скольжение ремня = 001.
По номограмме в зависимости от частоты вращения меньшего шкива n1 = 980 обмин и передаваемой мощности P= 33кВт принимаем сечение клинового ремня В.
Диаметр меньшего шкива:
С учетом того что диаметр шкива для ремней сечения В не должен быть менее 200мм принимаем d1 = 224 мм [2].
Диаметр большего шкива:
d2 = iР d1(1 – ) = 27 224(1 – 001) = 598 мм.
Принимаем d2 = 600мм.
Уточняем передаточное отношение:
При этом угловая скорость вала В будет:
Расхождение с тем что было задано в технической характеристике гомогенизатора – к= 350 мин-1 менее допускаемого так как:
Следовательно окончательно принимаем диаметры шкивов d1 = 224 мм d2 = 600 мм.
Межосевое расстояние аР следует принимать в интервале:
аРmax = d1+d2 = 224+600 = 824 мм
где Т0 = 135 мм (высота сечения ремня).
Принимаем предварительно близкое значение аР = 600 мм.
Расчётная длина ремня:
по стандарту ближайшее значение L = 2500 мм [2].
Уточненное значение межосевого расстояния aP с учетом стандартной длины ремня L:
где =05(d1+d2) = 05 (224 + 600) = 1294 мм; y = (d2 – d1)2 = (600 – 224)2 = 141376 мм.
При монтаже передачи необходимо обеспечить возможность уменьшения межосевого расстояния на 001 L = 001 2500 = 25 мм для облегчения надевания ремней на шкивы и возможность увеличения его на 0025 2500 = 63мм для увеличения натяжения ремней.
Угол обхвата меньшего шкива:
Коэффициент режима работы учитывающий условия эксплуатации передачи СР = 11.
Коэффициент учитывающий влияние длины ремня СL= 095.
Коэффициент учитывающий влияние угла обхватаСα=095 при α=160 ºC.
Коэффициент учитывающий число ремней в передаче: предполагая что число ремней в передаче будет от 4 до 6 примем коэффициент Сz = 09.
Число ремней в передаче:
где Р0 – мощность передаваемая одним клиновым ремнем; для ремня сечения В при длине L =2500 мм работе на шкиве d1 = 224 мм и iР = 27 мощность Р0 = 857 кВт.
принимаем равным z = 5.
Натяжение ветви клинового ремня
где скорость v = 05 ДВ d1 = 05 102 224 103 = 114 м с; – коэффициент учитывающий влияние центробежных сил; для ремня с сечением В коэффициент = 03 Нс2м2.
Давление на валы определяем по формуле:
FВ = 2F0 zsin (α 2) = 2 391 5 sin = 3911Н.
ВШ = (z – 1) e + 2f = (5 – 1) 25 + 2 17 = 134мм.
Согласно ГОСТ Р 50641-94 Шкивы для обычных и узких клиновых ремней ширину шкива оставляем без изменения [4].
Модернизации гомогенизатора А1-ОГМ
Задача модернизации гомогенизатора заключается в обеспечении клапана гомогенизатора с меньшей высотой гомогенизирующего зазора которая может изменяться при изменении давления и потока.
Дополнительная задача модернизации заключается в разработке седла клапана который может быть использован в существующих клапанах гомогенизаторов стандартного типа но которые имеют существенно большую длину щели и могут тем самым использоваться при намного больших потоках без значительных затрат присущих большим клапанам гомогенизатора.
Еще одна задача заключается в соблюдении чрезвычайно высоких требований которые предъявляются к обработке пищевых продуктов.
Эти и другие задачи достигаются в следствии того что гомогенизирующий клапан описанного типа имеет определенный отличительный признак заключающийся в том что гомогенизирующая щель расположена концентрично вдоль сужения.
Предпочтительные варианты осуществления данной модернизации имеют дополнительные определенные отличительные признаки изложенные в далее в работе.
Рис. 3.4. Клапан гомогенизатора
– клапан гомогенизатора; 2 – корпус; 3 – впускное отверстие; 4 – выпускное отверстие; 5 – конус клапана; 6 – седло клапана; 8 – центральное сквозное расходное отверстие для жидкости; 16 – элемент конуса клапана; 17 – центральная часть конуса клапана; 18 – винт; 25 – герметизирующие уплотнения; 26 – гидравлический или пневматический поршень
Как показано на рис. 3.4 клапан 1 гомогенизатора в соответствии с настоящим изобретением состоит по существу из корпуса 2 клапана с впускным отверстием 3 и выпускным отверстием 4 для жидкости которая подвергается гомогенизации а также конуса 5 клапана и седла 6 клапана. Конус 5 клапана и седло 6 клапана расположены так что между ними образовано сужение гомогенизирующая щель 7.
В предпочтительном варианте осуществления седло 6 клапана выполнено вращательно-симметричным и имеет центральное сквозное расходное отверстие 8 для жидкости которая должна быть гомогенизирована образующее продолжение впускного отверстия 3 клапана 1 гомогенизатора. Относительно центральной плоскости 9 седло 6 клапана выполнено так что оно является одинаковым по обеим сторонам от центральной плоскости 9 и поэтому может быть перевернуто в корпусе 2 клапана что удваивает срок службы седла 6 клапана. На удалении по направлению к боковой поверхности седло 6 клапана снабжено кольцом 10 которое выполняет ту же самую функцию что и компенсатор износа в обычных клапанах гомогенизаторов и поэтому заменяет этот элемент [8].
