Гомогенизатор клапанного типа

Гомогенизирующая головка работает следующим образом:

Поток продукта, например молока, под давлением подается в проточки и, двигаясь к лабиринтной щели 3, заставляет вращаться в разные стороны седло и клапан за счет расположенных на их конических поверхностях круглых канавок. Этот способствует избежанию облитерации щели, дает возможность легко регулировать размер щели в процессе гомогенизации. При протекании на большой скорости по щели поток продукта гомогенизируется, т.е. происходит измельчение грубых взвесей и крупных частиц продукта, например жировых шариков. Эффективности гомогенизации продукта способствует не только наличие щели огибаемых препятствий и поворотов, но и вращение седла и клапана в противоположные стороны. Гомогенизированный продукт выводится через патрубок.

Предложенная гомогенизируемая головка позволяет повысить качество гомогенизации за счет дополнительной турбулизации потока, обусловленной вращением седла и клапана в противоположные стороны. В результате этого значительно снижается облитерация щели, что положительно влияет на качество гомогенизации и, как следствие этого, увеличивается производительность процесса гомогенизации. [22]

3.2 Инженерные расчеты

Производительность гомогенизатора равна подаче его насоса. Для плунжерных насосов подача зависит от диаметра плунжеров и величины хода, количества плунжеров и числа оборотов коленчатого вала. При заданных параметрах машины производительность Vсек ее можно рассчитать по формуле

Vсек = м3/ сек, (2.6)

где d _ диаметр плунжера, м;

S - ход плунжера, м;

п - угловая скорость вращения коленчатого вала, об/сек;

ц - объемный к. п. д. насоса (для молока = 0,85; для вязкого продукта значительно меньше);

z - количество плунжеров.

Мощность N, необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов

N = Вт, (2.7)

где р0 - давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление перед клапаном), Н/м2;

з - механический к. п. д. гомогенизатора (= 0,75).

В результате затрат большого количества механической энергии, которая превращается в теплоту, при клапанной гомогенизации заметно нагревается продукт.

Повышение температуры продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле:

?t = град, (2.8)

где N _ потребная мощность, Вт;

Vсек - объемная производительность гомогенизатора, м3/ceк;

с - плотность продукта, кг/м3;

С-массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг• град).

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.

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:

где р - давление гомогенизации, Па;

Па - допускаемое напряжение для материала клапана;

dk -диаметр клапана, м

где р - производительность гомогенизатора, м/с

Vd - допускаемая скорость жидкости в седле, м/с.

ДS- 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 Д 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

дв - 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 фмак 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 фмак <[ф]. Допускаемые напряжения на кручение [ф] , 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 · ДP

где f - площадь сечения канала перед клапаном, м2;

ДP - рабочее давление гомогенизатора, Н/м2;

3.3 Определение конструктивных параметров насосного блока и расчет мощности на привод

Из производительности плунжерного гомогенизатора П, м3/с

где d - диаметр плунжера, м;

s - ход плунжера, м;

n - частота вращения, с-1;

z = 3 - число плунжеров;

ц - 0,85 - КПД насоса.

Найдем диаметр плунжера

Мощность, необходимая на привод, определяется по формуле для расчета мощности насосов:

V - объемная производительность гомогенизатора, м3/с;

С - 1027 - плотность продукта, кг/м3;

С = 3500 - массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг·К);

Отсюда

d1=40·

Найдем диаметр ведомого шкива:

d2=u · d1(1-о) (20)

о - коэффициент упругого скольжения (0,01..0,02)

d2 = 2,8 · 232,26(1 - 0,02) = 637,32 мм

Значение диаметра шкивов выбираем из стандартного ряда:

d1 = 250мм, d2 = 710мм

Межосевое расстояние предварительно вычисляем по формуле:

а = 0,55 · (d1 + d2) + h; (21)

h - высота ремня, мм

а = 0,55 · (250+710)+13,5=541,5 мм

Длина ремня

L = 2·541.5+3.14(250+710)/2+(710-250)2/4·541.5=2687.89 мм

Длину клиновых ремней уточняют по стандартному ряду: L=2800

Затем пересчитывают межосевое расстояние по формуле:

Угол обхвата ремнем меньшего шкива:

б1=180° - 57(d2 - d1)/а (24)

б2=180° - 57(710 - 250)/602,5=136,48°

Для клиноременной передачи б1?90°. С уменьшением угла обхвата снижается тяговая способность передачи.

Усилие в ремне. Окружное усилие, Н

Ft=2T/d

где Т - передаваемая мощность, Вт.

