Производство сметаны

 

7 Технико-технологические расчеты

 

 

7.1 Расчет сепаратора-нормализатора

 

Расчет  сепаратора осуществляется согласно методике, приведенной в источнике [34].

Технические характеристика сепаратора-нормализатора  представлены в таблице 7.1

 

Таблица 7.1 – Технические данные сепаратора-нормализатора

Наименование параметров	ОМ-1А
Угловая скорость вращения, рад/с	11,3000
Внешний радиус тарелок, м	0,1800
Внутренний радиус тарелок, м	0,0600
Максимальный диаметр диска, м	0,0750
Объем шламового пространства, м3	0,0048
Масса барабана, кг	81,0000
Расстояние от верхнего подшипника до центра тяжести, м	0,3000
Расстояние между верхним и  нижним подшипником, м	0,5700
Масса вращающих частей сепаратора с сепарирующей жидкостью, кг	109,0000

 

Производительность  сепаратора П, м³/ч рассчитывается по формуле:

П = 10^-3∙ β·π·ω²·z·tg α·(R_б³-R_м³) d² [(ρ–ρ₀)/ 4 μ_мол],

где β – поправочный коэффициент, учитывающий разницу между теоретическим и реальным процессом (β=0,2-0,5) [10].

     z – число тарелок (z=100), шт;

    α – угол наклона образующей конуса тарелки (α=45-60˚);

    d – эквивалентный диаметр частицы легкой фракции (размер жировых шариков), м;

    ρ₀ и ρ – плотность сливок и молока, кг/м³ (ρ₀=960-1000 кг/м³ ;                           ρ=1000-1300 кг/м³);

   μ – динамическая вязкость  продукта (μ_мол=0,6-1,3)·10^-3, Па∙с;

Размер  жировых шариков d, мм определяется по формуле:

d=(m/0,04)+0,05,

где m – массовая доля жира в обезжиренном молоке (m=0,01 %).

d=(0,01/0,04)+0,05=0,3 мм

П=10^-3·0,2·3,14·130·1·6,75²·(0,18³–0,06³)·0,3²[(1000-960)/4·0,6·10^-3)]=4,8 м³/ч.

Давление  жидкости, выходящей из сепаратора p, Па:

p = (ρ_{об м}·50000) (R_д^2-r_к²),

где ρ_{об м} – плотность обезжиренного молока (ρ_{об м} =1030 кг/м³);

     r_к – внутренний радиус кольца жидкости (r_к=0,015 м).

p=(1030·50000) (0,075²–0,015²)=2,8·10⁵ Па.

Время непрерывной  работы сепаратора между разгрузками  τ, ч:

τ=0,1·V/(П∙α),

где α – объемная концентрация взвешенных частиц в сепарируемом продукте (α=0,00003%).

τ =0,1·4,8·10^-3/(0,0003·4,8)=3,3 ч.

Критическая частота вращения вала, т.е. скорость, при которой происходит разрушение вала, с^-1:

ω=[l/(l-c)]∙[√K/m_б], с^-1

где К – сила, вызывающая прогиб на 1 м, для сепаратора с жестко зацепленным (без амортизатора) верхним радиальным подшипником.

K=[3EI/c²(c+l)], Н/м,

где Е – модуль упругости материала  вала (Е=2·10¹¹ для сталей), Н/м²;

     I – момент инерции сечения вертикального вала, м⁴,

I=0,05·d_в⁴,

где d_в – диаметр вала (d_в =0,04), м [11].

I=0,05·0,04⁴=1,28·10^-7, м⁴,

K=(3∙2∙10¹¹∙1,28∙10^-7)/[0,3²(0,3+0,57)]=980000 Н/м,

ω_кр=[0,57/(0,57-0,3)]√980000/81=232,1 c^-1/

Мощность  электродвигателя сепаратора N, работающего в установившемся режиме, кВт:

N=1,2∙[(N₁+N₂+N₃)/η_тр], кВт

где ŋ_пр – коэффициент полезного действия (к.п.д.) привода (ŋ_пр=0,92-0,95);

     N₁ – мощность, затрачиваемая для сообщения выбрасываемой из сепаратора жидкости избыточного давления, кВт.

