Гомогенізатор молока
Федеральне агентство з освіти
Волгоградський Державний Технічний Університет
з дисципліни «технологічне обладнання»
«Розрахунок та інженерний аналіз роботи гомогенізатора А1-ОГ2А -1,26 у виробництві кисломолочних продуктів»
1. Пристрій та робота гомогенізатора
2. Основні розрахунки
2.1 Теоретичні основи диспергування
2.2 Розрахунок гідродинамічних параметрів потоку рідини та технічних характеристик гомогенізатора
Кисломолочні продукти відіграють важливу роль у харчуванні людей, особливо дітей, осіб похилого віку та хворих. Дієтичні властивості кисломолочних продуктів полягають насамперед у тому, що вони покращують обмін речовин, стимулюють виділення шлункового соку та збуджують апетит. Наявність у їх складі мікроорганізмів, здатних приживатися в кишечнику і пригнічувати гнильну мікрофлору, призводить до гальмування гнильних процесів та припинення утворення отруйних продуктів розпаду білка, що надходять у кров людини.
Важливою стадією розробки кисломолочних продуктів є механічне вплив на вихідне сировину, тобто. гомогенізація. Вона не тільки запобігає відстоюванню жиру, але й сприяє отриманню якісних кисломолочних продуктів з покращеними консистенцією і смаковими властивостями, підвищенню його засвоюваності організмом і більш повному використанню жиру, що містяться в ньому, і вітамінів.
Диспергування молока проводять у клапанних та ротаційних гомогенізаторах, пристроях для ультразвукової та електрогідравлічної гомогенізації, швидкохідних механічних мішалках, гідродинамічних ультразвукових апаратах, кавітаційних та суперкавітуючих динамічних змішувачах-емульсорах, відцентровихструминних гомогенізаторів, але за ефективністю впливу на молоко без значних небажаних змін його властивостей всі інші пристрої поступаються клапанним гомогенізаторам високого тиску
Гомогенізатор клапанного типу.Продукт в кільцевий канал між сідлом і клапаном подається під тиском, створюваним багатоплунжерним насосом. Дроблення жирових кульок і збільшення їхньої дисперсності відбувається при закінченні молока через канал зі швидкістю 200 м/с, при цьому кількість жирових кульок збільшується в 200-500 разів, а їх сумарна поверхня в 6-10 разів. Гомогенізатори клапанного типу відносяться до енергоємних та металомістких: залежно від тиску та продуктивності витрата електроенергії змінюється від 36 до 140 кВт/год, загальна маса гомогенізатора може перебувати в межах від 600 до 4000 кг. Клапанними двоступінчастими гомогенізаторами в даний час оснащені всі комбінати, заводи та цехи, що виробляють сухі та рідкі продукти харчування.
Відцентрові гомогенізатори по конструкції простіше клапанних, менш металомісткі, в них немає деталей, що швидко зношуються, але вони дають недостатньо високий ступінь гомогенізації.
Електрогідравлічна гомогенізація молока та вплив на молочні системи електрогідравлічного удару досліджувалися у МАПБ (Московська академія прикладної біотехнології). В основу цього способу гомогенізації покладено електрогідравлічний ефект, що є результатом виникнення в рідині надвисоких імпульсних тисків, що викликають утворення ударних хвиль.
Досягнутий загальний гомогенізуючий ефект дуже високий – роздроблення жирових кульок у 7–8 разів. Короткочасний електрогідравлічний ефект не впливає на технологічні властивості молока, але дуже тривала його дія змінює смак продукту.
Ультразвукові гомогенізатори – це електромеханічні та гідродинамічні пристрої, що створюють пружні звукові та ультразвукові коливання в гомогенізованій суміші. Найбільш відомий із них – так званий гідродинамічний свисток. Принцип дії його заснований на проходженні потоку рідини через зону максимального впливу ультразвукового поля, створюваного самим потоком. Потік дробиться на струмені, які багаторазово взаємно перетинаються з великою швидкістю, створюють інтенсивні вихори та акустичні коливання високих частот. При виході з сопла закрученого потоку виникають найінтенсивніші вихори, що створюють коливання, що ще більше посилюються встановленої на виході трубки – резонатора, що утворює в потоці рідини кавітаційні порожнини.
Ультразвуковий метод емульгування дуже ефективний: повнота емульгування становить 95%. Метод забезпечує високий ступінь дисперсності (0,1-0,5 мкм) та стійкість емульсії при тривалому зберіганні. Металоємність та енергоємність ультразвукового гомогенізатора порівняно з гомогенізатором ОМ такої ж продуктивності, що використовується нині у вітчизняній молочній промисловості, нижча в 5–7 разів.