Внутри кольца 10 седло 6 клапана имеет от двух до пяти возвышений 11. Эти возвышения 11 образуют одну границу гомогенизирующей щели 7. Как показано на рис. 3.5 возвышения 11 расположены концентрично вокруг сквозного расходного отверстия 8 и в предпочтительном варианте осуществления таких возвышений три. Возвышения 11 расположены так что возвышение 11а наиболее близкое к кольцу 10 находится на части 12 седла клапана которая полностью прилегает к кольцу 10. Возвышения 11b и 11с находятся на части 13 которая прилегает к части 12 только посредством узких соединительных перемычек 14. Поэтому между частями 12 и 13 выполнены каналы 15 для части жидкости которая должна быть гомогенизирована [12].
Как показано на рис. 3.6 возвышения 11 согласно предпочтительному варианту осуществления можно выполнить с небольшой верхней плоскостью которая расположена под углом к окружающей поверхности. В качестве варианта возвышения 11 можно выполнить с более широкой верхней плоскостью и с прямолинейными границами относительно окружающих поверхностей.
Рис. 3.5. Разрез круга А на рисунке 3.4 Рис. 3.6. Вид сверху конуса клапана
– гомогенизирующая щель; 9 – центральная плоскость; 10 – кольцо; 11 – возвышения; 12 – часть седла клапана; 13 – часть; 14 – перемычки; 15 – каналы для жидкости; 19 – центральная плоскость; 20 – цельная центральная плоскость; 21 – центральная часть; 22 – перемычки; 2324 – каналы для жидкости
Конус 5 клапана который выполнен вращательно-симметричным обычно находится под давлением посредством гидравлического или пневматического поршня 26 но в более простом варианте может быть прижат посредством установочного винта который действует с помощью пружины. Кроме того конус 5 клапана выполнен с возможностью перемещения например с помощью масла в цилиндре чтобы демпфировать быстрые изменения потока которые происходят в гомогенизируемой жидкости. Эта гибкость необходима для того чтобы управлять изменениями потока которые возникают в поршневых насосах [5].
Конус 5 клапана размещен в корпусе 2 клапана таким образом что между конусом 5 клапана и возвышениями 11 седла 6 клапана находятся концентрично расположенные гомогенизирующие щели 7 высотой h. Сторона конуса 5 клапана обращенная к седлу 6 клапана образует вторую границу гомогенизирующей щели 7. Высоту h гомогенизирующей щели 7 можно изменять при изменении давления и потока путем перемещения конуса 5 клапана ближе к седлу 6 клапана или дальше от него. В предпочтительном варианте осуществления седло 6 клапана имеет три концентрично расположенные гомогенизирующие щели 7.
В предпочтительном варианте осуществления конус 6 клапана выполнен так что нижняя часть обращенная к седлу 6 клапана состоит из отдельного элемента 16 при этом этот элемент закреплен на центральной части 17 конуса 5 клапана. Как показано на рис. 3.4 элемент 16 может быть закреплен например посредством винта 18. Относительно центральной плоскости 19 элемент 16 выполнен таким образом что он является одинаковым по обеим сторонам от центральной плоскости 19 и поэтому может быть повернут что удваивает срок службы элемента 16 конуса 5 клапана [12].
Как показано на рис. 3.5 элемент 16 конуса 5 клапана выполнен так что он имеет цельную центральную часть 20 и часть 21 концентрично окружающую эту часть 20 и прилегающую к центральной части 20 только посредством узких соединительных перемычек 22. Таким образом между этими частями 20 и 21 расположены каналы 23 для жидкости которая гомогенизируется.
Жидкость которая подлежит гомогенизации обычно молоко подают в гомогенизатор под давлением примерно 10 – 25 МПа. Обычно молоко имеет жирность 05 – 35% и температуру 55 – 80oС.
Как показано стрелками на рис. 3.4 когда жидкость подаваемая через впускное отверстие 3 достигает седла 6 клапана она разделяется частично в сквозной расходный канал 8 и частично в каналы 15. Затем жидкость проходит через одну из трех гомогенизирующих щелей 7 где происходит гомогенизация и после этого жидкость сама распределяется частично в каналы 23 и частично в канал 24 образованный между конусом 5 клапана и кольцом 10 седла 6 клапана. Поскольку жидкость всегда стремится протекать наиболее простым путем то достигается относительно равномерное распределение жидкости через три гомогенизирующие щели 7. После гомогенизации жидкость выходит из клапана 1 гомогенизатора через выпускное отверстие 4.