 

_{N1=[(П∙p)/ηн.д∙10⁶] кВт,}

где р – давление жидкости на выходе из сепаратора, Па;

     ŋ_н.д – к.п.д. напорного диска (ŋ_н.д.=0,45).

N₁=[4,8∙2,8∙10⁵/0,45∙10⁶]=3,0 кВт

    N₂ – мощность, необходимая для преодоления сил трения барабана о воздух, кВт.

N₂=1,8·ρ_в·F·v_б³ , кВт,

где ρ_в – плотность воздуха, кг/м³;

     F – общая площадь поверхности трения барабана, м².

F=[π(R_б²-R_т²)/cosα]+0,4∙10^-3∙R_б∙z, м²,

где v_б – окружная скорость барабана, м/с.

v_б=π·n·R_б/30=w·R_б, м/с,

v_б=11,3·0,18=2,0, м/с,

F=[3,14(0,18²-0,06²)/0,707]+0,4∙10^-3∙0,18∙100=0,11 м²,

N₂=1,8·1,23·0,11·2³=1,95 кВт,

N₃=10^-3·μ·G·g·v_ц, кВт,

где N₃ – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в подшипни-        ках, кВт;

      μ – коэффициент трения;

     v_ц – линейная скорость вращения вала, м/с.

v_ц=π·n·d_в/60=ω·d_в/2, м/с,

где d_в – диаметр вала, м.

v_ц =11,3·0,04/2=0,23 м/с,

N₃=10^-3·0,5·109·9,81·0,23=0,12 Вт,

N=1,2∙[(3,0+1,95+0,12)/0,9]=6,8 кВт.

Сепаратор-нормализатор ОМ-1А производительности технологической линии производства сметанного продукта.

 

 

 

7.2 Расчет резервуара для кисломолочных продуктов

 

Технические данные аппарата для кисломолочных  продуктовпредставлены в таблице 7.2.

 

Таблица 7.2 – Технические данные аппарата марки Я1-ОСВ-5

Наименование параметров	Я1-ОСВ-5
Тип	Вертикальной системой охлаждения
Геометрическая вместимость, м³	6,60
Рабочая вместимость, м³	6,30
Условный проход патрубка наполнения-опорожнения, мм	50,00
Установленная мощность привода мешалки, кВт	0,75
Частота вращения мешалки, об/мин	0,27
Условный проход патрубка подачи теплохладоагента, мм	50,00
Температура поступающего хладагента, °С не выше	+4,00
Давление поступающего теплохладоагента, Мпа/кгс/см²/, не более	0,15
Условный проход патрубка подачи моющих растворов, мм	50,00
Давление поступающего моющего раствора, Мпа/кгс/см², не менее	0,30
Габаритные размеры, мм не более
Ширина	2500,00
Наружный диаметр	2135,00
Высота, не более	3912,00
Масса, кг не более	1500,00

 

Объем, занимаемый мешалкой, рассчитывают по формуле [35]:

V_м=(πd_в²/8) Н-V,

V_м=(3,14∙6,25/8)∙3,9-6,3=3,2 м³

где Vм – объем, занимаемый мешалкой, м³;

      d_в – внутренний диаметр ванны, м;

      Н – высота ванны, м;

 

Производительность  П (кг/смену) находят по формуле:

П=V∙ρ∙t_см/t₀,

П=3,2∙1027∙8/4=6572,8 кг/смена,

где ρ – плотность продукта, кг/м³;

    t_см – продолжительность смены, ч;

     t₀ – продолжительность цикла обработки, ч.

Расчет  обечаек.

Толщину стенок определяют по формулам:

S_r=P_r∙D/2φ[σ]-P_r,

S_r=0,6∙2500/2∙1∙140-0,6=5,38=6мм,

где P_r – давление в аппарате, МПа;

      S_r – расчетное значение толщины стенки, мм;

      D – внутренний диаметр обечайки, мм;

     [σ] – допускаемое напряжение, МПа.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

[p]=2 [σ]∙φ∙(s-c)/D+(s-c),

[p]=2∙140∙1∙(6-2)/2500+(6-2)=0,44 Па,

 где φ =1;

       с=2 мм.

