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).
Гомогенизатор молока (2)
... 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 ... нашей работы: познакомиться с технологическим процессом производства молока и кисломолочных продуктов, экспериментально исследовать их качество на предмет ...
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.
Технология производства молока на предприятии АО «ЛC» г. Кишинева
... в связи с повышенным спросом на молочную продукцию перед работниками агропромышленного комплекса поставлены задачи по увеличению производства качественного молока. В последние годы большая часть ... биологически активными возможностями. Качество получаемого на фермах молока можно повысить за счет ведения целенаправленной селекционной работы, улучшения санитарно- гигиенических условий содержания и ...
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].
Рисунок 1 – Гомогенизирующая головка: 1 – канал, 2 – пружина, 3 – стержень; 4 – клапан; 5 – седло; 6 – регулировочный винт
Рисунок 2 – Схема клапанного гомогенизатора: 1 – насос; 2 – кривошипно-шатунный механизм; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – гомогенизирующая головка; 6 – седло; 7 – клапан; 8 – пружина; 9 – предохранительный клапан; 10 – манометр; 11 – регулировочный винт
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.
Регулировка клапанов двигателя
... ремонтировать автомобиль РЕГУЛИРОВКА КЛАПАНОВ ДВИГАТЕЛЯ рассмотрим способ регулировки зазоров клапанов зачем и КАК регулировать КЛАПАНа? газораспределительный механизм Регулировка клапанов Что будет, если будут маленькие зазоры клапанов? Маленькие зазоры клапанов будут приводить к подгоранию седел клапанов. Что ...
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.
Средства для измерения основных технологических параметров (температура, ...
... виде. термометр давление уровнемер 1. Средства для измерения температуры В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры промышленные классифицируются по ГОСТ ... Основными видами средств измерений являются датчики, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные установки. Измерительным прибором (или просто прибором) называют средство измерений, служащее для ...
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.
Рисунок 3 – Гомогенизатор ОГБ – М: а – общий вид: 1 – станина; 2 – электродвигатель; 3 – клиновые ремни; 4 – натяжной винт; 5 – шкив; 6 – коленчатый вал; 7 – гомогенизирующая головка; 12 – смывноеприспособление; б – разрез блока цилиндров и гомогенизирующей головки: 1 – всасывающий канал; 2 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный канал; 5 – манометр; 6 – винт; 7 – пружина; 8 – стержень; 9 – клапан; 10 – седло
Буровые промывочные жидкости
... и применяемого промывочного агента могут происходить поглощение промывочной жидкости, водопроявление, неустойчивая циркуляция. Поглощение промывочной жидкости удорожает, а ... нагревающиеся вследствие трения о стенки скважины. Буровые растворы обладают относительно высокой теплоемкостью, ... недостаточно для обеспечения необходимой скорости восходящего потока бурового раствора для эффективного удаления ...
Рисунок 4 – Схема двухступенчатой гомогенизации
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].
2. Основные расчеты
2.1 Теоретические основы диспергирования
Эффективность гомогенизации зависит от гидравлических условий в зоне клапанной щели. Эти условия в основном определяются давлением гомогенизации, от которого зависит скорость движения жидкости в щели и высота клапанной щели (она определяет гидравлический радиус потока).
υ 1
υ 2
Наибольшая теоретическая скорость зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли
υ 1 =
, (2.2)
где ∆ р = р0 –р2 – давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2 ;
γ – объемный вес жидкости, Н/м 3 .
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; p 0 –давление перед клапаном; p 1 – давление в начале щели; р2 – давление в конце щели (противодавление); υ0 – скорость потока перед клапаном; υ1 – скорость потока в начале щели; υ2 – скорость выходящего потока
υ 1
h =
= 
м, (2.3)
где V – расход жидкости через клапан (производительность гомогенизатора), мз /ceк;
µ – коэффициент расхода при истечении через клапан;
d – внутренний диаметр клапанной щели, м;
Методы и приборы для определения расхода и скорости движения воздушного потока
... этом реферате в дальнейшем речь пойдет о приборах и методах измерения скорости движения и расходу воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Page 4 Методы для измерения расхода и скорости движения воздушного потока ... вентиляции и кондиционирования воздуха. Важно не только правильно спроектировать и смонтировать системы, но и во многом эффективность работы зависит от качества их ...