V=3.14·250·732/60·103=9.577<25 м/с

Найдем предварительное натяжение ремня F0, необходимое для создания силы трения между ремнем и ремнями; а также натяжение ведущей ветви F1 и ведомой ветви F2 по формулам:

где е - основание натурального логарифма;

f - коэффициент трения ремня по шкиву;

Сила натяжения в ремне создают нагрузки на валы. Равнодействующая этих сил:

Напряжения в ремне. В ведущей ветви ремня возникает наибольшее напряжение растяжения:

у1=F1/A

у1=3067.8/230=13.34 Н/мм

Наибольшее напряжение изгибы возникает на ведущей шкивы:

уu=Eд/d1,(30)

где Е - модуль упругости материала ремня: для резинотканевых ремней Е = 200...350 МПа

д/d1 - относительная удлинение ремня: для плоскоременных передач д/d1=1/100…1/250.

уu=300·1/40=7,5 Мпа.

умак=7,5+13,34=20,84 МПа

Найдем коэффициент тяги, который показывает, какая часть предварительного натяжения ремня F0 реализуется для передачи полезной нагрузки Fт:

ц=1566,2/2·2284,7=0,34

Расчет клиноременных передач. Основные параметры клиновых кордошнуровых ремней - формулу и размеры поперечного сечения, длину определяют в соответствии с ГОСТ 1284.1-89. Сечение ремня выбирают в зависимости от передаваемого момента. В приводах с/х машин используют ремни сечений А,В,С,Д .В нашем случае -это С. Проектный расчет передачи ведет по допустимой мощности, передаваемой одним ремнем:

Рр=р0·Сб·Сu·Cl·Cp; (32)

Р0 - допустимая мощность , кВт, передаваемая одним ремнем при u=1,

Сu - коэффициент, учитывающий передаточное число;

Cl - коэффициент, учитывающий длину ремня;

Сб - коэффициент, учитывающий угол обхвата,

Cp - коэффициент, учитывающий режим и характер работы.

Коэффициент, учитывающий длину ремня:

Cl=

L0 - базовая длина клинового ремня:

Cl==0,86

Рр=6,02·0,868·1,14·0,96·0,8=4,57 кВт.

Передаточное число ремней в передаче:

где Р - передаваемая мощность, кВт

-коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между ремнями.

Значение коэффициента принимают в зависимости от предварительного числа ремней, из следующих соотношений:

z1 1 2..3 4…6

1 0,95 0,9

Предварительное число ремней:

z1 =Р/Рр (35)

z1 =15/4,57=3,3

z?=3,64

рекомендуется принимать z?6, поскольку из-за погрешностей изготовления длины ремней разная и нагрузка между ними распределяется неравномерно.

Расчет на долговечность. Основная причина усталостного разрушения ремня - циклически изменяющиеся напряжения, существенно зависящие от базового числа циклов изменения напряжений Nоц и фактического числа пробегов ремня за время эксплуатации:

Nоц=3600·а Т0·л, (36)

где а - число шкивов,

Т0 - наработка ремня, ч

л - частота циклов изменения напряжений, равная частоте пробегов ремня в секунду.

Наработка ремня, ч

Т0=()m·; (37)

где -предел выносливости, соответствующий базовому числу циклов изменения напряжения;

m-опытный показатель;

=1;

=2.

При периодически изменяющихся нагрузках от 0 до номинального значения.

=1,5 =2,1

Т0=()8·

Nоц=3600·2·0,4· =9850,6

Шкивы ременных передач. Конструкция шкива зависит от его размеров, материала и типа передачи. Шкивы изготавливают из чугуна, стали, легких сплавов и пластмасс. Основные размеры шкивов - диаметр и ширину обода рассчитывают, остальные размеры определяют по рекомендациям ГОСТ 17383-73 для плоских ремней и ГОСТ 20889-88 для клиновых ремней нормальных сечений. [16]

Ширина шкива клиноременной поликлиновой:

М=(n-1)l+2f; (38)

n - число канавок на шкиве.

