Анализ конструкций льдогенераторов лускатого льоду

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ Й НАУКИ УКРАЇНИ 

ОГАХ 

Кафедра холодильних машин і установок 
 

НДРС:

"Аналіз  конструкцій льодогенераторів  лускатого льоду.

Вплив режиму роботи й товщини  наморожування льоду  на продуктивність льодогенератора  лускатого льоду" 
 
 
 
 
 

                                                   Виконав:

                                                              студент 151 гр.

                                                           Грушко В. О. 

                                                      Перевірив:

                                                                                        к. т. н., доц. Мнацаканов Г. К. 
 
 
 
 

м. Одеса, 2010 р.

1 ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ Й КОНСТРУКЦІЇ БАРАБАННИХ МОРОЗИЛЬНИХ АПАРАТІВ 

    У різних галузях промисловості використовується метод обробки продукту заморожуванням, тобто заморожування продуктів які містять вологу з метою їх тривалого зберігання або виморожувановим з метою повного або часткового виділення твердої фази з основної рідини, в основному з води (латекси, суспензії і т.д. ) Об'єкти для обробки заморожуванням досить різні по фізико-хімічних властивостях, структурі (тверді, рідкі, пасто- і фаршеобразні, гомогенні й гетерогенні), розмірам доз (мілкоштучні або ті, що мають значні розміри). Відповідно досить різноманітні конструкції морозильних апаратів, застосовуваних для цієї мети. У нас і за рубежем побудовані й експлуатуються морозильні апарати більш ста типів.

    У переліку холодильного технологічного встаткування, використовуваного в  промисловості, барабанні морозильні апарати найбільше широко відомі як генератори лускатого льоду й апарати для заморожування харчових паст, фаршів, мілкоштучні продуктів і інших матеріалів які містять вологу різного призначення. В останні роки з'явилися також барабанні апарати спеціальної конструкції, застосовувані не для заморожування вологих матеріалів і продуктів, а для тимчасового закріплення їх на поверхні барабана при здійсненні ряду технологічних процесів. Створені апарати для тонкошарового видалення шкіри з філе риби (шкіроз’ємні апарати), для закріплення немагнітних деталей при їхній обробці, наприклад шліфуванню і т.д. Можна чекати використання таких апаратів і методу проморожування матеріалів у цілому в сортувальних обладнаннях, різних живильниках, робототехніці.

    Однак основне призначення барабанних апаратів, розглянутих нижче, - заморожування або охолодження матеріалів у безперервному потоці. Безперервність процесу, інтенсивність теплообміну в тонких шарах, простота обладнання й обслуговування, легка "убудованість" у технологічні лінії сприяє тому, що ці апарати усе більш широко використовуються в різних галузях народного господарства.

    Найбільше число барабанних апаратів для виробництва  льоду використовуються в рибній (більш 3000 шт.), м'ясо-молочної, харчовий і хімічної галузях промисловості, а також у будівництві, медицині й у приладобудуванні. Усе більш широким стає застосування барабанних апаратів у процесах кріоконцентрації водяних розчинів, опріснення морської води, обробки опадів природних і стічних вод.

    Незалежно від різноманіття типів барабанних апаратів усі вони мають один загальний і головний елемент конструкції - морозильний барабан. Він може бути рухливим або нерухливим, горизонтальним або вертикальним.

Прототипом  сучасних барабанних апаратів можна  вважати перший генератор лускоподібного льоду з горизонтальним барабаном, створений ще на початку ХХ в. у США Г. Філдом (рис. 1.1 і 1.2).

    Докладний опис генератора даний в [10]. Практично  до середини 1950- х рр. схема компонування апарата, запропонована Філдом, залишалася незмінної. Потім були створені апарати з вертикальним барабаном. Є й ряд інших відмітних ознак, що визначають особливості вдосконалених апаратів.

    Барабанні морозильні апарати можна класифікувати  по наступних основних ознаках: способу  охолодження барабана, системі приводу  барабана, розташуванню барабана, кількості робочих поверхонь, характеру керування й призначенню [12].

    Рисунок 1.1 Схема обладнання генератора лускатого льоду с

                         горизонтальним барабаном конструкції Г. Фільда:

1 - шестірня  приводу барабана; 2 - зубчастий вінець барабана;

3 - кожухотрубний  випарник-охолоджувач розсолу; 4 - ізоляція;

5 - гнучка  металева обичайка барабана наморожування;

6 - канали  для циркуляції розсолу в сорочці  охолодження гнучкої

     обичайки;

7 - деформуючий  ролик; 8 - шкребок для знімання льоду;

9 - трубопровід  подачі води у водяну ванну. 

