технологическое оборудование

№24Объемные насосы

Насос – гидравлическая машина, которая преобразует механическую энергию электродвигателя в энергию перемещаемой жидкости.

По принципу действия насосы делят на:

Динамические – (лопастные, центробежные)- воздействие рабочего органа осуществляется на не замкнутый объём жидкости, т.е. области всасывания и нагнетания не разобщены в пространстве;

Объёмные (поршневые) – воздействие рабочего органа осуществляется на замкнутый объём жидкости, т.е. области всасывания и нагнетания разобщены в пространстве.

Поршневые насосы работают по принципу вытеснения жидкости из цилиндров движущимся возвратно-поступательным плунжером или поршнем.

При движении поршня в цилиндре создается разряжение, в результате чего открывается всасывающий клапан, и жидкость по всасывающему трубопроводу поступает в цилиндр. При дальнейшем движении поршня давление в цилиндре повышается, при этом всасывающий клапан закрывается, нагнетательные открывается, и жидкость вытесняется поршнем из цилиндра в нагнетательные трубопровод.

Поршневые насосы могут быть вертикальными и горизонтальными.

Для поршневых насосов характерны периодичность циклов всасывания и нагнетания, что приводит к неравномерной подаче жидкости. С целью снижения неравномерности подачи применяют насосы многократного действия. В насосе двойного действия два всасывающих клапана и два нагнетательных. Подача насосов двойного действия примерно вдвое больше подачи насоса однократного действия тех же размеров. При этом равномерность подачи выше.

Наибольшую равномерность подачи обеспечивают насосы тройного действия. За один оборот кривошипа трижды происходит нагнетание и трижды всасывание

№25 Центробежные насосы

Насос – гидравлическая машина, которая преобразует механическую энергию электродвигателя в энергию перемещаемой жидкости.

По принципу действия насосы делят на:

Динамические – (лопастные, центробежные)- воздействие рабочего органа осуществляется на не замкнутый объём жидкости, т.е. области всасывания и нагнетания не разобщены в пространстве;

Объёмные (поршневые) – воздействие рабочего органа осуществляется на замкнутый объём жидкости, т.е. области всасывания и нагнетания разобщены в пространстве.

Работа ц/б насосов основана на преобразовании кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. В таких насосах всасывание и нагнетание жидкости происходят под действием ц/б силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками в спиралевидном корпусе насоса. Лопатки образуют каналы для прохода жидкости.

Жидкость из всасывающего трубопровода направляется вдоль оси рабочего колеса в корпус насоса. Рабочее колесо сообщает жидкости вращательное движение. Под действием ц/б силы жидкость поступает в канал переменного сечения м/у корпусом и рабочим колесом. В этом канале скорость жидкости падает до значения, равного скорости в нагнетательном трубопроводе. В результате понижения давления на входе в рабочее колесо жидкость непрерывно поступает в насос.

Различают одно- и многоступенчатые ц/б насосы.

Характеристики ц/б насосов. Для анализа работы насосов используют частную и универсальную характеристики.

Частная характеристика представляет собой зависимости напора Н, потребленной мощности N и КПД насоса от его подачи при постоянной частоте вращения.

Универсальная характеристика содержит сведения о пределах работы насоса, соответствующих максимальному значению КПД, и позволяет выбрать оптимальный режим работы насоса.

Преимуществами ц/б насосов являются равномерная подача, быстроходность, малые габариты, отсутствие клапанов, простота регулирования, возможность изготовления из пластмасс и установки на легких фундаментах.

К недостаткам следует отнести зависимость напора от подачи и КПД от режима работы насоса, снижение КПД с увеличением вязкости жидкости, а также низкий КПД для насосов с малой подачей.

Центробежные насосы применяют при больших значениях подачи и относительно небольших напорах.

№29 Нагревание, испарение, конденсация

Нагреванием называется процесс повышения температуры материала путем подвода к нему теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой промышленности являются:

1) нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температуре ниже 100⁰С. Для нагревания до температуры выше 100^оС используют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.

2)нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара; высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке; равномерностью обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося насыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителя передается через разделяющую их стенку.

При нагревании «острым» паром – водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость.

3) нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных печах, используется, например, для обогрева сушилок.

4) нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах прямого и косвенного действия.

В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока. Достоинства: непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле; равномерный, быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры; простота регулирования процесса.

В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам.

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение происходит при кипячении. Испарение в пищевой технологии используют для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, для разделения смесей. Испарение происходит в испарителях.

Конденсация – переход вещества их пара- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация происходит в конденсаторах.

Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом случае имеет место поверхностная конденсация, во втором – конденсация смешением.

№26 Фильтрование. Уравнение фильтрования. Устройство фильтров

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий, пылей и туманов через пористую, т.е. фильтровальную перегородку, способную пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в ней частицы. Фильтрование осуществляется под действием разности давлений или в поле ц/б сил.

В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы – песок, гравий для фильтрования воды, различные ткани, картон, сетки, пористые полимерные материалы, керамику и т.д.

По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым.

При разделении суспензий в зависимости от вида фильтровальной перегородки и свойств самой суспензии фильтрование может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки, с закупориванием пор фильтрующей перегородки и с тем и с другим явлениями одновременно (промежуточный вид фильтрования)

Фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки имеет место, когда диаметр твердых частиц больше диаметра пор перегородки.

Фильтрованием с закупориванием пор происходит, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки.

Промежуточный вид фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка на поверхности фильтрующей перегородки.

Для повышения скорости фильтрования при разделении суспензий фильтрование проводят в присутствии вспомогательных веществ, препятствующих закупориванию пор фильтровальной перегородки.

Слой вспомогательного вещества наносят на фильтровальную перегородку перед фильтрованием суспензии. В качестве вспомогательных веществ используют тонкодисперсные угли, перлит, асбест, кизельгур, аксанит и др.

Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки либо центробежная сила. Разность давлений можно получить разными способами: созданием избыточного давления над фильтровальной перегородкой либо подсоединением пространства под фильтровальной перегородкой к вакуумной линии. Процесс описывается кинетическим уравнением

где V – объем фильтрата м³, F – площадь поверхности фильтрования м², τ - продолжительность фильтрования с, Δр – перепад давлений Н/м², μ – вязкость жидкой фазы Н·с/м², R_о, R_ф.п. – сопротивление осадка и фильтровальной перегородки м^-1

По способу создания перепада давления на фильтровальной перегородке фильтровальное оборудование подразделяется – на работающее под вакуумом или под избыточным давлением; в зависимости от организации процесса – на оборудование непрерывного и периодического действия. В зависимости от способа создания перепада давления фильтровальное оборудование может быть разделено на фильтры и центрифуги. Наиболее часто используется - рамный фильтр-пресс для осветления вин, молока и пива. Фильтрующий блок состоит из чередующихся рам и плит с зажатой м/у ними фильтровальной тканью или картоном. Рамы и плиты закрепляются на валу и плотно сжимаются зажимным винтом. Фильтр монтируют на металлической станине.

Каждая рама и плита имеют каналы для ввода суспензии и промывной жидкости.

При фильтровании суспензия под давлением подается через каналы в рамах и плитах и распределяется по всем рамам. Фильтрат стекает по дренажным и сборным каналам в плитах и удаляется через отводные каналы. Осадок откладывается внутри рамы на фильтровальном материале.

Основной недостаток – трудоемкость выгрузки осадка и замены фильтровальной перегородки. Для выгрузки осадка необходимы разборка вручную фильтровального блока и промывка плит и рам.

Барабанные вакуум-фильтры представляет собой вращающийся перфорированный барабан, закреплённый на валу и опущенный в ёмкость, в которую постоянно подаётся суспензия. На барабан натянута фильтровальная ткань, на которой образуется осадок, периодически удаляемый ножом. При вращении барабана он поочерёдно проходит зоны фильтрования, промывки осадка, продувки и просушки осадка.

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного действия разделяются по расположению вала на вертикальные и горизонтальные, по способу выгрузки осадка – на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтровальной тканью.

В фильтрующей центрифуге периодического действия суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием ц/б силы отбрасывается к внутренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку.

№27 Разделение неоднородных газовых систем. Сравнительная характеристика и выбор газоочистительной аппаратуры

Очистку газов от взвешенных твердых или жидких частиц проводят с целью уменьшения загрязнения атмосферы и улавливания из отходящих газов ценных продуктов.

