Гомогенизаторы

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Казанский  национальный исследовательский технологический  университет»

(ФГБОУ ВПО КНИТУ)

 

Кафедра оборудования пищевых производств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по ТОО  на тему: «Гомогенизаторы».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                               Выполнил: студент

                                                                              гр. 6291-81

Галимзянова Алия.

Проверил: преподаватель

по ТОО

Дубкова Н. З.

 

 

 

Казань, 2012 г.

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………......3

Виды гомогенизаторов для диспергирования  молока……………………........4

О физической модели процесса гомогенизации……………………………......5

Гомогенизаторы:

Двухступенчатая гомогенизирующая головка………………………......6

Гомогенизатор А1-ОГМ……………………………………………….…7

Гомогенизатор К5-ОГА-10………………………………………….…....8

Гомогенизатор А1-ОГ2-С………………………………………………...9

Гомогенизаторы-пластификаторы…………………………………………….10

Формулы для расчета основных параметров гомогенизатора……….……....12

Заключение……………………………………………………………………...15

Список использованной литературы………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Кисломолочные продукты играют важную роль в питании людей, особенно детей, лиц пожилого возраста и больных. Диетические свойства кисломолочных  продуктов заключаются, прежде всего, в том, что они улучшают обмен  веществ, стимулируют выделение  желудочного сока и возбуждают аппетит. Наличие в их составе микроорганизмов, способных приживаться в кишечнике  и подавлять гнилостную микрофлору, приводит к торможению гнилостных процессов  и прекращению образования ядовитых продуктов распада белка, поступающих  в кровь человека.

Немаловажной стадией при выработке  кисломолочных продуктов является механическое воздействие на исходное сырье, т.е. гомогенизация. Она не только предотвращает отстаивание жира, но и способствует получению качественных кисломолочных продуктов с улучшенными  консистенцией и вкусовыми свойствами, повышению его усвояемости организмом и более полному использованию  содержащихся в нем жира и витаминов.

Гомогенизаторы для жидких молочных продуктов предназначены для раздробления жира в молоке, смесях для мороженого и сливках. При этом жир не отстаивается, изменяются лишь некоторые физические свойства продуктов (повышается вязкость) и улучшается вкус продуктов.

В молочной промышленности для гомогенизации  жидких молочных продуктов применяются  гомогенизаторы почти исключительно  клапанного

типа. Основными узлами таких гомогенизаторов являются насос высокого давления и гомогенизирующая головка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды гомогенизаторов для диспергирования молока

Гомогенизаторы клапанного типа. Продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. Дробление жировых шариков и увеличение их дисперсности происходит при истечении молока через канал со скоростью 200 м/с, при этом количество жировых шариков увеличивается в 200–500 раз, а их суммарная поверхность в 6-10 раз. Гомогенизаторы клапанного типа относятся к энергоемким и металлоемким: в зависимости от давления и производительности расход электроэнергии изменяется от 36 до 140 кВт/ч, общая масса гомогенизатора может находиться в пределах от 600 до 4000 кг. Клапанными двухступенчатыми гомогенизаторами в настоящее время оснащены все комбинаты, заводы и цеха, вырабатывающие сухие и жидкие продукты питания.

Центробежные гомогенизаторы по конструкции проще клапанных, менее металлоемки, в них нет быстроизнашивающихся деталей, но они дают недостаточно высокую степень гомогенизации.

Электрогидравлическая гомогенизация молока и влияние на молочные системы электрогидравлического удара исследовались в МАПБ (Московская академия прикладной биотехнологии). В основу этого способа гомогенизации положен электрогидравлический эффект, являющийся результатом возникновения в жидкости импульсных сверхвысоких давлений, вызывающих образование ударных волн. Достигнутый общий гомогенизирующий эффект весьма высок – раздробление жировых шариков в 7–8 раз. Кратковременный электрогидравлический эффект не влияет на технологические свойства молока, но очень длительное его воздействие изменяет вкус продукта.

Ультразвуковые гомогенизаторы – это электромеханические и гидродинамические устройства, создающие упругие звуковые и ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси. Наиболее известный из них – так называемый гидродинамический свисток. Принцип действия его основан на прохождении потока жидкости через зону максимального воздействия ультразвукового поля, создаваемого самим же потоком. Поток дробится на струи, которые, многократно взаимно пересекаясь с большой скоростью, создают интенсивные вихри и акустические колебания высоких частот. При выходе из сопла закрученного потока возникают наиболее интенсивные вихри, создающие колебания, еще более усиливаемые установленной на выходе трубки – резонатора, образующей в потоке жидкости кавитационные полости.