    Рисунок 1.2 Схема роботи льодогенератора Фільда 

    По  способу охолодження розрізняють  апарати з безпосереднім кипінням холодоагенту в барабані або з  використанням вторинного холодоносія (найчастіше розсолу). На вибір способу охолодження впливають задана товщина замороженого шару продукту, загальна продуктивність апарата, технологічні можливості заводу-виготовлювача й особливості холодильної системи підприємства, на якім буде використовуватися апарат.

    Зі зменшенням заданої товщини шару продукту, що заморожується, росте середня швидкість заморожування, а отже питоме теплове навантаження на робочу поверхню барабана. Сучасні апарати тонкошарового наморожування, і насамперед генератори лускоподібного льоду, у більшості випадків мають систему безпосереднього кипіння, апарати для заморожування продуктів (у тому числі мілкоштучні) у шарі більш 2,5-3 мм - розсільне охолодження. Останнє використовується й в усіх інших випадках, коли з технологічних міркувань потрібне повільне заморожування продукту.

    Збільшення  загальної продуктивності барабанних апаратів, як правило, вимагає збільшення діаметра барабана. При безпосередньому  кипінні холодоагенту барабан як посудина, що працює під тиском, розраховується на міцність згідно з нормами Госгортехнадзора.

    За  умовами міцності необхідна товщина  стінок барабана може виявитися надмірно великий, відповідно більшим буде й  термічний опір стінки барабана. Тоді технічно й економічно доцільно застосувати  розсільне охолодження, тому що холодоносій прокачується через барабан при тисках в 3-4 рази менших, чим тиск безпосереднього кипіння холодоагенту.

    По  обладнанню привода барабана всі апарати можна розділити на дві основні групи:

    1) апарати з обертовим барабаном  і зафіксованим на станині  різальним інструментом і обладнанням для подачі рідини (продукту) на заморожування;

    2) апарати з нерухливим барабаном і обертовим, щодо його робочих поверхонь, ротором з різальним інструментом, і обладнанням для подачі рідини.

    У першій групі крутний момент для подолання сил тертя й опору сколюванню намороженого продукту передається безпосередньо на вал барабана від приводної станції. Як правило, станція має електродвигун і редуктор із системою плавного (варіатор) або східчастого (коробка швидкостей) зміни частоти обертання барабана. У другій групі крутний момент передається на вал або безпосередньо на зубчастий вінець ротора.

    У першій групі холодоагент або  холодоносій подають у барабан через порожнистий вал із сальниковим ущільненням, причому саме конструкція сальника, що забезпечує його надійність, є предметом патентування, так званої "фірмової" відмінності апарата в цілому. У другій групі через сальниковий вузол подають тільки рідину, що заморожується, і проблеми ущільнення вирішуються відносно просто. В останні роки все більше число апаратів, насамперед генераторів лускатого льоду, у різних країнах випускають із нерухливим барабаном, однак розв'язок цього питання у великій мері визначається традиціями фірм.

    Розташування  барабана може бути горизонтальним і  вертикальним. У перших роторних морозильних апаратах барабани розташовувалися горизонтально. Від цієї схеми проектування конструктори відступили практично тільки в останній період, при створенні апаратів з безпосереднім охолодженням кипінням холодоагенту. Було експериментально встановлене, що кипіння холодоагенту у вертикальному барабані йде інтенсивніше, чим у горизонтальному. Крім того, при вертикальнім розташуванні стало можливе створення двостінних барабанів з кільцевою порожниною кипіння холодоагенту. На появу конструкцій з вертикальним нерухливим барабаном безумовно вплинуло застосування генераторів лускоподібного льоду на судах промислового флоту, що працюють в умовах значної качки, кренів судна. У цьому випадку сплескування холодоагенту в горизонтальному барабані при відводі пари через порожній вал створює небезпеку виникнення "вологого ходу" компресора.

    Кількість робочих поверхонь барабана залежить від обладнання й призначення  апарата. Усі апарати з горизонтальним розташуванням барабана мають одну робочу поверхню - зовнішню. В апаратах з вертикальним барабаном можуть використовуватися, як робочі поверхні або одна зовнішня, або одна внутрішня, або обидві поверхні двостінного барабана. Як правило вертикальні барабани, що обертаються, мають одну зовнішню робочу поверхню. Перехід до конструкції з нерухливим двухстінним барабаном послужив базою для створення найбільш ефективних генераторів лускоподібного льоду із двома робочими поверхнями.

