1.3 Анализ конструкций мешалок танков-охладителей молока
В процессе работы танка-охладителя с целью интенсификации охлаждения молока осуществляется его постоянное перемешивание мешалкой (рис. 1.11, поз. 2) а также циклическое перемешивание во время хранения с целью его равномерного охлаждения и исключения его расслаивания на молоко и сливки. Обычно в конструкциях танков-охладителей молока в зависимости от объема емкости применяются одна или несколько одноярусных двухлопастных мешалок [8].
Рисунок 1.11 Общее устройство горизонтального танка-охладителя молока: 1 – испаритель; 2 - лопастная мешалка для молока; 3 - ящик управления с автоматом промывки; 4 - лестница; 5 - отводящий патрубок к агрегату охлаждения; 6 - отдушина; 7 - мотор-редуктор; 8 - крышка люка горловины; 9 - днище; 10 - кран выгрузки молока; 11 - труба сливная; 12 - основание; 13 - распылительная головка; 14 - шток распылительной головки; 15 - емкость внутренняя; 16 - кожух наружный
Рабочая часть такой лопастной мешалки имеет очень простую конструкцию и зачастую представляет собой втулку с приваренными к ней или шарнирно закрепленными лопастями. На наш взгляд именно ввиду простоты такие мешалки нашли широкое применение в конструкции танков-охладителей молока. Недостатком мешалок такого типа является слабый осевой поток, не обеспечивающий полного перемешивания всего объема молока в емкости, ввиду чего сливки, как менее плотная фракция молока, поднимаются и скапливаются в верхних слоях молока [8].
Перемешивание жидких сред в пищевой промышленности осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение от электро- или пневмодвигателя. Получающая вращение от двигателя, мешалка, погруженная в жидкую среду, передает движение жидкости, что приводит к ее перемешиванию.
Классификацию мешалок можно произвести по нескольким характерным признакам [10,11]:
- по типу лопастей перемешивающего устройства (лопастные, складные, пропеллерные, конусные, турбинные, ленточные, рамные, якорные, комбинированные и др.) [10,11];
- по величине скорости вращения мешалки (тихоходные и быстроходные);
- по типу создаваемого потока жидкости (тангенциальный, радиальный, осевой и смешанный поток);
- по расположению в емкости (вертикальные, боковые, донные и погружные);
- по пипу привода (электродвигатель и пневмодвигатель);
Остановимся более подробно на классификации мешалок в зависимости от конструкции и конфигурации лопастей и рассмотрим их основные преимущества и недостатки.
Рисунок 1.15 Конструкции мешалок: а – лопастная; б – складная; в – пропеллерная; г – коническая; д – турбинная; е – ленточная; ж – рамная; з - якорная
Наиболее распространенными являются мешалки с лопастями, расположенными перпендикулярно оси вращения или под некоторым углом к плоскости вращения (рис. 1.12, а). Рабочая часть такой лопастной мешалки зачастую представляет собой втулку с приваренными к ней или шарнирно закрепленными лопастями, посаженную на вал. Недостатком лопастных мешалок является слабый осевой поток, не обеспечивающий полного перемешивания всего объема жидкости в сосуде [10,11].
Одной из разновидностью лопастных мешалок являются складные мешалки, применяемые обычно при перемешивании жидкости в емкости, диаметр горловины которой меньше диаметра мешалки, т.к. лопасти таких мешалок в покое находятся в сложенном положении и раскрываются только при вращении (рис. 1.12, б) [10,11].
Пропеллерные мешалки (рис. 1.12, в) можно также отнести к одной из разновидностей лопастных мешалок с лопатками, расположенными под углом к плоскости вращения. На некоторых пропеллерных мешалках рабочая часть выполнена в виде лопастей с меняющимся от 0° до 90° наклоном. Такие мешалки по сравнению с лопастными, более эффективно перемешивают жидкость, но в ограниченном объеме, ввиду чего применяются в основном для перемешивания жидких сред в емкостях небольшого объема [10,11].