γ – объемный вес жидкости, Н/м3 ;
т – удельный расход на единицу длины окружности клапанной щели, м3 / (сек∙м).
Коэффициент истечения не является постоянной величиной и зависит от высоты клапанной щели и вязкости жидкости. При давлении от 3 до 40 МН/м 2 (примерно 30–400 кгс/см2 ) в случае гомогенизации молока коэффициент истечения колеблется от 0,96 до 0,80.
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;
ν– кинематическая вязкость жидкости, м 2 /сек.
Следовательно, число Re для потока в клапанной щели зависит от производительности машины, размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число Re = 25000–35000.
υ 1
Анализируя условия, в которых происходит процесс дробления жидкой фазы, можно сделать вывод, что он начинается с первоначальной деформации жидких капель, взвешенных в жидкой среде. Степень деформации в начальной стадии дробления характеризует интенсивность действия механических факторов.
В клапанных гомогенизаторах поток эмульсии подвергается в зоне клапана последовательным механическим воздействиям, при которых диспергирующую роль могут играть следующие, наиболее вероятные факторы:
- относительное смещение жидких частиц с резкой переменой скорости в связи с переформированием потока в месте перехода жидкости из клапана в седле в клапанную щель;
- относительное смещение жидких частиц при наличии высокого градиента скорости поперек потока эмульсии в узкой клапанной щели;
- удар плоской струи, выходящей с большой скоростью из-под клапана, о металлическую стенку, окружающую клапан на близком расстоянии.
Эмульсия подвергается механическому действию в цилиндре гомогенизатора, в нагнетательном и всасывающем клапанах, однако интенсивность этого действия незначительна в сравнении с той, которая имеет место в гомогенизирующем клапане.
Экспериментальные исследования, проведенные в МТИММПе H.В. Барановским, позволили установить, что основным фактором, определяющим дисперсность вторичной эмульсии, является скорость потока в начале клапанной щели, где и происходит решающая стадия процесса в результате резкой деформации капель при переформировании потока.
Последующее механическое действие на эмульсию при ее движении в щели и при ударе струи за пределами клапана заметно не влияет на дисперсность эмульсин, несмотря на изменение градиента скорости при движении потока в щели и скорости выходящей струи, в широком диапазоне. На дисперсность эмульсии не влияет также изменение длины пути, проходимого эмульсией под клапаном.
Технология производства пастеризованного молока
... В зависимости от содержания жира исходного молока его нормализуют обезжиренным молоком или сливками по расчету с последующей гомогенизацией, пастеризацией и охлаждением. Восстановленное - молоко с ... документов, осмотр тары, органолептическую оценку молока, определение температуры, отбор проб на анализы для оценки качества молока, анализы, сортировку молока, оформление необходимой документации. При ...
Отсутствие выраженного действия скорости удара на выходе струи и поперечного градиента скорости в щели на дисперсность объясняется тем, что они действуют в то время, когда процесс раздробления частиц уже завершен в результате их деформации при входе в клапанную щель, поэтому последующее влияние вторичных факторов не может проявиться [10].
Механизм процесса гомогенизации
На основании исследования влияния различных гидравлических факторов на степень дисперсности жира при гомогенизации молока Барановским предложена следующая схема механизма дробления жидкой внутренней фазы эмульсии при проходе ее через рабочий орган (рис. 5).
Рисунок 5 – Схема процесса гомогенизации
υ 0 ,
υ 1
υ 1
υ 1 ,
υ 1
Рисунок 6 – График зависимости дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления
d cp
υ 1
d cp
d ср = 
мкм, (2.5)
где ∆ р – перепад давления в гомогенизаторе, МН/м2 .
По формуле (2.5) можно ориентировочно определить давление гомогенизации для получения заданной степени дисперсности гомогенизированного молока [6].
Технические характеристики гомогенизатора
Производительность гомогенизатора равна подаче его насоса. Для плунжерных насосов подача зависит от диаметра плунжеров и величины хода, количества плунжеров и числа оборотов коленчатого вала. При заданных параметрах машины производительность V сек ее можно рассчитать по формуле
V сек = 
м3 / сек, (2.6)
где d ‑диаметр плунжера, м;
S – ход плунжера, м;
п – угловая скорость вращения коленчатого вала, об/сек;
φ – объемный к. п. д. насоса (для молока = 0,85; для вязкого продукта значительно меньше);
- z– количество плунжеров.
