CC BY
24
УДК 66.084
Интенсификация процесса перемешивания
маловязких пищевых продуктов
С.В.Сергеев, канд. техн. наук, доцент, В.Г. Некрутов, аспирант Филиал Южно-Уральского государственного университета, г. Усть-Катав
Рыночная экономика требует повышения качества выпускаемых смесей различного назначения, что вызывает необходимость совершенствования старых и внедрения новых, прогрессивных технологий и более совершенных смесителей. Кроме того, одна из основных задач - обеспечение технического перевооружения и интенсификации уже действующих технологических производств. Поэтому, несмотря на многообразие перемешивающих устройств, продолжаются поиски новых, более совершенных конструкций, обеспечивающих при сравнительно малых затратах энергии наибольшую производительность процесса при высоком качестве готового продукта. При этом возникает необходимость в таком оборудовании, которое бы легко встраивалось в автоматизированные линии и обеспечивало автоматизированный контроль за качеством готовой продукции.
Перемешивание маловязких пищевых продуктов применяется для приготовления эмульсий, суспензий и получения однородной, гомогенной смеси из различных компонентов, а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов (создание устойчивого молока, приготовление различных десертов, мороженого, напитков, обога-
Ключевые слова: смеситель; роторный инерционный вибровозбудитель; турбулентный режим; виброструйный эффект.
Key words: mixer, vibro-stream effect, turbulent regime, rotary-inertial vibro ■ exciter.
щенных по витаминному составу, маргаринов, кулинарных и кондитерских жиров, а также широкого спектра полуфабрикатов и др.). В процессах тепло- и массообмена скорость переноса будет тем выше, чем выше интенсивность перемешивания, так как при этом увеличивается поверхность контакта фаз. При получении эмульсий из двух и более взаимно нерастворимых жидкостей, например воды и масла, процесс перемешивания связан с рядом особенностей: необходимость получения эмульсий, устойчивых во времени, широкой номенклатурой перемешиваемого сырья, требующей быстрой переналадки оборудования. Способы перемешивания и выбор оборудования определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов.
Выбор оборудования с перемешивающими устройствами и их конст-
руктивные особенности обусловлен характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется, и т. д. Такое многообразие факторов, влияющих на выбор конструкции, затрудняет задачу оптимального проектирования смесителей.
Оборудование, используемое в настоящее время на большинстве предприятиях, морально и физически устаревшее, метало- и энергоемкое и зачастую не удовлетворяет современным требованиям по производительности и качеству готовой продукции [1]. Поэтому для интенсификации процессов, происходящих при перемешивании, необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Создание высокоэффективного оборудования невозможно без интенсификации гидродинамических и тепловых процессов с применением перемешивающих устройств.
В связи с этим совершенствование оборудования для гидромеханического перемешивания в производстве различных продуктов - актуальная задача для пищевой и других отраслей промышленности.
Для решения этой задачи предлагается использовать вибрацию, которая, как известно, интенсифицирует различные процессы. Вибрационные воздействия могут существенно ускорять процессы, протекающие в жидкой несущей среде на граничных поверхностях различных фаз, т. е. в различных смесях типа суспензий, эмульсий [2].
Аппараты, основанные на вибрационном воздействии на перемешиваемые материалы и рабочие органы смесителя, значительно увеличивают производительность процесса, снижают энергоемкость и улучшают качество конечного продукта. При этом вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной процесс, в других - вызы-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
вать специфические вибрационные эффекты.
С целью совершенствования оборудования и процесса гидромеханического перемешивания предлагается применить принципиально новые роторные инерционные вибровозбудители [3], разработанные в ЮжноУральском государственном университете, в которых параметрами колебаний можно управлять как за счет изменения геометрических размеров элементов, так и путем изменения динамических параметров системы, что позволяет повысить эффективность управления параметрами технологических процессов.
В рекомендуемых инерционных роторных вибровозбудителях (рис. 1) вращаемое тело 1 (ротор) и контртело 2 сопрягаются с тарированной силой прижима Р так, чтобы об-
~ ос '
ласть контакта имела замкнутую форму с поворотной симметрией.
Одно из сопрягаемых тел приводят во вращение с частотой щр вокруг оси поворотной симметрии области контакта, при этом управление процессом перемешивания осуществляют путем изменения частоты щ и амплитудой с колебательных движений по соотношениям:
J_i
Da).,
Р = -
со
где Рос - величина осевой тарированной силы прижима вращаемого тела (ротора) к контртелу; щвр~ частота вращения ротора; т- приведенная масса вращаемого тела; I-вылет вращаемого тела; /- жесткость ротора; О- диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом.
При отсутствии вращения ротор симметрично расположен относительно контртела, а при его вращении (см. рис. 1) ротор будет совершать планетарное круговое движение, т. е. поперечные автоколебания по торцовой поверхности контртела. Центр ротора, кинематически отклоняясь, описывает круговую траекторию в направлении, противоположном вращению.
Кинематическая схема данной установки для смешивания жидких сред с использованием данного вибровозбудителя представлена на рис. 2. Вращение несущего вала (ротора) 1 осуществляется непосредственно от электродвигателя 3 посредством ременной передачи. Крутящий момент со шкива 2 передается через ременную передачу, подшипниковый узел 4 и карданный шарнир 5 несущему
валу, на котором крепятся конические диски 6, каждый из которых имеет 40 конических отверстий. Диски расположены так, чтобы больший диаметр конического отверстия верхнего диска находился над большим диаметром конического отверстия нижнего диска. Такое расположение конических отверстий необходимо для интенсивного перемешивания технологической среды. Верхняя часть ротора 1 сопрягается с контртелом, а вместе они выполняют роль инерционного планетарного вибровозбудителя, использование которого позволяет изменять частоту и амплитуду колебаний.