Высота h щели обычно составляет 50 – 200 мкм. При прохождении жидкости наблюдается быстрое падение давления до 0 МПа и в это же самое время скорость потока жидкости возрастает что приводит к кипению жидкости. Когда жидкость проходит щель 7 её скорость уменьшается а давление снова возрастает. Жидкость прекращает кипеть а пузырьки взрываются в жидкости. В целом весь процесс происходит на интервале нескольких долей секунды и в интенсивных режимах когда высокая скорость приводит к возрастанию турбулентности и кавитации при этом частицы жира которые находятся в жидкости будут расщепляться на более мелкие частицы или шарики [13].
Благодаря достижению равномерного распределения жидкости между тремя гомогенизирующими щелями 7 и кроме того поскольку жидкость проходит под прямыми углами зазор 7 достигается чрезвычайно эффективное использование увеличенной длины зазора и гомогенизатор с клапаном 1 гомогенизатора в соответствии с настоящим изобретением способен обработать примерно в три раза больший поток по сравнению с обычным клапаном гомогенизатора. Чтобы обрабатывать тот же самый поток в обычном клапане гомогенизатора необходимо увеличить его примерно в девять раз по весу и объему а стоимость такого клапана гомогенизатора будет более чем в десять раз больше.
При условии что седло 6 клапана и элемент 16 конуса 5 клапана имеют герметизирующие уплотнения 25 по отношению к корпусу 2 клапана и по отношению к части 17 соответственно получается герметичный клапан 1 гомогенизатора который удовлетворяет требованиям предъявляемым в пищевой промышленности и который можно промывать используя обычное оборудование [5].
Как ясно из предшествующего описания в настоящем изобретении предложен клапан 1 гомогенизатора который можно не только использовать для усовершенствования существующих гомогенизаторов но с помощью которого можно обрабатывать примерно в три раза больший поток по сравнению с соответствующим обычным клапаном гомогенизатора.
В данной выпускной квалификационной работе подробно рассмотрен механизм процесса гомогенизации который является одним из влияющих факторов на качество вырабатываемого продукта – его однородность. Рассмотрена конструкция двухступенчатого гомогенизатора А1-ОГМ его составляющие элементы.
Гомогенизатор двухступенчатого сжатия типа А1-ОГМ имеет ряд существенных конструктивных особенностей:
- имеются фильтр для смазки системы предварительной смазки и охлаждения смазывающего масла;
В настоящее время гомогенизатор А1-ОГМ имеет наибольшую производительность из всех гомогенизаторов двухступенчатого сжатия.
Произведен расчёт величин характеризующих рабочий процесс плунжерного блока расчёт основных параметров кривошипно-шатунного механизма расчёт на прочность наиболее нагруженных узлов расчёт клиноременной передачи привода а также на основании кинематического расчёта был выбран электродвигатель.
ГОСТ Р 52857.1-2007. Нормы и методы расчёта на прочность.
ГОСТ 6636-84. Нормальные линейные размеры.
ГОСТ 27365-87. Подшипники роликовые конические однорядные повышенной нагрузки.
ГОСТ 50641-94. Шкивы с канавками для обычных и узких клиновых ремней. Система основанная на исходной ширине.
Антипов С.Т. Кретов И.Т. Остриков А.Н. Машины и аппараты пищевых производств. М.: высш. шк. 2001. – 703 с.
Бредихин С.А. Космодемьянский Ю.В. Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. М.: Колос 2003. – 400 с.
Крусь Г.Н. Храмцов А.Г. Технология молока и молочных продуктов. М.: Колос 2004. – 455 с.
Мухин А.А. Кузьмин Ю.Н. Гомогенизаторы для молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность 1976. – 64 с.
Курочкин А.А. Ляшенко В.В. Технологическое оборудование для переработки животноводства. М.: Колос 2001. – 440 с.
Острикова А.Н. Обработка жидкостей и суспензий в молочной промышленности. СПб.: ГИОРД 2012. – 148 с.
Николаев Б.Л. Николаев Л.К. Оборудование для обработки жиросодержащих молочных продуктов. СПб.: высш. шк. 2014. – 226 с.
Никитина Е.В. Гладун А.А. Совершенствование процесса гомогенизации пищевых продуктов. Тула: ТулГу 2011. – 206 с.
Никитина Е.В. Гладун А.А. Процесс гомогенизации молока. Тула: ТулГУ 2011. – 300 с.
Степанова Л.И. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептура. СПб.: ГИОРД 2004. – 348 с.
Сурков В.Д. Липатов Н.Н. Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность 1983. – 432 с.
Сурков В.Д. Липатов Н.Н. Оборудование молочных заводов. М.: Пищепромиздат. 1958. – 115 с.
Твердохлеб Г.В. Романаускас Р.И. Химия и физика молока и молочных продуктов. М.: высш. шк. 2006. – 361 с.
Кавецкий Г.Д. Касьяненко В.П. Процессы и аппараты пищевой технологии. М.: Колос 2008. – 591 с.