    По  характеру керування апарати  діляться на дві основні категорії: з ручним і автоматичним керуванням. Практично всі сучасні барабанні апарати, використовувані для заморожування рідин, мають системи автоматичного керування, що дозволяють експлуатувати їх без постійного спостереження.

    По  призначенню, тобто асортиментам оброблюваних продуктів, апарати можна розділити на три основні групи: для заморожування рідин (льодогенератори, опріснювачі, виморожувачі й т.п. ); для заморожування й охолодження пасто- і фаршеобразних продуктів; для заморожування мілкоштучних продуктів, філе риби й м'яса.

    Приведемо найбільш характерні конструкції вертикальних нерухливих барабанних морозильних апаратів, які широко використовуються в промисловості.

    У нашій країні й за рубежем створено кілька конструкцій льодогенераторів з вертикальним нерухливим барабаном і обертовими ножами й зрошувачами [12]. Як правило, барабан виготовляють двухстінним, робочої є внутрішня (рис. 1.3), рідше - зовнішня поверхня барабана.

    Дотепер такі льодогенератори випускаються фірмами "Норд стар" ("North Star", США) і "Фрігофранс" ("Frigofrance", Франція) (рис. 1.4).

    Вітчизняною промисловістю випускалися льодогенератори  подібної конструкції типів "М’ясомолмаш-100", Л-250 (рис. 1.5) і ЛГ-300, розроблені Мінрибгоспом для потреб промислового флоту, берегових підприємств рибної, м'ясо-молочної й харчової промисловості.

    Технічна  характеристика льодогенератора типу Л-250: продуктивність 6-7,2 т/добу, робоча площа поверхні циліндра 1,96 м², частота обертання ножового ротора 10÷15 хв^–1, температура кипіння холодоагенту -25÷ -40 °С, потужність двигуна 3 кВт, маса 1220 кг, габаритні розміри: довжина 1600 мм, ширина 1300 мм, висота 1750 мм, матеріал барабана - корозійностійка сталь, холодильний агент R22 або NH₃.

    Рисунок 1.3 Схема генератора лускатого льоду з наморожуванням на

                              внутрішній стінці нерухомого циліндра:

1 - патрубок  зливу надлишкової води на  рециркуляцію;

2 - обертова  водозбірна вирва;

3 - сальник  подачі води в порожній вал;

4 - опора вала;

5 - водозрошувач;

6 - вал;

7 - ізоляція  циліндра;

8 - патрубок відводу пар холодоагенту;

9 - передача  на вал від редуктора; 

10 - редуктор;

11 - електропривод;

12 - кронштейн  ножа;

13 - поверхня  наморожування циліндра;

14 і  15 - патрубки подачі холодоагенту  й води відповідно.

    Більш досконалі конструкції льодогенераторів з барабанами двостороннього наморожування були запропоновані в нашій країні Гіпрорибфлотом (рис. 1.6) і в ГДР народним підприємством "Німа" ("Nema"). Основною особливістю цих конструкцій є те, що нерухливий барабан має дві робочі поверхні: зовнішню й внутрішню, а різальний інструмент і обладнання для зрошення робочих поверхонь розташовані на обертовому роторі.

    Переваги  цих апаратів у порівнянні з усіма  раніше створеними очевидні: продуктивність їх практично подвоюється без  істотної зміни габаритних розмірів і маси. Разом з тим у таких льодогенераторах трохи збільшується витрата енергії на сколювання льоду, виникають підвищені вимоги до твердості виготовлення ротора, до системи його центрування по барабану. Оскільки при охолодженні барабана від температури навколишнього середовища до температури кипіння холодоагенту (від +35 до -40 °С) досить відчутно зміна його діаметра й відповідно зазорів між різальним інструментом і дзеркалом, потрібна була спеціальна система автоматизації, що запобігає пуск генераторів в "теплому стані".

    Барабан льодогенератора двостороннього наморожування (тип ІЛ-500) зварений, виконується з корозійностійкої стали, його внутрішня й зовнішня обичайки виготовляються з листа товщиною 12 мм, а після зварювання й механічної обробки товщина стінки барабана повинна становити (за умовами міцності) не менш 8 мм. На обичайки (перед зварюванням у єдиний циліндр) приварюють ребра, звернені убік , заповнювану холодоагентом. Призначення ребер - збільшити площу теплообмінної поверхні, стабілізувати рух киплячого холодоагенту по вертикалі й виключити "діагональне" рух спіненого холодоагенту від місця його подачі поблизу дна випарника прямо до усмоктувальних патрубків у верхній його частині. Обичайки вставлені друг у друга коаксиально, їхня співвісність забезпечена кільцем-заглушкою в донної частини циліндра й заглушкою-опорною плитою у верхній частині.