 

 

 

 

 

 

О физической модели процесса гомогенизации

 

В связи  с возрастающей конкуренцией на рынке, качественные показатели молочных продуктов  стали важнейшим критерием в  борьбе за покупателя. К основным технологическим  операциям, повышающим качество и потребительские  свойства всех видов молочных продуктов, относится гомогенизация, в чем  наука пытается убедить производственников на протяжении последних 60 лет.

Одна  из первых физических моделей процесса гомогенизации ( рис.1) была предложена Николаем Васильевичем Барановским  в 1955 г. С тех пор эта модель стала хрестоматийной.В соответствии с теорией гомогенизации Н. В. Барановского жировая капля, попадая  в клапанную щель гомогенизатора, за счет большой скорости движения молока вытягивается, ее устойчивая шарообразная форма нарушается и она дробится на более мелкие жировые шарики.В  своей диссертационной работе Н. В. Барановский показал, что при  давлении около 180 атм достигаются  практически минимальный размер жирового шарика и дальнейшее повышение  давления существенного эффекта  гомогенизации не обеспечивает.По результатам  своей работы Н. В. Барановский сформулировал  основные положения теории гомогенизации:

- в гомогенизирующем  клапане средний градиент скоростей по сечению потока не влияет на степень дисперсности и не является определяющим ее фактором процесса;

- длина щели  не оказывает заметного влияния  на дисперсность гомогенизированного  молока;

- процесс  диспергирования происходит не  на всей длине щели;

- эффективность  гомогенизации определяется скоростью  потока, а местом, где происходит  решающая для эффективности стадия  гомогенизации, является вход  потока в клапанную щель;

- условия  гидромеханического давления на  поверхность жировой капли способствует  ее быстрому втягиванию и отрыву  частиц;

- в таком  случае ее результате действия  сил поверхностного натяжения. 

Из последних  двух положений следует, что именно давление и поверхностное натяжение  являются важнейшими факторами, определяющими эффективность процесса гомогенизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомогенизаторы

 

Двухступенчатая гомогенизирующая головка.

Она состоит  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.

Жидкость, нагнетаемая насосом под тарелку  клапана, давит на тарелку и отодвигает клапан от седла, преодолевая сопротивление  пружины. В образующуюся между клапаном и седлом щель проходит с большой  скоростью жидкость и при этом гомогенизируется. На следующей ступени  процесс повторяется.

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.

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. Снятие кавитационной характеристики требует установления мановакуумметра  на всасывающей стороне гомогенизатора. Она позволяет решить вопрос об улучшении  условий работы в конкретном случае.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомогенизатор А1-ОГМ.

Предназначен  для получения тонкоизмельченного однородного продукта, состоит из электродвигателя 1, станины 2, кривошипно-шатунного  механизма 3 с системами смазки 7 и охлаждения, плунжерного блока 4 с гомогенизирующей 6 и манометрической 5 головками предохранительным клапаном.

Принцип работы гомогенизатора заключается  в нагнетании продукта через узкую  щель между седлом и клапаном гомогенизирующей головки.

Гомогенизатор представляет собой трехплунжерный насос. Каждый из трех плунжеров, совершая возвратно-поступательное движение, всасывает  жидкость из приемного канала, закрытого  всасывающим клапаном, и нагнетает  ее через нагнетательный клапан в  гомогенизирующую головку под давлением 20…25 МПа.

Гомогенизирующая  головка представляет собой стальной корпус, в котором находится цилиндрический центрируемый клапан. Под давлением  жидкости клапан поднимается, образуя  кольцевую щель, через которую  жидкость проходит с большой скоростью  и затем выводится через штуцер из гомогенизатора.

Внутри  станины шарнирно закреплена плита, положение которой регулируется винтами. На плите установлен электродвигатель 1, приводящий в движение кривошипно-шатунный механизм 3 через клиноременную передачу. В корпусе 2, представляющем собой  резервуар с наклонным дном, размещены  кривошипно-шатунный механизм 3, система  охлаждения и масляный сетчатый фильтр. Система охлаждения предназначена  для подвода холодной воды к плунжерам. Она включает в себя змеевик, уложенный  на дне корпуса 2, перфорированную  трубку над плунжерами и патрубки для подвода и отвода воды. Систем смазки служит для подачи масла к  шейкам коленчатого вала для уменьшения трения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомогенизатор К5-ОГА-10.

Предназначен  для дробления и равномерного распределения жировых шариков  в молоке и жидких молочных продуктах, а также в смесях для мороженого.

Он представляет собой пятиплунжерный насос высокого давления с гомогенизирующей головкой. Он состоит из станины 1 с приводом, кривошипно-шатунного механизма 5 с  системами смазки и охлаждения, плунжерного  блока 14 с гомогенизирующей 13 и манометрической 12 головками и предохранительным  клапаном. Внутри плунжерного блока 14 имеется плунтер 15, соединенный  с ползуном 11. Привод гомогенизатора осуществляется от электродвигателя 17 через ведущий 20 и ведомый 21 шкивы  и клиноременную передачу. Внутри станины 1 шарнирно закреплена плита 18, положение которой регулируется винтами 2. Станина установлена на шести варьируемых по высоте опорах 19.

