Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Историческая справка 12
1.2. Молоко, как объект гомогенизации 13
1.3. Методики определения эффективности гомогенизации 14
1.4. Теоретические предпосылки процесса гомогенизации 18
1.5. Обзор конструкций известных устройств для гомогенизации 22
1.5.1. Классификация гомогенизирующих устройств 22
1.5.2. Клапанные гомогенизаторы и винтовые гомогенизаторы 24
1.5.3. Центробежные эмульсоры 26
1.5.4. Сопловые эмульсоры 27
1.5.5. Ультразвуковые и вибрационные гомогенизаторы 29
1.5.6. Вакуумные гомогенизаторы 30
1.5.7. Вихревые гомогенизаторы 31
1.6. Экспериментальные исследования процесса гомогенизации 37
1.7. Гидродинамические парадоксы гомогенизации 44
1.8. Предпосылки создания вихревого гомогенизатора 47
1.9. Задачи диссертации, последовательность исследований и применяемые методы 48
2. Теоретическое обоснование процесса гомогенизации 51
2.1. Винтовые потоки 51
2.3. Распределение скоростей и давлений в клапанной щели гомогениза- тора на основе гипотезы дискретности жидкой фазы 65
2.4. Гипотеза низкотемпературной кавитационной гомогенизации 73
3. Моделирование процесса вихревой гомогенизации с целью определения оптимальных конструктивных параметров вихревого гомогенизатора 81
3.1. Разработка и обоснование конструктивных параметров эксперимен- 81
3.1. Разработка и обоснование конструктивных параметров экспериментальной вихревой гомогенизирующей головки 86
3.2. Создание экспериментальной вихревой гомогенизирующей головки 95
3.3. Описание экспериментальной установки 98
3.4. Применяемые методы определения эффективности гомогенизации 105
3.4.1. Определение эффективности гомогенизации по размерам жировых шариков 106
3.4.2. Оптический метод определения степени дисперсности жира в гомогенизированном молоке. 104
4. Результаты экспериментальных исследований 108
4.1. Исследование влияния вихревой камеры 108
4.2. Исследование влияния диаметра входного сопла 114
4.3. Исследование влияния диафрагмы выхода гомогенизированного продукта 116
4.4. Зависимость положения диафрагмы выхода гомогенизированного продукта 119
4.5 Планирование эксперимента с целью определения оптимальных технологических параметров. 122
4.6 Поликомпонентные смеси 131
5. Разработка опытного вихревого гомогенизатора производительностью 5000 л/ч 134
5.1 Методика расчёта опытного образца 134
5.2 Проектирование опытного вихревого гомогенизатора производительностью 5000 л/ч. 138
Выводы 149
Список используемой литературы 151
Приложения 164
- Методики определения эффективности гомогенизации
- Распределение скоростей и давлений в клапанной щели гомогениза- тора на основе гипотезы дискретности жидкой фазы
- Создание экспериментальной вихревой гомогенизирующей головки
- Исследование влияния диафрагмы выхода гомогенизированного продукта
Введение к работе
Актуальность исследования. Неблагоприятная экология и высокий уровень заболеваемости населения поставили перед молочной промышленностью задачу производства новых высококачественных легкоусвояемых поликомпонентных продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью. В рецептурах новых продуктов используются немолочные белковые, жировые, минеральные и витаминные компоненты, которые требуют специальной обработки, повышающей их дисперсность-[1-28]. Новые технологии предполагают повышение требований к дисперсности всех составных частей конечного продукта [30-32].
В связи с проведенными в последнее время исследованиями механизмов усвоения жира организмом человека проблема интенсификации диспергирования жира приобрела особую актуальность [33-35]. Подготовительные процессы пищеварения направлены в основном на измельчение поступающих в организм продуктов питания. В процессе усвоения жира образуются сложные по составу и строению частицы естественной жировой эмульсии - хиломикро-ны, которые включают в себя вещества, понижающие гидрофоб-ность жира. Посредством этих частиц осуществляется перенос жиров в кровоток. Такая естественная жировая эмульсия, синтезирующаяся в организме, характеризуется высокой стабильностью и малым размером частиц, не превышающим 1мкм. Следовательно, для повышения усвояемости и биологической ценности продуктов размер частиц дисперсной фазы должен приближаться к размеру хиломикронов. Это относится как к традиционным молочным продуктам, так и к комбинированным, включающим жировые эмульсии.