    Рисунок 1.4 Льодогенератор фірми "Норд стар" (США):

1 - рециркуляційна  станція;

2 - вимикач  приводу при підвищеній вібрації  льодогенератора;

3 - гребінчастий ніж для сколювання льоду;

4 - ізоляція  барабана;

5 - патрубок  подачі рідкого холодоагенту;

6 - віддільник  рідини;

7 - патрубок  відводу пар холодоагенту;

8 - редуктор  приводної станції;

9 - трубопровід  подачі води;

10 - конічна  передача на ножовий вал;

11 - ножовий  вал із кронштейном ножа;

12 - чепцеве  ущільнення картера конічної  передачі з підшипником вала;

13 - кришка  оглядового люка;

14 - кільцевий  зрошувач барабана;

15 - парова порожнина барабана-випарника;

16 - пластикова  обичайка ізоляції;

17 - поверхня  наморожування з корозійностійкої стали;

18 - подача  води для змиву льоду з дефлектора;

19 - конічний  дефлектор для стоку надлишкової  некрижаної води;

20 - кільцевий  збірник надлишкової води;

21 - опори  льодогенератора з теплоізолюючого матеріалу;

22 - підшипник  нижньої опори вала. 
 
 

    Рисунок 1.5 Льодогенератор Л-250 конструкції Гіпрорибпрома:

1 - піддон;

2 - водозбірник;

3 - нижній  кронштейн;

4 - зрошувач;

5 - повзун  з ножем;

6 - барабан-випарник;

7 - приводна  станція;

8 - порожнистий вал;

9 – торцевий ніж.

    Рисунок 1.6 Льодогенератор двостороннього наморожування (схема):

1 - лоток  збору льоду;

2 - дренаж  води на рециркуляцію;

3 - вузол  регулювання зазору ножа;

4 - кронштейн  зовнішнього ножа;

5 - внутрішній  зрошувач;

6 - зовнішній  ніж;

7 - барабан-випарник;

8 - віддільник  рідини;

9 - редуктор  приводу ножів;

10 - електродвигун;

11 - патрубок  подачі холодоагенту;

12 - зовнішній  зрошувач;

13 - внутрішній  ніж;

14 - внутрішня  поверхня наморожування;

15 - зовнішня  поверхня наморожування;

16 - збірник  надлишкової води;

17 - водомір;

18 - фільтр;

19 - рециркуляційний  насос.

    Усі елементи барабана, що зварюються між собою, виготовляють із однакового матеріалу, навіть ті, які при роботі не стикаються з водою, тому що зварювання різнорідних за коефіцієнтом лінійного розширення матеріалів неприпустима - при різких перепадах температур можуть руйнуватися шви або змінитися точність геометричних розмірів барабана. Безпосередньо на донну заглушку покладене кільце-барботер із труби діаметром 22 мм із горизонтальними отворами, висвердленими рівномірно по окружності в кількості, однаковому із числом утворених каналів.

    Відсос  парів холодоагенту з порожнини  кипіння здійснюється через патрубки, на які встановлюється віддільник рідини горизонтального типу. Конструкція  віддільника рідини передбачає повернення рідкої фази холодоагенту в порожнину  кипіння протитечією через патрубки відсоса.

    Верхня  заглушка барабана одночасно є опорною  платформою, що опирається на станину  льодогенератора. По центру барабана в  хрестовинах з підшипниками встановлений порожній вал, на якім жорстко закріплений  кронштейн із внутрішнім ножем і  штуцер для приєднання зрошувачів. На кінець вала нижче хрестовини жорстко кріпиться ротор, що охоплює барабан зовні із зазором 70-120 мм, а на роторі - зовнішній ніж і зовнішні зрошувачі. Внутрішній і зовнішній ножі монтуються на одній лінії радіуса для того, щоб, що сколюється лід від обох ножів обсипався в одне вікно в конічному піддоні ротора. Нижній торець ротора перекритий піддоном, що виходять за периметр барабана, у нього стікає надлишкова некрижана вода, яка змішується зі свіжої в рециркуляційній станції й вертається на заморожування. Обертання вала здійснюється електродвигуном через еластичну муфту й черв'ячний редуктор.

    Технічні  характеристики генератора лускатого  льоду типу ІЛ-500: продуктивність 12-19,2 т/добу, площа поверхні барабана 4,75 м², частота обертання ротора 7 хв^–1, температура кипіння холодоагенту від -22 до -40 °С, потужність двигуна 2,2 кВт, маса 1825 кг, габаритні розміри 1580 ×1360 ×1720 мм.

