1.Основні теоретичні відомості 1.1 .Теоретичні основи перемішування

Перемішуванням називають процес взаємопроникнення і розподілу частинок однієї речовини в іншій в результаті їх вільного і вимушеного відносного руху.

В харчовій промисловості використовують вимушене перемішування з

метою:

• рівномірного розподілу однієї фази в іншій;

• підтримування дисперсної фази в завислому стані;

• збільшення й оновлення поверхні контакту між компонентами системи, які реагують, для прискорення хімічних та фізико-хімічних процесів;

- створення організованого потоку рідини вздовж поверхні для інтенсифікації тепловіддачі.

Механічне перемішування в посудинах застосовують майже виключно для краплинних рідин. Механічні мішалки створюють в рідині, що наповнює посудину, течію, внаслідок якої забезпечується перемішування.

Механічна мішалка передає рідині кількість руху від джерела енергії і тим самим спричиняє її рух. Залежно від способу передачі енергії

розрізняють:

а) мішалки, в яких тангенціальні напруги, що виникають між поверхнею рухомого робочого елемента і пограничними шарами рідини, приводять в рух наступні шари рідини, спричинюючи їх перемішування.

До цієї групи відносять, наприклад, дискові, конусні, кульові та інші

мішалки.

б) мішалки з прямим тиском робочих елементів на рідину перед лопаттю, внаслідок чого частина рідини обтікає край лопаті і змішується з навколишньою рідиною, а частина починає переміщуватися у напрямі перемішування робочого елемента мішалки.

До цієї групи належать, наприклад, лопатеві, пропелерні, вібраційні та інші мішалки.

Оскільки під час механічного переміщування відбувається вимушений рух рідини, для визначення витрат енергії можна скористатися узагальненим рівнянням гідродинаміки:

Е_u = f(Rе,F_r,Г₁Г₂), (3.1)

де Е_u = р / ρv² - критерій Ейлера;

р - перепад тиску, Н/м²;

ρ∙густина, кг/ м³;

v - швидкість, м/с;

Re = vdρ / μ -критерій Рейнольдса;

d - діаметр, м;

μ - динамічна в'язкість, Па-с;

F_r = v² / gd -критерій Фруда;

g - прискорення вільного падіння, м/с²;

Г₁ Г₂ -симплекси геометричної подібності.

Критерій Фруда необхідно враховувати тільки при наявності воронки при перемішуванні.

Якщо в критеріях замість лінійної швидкості підставити величину ;md (n - число обертів за одиницю часу), а за визначальний діаметр взяти діаметр мішалки, то одержимо модифіковані критерії подібності:

Re_μ=ρnd_м²/μ (3.2)

E_uμ = ΔP/(ρ(nd_м)²). (3.3)

Виходячи з того, що потужність на валу (N) пропорційна добутку зусилля на валу (Р) на колову швидкість, а ΔР - P/S, S ≈ d² (S - площа) можна записати ΔР = N / nd_м³ і підставивши у вираз (3.3), одержимо:

E_uμ = N/(ρn³d⁵). (3.4)

Критерій Е_uμ називають критерієм потужності і позначають K_N.

Відповідно, можна записати:

Е_uμ = К_N = φ(Rе_μГ₁Г₂),або

Е_uμ=СКe_μ^k (3.5)

Рівняння можна застосовувати для визначення необхідної енергії на перемішування при встановленому русі.

Значення коефіцієнтів С і показників степеня k визначають дослідним шляхом; вони залежать від типу мішалки, конструкції апарату, режиму перемішування і реологічних характеристик середовища.

1.2.Типи мішалок для механічного перемішування

Для механічного перемішування використовують лопатеві, пропелерні, Іурбінні, вібраційні, дискові, якірні, рамні та інші мішалки (рис.3.1).

Робочі органи мішалок здійснюють обертовий або зворотньо-поступальний рух.