Для повышения дисперсности продуктов применяется гомогенизация, которая наряду с повышением питательной ценности молочных и комбинированных продуктов, улучшает их качество, а именно, консистенцию и вкус. Улучшение вкусовых характеристик продуктов при гомогенизации связано с уменьшением размеров частиц дисперсных фаз и соответственном увеличении суммарной площади их поверхности. В результате интенсифицируется их воздействие на вкусовые рецепторы, что усиливает вкусовое восприятие [28-30]. Диспергирование белка при гомогенизации способствует улучшению консистенции цельномолочных и кисломолочных продуктов.
Стабильность эмульсий во времени тоже связана с размером частиц дисперсной фазы. Закон Стокса, хорошо описывающий зависимость скорости всплытия жировых шариков от их размера, подтверждает необходимость интенсификации процесса гомогенизации для повышения устойчивости эмульсий. Чем меньше размер жировых шариков, тем меньше скорость их всплытия и тем стабильнее эмульсия. С отстоем жира связано не только ухудшение качества продуктов, но и его потери при хранении. Гомогенизация позволяет сократить потери ценного молочного жира с потребительской тарой при транспортировке и хранении, уменьшая его отстой, решая тем самым проблему наиболее полного использования всех составных частей молока [29, 30]. Таким образом, вопрос интенсификации процесса и развития техники гомогенизации является весьма актуальным.
Несмотря на более чем столетнюю историю практики применения гомогенизирующих устройств, вопрос интенсификации и развития процесса гомогенизации остается весьма проблематичным. Клапанный гомогенизатор, явившийся одним из первых устройств конструктивного оформления процесса гомогенизации, до
сих пор не потерял своих главенствующих позиций в промышленности. В то же время клапанный гомогенизатор обладает рядом существенных недостатков, а именно, высокой энергоемкостью и металлоемкостью, повышенными требованиями к качеству обработки рабочих поверхностей клапанного устройства, которое, подвержено коррозионному разрушению.
Предложено множество гипотез гомогенизации и конструктивных решений процесса гомогенизации, основанных на этих гипотезах, но ни одно из этих устройств не может превзойти клапанный гомогенизатор по качеству гомогенизации. Возможно, это вызвано тем, что многочисленные теоретические представления о процессе гомогенизации достаточно противоречивы, нередко парадоксальны и часто вызывают критику оппонентов. Следовательно, практика сделала актуальной задачу создания общей теории, объясняющей процесс гомогенизации в любом гомогенизирующем устройстве, так как только общая теория может дать объективную картину процесса и выявить достоинства и недостатки того, или иного конструктивного решения, а также наметить пути наиболее перспективного совершенствования процесса гомогенизации и устройств для его осуществления.
Таким образом, поиск новых направлений развития теории гомогенизации, позволяющих глубоко вникать в суть процесса и создание на базе этой теории высокоэффективной техники гомогенизации является весьма актуальной задачей
Цель настоящего исследования - разработка нового типа гомогенизирующего устройства - вихревого гомогенизатора, основанного на новом принципе действия - низкотемпературной кавитации, которая была спрогнозирована на базе теоретических исследований гидродинамики и термодинамики процесса гомогенизации.
Ретроспективный анализ развития теории и техники гомогенизации, а также усвояемости гомогенизированных продуктов организмом человека показывает, что исследованиям по данной тематике посвящено большое количество работ. Вопросы гомогенизации исследовались в Институте биофизики клетки РАН (Карповым В.В.) [33, 34]. Механизмы дробления частиц дисперсной фазы эмульсий изучались и разрабатывались в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (Фроловым СВ., Арсеньевой Т.П, Куцаковым В.Е. и другими) [31].