Кривошипно-шатунный механизм 5 состоит из литого чугунного  корпуса, коленчатого вала 7, установленного на двух роликоподшипниках, шатунов 8 с  крышками 6 и вкладышами 9, ползунов 11, шарнирно соединенных с шатунами 8 при помощи пальцев 10, стаканов и  уплотнений.

В задней стенке корпуса смонтированы указатель  уровня масла 4 и сливная пробка 3. В корпусе, представляющем собой  резервуар с наклонным дном, размещены  кривошипно-шатунный механизм 5, система  охлаждения, масляный сетчатый фильтр и маслонасос 22.

Охлаждение  масла проводится водопроводной  водой посредством змеевика 16 охлаждающего устройства, уложенного на дне корпуса. А плунжеры охлаждаются водопроводной  водой, попадающей на них через отверстия  в трубе.

Регулированием  давления пружины на клапан достигается  оптимальный режим гомогенизации  для различных продуктов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомогенизатор А1-ОГ2-С.

Предназначен  для механической обработки вязких молочных продуктов типа сливочных, плавленых и пластических сыров  для придания однородности продукту с целью улучшения его качества.Гомогенизатор  представляет собой горизонтально  расположенный трехплунжерный насос  высокого давления с гомогенизирующим устройством 8.

Привод  насоса осуществляется от электродвигателя 4 с помощью клиноременной передачи, ведомого 15 и ведущего 16 шкивов. Гомогенизатор  состоит из следующих основных узлов: кривошипно-шатунного механизма 1, привода, плунжерного блока 9, гомогенизирующего  устройства 8, предохранительного клапана 7, бункера, кожуха, станины 13.Кривошипно-шатунный механизм 1 включает литой чугунный корпус, коленчатый вал 14, установленный  на двух роликоподшипниках, шатуны 12 с  крышками 2 и вкладышами, ползуны 10, шарнирно соединенные с шатунами 12 пальцами 11, стаканы и уплотнение.Привод гомогенизатора осуществляется от электродвигателя 4, который установлен на качающейся подмоторной плите 3, укрепленной  на корпусе кривошипно-шатунного  механизма 1. Натяжение клиновых ремней обеспечивается с помощью натяжных винтов 5.

Кривошипно-шатунный механизм крепится при помощи шпилек к станине 13. На станине имеется съемная крышка 17, предназначенная для ограждения вращающихся и перемещающихся механизмов. В нижней части станины 13 установлена клеммная коробка 18.Станина устанавливается на четырех регулируемых по высоте опорах 19. К корпусу кривошипно-шатунного механизма при помощи двух шпилек крепится плунжерный блок 9, состоящий из блока, плунжеров 6, полых цилиндрических стаканов.

Гомогенизирующее  устройство 8 состоит из корпуса, прокладок, нагнетательных клапанов, седел клапанов, пружин, гомогенизирующего клапана  с седлом, стакана, рукоятки.Сверху на гомогенизирующем устройстве расположен предохранительный клапан 7, предназначенный  для ограничения повышения давления выше заданного. Он состоит из стакана, фланца, клапана. Седла клапана, пружины, нажимного винта и колпака.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомогенизаторы-пластификаторы

 

Устройство  и действие гомогенизаторов-пластификаторов  не отличаются в принципе от устройства и действия гомогенизаторов клапанного типа.

Гомогенизатор-пластификатор  для сырной массы (рис. 42) представляет собой трехплунжерный насос высокого давления с гомогенизирующим устройством, который состоит из станины литой конструкции, привода кривошипно-шатунного механизма с коленчатым валом и загрузочным бункером. Плунжеры совершают возвратно-поступательные движения от коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм.

При движении плунжера в сторону коленчатого  вала сырная масса засасывается в бронзовую втулку через окна. При движении плунжера в противоположном направлении сырная масса нагнетается к гомогенизирующему клапану.

В состав гомогенизирующего устройства входят три нагнетательных клапана с  пружинами сжатия, гомогенизирующий клапан и манометр с разделителем и дросселем.

При выталкивании плунжером сырной массы нагнетательный клапан поднимается давлением, создаваемым  поршнем, и она перемещается к  гомогенизирующему клапану. Нагнетательный клапан опускается силой прижатия пружины.

На рис. 43 показан гомогенизатор-пластификатор, предназначенный для обработки  сливочного масла перед его фасовкой. Аппарат состоит из загрузочного бункера и одной пары шнеков для  подачи масла в камеру обработки.