L3.cdw

Техническая характеристика
Производительность лч 6500
Температура кефира при поступлении в охладитель
Температура кефира при выходе из охладителя
Коэффициент теплопередачи ккалм. ч. град 445
Гидравлическое сопротивление аппарата м вод. ст 10
- станина;2 - секция водяного охлаждения; 3 - разделительная пластина; 4 - секция охлаждения водой;
- нажимная плита; 6 - гайка; 7 - стойка; 8 - штанги для навешивания и опоры пластин;
Пластинчатый охладитель
Молоко из выдерживателя
Схема пластинчатого охладителя ООУ-25

Gomog nizator A1-OGM (1).cdw

Схема непрерывного осахаривания с одноступенчатым
-паросепаратор; 2 8-труба; 3-испарительная камера; 4-конденсатор; 5-макровоздушный насос;
-барометрическая труба; 7-осахариватель;9-расходные бачки;10-дозатор;11-насос; 12-теплоо-
Производительность далсут
Обслуживающий персонал 5 чел. в смену
Технические требования:
Машину устанавливают на бетонном полу без фундамента.
Регулирующие опоры должны быть не более 02мм на длину 1000мм.
Электрошкаф устанавливается на ровном для обслуживания месте
на подставке не менее 05м.
Болты заземления машины и электрошкафа отсоединены от цехового
магистрального заземления.
Размер уточняется при монтаже.
коленчатого вала 585
Техническая характеристика
Производительность лч 5000
Рабочее давление МПа 20
Тип электродвигателя АО2-82-6
Гомогенизатор А1-ОГМ

Krivoship - kopia.cdw

Технические требования
Неуказаные предельные отклонения
При сборке отрегулировать осевой зазор подшипников
* Размеры для справок.

spetsifikatsia 1.cdw

Пояснительная записка
Гомогенизирующая головка
Клиноремённая передача
Кривошипно-шатунный механизм
Электродвигатель А02-82-6

спецификация 2.cdw

Пояснительная записка
Подшипник 7315А ГОСТ 27365-87
Манжета 1*45*60 ГОСТ 8752-79
Болт М20-6g*65.58.016
Болт М16-6g*60.58.016
Гайка М20-6Н.5 ГОСТ 15521-70
Гайка М16-6Н.5 ГОСТ 15521-70