Мощность N , необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N =
Вт, (2.7)
р 0 –
η – механический к. п. д. гомогенизатора (= 0,75).
В результате затрат большого количества механической энергии, которая превращается в теплоту, при клапанной гомогенизации заметно нагревается продукт. Повышение температуры продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле
∆ t = 
град, (2.8)
Сепарирование молока и его значение в биотехнологии различных молочных продуктов
... т/ч молока. На крупных молочных комплексах, а также на предприятиях молочной промышленности пользуются закрытыми сепараторами. Диапазон регулирования соотношения объема сливок и обезжиренного молока в сепараторах производительностью ... 4С; ВПО; ОМ - 2ЕС; в) нормализация молока по жирности: ОСЦП -1; ОСЦП - 3; г) гомогенизация молока и молочных продуктов (кларификсаторы); д) выделение микрофлоры ( ...
где N ‑ потребная мощность, Вт;
V сек – объемная производительность гомогенизатора, м3 /ceк;
ρ – плотность продукта, кг/м3 ;
С– массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг∙ град).
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 τмакс выражается формулой
τ макс = 
Н/м2 , (2.9)
где Р – усилие, действующее на пружину, Н;
D – средний диаметр витков пружины, м;
d – диаметр проволоки, м;
k – поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент зависит от индекса пружины
С = 
. (2.10)
Приближенно
k = 
. (2.11)
Пружина должна удовлетворять условию τ макс ≤ [τ]. Допускаемое напряжение на кручение [τ], которое зависит от механических свойств материала, колеблется в широких пределах (300 – 600 МН/м2 ).
С п
d = 
. (2.12)
По формуле (3.10) рассчитывают средний диаметр витков пружины.
Количество витков пружины гомогенизатора п = 4 – 6. Усилие затяжки Р определяют по формуле
Р = f ∙∆p , (2.13)
где f – площадь сечения канала перед клапаном, м2 ;
∆ р – рабочее давление гомогенизации, Н/м2 [15].
2.2 Расчет гидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристик гомогенизатора
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 70 0 С и давлении гомогенизации ∆р = 10 МПа.
Пусть производительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотность сливок 25%-ной жирности при температуре 70 0 С ρ = 978 кг/м3 [3].
Массовая теплоемкость сливок 25%-ной жирности при температуре 70 0 С С = 3432,6 Дж/ (кг∙град).
Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит
υ 1 =
= 
= 143 м/с,
р = р 0 – р2
γ – объемный вес жидкости, Н/м3 , γ = ρ∙ g =978∙9,81 = 9,594∙103 Н/м3 ;
Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-ной жирности и заданным расходом она будет равной
h =
=
=0,09∙10-3 м = 0,09 мм,
где V = 1200 л/ч = 1,2 м3 /ч = 0,00033 м3 /с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициент расхода при истечении через клапан;
d = 10 мм = 10-2 м – внутренний диаметр клапанной щели.
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 ν = 1,74∙10 -6 м2 /с – кинематическая вязкость потока [3].
Мощность N , необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N = 
=
= 6474,6 Вт,
р 0
η = 0,75 – механический к.п.д. гомогенизатора.
Повышение температуры ∆ t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆ t =
=
= 4,4 град,
где С= 3432,6 Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость сливок.
Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации.
С П
k = 
= 
= 1,3125.
Усилие затяжки определяют по формуле Р = f ∙ ∆р , где f = π∙ d 2 = 3,14∙0,0012 =3,14∙10-6 м2 – площадь сечения канала перед клапаном.
Р = 3,14∙10-6 ∙10∙106 = 31,4 Н
На основании рассчитанных значений возможно определить диаметр проволоки пружины:
d = 
= 
= 1,024∙10-3 м,
где [τ] – допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м 2 .
Средний диаметр витков пружины:
D = d ∙ C П = 1,024∙10-3 ∙5 = 5∙10-3 м.
Для сравнения рассчитаем все выше перечисленные параметры и характеристики для кефира, изготовляемого из нормализованного молока жирностью не выше 3,2%. Молоко 3,2% – ной жирности гомогенизируют при температуре 50 0 С и давлении гомогенизации ∆р = 15 МПа.