Расчет и  конструирование перемешивающего  устройства

Выбор типа мотор - редуктора.

Р_тр=Р_м/n₁∙n₂∙n₃∙n₄,

Р_тр=0,75/0,99∙0,98∙0,98∙1=0,78кВт,

где Р_м – мощность на валу мешалки, кВт;

      n₁ – КПД подшипников, в которых установлен вал;

      n₂ – КПД механической передачи (редуктора);

    n₃ – КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении;

    n₄ – КПД, учитывающий потери в муфте.

Резервуар для сквашивания Я1-ОСВ-5 по параметрам соответствует производительности технологической линии производства сметанного продукта «Росинка».

 

 

 

 

 

7.3 Расчет  гомогенизатора

 

Таблица 7.3 – Технические данные гомогенизатора А1-ОГМ

Наименование параметров	А1-ОГМ
Диаметр плунжера, м	0,032
Ход плунжера, м	0,060
Частота вращение коленчатого вала, рад/с	38,500
Количество плунжеров	3,000
Объемный КПД насос	0,850
Давление гомогенизации, Па	20∙106
Механический КПД гомогенизатора	0,800
Допускаемое напряжение для клапана, Па	24∙107
Допускаемая скорость жидкости в седле, м/с	7,000
Масса клапана	0,400
радиус хвостовика, м	5∙10-3
отношение радиуса кривошипа к  длине шатуна	0,200
высота пружины, м	0,120
удельная теплоёмкость, кг/м3	3880,000
Плотность, кг/м3	1033,000
Давления всасывания, МПа	0,200

 

Производительность  плунжерного гомогенизатора:

G = D²/4∙S∙

,

где D и S – диаметр и ход плунжера, м;

D=32 мм=0,032 м;

S=60 мм=0,06 м;

     ω – частота вращения коленчатого вала, 38,5 рад/с;

z – количество плунжеров, 3 шт.;

     η_н – объемный КПД насос, 0,85.

G=0,032²/4 0,06·38,5·3·0,85=4590 л/ч.

Следовательно, расчетная производительность соответствует  производительности указанной в  паспорте.

Расход  мощности гомогенизатора:

N=G·p/η,

где p – давление гомогенизации, Па;

η – механический КПД гомогенизатора, 0,75-0,85.

N=1,5·10-3∙20·10

/0,8=36,5кВт.

Расчетная мощность гомогенизатора получилось равной 36,5 кВт, что соответствует паспортным характеристикам.

Толщина тарелки клапана, h_кл, м:

h_кл=0,43·d_кл√P/[σ],

где p – давление гомогенизации, Па;

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

     d_кл – диаметр клапана, м.

d_кл=√1,27(∆F+G/6V_gz),

где G – производительность гомогенизатора, м³/с;

V_g – допускаемая скорость жидкости в седле,(7 м/с);

∆F – площадь сечения хвостовика, м².

∆F=π∙rk2,

где r_k – радиус хвостовика, 5∙10^-3 м.

∆F=3,14·5∙10^-3=15,7·10^-3, м.

d_кал=√1,27(15,7∙10^-3+1,5∙10^-3/6∙7∙3)=0,14 м.

h_кал=0,43∙0,14∙√20∙10⁶/270∙10⁶=0,016 м.

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

Р

=G∙ω·M·(1+λ)/14 d_кл z,

где G – производительность гомогенизатора, м³/с;

       ω – частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

 M – масса клапана, 0,4 кг;

       _{λ – отношение  радиуса кривошипа  к длине шатуна, 0,20;}

d_кл – диаметр клапана, м;

 z – количество плунжеров, шт.;

Р_кр=1,5·10^-3·38,5·0,4·(1+0,20)/14·(0.14)^-2·3=3,6·10^-3 Н.

Сила  сжатия пружины при рабочей деформации (P_g, Н) :

P_g=1,5 P_кр,

Pg=1,5·33,6·10-3=50,4·10

Н

Жесткость пружины (Ж, Н/м):

Ж=(P_g-P_кр)/h?

где h – высота пружины, 0,12 м.

Ж=(50,4-33,6)∙10^-3/0,12=140∙10^-3 Н/м.