Пояснительная записка
Введение
Перед пищевой промышленностью, как и перед пищевым машиностроением стоит задача создания высокоэффективного технологического оборудования, которое основано на прогрессивной технологии и, в результате чего, способствует сокращению вредного воздействия на окружающую среду, повышает производительность труда и способствует экономии как исходного сырья, так и энергетических и материальных ресурсов.
Во многих отраслях промышленности, в том числе и в пищевой, известен такой процесс как гомогенизация. Гомогениза́ция (от греч. ὁμογενής — однородный) — технологический процесс, производимый над двух- или многофазной системой, в ходе которого уменьшается степень неоднородности распределения химических веществ и фаз по объёму гетерофазной системы.
Гомогенизаторы кремоварения требуются при производстве всех современных косметических средств: шампуней, бальзамов, зубных паст, мыла и многого другого. Оборудование, которое может выполнять смешивание и измельчение компонентов, очень популярно, а его покупка – выгодна, потому что ни один из нас, заботясь о личной гигиене и здоровье, не может обойтись без косметических средств, благодаря чему спрос на продукцию, изготовленную таким образом, постоянно растет.
Гомогенизатор для косметики позволяет изготавливать различные средства гигиены той консистенции и внешнего вида, которые мы привыкли видеть. Современное оборудование имеет возможности программирования производственных процессов, настройки функций температуры, частоты вращения, давления и времени.
Целью курсового проекта является изучение способов гомогенизации различных сред, выбор, расчёт и модернизация аппарата для реализации процесса гомогенизации.
Анализ современного оборудования аналогичного назначения
Процесс гомогенизации лежит в основе многих технологий и производств в различных отраслях промышленности: химической, пищевой, горнорудной, нефтехимической, микробиологической, парфюмерной, крахмалопаточной, машиностроительной, лакокрасочной, фармацевтической и многих других.
В технологии пищевых производств к ним относятся процессы получения и переработки различных гетерогенных сред с жидкой сплошной фазой. Интенсивность их проведения во многом определяют эффективность производства и качество ряда продуктов, получаемых в виде эмульсий, суспензий, пюре, паст и т.д.
В результате воздействия на продукт различных гидродинамических факторов происходит дробление твердых частиц продуктов и их интенсивная механическая обработка. Гомогенизация не только изменяет дисперсность компонентов продукта, но и влияет на физико-химические свойства продукта.
Рассмотрю существующие способы гомогенизации, используемые в пищевой промышленности. По своим конструктивным особенностям и принципу работы современные гомогенизаторы подразделяются на механические, ультразвуковые, центробежные и гомогенизаторы высокого давления (клапанного типа).
1. Механические гомогенизаторы
Такие гомогенизаторы работают по принципу быстровращающихся ножей. Материал ножа, устанавливаемого в гомогенизатор, зависит от типа и свойств перемешиваемых веществ. Наиболее простыми бытовыми механическими гомогенизаторами являются кофемолки и мясорубки – по данному принципу сконструированы и более сложные промышленные и лабораторные установки, способные перемешивать и превращать в гомогенную среду жидкие, полужидкие и твердые вещества.
2. Ультразвуковые гомогенизаторы
Такие гомогенизаторы функционируют за счёт создания эффекта кавитации, вызванного высокочастотными ультразвуковыми волнами, создаваемыми излучателем, встроенным в установку. Данные устройства созданы для перемешивания жидких фаз и сыпучих веществ с целью создания однородной среды. Для лучшего представления об устройстве данного типа гомогенизатора достаточно заглянуть внутрь бытового ультразвукового увлажнителя воздуха, в которой высокочастотный излучатель переводит жидкость в насыщенный пар.
Промышленные образцы, хоть и работают по данному принципу, но имеют более сложное устройство. Электро или гидромеханические установки генерируют звуковые и ультразвуковые волны в погруженной смеси. Поток гомогенизируемых веществ прогоняется сквозь область максимального воздействия ультразвукового поля. Он дробится на более мелкие потоки, пересекающиеся между собой с огромной скоростью, дополнительно генерируя высокочастотные вихри, которые ещё дополнительно усиливаются на выходе из трубки-резонатора. Ультразвуковые гомогенизаторы не получили широкого применения в пищевой промышленности из-за повышенных энергозатрат.
