Расчет параметров и разработка гомогенизатора молока (стр. 3 из 4)
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 установлен манометр 10 для контроля давления. Далее молоко по каналу в головку 5,в которой поджимает 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 стала регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в "плавающем" состоянии. Характерным показателем режимы 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 давления пружины на клапан увеличивается, следовательно, высота клапанной щели увеличивается. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т. е. к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количества жидкости. Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставит под угрозу сохранность деталей в случае, если канал засориться в седле клапана. Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным клапаном 9, через который жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного. Придельное давление при котором предохранительный клапан открывается, регулируют, затягивая винтом пружину.
В гомогенизаторе 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, 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.
В общем конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находит применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитиям 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 – 2,5.
3. Выбор конструкции аппарата и расчет его основных параметров
1. Расчет и выбор конструктивных параметров гомогенизирующей головки
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. В радиально расходящейся клапанной щели скорость потока V1 имеет наибольшее значение в начале щели на радиусе r. По мере расширения потока к выходу скорость уменьшается до величины V2. Наибольшая теоретическая скорость V1 зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли:
где
– давление гомогенизации, Па;Y - удельный вес жидкости, Н/м3;
Действительная скорость истечения V меньше теоретической, причем величина отклонения зависит от вязкости жидкости и высоты клапанной щели. Число Re для потока жидкости не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:
где
- кинематическая вязкость, м2/с;Следовательно, число Re для потока в клапанной щели зависит от производительность машины, размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число Re =25000…35000.
мВысота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широком диапазоне в зависимости от расхода жидкости через клапан, размеров клапана, давления гомогенизации и вязкости жидкости. Ее можно определить по формуле (2):
Толщина тарелки клапана:
где р - давление гомогенизации, Па;
Па – допускаемое напряжение для материала клапана;dk –диаметр клапана, м
где π - производительность гомогенизатора, м/с
Vd - допускаемая скорость жидкости в седле, м/с.
ΔS- площадь сечения хвостовика, м2
где
– радиус хвостовика, м2.Из уравнений (3), (4), (5) вычисляем толщину тарелки клапана и диаметр клапана:
При гомогенизации часть механической энергии превращается в теплоту, вследствие чего происходит повышении температуры гомогенизации продукта Δ t:
где Р - давление гомогенизации, Па
c = 3850 Дж/(кг·К) - удельная теплоемкость молока;
– 1027 кг/м3 - плотность молока, кг/м3 
Средний диаметр жировых шариков, м определяется по формуле Барановского Н. В.:
где Р - давление гомогенизации, МПа
Расчет 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 рв –давление всасывания, МПа
П – производительность, м3/ч
δв – 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 τмак выражается формулой:
где Р - усилие, действующее на пружину, Н;
D - средний диаметр витков пружины, м;
d - диаметр проволоки, м;
К - поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент зависит от индекса пружины:
Приближенно
Пружина должна удовлетворять условию τмак <[τ]. Допускаемые напряжения на кручение [τ] , которые зависят от механических свойств материала, колеблется в широких приделах (300-600 Н/м2).
При расчете задаемся индексом пружины Сп =4...5. Это дает возможность на основании формулы (9) определить диаметр проволоки:
По формуле (10) рассчитывают средний диаметр витков пружины.
Количество витков пружины гомогенизатора n = 4...6
Усилие затяжки Р определяется по формуле:
Р=f · ΔP
где f – площадь сечения канала перед клапаном, м2;
ΔP - рабочее давление гомогенизатора, Н/м2;