Ближе всего к теме диссертации относятся работы, обобщающие теоретические основы диспергирования эмульсий, его экспериментальное исследование и практическую реализацию, выполненные Барановским Н.В. и Сурковым В.Д. (Московский технологический институт мясной и молочной промышленности) [37], Грановским В.Я и Филатовым Ю.И. (Всесоюзный научно-исследовательский институт молочной промышленности), Мухиным А.А. и Кацнельсоном М.У. (Всесоюзный научно-исследовательский институт продовольственного машиностроения), Долинским А.А. и Шурчковой Ю.А. [38]. Огромный вклад в изучение диспергирования жидкости внесли: Вайткус В.В.,.Ткаченко А.Н., Фофанов Ю.Ф.,, Гисин И.Б и Кузьмин Ю.Н.Амбрамзон В.В., Дитякин Ю.Ф., Степанов В.М., Сафиулин Р.Г., Прошин А. Ю. и др. [29,30, 38-44].
Объектом исследования являются гомогенизирующие устройства молока и молочных продуктов, а предметом - гидродинамика и термодинамика процесса диспергирования эмульсий.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов диссертационного исследования.
= В результате теоретических исследований, в основу которых была положена гипотеза дискретности жидкой фазы, установлено, что при движении гомогенизируемого потока в клапанной щели клапанного гомогенизатора имеют место зоны сверхнизких давлений, в которых происходит процесс
8 низкотомпературной кавитации, сопровождающейся явлениями сублимации дисперсионной среды и образования микрокристалликов льда.
Теоретически установлена целесообразность применения для гомогенизации устройств с наиболее протяженной зоной сверхнизких давлений, на основании чего наиболее перспективной конструкцией гомогенизирующего устройства принята вихревая труба.
Теоретические исследования вихревой трубы производились с использованием теории вихревых и циркуляционных потоков и показали, что в центральной части вихревой гомогенизирующей головки имеет мести протяженная, расположенная вдоль всей оси зона сверхнизких давлений, где и осуществляется процесс гомогенизации.
Новый подход к гидродинамике процесса гомогенизации позволил по-новому подойти к процессу гомогенизации и доказать, что движущей силой гомогенизации являются сверхнизкие давления с последующими явлениями низкотемпературной кавитации. Применение новой гидродинамической теории позволило установить, что жировые шарики, попадая в зону низкотемпературной кавитации, затвердевают с поверхности, становятся хрупкими и легко разрушаются под действием ударяющих их микрокристалликов льда.
Теоретически обоснован высказанный ранее тезис о единой природе явлений вызывающих как эрозионное разрушение металла так и диспергирование эмульсий, так как микрокристаллики льда, образовавшиеся в зоне низкотемпературной кавитации и двигающиеся с большими скоростями разбивают и жировые шарики и рабочую поверхность клапанов.
На основании теоретических исследований разработана новая конструкция гомогенизирующей головки, основанная на новом принципе действия - вихревой гомогенизации.
- Установлено, что процесс гомогенизации протекает в зоне низкотемпературной кавитации, и разработана теоретическая модель процесса дробления жировых шариков молока в зоне низкотемпературной кавитации.
9 Практическую ценность работы составляют:
- новый способ гомогенизации низкотемпературная кавитация, обеспечи
вающий высокоэффективное дробление жировых шариков;
разработанное новое перспективное направление развития и совершенствования процесса и техники гомогенизации - вихревая гомогенизация;
предложенное направление развития и совершенствования техники гомогенизации позволяет сократить энергозатраты, металлоемкость и упростить конструкцию гомогенизатора при высоком качестве гомогенизации.
новая методика расчета вихревых гомогенизаторов для молока;
- вихревой гомогенизатор, обеспечивающий более мелкое дробление жи
ровых шариков молока;
- использование в учебном процессе результатов исследований процесса вих
ревой гомогенизации.
Автор защищает:
1. Теоретическую модель дробления жировых шариков молока в низ
котемпературной кавитационной зоне. ?
Математическую модель движения жидкостного потока в вихревых и клапанных гомогенизаторах.
Конструкцию вихревого гомогенизирующего устройства для гомогенизации молока и молочных продуктов, с использованием которого реализуется предложенная технология гомогенизации.
Параметрические испытания экспериментальных вихревых гомогенизаторов по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на дисперсность молока и модульных смесей для детского питания.