М=(4-1)·25,5+2·17=110,5мм

Толщина обода чугунных шкивов клиновых передач: д = (1,1…1,3)h ;

д = (1,1..1,3)·1,43=17,16 мм. (39)

4. Охрана труда и экологическая безопасность проектных решений

Проектируемый гомогенизатор полностью отвечает требованиям ОСТ-27-00-216-75, ГОСТ 12.3.002 - 75 и ГОСТ 12.2.048-80. Гомогенизатор со всех сторон заключен в кожух, что полностью исключает производственный травматизм при его эксплуатации. Машина снабжена системой автоматического отключения при изменении какого- либо технологического параметра. Перед пуском гомогенизатора следует проверить наличие и уровень масла в масляной ванне, исправность манометра. Затем пускают воду на охлаждение плунжеров. Давление в нагнетательной камере гомогенизатора не должно превышать предела, установленного паспортом (красная черта на манометре указывает предельно допустимое рабочее давление). Гомогенизатор останавливают, если стрелка манометра делает резкие скачки или показывает давление выше допустимого уровня. До полной остановки гомогенизатора запрещается вскрывать головку, уплотнять сальники плунжеров и производить какой-либо ремонт машины или коммуникаций.

При техническом обслуживании и ремонте следует пользоваться специальным инструментом и приспособлениями. Запрещается использование случайных подручных средств.

По электробезопасности гомогенизатор К5-ОГА-10М полностью отвечает требованиям ГОСТ 12.2.007-75. Защитный кожух машины полностью исключает поражение человека электрическим током. При переходе на металлические части гомогенизатора предусмотрено зануление и автоматическое отключение машины. Наше время характеризуется тем, что практически каждый человек связан с использованием электрической энергии. Кроме этого опасность поражения электрическим током среди прочих опасностей отличается тем, что человек не может обнаружить без специальных приборов напряжение на расстоянии. Оно обнаруживается только тогда, когда человек касается токоведущих частей. Поэтому большое значение приобретают вопросы защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током. Для обеспечения электробезопасности на предприятиях мясной и молочной промышленности используют следующие технические способы и средства защиты:

- защитное заземление;

- зануление;

- применение малых напряжений;

- контроль изоляции обмоток;

- средства индивидуальной защиты;

- предохранительные приспособления.

Гомогенизатор является относительно безвредной с точки зрения охраны труда, машиной. В нем не используется такие потенциальные опасные вещества, как газ, пар и т.д. , не происходит выброса в атмосферу каких-либо вредных веществ. Возможность аварии при нарушении правил пуска оборудования. При пуске холодного оборудования гомогенизатора клапан должен быть открыт и давление гомогенизации должно быть равно 0. В противном случае при пуске жидкости в гомогенизатор возможно возникновение гидравлического удара, в этом случае могут быть разрушены нагнетательные клапаны гомогенизатора. Плунжерный насос должен иметь предохранительный клапан, рассчитанный на максимальное давление и манометр регистрирующий давление гомогенизации. Кроме того проектируемый гомогенизатор управляется дистанционно, в нем предусмотрен ряд автоматических блокировок в случае нарушения какого-либо технологического параметра (давление продукта, давление масла, изменение силы тока в питающей сети). Интерес представляет лишь шум, создаваемый трущимися частями машины и движущейся жидкости. [18]

4.1 Производственная санитария

Производственная санитария включает в себя: оздоровление воздушной среды и нормализацию параметров микроклимата рабочей зоне, защиту работающих от шума, вибрации, обеспечение требуемых нормативов естественного и искусственного освещения, поддержание в соответствии с санитарными требованиями территории предприятия, основных производственных и вспомогательных помещений.

4.2 Шум

Расчет уровня звукового давления создаваемого гомогенизатором при работе.

Исходные данные:

Цех: аппаратный 24?24?6 м

Шумовая характеристика гомогенизатора по частотам

Среднегеометрические частоты, Гц.	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Уровень звуковой мощности Lр, Дб.	91	91	84	88	93	86	78	82

Уровень звукового давления L сравниваем с ГОСТ 12.1.003-83 "ГОСТ. Шум. Общие требования". Допустимые уровни звукового давления приведены в сводной таблице (см. ниже).

Уровень звукового давления в середине помещения.

где Lр - уровень звуковой мощности от источника шума, Дб;

r - расстояние от источника шума до середины помещения, м;

В - постоянная помещения, м3.

r = 3 м;

В = ??V/18,

V = 24?24?6 = 3456 м3 - объём помещения;

? - частотный множитель.

Значение коэффициента ? по частотам

Частота, Гц.	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
?	0,5	0,5	0,55	0,7	1	1,6	3,0	6,0

Результаты расчетов уровня звукового давления сводим в таблицу (см. ниже).

Полученные результаты не превышают предельно-допускаемые значения уровня звукового давления.

Среднегеометрические частоты, Гц.	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Уровень звукового давления L, Дб.	81	81	74	77	82	74	66	70
Допускаемые уровни звукового давления, Дб. ГОСТ 12.1.003-83"ССБТ"	99	92	86	83	80	78	76	74

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5