На станине  смонтированы корпус гомогенизатора-пластификатора, электродвигатели, регулятор вариатора, редуктор, вал со шкивами, электромагнитной муфтой и эксцентриком для натяжения  ремней. На корпусе размещены механизмы  подачи масла в ротор (шнек) и его  обработки (ротор), кран с диафрагмой для регулирования давления масла  в роторной камере, а также бункер для масла.

Сначала масло подается в бункер. Затем  двумя шнеками, вращающимися в противоположные  стороны, оно продавливается через  ротор и обрабатывается. Через  кран с диафрагмой масло выходит  в тару или бункер фасовочного  автомата. Все части, соприкасающиеся  с маслом, перед работой и после  нее покрываются специальным  горячим раствором. Предварительная  обработка необходима для предотвращения прилипания масла к рабочим поверхностям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы для расчета основных параметров гомогенизатора

 

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 С зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли:

 

;(1)

 

где ΔР =Р₀-Р₂ –давление гомогенизации Н/м²;

Y- объемный вес жидкости Н/м³.

Действительная  скорость истечения V₁ меньше теоретической, причем величина отклонения зависит от вязкости жидкости и высоты клапанной щели.

Несмотря  на изменение скорости под клапаном и высоты клапанной щели при изменении  давления гомогенизации, число Re для потока жидкости не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:

(2)

где V-кинематическая вязкость м/с².

Следовательно, число R_e для потока в клапанной щели зависит от производительность машины, размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число R_e =25000….35000. Из формулы (2) можно найти внутренний диаметр клапанной щели по формуле:

_{; м}

Высота  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:

; (3)

где р- давление гомогенизации, Па;

[σ]=24·10⁷ Па –допускаемое напряжение для материала клапана;

d_k –диаметр клапана, м.

 

 

; (4)

где π- производительность гомогенизатора, м/с;

V_d- допускаемая скорость жидкости в седле, м/с;

ΔS- площадь сечения хвостовика, м².

^{; (5)}

где r_n –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:

(6)

где Р- давление гомогенизации, Па;

С=3850Дж/(кг·К)- удельная теплоемкость молока;

р=1011кг/м³ -плотность молока, кг/м³.

Средний диаметр жировых шариков, м в  диапазоне изменения давления от 2 до 20МПа определяется по формуле  Барановского:

 (7)

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 р_в –давление всасывания, МПа;

δ_в – 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 τ_мак выражается формулой:

; (9)

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:

(10)

 

К = ; (11)

Пружина должна удовлетворять условию τ_мак <[τ]. Допускаемые напряжения на кручение [τ] , которые зависят от механических свойств материала, колеблется в широких приделах (300-600Н/м²).

При расчете  задаемся индексом пружины С_п =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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Таким образом, гомогенизация это – раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. Гомогенизация сырья способствует: 1) при производстве пастеризованного молока и сливок – приобретению однородности (вкуса, цвета, жирности); 2) стерилизованного молока и сливок – повышению стойкости при хранении; 3) кисломолочных продуктов (сметаны, кефира, йогурты и др.) – повышению прочности и улучшении консистенции белковых сгустков и исключения образования жировой пробки на поверхности продукта; 4) сгущенных молочных консервов – предотвращения выделения жировой фазы при длительном хранении; 5) сухого цельного молока – снижению качества свободного молочного жира, не защищенного белковыми оболочками, что приводит к быстрому его окислению под действием кислорода атмосферного воздуха; 6) восстановленных молока, сливок и кисломолочных напитков – созданию наполненности вкуса продукта и предупреждению появлению водянистого привкуса; 7) молока с наполнителями (какао и др.) – улучшению вкуса, повышению вязкости и снижению вероятности образования осадка.

Итак, наиболее эффективными и распространенными  в промышленности являются гомогенизаторы клапанного типа, дающие необходимую  степень диспергирования продукта не оказывая каких-либо значительных негативных изменений его свойств. Эти гомогенизаторы применяются при переработке  сырья, идущего на выработку всевозможных кисломолочных напитков и сметаны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы

 

1. «Машины и аппараты пищевых производств» . В 2 кн. Кн. 1: Учеб. Для вузов/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. – М. : Высш. шк., 2001. – 703с.; (стр. 464-469).
2. Журнал: « Молочная промышленность», №2, 2012 г. (стр. 30-32).
3. «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности»./ Сурков В. Д., Липатов Н. Н., Золотин Ю. П. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983. – 432 с.

( стр. 57-67).

4. Пат. 2170504 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Гомогенизирующая головка /     А.А. Шевцов, В.В. Горяйнов, О.Н. Федорова; Воронежская государственная технологическая академия.
5. С.А. Бредихин « Технология и техника переработки молока»