Гравитационная очистка газов. Для разделения пылей (грубой очистки) предназначены аппараты непрерывного и полунепрерывного действия, основным из которых является пылеосадительная камера.

Представляет собой прямоугольный аппарат с расположенными внутри горизонтальными полками. Газ поступает через регулируемый шибер и распределяется между горизонтальными полками.

Пыль, осевшая на полках, периодически удаляется. В камере имеются два отделения работающих попеременно, что обеспечивает непрерывность работы.

Камеры используют для грубой предварительной очистки газов. Степень очистки невелика – 30…40%.

Циклоны позволяют разделять пыли в поле ц/б сил. Сущность циклонного процесса заключается в следующем: газовый поток со взвешенными частицами вводится в аппарат через входную трубу со скоростью 10-40 м/с. Благодаря тангенциальному входу и наличию центральной выводной трубы поток начинает вращаться вокруг последней совершая несколько витков при прохождении через аппарат. При этом взвешенные частицы под действием ц/б силы отбрасываются к стенкам аппарата и оседают. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится через выходную трубу.

Мокрая очистка газов. Применяют тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение газа, а взвешенные частицы имеют незначительную ценность. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров способствует увеличению плотности взвешенных частиц.

Если взвешенные частицы не смачиваются жидкостью, то очистка газов в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В этом случае для повышения степени очистки к жидкости добавляют ПАВ.

Степень очистки газов от пыли в мокрых пылеуловителях колеблется в зависимости от конструкции от 60 до 85 %.

Недостаток мокрой очистки – образование сточных вод, которые также должны очищаться.

Скрубберы, полые или насадочные, являются простейшими мокрыми пылеулавливателями для очистки и охлаждения газов. Запыленный газ подается в нижнюю часть скруббера и двигается противотоком к жидкости, подаваемой через разбрызгиватель или форсунки со скоростью около 1 м/с. Степень очистки достигает 75…85%. В качестве насадка используют хордовые или кольцевые элементы.

Фильтрование газов через пористые перегородки.

В зависимости от вида фильтровальной перегородки фильтры бывают с мягкими, полужесткими и жесткими пористыми перегородками.

Фильтры с мягкими фильтровальными перегородками – рукавные, или мешочные фильтры, широко применяются для очистки газов от пыли.

Рукава и мешки подвешивают в прямоугольном корпусе к общей раме. Запыленный газ поступает снизу внутрь рукавов в открытые торцевые отверстия. Проходя через боковые цилиндрические поверхности рукавов, газ фильтруется, а пыль оседает на внутренней поверхности рукавов.

В процессе эксплуатации слой пыли растет и сопротивление фильтра увеличивается. Для регенерации фильтра рукава или мешки периодически встряхивают специальным механизмом вмонтированным на крышке. Осевшая пыль выгружается шнеком.

В ряде случаев используют секционные фильтры. Каждая секция в таком фильтре имеет свой встряхивающий механизм, что позволяет последовательно проводить регенерацию фильтрующих элементов без отключения всего фильтра.

№28 Перемешивание в жидких средах

Перемешивание в жидкой среде используют для получения суспензий и эмульсий. При смешивании пластичных и сыпучих материалов ставится задача получения однородной массы.

Для перемешивания жидких сред используют несколько способов:

1) пневматическое перемешивание осуществляют с помощью сжатого газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости через барботер.

2) циркуляционное перемешивание осуществляется при помощи насоса перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеситель – насос - смеситель.

3) статическое перемешивание жидкостей невысокой вязкости, а также газа с жидкостью осуществляется в статических смесителях за счет кинетической энергии жидкостей и газов.

4) механическое перемешивание осуществляются с помощью различных мешалок, которые представляют собой комбинацию лопастей насаженных на вращающийся вал.

Все перемешивающие устройства можно разделить на две группы:

1) лопастные, турбинные, пропеллерные мешалки;

2) специальные – винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые и другие, служащие для перемешивания пластичных и сыпучих масс.

По частоте вращения рабочего органа мешалки делятся на тихо- и быстроходные.Лопастные, ленточные, якорные и шнековые мешалки относятся к тихоходным.