Методику расчета вихревого гомогенизатора для молока и молочных продуктов.
6. Конструкцию опытного гомогенизатора для молока производи
тельностью 5000 л/ч.
Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разработаны автором самостоятельно.
10 Основные результаты диссертационной работы реализованы:
- в НИР «Вихревой гомогенизатор»; - в ОКР на ОАО ВМЗ г. Вологда,
в результате которой создана конструкция опытного вихревого гомогениза
тора;
при выработке кисломолочных напитков с помощью вихревого гомогенизатора производительностью 5000 л/ч при его внедрении на ГУП УОЗ ВГМХА им. Н.В. Верещагина;
при проведении лабораторной работы по гомогенизации молока на специально созданной лабораторной установке при использовании специально разработанной методики экспериментов в учебном процессе;
в образовательном процессе, при чтении лекций по разделу «Гомогенизация» по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Математическое обеспечение проведенного исследования опирается на прикладные аспекты теории гомогенизации, теории винтовых потоков, математической статистики, теорию операций и системного анализа и моделирования. В методах обработки статистики, помимо вероятностных походов, применяются методы теории анализа данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно - практических конференциях: 2-ой Всероссийской научно-технической конференции "Современные достижения биотехнологии", Ставрополь, сентябрь, 2002 г.; 2-ом Московском международном конгрессе "Биотехнология: состояние и перспективы развития", Москва, ноябрь, 2003 г; научно технической конференции "Эффективные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции", Вологда - Молочное, 2004 г.
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 6 научных статей и получен патент на изобретение № 2246824.
11 Структура и объем работы. Структура диссертации соответствует логике научного исследования и включает в себя введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения. Основной текст изложен на 165 страницах машинописного текста, приложение на 5 страницах. Список литературы включает 139 наименования.
Методики определения эффективности гомогенизации
Существует множество критериев и методик оценки эффективности гомогенизации. Например, эффективность гомогенизации считается достаточной, если более 85% жировых шариков имеют размер 1—1,5 мкм [36]. Существует стандартная методика определения эффективности гомогенизации, основанная на центрифугировании молока и измерении содержания жира в нижней части специальной пробирки [54]. В настоящее время, гомогенизирующие устройства подразделяют на гомогенизаторы и эмульсоры, отличающиеся между собой лишь размером дисперсной фазы получаемых в них эмульсий. Если средний размер дисперсной фазы менее 2 мкм — это гомогенизатор, свыше 2 мкм — эмульсор [23].
Существует несколько различных методик оценки эффективности гомогенизации. Это вызвано сложностью многофазной, полидисперсной системы, которую представляет молоко. Ни в одной из методик нельзя преодолеть влияние всех посторонних факторов на точность измерения степени диспергирования. Кроме того, процесс определения степени дисперсности осложняется способностью жировых шариков образовать скопления (агломераты).
Наиболее распространенным методом определения эффективности гомогенизации является метод отстаивания жира. По единственному стандартному методу, применяемому в США, гомогенизированное молоко выдерживают 48 ч. при низкой положительной температуре без размешивания в мерных цилиндрах ёмкостью 0,25 л. Потом отбирают верхние 100 мл молока и определяют содержание жира, как в этом верхнем слое, так и в молоке оставшемся в сосуде. По стандарту разница между содержанием жира в верхнем и нижнем слоях молока не должна превышать 10 % (к общему содержанию жира); чем она больше, тем ниже эффективность гомогенизации. Метод отстаивания жира неточен. В определении содержания жира могут произойти ошибки. Кроме того, при сливании верхнего слоя молока на стенках цилиндра остается некоторое количество жира (особенно, если образуется сливочная пробка).
Для ускорения выделения жира применяют центрифугирование молока. Хан считает, что центрифугирование в течение 139 сек при температуре 50 С и 800 об/мин по выделению жира соответствует обычному отстаиванию жира при 10 С в течение 24 ч [62, 63]. Применяли специальные стеклянные пробирки, в нижней части которых был краник для спуска нижнего слоя. Количество молока 40 мл, температура центрифугирования 60С, продолжительность 10 мин. Определяли содержание жира в молоке до центрифугирования Сив слитом обезжиренном молоке В. По этим данным вычисляли содержание жира в верхнем слое А. Эффективность гомогенизации К і находили по формуле: При увеличении эффективности гомогенизации коэффициент Ki приближается к 1 [62].