    Усі морозильні апарати  для заморожування  пасто- і фаршеобразних і мілкоштучних продуктів мають горизонтальний обертовий барабан, на зовнішню поверхню якого подається продукт для охолодження або заморожування. У внутрішню порожнину герметичного барабана подається холодоносій (розсіл або інша антифризова рідина) або безпосередньо холодоагент. Герметичність і надійність апарата в значній мірі визначаються роботою чепцевого вузла подачі холодоносія з нерухливого трубопроводу в обертовий барабан. Продукт у таких апаратах звичайно подається зверху на барабан з бункера-живильника різних конструкцій і віддаляється шкребком із твердих порід дерева або полімерних матеріалів для охолодженого продукту або шкребком з високою твердістю ріжучої крайки при заморожуванні. В останньому випадку висувають підвищені вимоги до точності розмірів барабана, регулювання зазору між ножем і його робочою поверхнею, причому необхідно враховувати температурні зміни діаметра барабана. Заморожений або охолоджений продукт звичайно подають у бункер або на транспортер, розташовані з боку або знизу барабана.

    В останні роки в нашій країні виготовляються горизонтальні барабанні апарати  для використання в хімічній промисловості  у виробництві каучуків, латексів, для обробки опадів природних і стічних вод. Ці апарати -, що виморожують барабани - значно відрізняються від вищенаведених по конструкції як системи охолодження, так і нанесення й знімання продукту, а також (що дуже важливо) по відсутності неприпустимого надлишку продукту, що подавати на зрошення. Основна їхня особливість - одержання всього вимороженого продукту при однакових умовах заморожування на всій довжині барабана. Уперше такі барабани, що виморожують, були використані в США фірмою "Дю Понт" ("Du Pont") для коагуляції хлоропренового латексу методом виморожуванові у виробництві каучуку "Неопрен". Аналогічні конструкції барабанів, що виморожують, для цих же цілей були розроблені ЛенНІІхіммаш.

    На  рис. 1.7 наведена типова конструкція барабана, що виморожує, для виділення продукту методом виморожуванові. 

    Рисунок 1.7 Барабан, що виморожує, конструкції ЛенНІІхіммаш:

1 - барабан,  що виморожує;

2 - охолодне  обладнання;

3 - піддон;

4 - сколювальне-зрізаюче обладнання;

5 - кожух;

6 - привід;

7 - станина.

    Барабан, що виморожує, складається з обичайки, двох сферичних кришок і двох опорних цапф. Обичайка являє собою порожній циліндр із зовнішнім діаметром D і робочою довжиною В. Товщина стінки = 1535 мм залежно від розмірів барабана. До торцевої поверхні обичайки прикріплюються кришки, виконані у вигляді ввігнутих сфер, що мають у центрі отвори для кріплення опорних цапф барабана. Кожна кришка має отвір-люк для монтажу й чищення охолодного обладнання усередині барабана. Кришки зовні постачені ребрами, між якими закладається теплоізоляція (пробка, пінорезина, скляне штапельне волокно й т.п. ); потім торцеві поверхні барабана закриваються аркушами з текстоліту, які кріпляться до ребер кришки й торцям обичайки. Текстолітові щити призначені для запобігання намерзання льоду на торцевих поверхнях барабана. Матеріал барабана й кришок - легований чавун підвищеної твердості.

    Опорні  цапфи являють собою порожні  втулки, виготовлені зі сталі 45, які  кріпляться до кришок і опираються на підшипники кочення (звичайно сферичні роликові). Корпуса підшипників установлюються на станині. Центральні отвори цапф призначені для проходу труб охолодного обладнання без чепцевих ущільнень.

    Охолодне  обладнання барабана являє собою  систему труб, скріплених між собою  фланцевими з'єднаннями.

    Основна магістраль охолодного обладнання - труба, пропущена через обидві цапфи барабана й розділена заглушкою в середині на дві зони: зону подачі й зону відводу холодоносія (розсолу). У зоні подачі є камера, до якої кріпляться радіально розташовані під кутом між собою стояки. До стояків кріпляться горизонтальні труби, розташовані паралельно утворюючої барабана по всій його довжині й постачені форсунками, що забезпечують рівномірну подачу холодоносія у вигляді плоского струменя на внутрішню поверхню барабана.

    У нижній частині барабана розташований короб для відводу холодоносія рівномірно по всій довжині барабана. Короб з'єднаний із зоною відводу холодоносія основної магістралі охолодного обладнання трубою й додатково з'єднується з основною магістраллю стяжками. Основна магістраль, що проходить із зазором через цапфи барабана, кріпиться до станини кронштейнами.