Гомогенизатор молока (стр. 4 из 5)
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 τмакс выражается формулой
τмакс =
Н/м2, (2.9)где Р – усилие, действующее на пружину, Н;
D– средний диаметр витков пружины, м;
d– диаметр проволоки, м;
k– поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент зависит от индекса пружины
С =
. (2.10)Приближенно
k =
. (2.11)Пружина должна удовлетворять условию τмакс ≤ [τ]. Допускаемое напряжение на кручение [τ], которое зависит от механических свойств материала, колеблется в широких пределах (300 – 600 МН/м2).
При расчете задаются индексом пружины Сп= 4–5. Это дает возможность на основании формулы (3.9) определить диаметр проволоки d:
d = 
. (2.12)
По формуле (3.10) рассчитывают средний диаметр витков пружины.
Количество витков пружины гомогенизатора п = 4 – 6. Усилие затяжки Р определяют по формуле
Р = f∙∆p, (2.13)
где f – площадь сечения канала перед клапаном, м2;
∆р – рабочее давление гомогенизации, Н/м2 [15].
2.2 Расчет гидродинамических параметров потока жидкости и технических характеристик гомогенизатора
Для расчета процесса гомогенизации возьмем сливки 25% жирности, т. к. при производстве сметаны гомогенизация исходного сырья имеет наиболее важное значение. Сливки 25% жирности гомогенизируют при температуре 700С и давлении гомогенизации ∆р = 10 МПа.
Пусть производительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотность сливок 25%-ной жирности при температуре 700С ρ = 978 кг/м3 [3].
Массовая теплоемкость сливок 25%-ной жирности при температуре 700С С = 3432,6 Дж/ (кг∙град).
Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит
υ1 =
= 
= 143 м/с,где ∆р = р0 – р2 – давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2;
γ – объемный вес жидкости, Н/м3, γ = ρ∙g =978∙9,81 = 9,594∙103 Н/м3;
Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-ной жирности и заданным расходом она будет равной
h=
= 
=0,09∙10-3 м = 0,09 мм,где V = 1200 л/ч = 1,2 м3/ч = 0,00033 м3/с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициент расхода при истечении через клапан;
d = 10 мм = 10-2 м – внутренний диаметр клапанной щели.
Число Рейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:
= 14793где ν = 1,74∙10-6 м2/с – кинематическая вязкость потока [3].
Мощность N, необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N = 
= 
= 6474,6 Вт,
где р0 = 150 кгс/см2 = 147, 15∙105 Па;
η = 0,75 – механический к.п.д. гомогенизатора.
Повышение температуры ∆t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆t=
= 
= 4,4 град,где С= 3432,6 Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость сливок.
Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации.
Зададим индекс пружины СП = 5. Рассчитаем поправочный коэффициент
k =
= 
= 1,3125.Усилие затяжки определяют по формуле Р = f∙∆р, где f = π∙d2 =3,14∙0,0012 =3,14∙10-6м2 – площадь сечения канала перед клапаном.
Р = 3,14∙10-6∙10∙106 = 31,4 Н
На основании рассчитанных значений возможно определить диаметр проволоки пружины:
d = =
= 1,024∙10-3 м,где [τ] – допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м2.
Средний диаметр витков пружины:
D = d∙CП = 1,024∙10-3∙5 = 5∙10-3м.
Для сравнения рассчитаем все выше перечисленные параметры и характеристики для кефира, изготовляемого из нормализованного молока жирностью не выше 3,2%. Молоко 3,2% – ной жирности гомогенизируют при температуре 500С и давлении гомогенизации ∆р = 15 МПа.
Пусть производительность гомогенизатора составляет 1200 л/ч.
Плотность молока 3,5%-ной жирности при температуре 500С ρ = 1015,9 кг/м3 [3].
Массовая теплоемкость молока 3,5%-ной жирности при температуре 500С С = 3966,5 Дж/ (кг∙град).
Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит
υ1 =
= 
= 171,8 м/с,где ∆р = р0 – р2 – давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2;
γ – объемный вес жидкости, Н/м3, γ = ρ∙g =1015,9∙9,81 = 9,966∙103 Н/м3;
Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах и зависит, как указывалось выше от многих параметров. Для сливок 25%-ной жирности и заданным расходом она будет равной
h=
= 
=0,06∙10-3 м =0,06 мм,где V = 1200 л/ч = 1,2 м3/ч = 0,00033 м3/с – расход сливок через клапан;
μ = 0,8 – коэффициент расхода при истечении через клапан;
d = 10 мм = 10-2 м – внутренний диаметр клапанной щели.
Число Рейнольдса для потока гомогенизируемых сливок не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:
= 11848где ν = 1,74∙10-6 м2/с – кинематическая вязкость потока [3].
Мощность N, необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N = = = 6474,6 Вт,
где р0 = 150 кгс/см2 = 147, 15∙105 Па;
η = 0,75 – механический к.п.д. гомогенизатора.
Повышение температуры ∆t продукта в гомогенизаторе получается равным
∆t=
= 
= 3,6 град,где С= 3966,5 Дж/(кг∙град) – массовая теплоемкость молока.
Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации.
Зададим индекс пружины СП = 5. Рассчитаем поправочный коэффициент
k =
= = 1,3125.Усилие затяжки определяют по формуле Р = f∙∆р, где f = π∙d2 =3,14∙0,0012 =3,14∙10-6м2 – площадь сечения канала перед клапаном.
Р = 3,14∙10-6∙15∙106 = 47,1 Н
На основании рассчитанных значений, возможно определить диаметр проволоки пружины:
d = =
= 1,255∙10-3 м,где [τ] – допускаемое напряжение на кручение принимаем равным 50 МН/м2.