3. Центробежные гомогенизаторы
Эффективность гомогенизации в центробежных аппаратах зависит от давления, под действием которого обрабатываемая жидкость выходит из сопел или щелевых отверстий вращающегося ротора и ударяется в приспособление для снижения скорости продукта. Центробежные аппараты обладают рядом преимуществ по сравнению с клапанными. Они проще по конструкции, менее металлоемки, в них нет быстроизнашивающихся деталей. Недостаток их в том, что для получения высокого эффекта гомогенизации необходимо создать большое давление жидкости на выходе ее из сопел или щелевых отверстий ротора, а это не всегда возможно. Центробежные гомогенизаторы, предназначенные для обработки молока и молочных продуктов, могут использоваться и в других отраслях промышленности. Они состоят из ротора и статора. Между ними находится зона гомогенизации. Во время работы гомогенизатора жидкость поступает во вращающийся ротор и через отверстия в нем выбрасывается в зону гомогенизации, образованную обращенными навстречу друг другу поверхностями ротора и статора. При этом поток жидкости турбулизируется и происходит ее гомогенизация. Максимальный эффект гомогенизации достигается в том случае, если обе поверхности (статор и ротор) выполнены зубчатыми и скорость вращения одной из них достигает 4000…6000 об/мин. Степень гомогенизации жидкости в аппарате данной конструкции не может быть достаточно высокой, так как много энергии затрачивается на вращение ротора в жидкости и на трение ее о поверхность статора.
Основным недостатком центробежных гомогенизаторов является низкая степень гомогенизации.
4. Клапанные гомогенизаторы
Гомогенизатора высокого давления получили наиболее широкое распространение в пищевой промышленности (в частности, переработка молока). Принцип их работы основан на «продавливании» гомогенизируемых веществ плунжерным насосом сквозь регулируемые зазоры под высоким давлением (до 30 МПа). Их основными узлами являются насос высокого давления и гомогенизирующая головка
По типу гомогенизирующей головки гомогенизаторы можно подразделить на одно-, двух- и многоступенчатые. На практике применяют только одно- и двухступенчатые, так как многоступенчатые не оправдывают себя, поскольку приводят к громоздкости конструкции, неудобству в эксплуатации и незначительному улучшению эффекта гомогенизации по сравнению с двухступенчатыми.
На рисунке изображена двухступенчатая гомогенизирующая головка, состоящая из корпуса 3 и клапанного устройства, основными частями которого являются седло клапана 1 и клапан 2. Клапан связан со штоком, на выступ которого давит пружина 6. Сила сжатия пружины регулируется путем перемещения накидной гайки 5 со штурвалом, которая вместе с пружиной, штоком 7 и стаканом 8 образует нажимное устройство 4.
Двухступенчатая гомогенизирующая головка
I — первая ступень; II — вторая ступень
Жидкость, нагнетаемая насосом под тарелку клапана, давит на тарелку и отодвигает клапан от седла, преодолевая сопротивление пружины. В образующуюся между клапаном и седлом щель высотой от 0,05 до 2,5 мм проходит с большой скоростью жидкость и при этом гомогенизируется. На следующей ступени процесс повторяется.
Основными показателями работы гомогенизаторов являются универсальная рабочая и кавитационная характеристики. Универсальная характеристика гомогенизатора представляет зависимость между его производительностью, затрачиваемой мощностью и КПД. Она дает представление об уровне совершенства конструкции гомогенизатора и его техническом состоянии.
· 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 Vсек ее можно рассчитать по формуле:
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:
где р0 – давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление перед клапаном), Н/м2;
η – механический к. п. д. гомогенизатора (= 0,75).
Снятие кавитационной характеристики требует установления мановакуумметра на всасывающей стороне гомогенизатора. Начало кавитации определяют по началу снижения подачи более чем на 2 %.
Кавитационная кривая показывает особенности работы гомогенизатора на его всасывающей стороне и позволяет решить вопрос об улучшении условий работы в конкретном случае..