Пусть производительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотность молока 3,5%-ной жирности при температуре 50 0 С ρ = 1015,9 кг/м3 [3].
Массовая теплоемкость молока 3,5%-ной жирности при температуре 50 0 С С = 3966,5 Дж/ (кг∙град).
Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит
υ 1 =
= 
= 171,8 м/с,
р = р 0 – р2
γ – объемный вес жидкости, Н/м3 , γ = ρ∙ g =1015,9∙9,81 = 9,966∙103 Н/м3 ;
Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-ной жирности и заданным расходом она будет равной
h =
=
=0,06∙10-3 м =0,06 мм,
где V = 1200 л/ч = 1,2 м3 /ч = 0,00033 м3 /с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициент расхода при истечении через клапан;
d = 10 мм = 10-2 м – внутренний диаметр клапанной щели.
Число Рейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:
= 11848
где ν = 1,74∙10 -6 м2 /с – кинематическая вязкость потока [3].
Мощность N , необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N = 
=
= 6474,6 Вт,
р 0
η = 0,75 – механический к.п.д. гомогенизатора.
Повышение температуры ∆ t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆ t =
=
= 3,6 град,
где С= 3966,5 Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость молока.
Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации.
С П
k = 
= 
= 1,3125.
Усилие затяжки определяют по формуле Р = f ∙ ∆р , где f = π∙ d 2 = 3,14∙0,0012 =3,14∙10-6 м2 – площадь сечения канала перед клапаном.
Р = 3,14∙10-6 ∙15∙106 = 47,1 Н
На основании рассчитанных значений, возможно определить диаметр проволоки пружины:
d = 
= 
= 1,255∙10-3 м,
где [τ] – допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м 2 .
Средний диаметр витков пружины:
D = d ∙ C П = 1,255∙10-3 ∙5 = 6,3∙10-3 м.
Заключение
Итак, наиболее эффективными и распространенными в промышленности являются гомогенизаторы клапанного типа, дающие необходимую степень диспергирования продукта не оказывая каких-либо значительных негативных изменений его свойств. Эти гомогенизаторы применяются при переработке сырья, идущего на выработку всевозможных кисломолочных напитков и сметаны.
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 3,6 0 С, а сливок на 4,40 С; усилие затяжки пружины гомогенизирующей головки в случае молока незначительно больше 47,1 Н, чем в случае сливок 31,4 Н; диаметр проволоки пружины соответственно для молока и сливок равен 1,2 мм и 1,0 мм, а диаметр витков пружины 6,3∙10-3 м и 5∙10-3 м.
Библиографический список
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/gomogenizator/
1. Бредихин С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. – М.: Колос, 2001. – 420 с.
2. Галат Б.Ф. Справочник по технологии молока / Б.Ф. Галат, Н.И. Машкин, Л.Г. Козага. – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Урожай, 1990. – 192 с.
3. Курочкин А.А. Технологическое оборудование для переработки продуктов животноводства / А.А. Курочкин, В.В. Лященко; Под ред. В.М. Баутина. – М.: Колос, 2001. – 440 с.
4. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. – 9‑е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. – 560 с.
5. Пат. 2142331 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации и гомогенизирующая головка / В.Е. Карачевский, И.В. Карачевский, В.В. Карачевский.
6. Пат. 2170504 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Гомогенизирующая головка / А.А. Шевцов, В.В. Горяйнов, О.Н. Федорова; Воронежская государственная технологическая академия.
7. Пат. 2138158 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации жидкостей / В.Я. Грановский.
8. Принципы синтеза технологических схем: учебное пособие по выполнению технологической системы в дипломных и курсовых проектах / К.Ф. Красильникова, Э.И. Уютова, Ю.В. Попов, В.А. Навроцкий; ВолгГТУ. – Волгоград: РПК «Политехник», 2001. – 107 с.
9. Степанова Л.И. Справочник технолога молочного производства. В 3 т. Т.1. Цельномолочные продукты/ Л.И. Степанова. – СПб.: ГИОРД, 2000. – 384 с.
10. Сурков В.Д. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, И.Н. Липатов, Н.В. Барановский. – 2‑е изд., перераб. и доп. – М.: Пищевая промышленность, 1970. – 552 с.