Риджуей предлагает 50 мл молока пипеткой отбирать в центрифужные пробирки при 19-21 С и центрифугировать 30 мин при 1500 об/мин. После центрифугирования со дна пробирки пипеткой осторожно отбирают 11 мл молока и определяют содержание жира. Метод Гербера предполагает аналогичную методику с двойным центрифугированием. Определяют также содержание жира в исходном молоке. Эффективность гомогенизации вычисляют по специальным формулам, сравнивая результаты с исходным молоком.
Во ВНИМИ разработана методика ускоренного определения эффективности гомогенизации. Для ускорения метода центрифугирования был предложен прямой отсчет окрашенного слоя выделившегося жира. В бутирометр Беб-кока вливают 1 мл отфильтрованного раствора Судана III (3 г красителя в 100 мл 95%-ного этилового спирта) и 17,5 мл хорошо размешанного гомогенизированного молока при температуре 43,3С. Смесь перемешивают в течение 15 сек. Добавляют две порции по 10 мл дистиллированной воды, каждый раз встряхивая в течение 30 сек. В бутирометр добавляют дистиллированную воду до отметки 7—8% жира в градуированной его части, не размешивая. Бутирометры центрифугируют 10 мин при 43,3С, потом по шкале отсчитывают объем выделившегося жира: 0,1% приблизительно соответствует 1 % отстаивания жира по стандарту США. Недостаток этого метода заключается в том, что для получения сопоставимых результатов необходимо применять одинаковые центрифуги, пробирки, выдерживать постоянный угол наклона пробирок при центрифугировании и т. д. [11].
Для определения эффективности гомогенизации можно применять метод прямого определения размера жировых шариков при помощи микроскопа [64]. Предел разрешающей способности оптического микроскопа равен примерно 0,25 мкм (половине длины волны света, применяемого для освещения препарата). При микроскопировании гомогенизированное молоко или сливки разбавляют в определенной пропорции (молоко приблизительно 1:25, сливки с 10—15% жира 1 : 100) дистиллированной водой, 1—2%-ным раствором глицерина, водой с глицерином (1:1) для уменьшения броуновского движения.
Для увеличения контрастности жировых шариков при их микроскопировании применяют мочевину и жирорастворимую краску Судан в этиленгли-коле. Каплю разбавленного молока стеклянной палочкой наносят на поверхность предметного стекла или специальной счетной камеры.
Счетные камеры (Горяева, Бюркнера, Розенфельда и др.) имеют на поверхности сетку с делениями разной величины. Пользоваться сеткой камеры для подсчета жировых шариков очень трудно: они фокусируются в разных плоскостях (глубина камеры не менее 0,1 мм) и трудно добиться их совместного резкого изображения. При измерениях можно получить резкое изображение, только верхнего слоя жировых шариков, поэтому препараты оставляют стоять при комнатной температуре от 15 мин до 1 ч для всплывания жировых шариков.
При подсчете можно применять окулярную сетку. Из одного образца подсчитывают 600 — 1000 жировых шариков. Практически невозможно точно измерить диаметр каждого жирового шарика отдельно, поэтому их по размерам диаметров разделяют на отдельные фракции (группы) в зависимости от увеличения микроскопа и установленной цены деления окулярмикрометра. Точность пределов этих фракций составляет одно деление или половину деления окулярмикрометра. После подсчета жировых шариков по фракциям можно определить их средний диаметр для данной пробы по формулам. Метод определения дисперсности жировых шариков микроскопически очень трудоемок, субъективен, требует большого навыка, а также не позволяет учитывать жировые шарики диаметром менее 0,5 мкм, применение метода ограничивается лишь исследовательскими лабораториями [65].
