Практическая работа № 4. Расчёт оборудования для гомогенизации молока

Гомогенизатор предусмотрен для измельчения жидких и пюре-образных пищевых продуктов за счет пропускания пол большим давлением с высокой скоростью через узкие кольцевые щели. В результате воздействия на продукт различных гидродинамических факторов происходит дробление твердых частиц продуктов и интенсивная механическая обработка.

Наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы, которые служат для обработки молока и сливок с целью предотвращения их расслаивания при хранении.

Гомогенизатор включает в себя станину, корпус, привод, кривошипно-шатунный механизм, плунжерный блок, двухступенчатую гомогенизирующую головку, манометрическое устройство, предохранительный клапан, системы смазки и охлаждения.

При расчёте гомогенизатора определяются его производительность, степень раздробления жировых частиц при гомогенизации, мощность, необходимая для работы гомогенизатора.

Производительность плунжерного гомогенизатора П, м³/с:

где: D – диаметр плунжера, м; S – ход плунжера, м;  - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с; z – число плунжеров, шт.; _н – КПД насоса (0,80…0,90).

Мощность электродвигателя гомогенизатора N, кВт:

где: р – давление гомогенизации, Па;  - КПД гомогенизатора (0,75…0,85).

Толщина тарелки клапана h_кл, м:

где: р – давление гомогенизации, Па; [] = 24  10⁷ Па – допускаемое напряжение для материала клапана; d_кл – диаметр клапана, м.

Определим диаметр клапана, м:

где: П – производительность гомогенизатора, м³/с; v_Д – допускаемая скорость жидкости в седле, м/с (для всасывающего клапана 2 м/с, а для нагнетательного 5…8 м/с); S – площадь сечения хвостовика, м².

где r_к – радиус хвостовика, м (410^-3…510^-3 м).

Пружину нагнетательного клапана рассчитывают, исходя из необходимого усилия F_пр при закрытом клапане:

где:  - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с; М – масса клапана, кг (М = 0,4 кг);  - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна ( = 0,15…0,20); d_кл – диаметр клапана, м; z – число плунжеров, шт.

Сила сжатия пружины при рабочей деформации F_Д, Н

Жесткость пружины С, Н/м

где h – высота пружины, м (h = 0,10…0,14 м).

При гомогенизации часть механической энергии превращается в теплоту, вследствие чего происходит повышение температуры гомогенизируемого продукта , К

где: Р – давление гомогенизации, Па; c = 3880 Дж/(кгК) – удельная теплоемкость молока;  = 1033 кг/м³ – плотность молока, кг/м³.

Средний диаметр жировых шариков, м в диапазоне изменения давления от 2,0 до 20,0 МПа определяется по формуле Н.В. Барановского:

где р – давление гомогенизации, МПа.

Расчет предохранительного клапана можно свести к определению проходного сечения седла клапана с учетом вязкости обрабатываемой жидкости. Для маловязких жидкостей (молоко, соки) диаметр, м проходного сечения седла определяется по формуле:

где: р_в – давление всасывания, МПа (0,210⁶ МПа); _в – отношение массы перекачиваемой жидкости к массе воды (для молока 1,03).