Лопатеві мішалки найпростіші за конструкцією. Це плоскі лопаті, встановлені на валу (вертикальному або горизонтальному) під кутом або перпендикулярно до напряму руху. Кількість лопатей та їх конфігурація може

Рис.3.1. Типи мішалок:

а-трнлопатева; б-дволопатева; в-пропелерна; г-відкрита турбінна; д-

відкрита турбінна з нахиленими лопатями; е-закрита турбінна.

бути різна і визначається конструкцією апарату і властивостями продукту. Лопаті можуть бути згруповані в виді рам, і мати складну конфігурацію руху. Лопатеві мішалки використовують для перемішування малов'язких рідин (до 0,1 нс/м²).

Пропелерні мішалки використовують для перемішування помірно в'язких рідин (до б нс/м²). Основним робочим органом е гвинт (пропелер), насаджений на вертикальну, похилу або горизонтальну вісь.

У турбінних мішалках робочим органом є турбінне колесо, що обертається на вертикальній осі. Принцип дії аналогічний роботі колеса відцентрового насоса. Турбінні мішалки забезпечують ефективне перемішування, але не придатні для використання в тому випадку, коли необхідно зберегти структуру матеріалу.

В дискових, конусних і кульових мішалках робочим органом є відповідно диск, порожнистий конус і куля, які обертаються на валу.

1.3. Будова і принцип роботи апаратів з мішалками

Одним із важливих процесів у виробництві сиру є процес утворення та обробки сирного згустку і одержання сирного зерна.

Для здійснення цього процесу в виробничих умовах використовують сировиготовлювачі. В останній час широкого поширення набули сировнготовлювачі вертикального типу у закритому виконанні. В них проходить підігрів і сквашування молока, утворення згустку, розрізання, перемішування і обробка сирного зерна.

Сировиготовлювачі (рис.3.2) представляють собою циліндричну (еліптичну, конічну) ємкість, розміщену вертикально з універсальним ріжуче-вимішуючим пристроєм, приводом, теплообмінною сорочкою, патрубком для підводу і відводу пари та продукту, системою автоматичного регулювання.

Ріжуче-виміїнуючий пристрій представляє собою рамну мішалку, яка по певній траєкторії обертається навколо своєї осі. При обертанні в одному напрямі, мішалка працює як ріжучий інструмент, в протилежному - як вимішуючий.

Рамка мішалки виконана у вигляді прямокутника, по горизонтальних сторонах якої є пази. В пазах вертикально розміщені окремі лопаті з можливістю повороту при зміні напрямку руху мішалки.

Привід апарату дозволяє плавно регулювати число обертів мішалки.

Вертикальне виконання сировиготовлювачів дозволяє значно економити виробничий простір, зменшує теплові витрати. Разом з тим суттєвим, недоліком сировиготовлювачів є велика висота суміші і великий перепад висот після відсмоктування сироватки.

На підприємствах успішно експлуатуються сировиготовлювачі фірм "ХАКМАН - МКТ" (Фінляндія), "ЕЛГЕП" (Угорщина), "DEC -INTERNATIONAL" (Данія), "Пасілак" (Данія), "Шварте" (Німечина).

Вищеперераховані сировиготовлювачі конструктивно відрізняються геометричною формою корпусу і днища (циліндр, здвоєний циліндр, конус), певною траєкторією руху і конструкцією ріжуче - вимішуючого пристрою, розміщенням і конструктивним виконанням пристрою для відбору сироватки і вивантаження сирного зерна.

Основним робочим органом сировиготовлювача є ріжуче - вимішуючий пристрій, який на різних технологічних операціях виготовлення сирного зерна в залежності від швидкості і напрямку обертання, має різне функціональне навантаження, а саме:

- при підігріві молока використовується для інтенсифікації процесу

теплообміну;

- при різці зкоагульованого молока (кальє) - як ріжучий інструмент;

При підігріві і перемішуванні в процесі утворення сирного зерна (постановки сирного зерна) необхідно забезпечити рівномірне перемішування і рівномірну концентрацію сирного зерна в об'ємі сировиготовлювача, а також інтенсифікувати процес теплообміну, забезпечивши при цьому мінімальні втрати сировини.