Распределение скоростей и давлений в клапанной щели гомогениза- тора на основе гипотезы дискретности жидкой фазы
Как было показано ранее, большое количество гидродинамических парадоксов часто делают неприемлемым применение уравнений классической гидродинамики «для описания технологических процессов. Ярким примером несовпадения экспериментов с классической теорией явились опыты М. У. Кацнель-сона и А. А. Мухина по распределению давлений в рабочем пространстве клапанного гомогенизатора [117].
Для подтверждения правильности наших рассуждений мы посчитали целесообразным применить гипотезу дискретности жидкой фазы для описания гидродинамических процессов в клапанной щели. Нам представляется, что наи более существенное влияние на процесс гомогенизации оказывают поля скоростей и давлений, возникающие в клапанной щели гомогенизирующей головки. Предложенная нами обобщённая гипотеза дискретности жидкой фазы позволила пересмотреть общепринятые уравнения течения жидкости и по-новому взглянуть на характер движения жидкостного потока, явление кавитации и сам процесс гомогенизации.
Для определения полей скоростей и давлений в клапанной щели гомогенизатора воспользуемся уравнением Эйлера для одномерного потока: где: с - скорость потока вдоль клапанной щели; р - плотность потока; р - давление; R - радиус расположения потока.
Учитывая внутрижидкостные межмолекулярные взаимодействия в соответствии с гипотезой дискретности жидкой фазы [128, 129], получим: где: X - длина свободного пробега молекул. Тогда ищем решение линейного дифференциального уравнения (2.38) в виде: где: С і и фо - постоянная интегрирования.
Для определения скорости на входе в межклапанную щель воспользуемся зависимостью полученной применительно к соплу [126] где: То - температура потока на входе в клапанную щель, К; 5П -газовая постоянная, Дж/кг-К; єа = Ро/Ра характеризует давление полного торможения; Ро - давление на входе в клапанную щель, Па; Ра -атмосферное давление. Определим постоянную интегрирования Ci . R = г, с=Со. Тогда
Предполагая, что смещение по фазе на входе в клапанную щель отсутствует Экспериментальные исследования давлений в клапанной щели высокоподъёмного клапана [117] показали, что вблизи входа потока в клапанную щель имеются зоны сверхнизких давлений (рис. 1.4). Полученные результаты не вписываются ни в одну из известных ранее гидродинамических теорий. Как видим из представленного графика (рис. 1.4), на расстоянии 0,3 r/R давление падает от 10 МПа до 0,002 МПа. Следует заметить, что при давлении 0,002 МПа темпера тура кипения воды составляет приблизительно 18С [132]. Продукт поступает на гомогенизацию при температуре не ниже 60С, следовательно, неизбежно его вскипание в клапанной щели, на чём никогда ранее не акцентировалось внимание исследователей. Рассчитаем соотношение между объёмом пара, образованного из 1% воды и объёмом оставшейся не выпаренной (99%) жидкости. Плотность насыщенного пара при давлении 0,002 МПа составляет 0,01729 Кг/м3 [132]; 10 граммов воды, или 0,01Кг, то есть 1% от килограмма, превращаясь в пар, займут объём 0,01/0,01729=0,578 м3; 1 килограмм воды занимает объем 0,001м3, что составляет =0,001/0,578-100% =0,173 % «0,2% от объёма пара. Таким образом, очевидно, что образование всего одного процента пара в жидкостном потоке в клапанной щели приводит практически к превращению жидкостного потока в паровой и вместо жидкостного потока мы должны рассматривать поток пара с включёнными в него каплями жидкости.
Считая водяной пар многоатомным газом, примем к =1,29 [133]. Средняя длина свободного пробега молекул определяется по формуле [134]
Создание экспериментальной вихревой гомогенизирующей головки
Установка состоит из приёмного бачка 1, насоса высокого давления 2 с комбинированной экспериментальной гомогенизирующей головкой 4, манометра 3, регулятора давления 5 и сборного бачка 6. При работе установки молоко поступает из приёмного бачка по трубопроводу на всасывающую сторону насоса, засасывается в цилиндры и затем нагнетается под большим давлением через гомогенизирующую головку, из которой гомогенизированный продукт выходит в сборный бачёк 6, а недогомогенизирован-ный продукт возвращается по линии 7 в приёмный бачок 1. Основными частями установки являются насос высокого давления и гомогенизирующая головка (рис. 3.6). Для нагнетания молока в гомогенизирующую головку был приспособлен насос высокого давления, входящий в комплект моющей установки высокого давления MX 770. 500 л/ч 1500 об/мин 15 мм 25 мм 16 МПа 3,6 кВт Технические данные насоса MX 770: Теоретическая подача Число оборотов двигателя Диаметр плунжеров Число плунжеров Ход плунжеров Предельное давление Мощность электродвигателя В конструктивном отношении он представляет собой трё х " плунжерный насос, состоящий из корпуса 2, блока цилиндровЮ с клапанами 5 и 6.