Роботи з оптимізації режимів ультразвукової гомогенізації, вивчення механізму емульгування в ультразвуковому полі проводилися багатьма вченими в нашій країні та за кордоном, але в них не розкрито або недостатньо розкрито вплив ультразвукового опромінення на зміни фізико-хімічних властивостей молока та його компонентів. Відомо лише, що у молоці може з'явитися присмак топленого молока. Передбачається, що це результат взаємодії з жирами атомарного кисню, що виділився під час розпаду. Значно зменшується в'язкість молока, що свідчить про деструкцію молекул білка.
Як зазначалосявище, найбільшого поширення набули гомогенізатори клапанного типу. У зв'язку з чим і розглянемо їх у цій роботі.
1. Пристрій та робота гомогенізатора клапанного типу
Машини цього типу мають високу ефективність дії. Наприклад, при гомогенізації незбираного молока середній розмір жирових кульок зменшується з 3,5-4 до 0,7-0,8 мкм.
Спочатку робочим органом гомогенізатора був пучок капілярних трубок, якими під тиском нагнітається молоко, нагріте до 50–60°С. Гомогенізатор цього типу був недосконалий і часто засмічувався, тому було запропоновано використання голівки з пружинним клапаном. Гомогенізуючі голівки зазнавали тих чи інших малоістотних змін, проте принцип влаштування їх зберігся досі без зміни.
Принцип дії гомогенізуючої головки (рис. 1) заснований на тому, що гомогенізована рідина нагнітається під великим тиском у канал і піднімає притиснутий пружиною 2 і стрижнем 3 клапан 4 і з великою швидкістю рухається через вузьку щілину між клапаном і сідлом 5. Висота клапанної щілини при роботі гомогенізатора не перевищує 0,1 мм, а швидкість молока при русі його в щілини зазвичай сягає 150-200 м/сек. У цьому молоко піддається у зоні клапана сильному механічному впливу, що й призводить до роздроблення жирових кульок, тобто. до гомогенізації
Форма робочої поверхні клапана зазвичай плоска, тарілчаста чи конусна з невеликим кутом конусності. У гомогенізатора з плоскими клапанами з концентричними рифлями (проточками) розташовуються такі ж рифлі на поверхні сідла. Отже, форма проходу для молока в радіальному напрямку звивиста, що має сприяти кращій гомогенізації.
Крім того, в результаті патентного огляду можнавідзначити, що сідло і клапан можуть бути виконані з можливістю обертання в протилежні сторони під дією потоку, що рухається продукту і встановлені в підшипниках, розташованих в нерухомому корпусі [3].
Малюнок 1 – Гомогенізуюча головка:1– канал,2 –пружина,3– стрижень; 4 – клапан;5- сідло;6– регулювальний гвинт
Малюнок 2 – Схема клапанного гомогенізатора:1– насос;2– кривошипно-шатунний механізм;3 –всмоктуючий клапан;4- нагнітальний клапан;5 –гомогенізуюча головка;6 -сідло;7- клапан;8 -пружина;9 –запобіжний клапан;10- манометр;11 –регулювальний гвинт
Рідкий продукт в головку може нагнітатися будь-яким насосом, що має рівномірну подачу і здатний створити високий тиск. Для цієї мети застосовні багатоплунжерні, роторні та гвинтові насоси. Найбільшого поширення знайшли гомогенізатори високого тиску із триплунжерними насосами. Схема пристрою гомогенізатора плунжерного клапанного типу показана на рис. 2.
Молоко при ході плунжера вліво проходить через всмоктуючий клапан 3 циліндр, а при ході плунжера вправо проштовхується через клапан 4 нагнітальну камеру, на якій встановлена манометрична головка 10 для контролю тиску. Вона має пристрій для дросу, що дає можливість ефективно зменшити амплітуду коливання стрілки манометра. Далі молоко по каналу надходить в головку 5, в якій піднімає клапан 7, притискається до сідла пружиною 6 8. Натяг пружини регулюється гвинтом 11. Клапан і сідло притерті один до одного. У неробочому положенні клапан щільно притиснутий до сідла пружиною 8, яка стиснута регулювальним гвинтом 11, а в робочому, колинагнітається рідина, клапан піднятий тиском рідини і знаходиться в «плаваючому» стані.
Характерним показником режиму гомогенізації, що відіграє велику роль при регулюванні машини, є тиск гомогенізації. Чим воно вище, тим ефективніший процес диспергування.
Тиск регулюють гвинтом 11, керуючись показаннями манометра 10. При загвинчуванні гвинта тиск пружини па клапан збільшується, отже, висота клапанної щілини зменшується. Це призводить до збільшення гідравлічних опорів під час руху рідини через клапан, тобто. збільшення тиску, необхідного для проштовхування даної кількості рідини.