Преимущества лопастных мешалок – простота устройства и невысокая стоимость. К недостаткам – создаваемый слабый осевой поток жидкости, что не обеспечивает полного перемешивания во всем объеме смесителя.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата. Их применяют для перемешивания вязких сред. Эти мешалки при перемешивании очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязнений.

Шнековые мешалки имеют форму винта и применяются для перемешивания вязких сред.

К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешалки. Пропеллерные мешалки изготавливают с двумя или тремя пропеллерами. Они обладают насосным эффектом и используются для интенсивной циркуляции жидкости. Турбинные мешалки изготавливают по форме колес турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопастями. Они бывают открытого и закрытого типов. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем рабочем объеме смесителя. Используются для перемешивания грубых суспензий.

При вращении мешалки в ёмкости образуется центральная воронка, которая в пределе может доходить до дна ёмкости, вызывая выброс содержимого. Для устранения эффекта центральной воронки ставят 4 – 6 отражательных перегородок или вводят коэффициент заполнения ёмкости = 0,8.

№30 Устройство теплообменной аппаратуры. Подбор теплообменников

Теплообменные аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называют теплообменниками.

По принципу действия теплообменники делятся на поверхностные, регенеративные и смесительные

В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой.

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном воздействии теплоносителей.

Поверхностные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашкой.

Кожухотрубчатые теплообменники наиболее распространены в пищевых производствах.

Размешают греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматный порядок), по сторонам и вершинам квадратов (коридорный порядок) и по концентрическим окружностям. Для ввода и вывода теплоносителей имеются на корпусе и в днище трубки. Один поток теплоносителя – жидкость, направляется в трубное пространство, другой поток теплоносителя – пар, вводится в межтрубное пространство, омывает снаружи трубы и выводится из корпуса аппарата.

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубчатых теплообменниках пучок труб секционируют, т.е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее термическое сопротивление.

Преимущества кожухотрубчатых теплообменников – компактность, невысокий расход материала, легкость очистки труб изнутри (кроме U-образного).

Недостатки – сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, трудность очистки межтрубного пространства, сложность изготовления из материалов не поддающихся сварке и развальцовке.

Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большого диаметра и расположенных внутри них труб меньшего диаметра.

В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве.

Преимущества: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки: громоздкость, высокая металлоемкость, трудность очистки межтрубного пространства.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой. Теплоноситель движется внутри змеевика.

Преимущества – простота изготовления. В то же время они громоздки и трудно поддаются очистке.

Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров.

Состоят они из нескольких расположенных одна над другой труб соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Подбор теплообменников. При выборе конструкции теплообменного аппарата следует исходить из следующего: аппарат должен соответствовать технологическому процессу, быть эффективным (производительным), экономичным и надежным в работе, иметь низкую металлоемкость, материал теплообменника должен быть коррозиестойким в рабочих средах. Высокие значения коэффициентов теплопередачи достигаются, когда теплоносители движутся через теплообменник с большими скоростями.

При решении вопроса о том, какой из теплоносителей пропускать по трубам, какой по межтрубному пространству, надо придерживаться следующих правил:

для достижения большего коэффициента теплопередачи теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи следует пропускать по трубам.

теплоноситель, оказывающий коррозионное действие на аппаратуру, целесообразно пропускать по трубам, т.к. в этом случае применение антикоррозионного материала необходимо только для труб, решеток и камер,

для уменьшения потерь теплоты теплоноситель с высокой температурой целесообразно пропускать по трубам.

теплоноситель, из которого выделяются осадки, рекомендуется пропускать с той стороны поверхности теплообмена, которую легче очищать.

теплоноситель с высоким давлением следует направлять в трубное пространство, что бы корпус теплообменника на находился под давлением.

Конструкцию теплообменника выбирают на основании технико-экономического расчета. При этом сопоставляют капитальные затраты на изготовление и годовые эксплуатационные расходы. Когда проектируют теплообменник для технологического процесса, задача расчета заключается в определении площади его теплообменной поверхности и габаритных размеров аппарата. Расчет начинают с составления теплового баланса теплообменника, из которого определяют количество переданной теплоты.