Интенсивность процесса перемешивания существенным образом зависит от ускорения дисков. При относительно небольшом ускорении перемешивание носит спокойный характер. При оптимальном ускорении возникают интенсивные потоки, носящие ярко выраженный характер турбулентного перемешивания. Величину и направление турбулентных струй можно изменять в зависимости от параметров вибрации, конфигурации дисков и вида их перфорации.
Применение данного роторного инерционного вибровозбудителя позволяет одновременно реализовать несколько физических эффектов: псевдоожижения жидкой техно-
логической среды (турбулентность), активного перемешивания жидкости (виброструйный эффект), эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины (эффект Ху-лахупа) [2].
В разработанной установке (рис. 3) эффект псевдоожижения жидкости определяется турбулентностью, зависящей от числа Рейнольдса, на которое, в свою очередь, влияет частота колебаний щ, с-1, окружная скорость вращения ротора V, м/с, радиус диска Н, м и кинематическая вязкость продукта н, м2/с.
Радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков закрепленных на роторе, при своей максимальной амплитуде создают виброструйный эффект. То есть скорость движения многочисленных затопленных струй жидкости на выходе из сужающихся конических отверстий увеличивается, что позволяет интенсифицировать процесс. Вместе с тем, вибрирующая жидкость помогает вращению ротора вибровозбудителя (она как бы раскручивает его), а это значит, что для вращения ротора требуется гораздо меньшая мощность привода.
При проведении экспериментов для того, чтобы визуально увидеть присутствие эффектов, в исследуемую зону через капиллярную трубку подавалась окрашенная жидкость. В
Рис. 4. Экспериментальные исследования эффектов: а - ламинарный режим течения жидкости; б - переход ламинарного режима в турбулентный; в - турбулентный режим; г - виброструйный эффект отсутствует; д - виброструйный эффект присутствует
результате были запечатлены ламинарный, турбулентный режимы течения жидкости и виброструйный эффект (рис. 4).
Одновременная реализация указанных эффектов позволяет усовершенствовать оборудование для гидромеханического перемешивания маловязких пищевых продуктов, следовательно, повысить производительность и получить высокую однородность смеси в течение короткого промежутка времени, зависимого от процентного соотношения
смешиваемых материалов и их физико-механических свойств, а также улучшить качество готового продукта. Поэтому при настройке установки необходимо выбрать такие частоту и амплитуду колебаний ротора, в зависимости от свойств перемешиваемого продукта, при которых будут иметь место все три эффекта. Все это, в конечном итоге, позволит интенсифицировать технологический процесс и одновременно повысить качественные показатели при получении конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Швонец, В.Н. Аппараты с перемешивающими устройствами/В.Н. Швонец, В.Н. Зайцев. - Кемерово: КТИПП, 1993. - 135 с.
2. Блехман, И.И. Вибрационная механика/И.И. Блехман. - М.: Физ-матлит, 1994. - 400 с.
3. А.с. №1664412. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления/СП Ла-кирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. - Опубл. в Б. И., 1991, Бюл. № 27.
Установка для производства ультрапастеризованных молочных
премиум-класса
«Тетра Пак» объявила о запуске Tetra Therm Aseptic VTIS - нового модуля прямого нагрева для производства ультрапастеризованных молочных продуктов, уникальный дизайн которого позволяет значительно повысить эффективность производства. Технология прямой ультрапастеризации «Тетра Пак» благодаря моментальному нагреву и охлаждению сводит к минимуму тепловое воздействие на продукт, тем самым, повышая качество последнего.
Установка бережно обрабатывает такие чувствительные к нагреву продукты, как обычное и обогащенное молоко, сливки, мороженое, другие молочные десерты и продукты на основе соевого молока, тем самым снижая эксплуатационные расходы на 15 % по сравнению с предыдущими поколениями систем прямой ультрапастеризации.
Преимущества новой установки Tetra Therm Aseptic VTIS: потери продукта снижаются до 40% по
сравнению с ныне существующими индустриальными стандартами производства; время работы установки - до 60 ч; сокращается тепловая нагрузка, минимизируя воздействие на такие качества продукта, как вкус и цвет; более высокая эксплуатационная эффективность, чем любая другая существующая система прямой ультрапастеризации.
Tetra Therm Aseptic VTIS предлагает ряд инноваций в области дизайна, призванных повысить эффективность производства:
• новая система двойного уравнительного бака, где один бак предназначен для продукта, второй - для воды, благодаря чему главный уравнительный бак удается полностью освободить от воды, прежде чем наполнять его продуктом, тем самым снижая потери продукта в смешенную фазу;
• особая система мгновенного охлаждения, сочетающая новую камеру с конической верхушкой и встроенный спрей-конденсор вместо
продуктов
обычного внешнего конденсора, благодаря чему переброс продукта при охлаждении сокращается до 0,01 % (новое строение камер, предусматривающее более легкий контроль процесса, обслуживание и ремонт, помогает обеспечить стопроцентную безопасность продуктов);
• предварительный нагрев с помощью регенерации продукт-продукт, а не за счет контура горячей воды, таким образом удается на 5 % снизить потребление пара по сравнению с предыдущими моделями и значительно сэкономить средства;
• усовершенствованный инжектор пара и труба выдержки предотвращают возможность перегрева и минимизируют образование нагара в системе, продлевается время работы - до 60 ч между мойками против 30 ч для установок предыдущих поколений. Экономия на мойке и предварительной стерилизации позволяет сократить себестоимость каждой единицы продукции.