Насос приводится в действие от электродвигателя 1 на валу которого под углом закреплён наклонный диск ф 3,который при вращении выполняет роль эксцентрика, заставляя передвигаться три плунжера 4, которые находятся на одном радиусе и смещены относительно друг друга на 120С по окружности. Три плунжера обеспечивают достаточно ровную подачу. При движении плунжера в одном направлении открывается всасывающий клапан 6 и через всасывающий патрубок 7 молоко поступает в цилиндры, работающие независимо один от другого При движении плунжера в другом направлении молоко нагнетается через нагнетательный клапан 5 и поступает в нагнетательный патрубок 8, а затем в гомогенизирующую головку 11. Давление гомогенизации измеряется манометром высокого давления 9. На другой стороне блока цилиндров установлен предохранительный клапан (на схеме не показан), который выключает электродвигатель в случае засорения нагнетательной линии или при превышении давления нагнетания свыше 18 МПа. Равномерная подача и наличие предохранительный устройств делают этот насос приемлемым для проведения опытов по гомогенизации на рис 3.8 представлена фотография экспериментального гомогенизатора производительностью 500 кг/час. Простота конструкции вихревой гомогенизирующей головки позволила нам обойтись сравнительно малым количеством экспериментов по изучению влияния конструктивных параметров на эффективность гомогенизации. Основными конструктивными элементами вихревой трубы и соответственно вихревой гомогенизирующей головки являются: камера энергетического разделения или вихревая камера, входное сопло и диафрагма выхода гомогенизированного продукта. Для изучения влияния основных конструктивных параметров вихревой гомогенизирующей головки на эффективность гомогенизации, были изготовлены дополнительные элементы позволяющие варьировать эти параметры. І.Для изучения влияния диаметра вихревой камеры были изготовлены пять вихревых камер с внутренними диаметрами 6 мм, 8 мм, 10мм, 12 мм, 14мм и 16 мм соответственно (рис.3.9).
Исследование влияния диафрагмы выхода гомогенизированного продукта
Как показали предыдущие эксперименты расположение входного сопла по отношению к диафрагме выхода гомогенизированного продукта оказывает существенное влияние на эффект гомогенизации. С целью уменьшения отрицательного влияния потоков исходного молока, поступающего в вихре вую камеру на эффективность гомогенизации было проверено влияние положения диафрагмы выхода гомогенизированного продукта. Для проведения эксперимента применялись специальные втулки 2 (рис. 4.8), позволяющие устанавливать диафрагму выхода гомогенизированного продукта 5 на различных расстояниях от входного сопла. Было изготовлено 4 вставки, позволяющие располагать диафрагму на расстояниях 12 мм, 15 мм, 18 мм, 21 мм. Исходное положение диафрагмы фиксировалось крышкой (без вставок) при этом диафрагма находилась на расстоянии 9 мм от входного сопла 1. Эксперимент проводился при давлении 13,5 МПа и температуре 65 С. Давление поддерживалось клапаном на выходе недогомогенизированного продукта и вентилем на выходе гомогенизированного молока.
На рисунке 4.6 видна явная зависимость среднего размера жировых шариков гомогенизированного молока от положения диафрагмы выхода, при чём чем дальше от сопла располагалась диафрагма, тем выше была эффективность гомогенизации. При начальном положении диафрагмы средний размер жирового шарика в гомогенизированном молоке составлял 1,21 мкм, что уже приближается к отличной глубине диспергирующего воздействия (Табл. 3.1). При удалении диафрагмы от входного сопла средний размер жирового шарика гомогенизированного молока составлял 1,05 мкм. Если следовать общепринятой методике определения эффективности гомогенизации, то средний размер жирового шарика 1,2 мкм и ниже, соответствует «отличной» степени гомогенизации. Мы предполагаем, что это связано с подмешиванием исходного молока, выходящего из сопла к прогомогенизированному молоку проходящему через диафрагму выхода готового продукта. Увеличивая расстояние L (от сопла до диафрагмы) мы удалям зону входа продукта от диафрагмы выхода, таким образом поступающее молоко неизбежно попадает сначала в зону низкотемпературной кавитации, а затем направляется на выход через диафрагму. выхода гомогенизированного продукта: а) - ближайшее к соплу расположение диафрагмы; б) - наиболее удалённое от сопла расположение диафрагмы выхода гомогенизированного продукта; 1 - вход продукта; 2 - специальная вставка; 3 - корпус вихревой трубы; 4 - крышка; 5 - диафрагма. Таким образом, подмешивание исходного продукта к гомогенизированному практически исключается. Увеличение расстояния между соплом и диафрагмами свыше 18 мм уже не повышает эффективность гомогенизации, поскольку влияние входного потока уже практически исключено. Форма и размер проходного сечения входного сопла оказывает определяющее влияние на скорость движения потока на входе в вихревую камеру, а следовательно, на распределение скоростей потока в самой вихревой камере. С целью получения наибольших скоростей потока в камере, а, главное в приосевой зоне вихревой камеры, входное сопло располагают строго тангенциально к поверхности вихревой камеры и на максимальном удалении от ее оси. Наибольшим образом этому условию удовлетворяет сопло прямоугольной формы (рис.4.4., поз. 1), что, к сожалению, не удалось осуществить применительно к вихревой гомогенизирующей головке. Как уже упоминалось, особенностью эксплуатации гомогенизирующих устройств являются высокие давления гомогенизации, что исключает возможность сборной конструкции корпуса вихревой трубы. Изготовление же сопла прямоугольной формы требует именно сборной конструкции корпуса. Поэтому мы ограничили свои эксперименты исследованием влияния на эффективность процесса гомогенизации сопел круглой формы, варьируя их диаметры. Расчетный оптимальный диаметр входного сопла составляет 2 мм. Этот диаметр обеспечивает наибольшую скорость потока на входе в вихревую камеру. Уменьшение диаметра по сравнению с расчетным может привести к кавитации в самом сопле, что может отрицательно сказаться на процессе вихреобразования. Поэтому минимальный диаметр сопла в наших экспериментах не должен был быть меньше расчетного. Наибольший диаметр сопла для вихревой камеры диаметром 6 мм не должен превышать Dc — — = — = J мм. Превышение диаметра сопла над полу ченным значением приведет к тому, что часть исходного молока пойдет че рез диафрагму прямо на выход, минуя зону низкотемпературной кавитации (рис. 4.9). Для сопла диаметром 8 мм диаметр сопла не должен превышать Dc 3,450 мм для С0ПЛа диаметром 14 мм -Dc б 4- -5 мм. Таким образом в варьировании диаметра входного сопла мы ограничены с одной стороны минимальным расчетным диаметром, с другой стороны максимально допустимым, рассчитанным выше. Для исследования влияния диаметра входного сопла мы выбрали вихревую камеру диаметром 12 мм, так как в предыдущей серии эксперимен-тов было установлено, что наилучший эффект гомогенизации при прочих равных условиях достигается именно на этом диаметре вихревой камеры. Поэтому и в дальнейших экспериментах при варьировании остальных конструктивных параметров применялась вихревая труба диаметром 12 мм Для изучения влияния диаметра входного сопла были изготовлены 3 соединительных трубки диаметрами: 2 мм, 3 мм, 4 мм, а также в вихревой камере диаметром 12 мм последовательно рассверливались отверстия во входных соплах: 2 мм, Змм, 4 мм. Давление гомогенизации поддерживалось с помощью сопел, исследованных В одном из экспериментов давление гомогенизации поддерживалось с помощью вентиля противодавления, установленного на выходе гомогенизированного молока.