Конические мешалки имеют рабочий орган, состоящий из закрепленных на штангах полых усеченных конусов (рис. 1.12, г). За счет вращения мешалки перемешиваемая среда зачерпывается широкой частью конуса и под действием центробежной силы выбрасывается через узкую ее часть, что создает бурный, беспорядочный поток жидкости. Интенсивного перемешивания можно добиться применением в конструкции мешалки нескольких конусов, расположенных на одной штанге [10,11].
Рабочая часть турбинной мешалки обычно представляет собой горизонтальный диск, по краям которого перпендикулярно или под некоторым углом к плоскости вращения приварены лопасти (рис. 1.12, д). Такие мешалки создают радиальный поток в перемешиваемой жидкости. Их отличает высокая интенсивность перемешивания жидких сред при наличии на внутренней поверхности емкости отражающих перегородок. Конструктивно данный тип мешалки гораздо сложнее чем лопастная [10,11].
Рабочая часть ленточных мешалок выполнена в виде разнонаправленных лент, закрепленных на радиальных скребках (рис. 1.12, е). Такие мешалки применяются для смешивания очень вязких жидкостей и однородных пастообразных материалов.
Рисунок 1.13 Классификация мешалок по конструктивным признакам
Рамные и якорные мешалки (рис. 1.12, ж, з) состоят из опорной втулки с двумя приваренными профилированными лопастями, повторяющими внутренний профиль емкости, ввиду чего более при малой рабочей частоте вращения интенсивно осуществляют перемешивание жидкости по всему объему емкости, при необходимости даже очищают стенки емкости от налипающего на них материала [10,11].
Анализ конструкций мешалок, применяемых в молочной промышленности, показал, что для интенсивного перемешивания молока и молочных продуктов помимо одноярусных двухлопастных лопастных применяются также и другие типы мешалок – двух- и многоярусные лопастные, пропеллерные, конические, рамные, турбинные и др. (рис. 1.14) [11].
Рисунок 1.14 Типы мешалок, применяемых в молочной промышленности: а – одноярусная двухлопастная; б – двухярусная двухлопастная со смещением лопастей; в – пропеллерная; г – коническая; д – рамная; е - турбинная
Лопастная мешалка по а.с. №1012961 (рис. 1.15) содержит вал 1 со ступицами 2 и закрепленными на них лопастями 3 с установленными на концах их рабочих граней направляющими потоков 4, выполненными в виде двускатных элементов треугольного сечения из двух криволинейных пластин 5, соединенных по одной стороне с образованием вершины 6, направленной к оси мешалки, при этом одно смежное вершине 6 ребро элемента 4 закреплено на поверхности лопасти 3, а на концах лопастей 3 выполнены вырезы, конгруэнтные прилегающим к ним поверхностям направляющих элементов 4. Лопасти 3 с направляющими потоков 4 и без них чередуются [12].
Рисунок 1.15 Лопастная мешалка по а.с. №1012961: 1 – вал; 2 – ступица; 3 – лопасть; 4 – направляющая; 5 – пластина криволинейная; 6 – вершина; 7 - вырез
Мешалка по пат. РФ №2578156 (рис. 1.16) содержит приводной вертикальный вал 1, ротор с радиальными спицами 2, на концах которых закреплены парами друг в друге внутренние 3 и внешние 4 конфузоры с входными расширяющимися отверстиями, обращенными в сторону вращения. Конфузоры соединены между собой ребрами продольными 5 [13].
Рисунок 1.16 Мешалка по пат. РФ №2578156: 1 – вал; 2 – спица; 3, 4 – конфузор; 5 - ребро
Мешалка работает следующим образом. При вращении ротора мешалки конфузоры 3, 4 подхватывают жидкость. На выходе из них скорость движения потоков жидкости многократно возрастает, и они ударяются между собой и о жидкость, находящуюся вне рабочего органа ротора. Совокупность таких воздействий на жидкость приводит к интенсивному перемешиванию с образованием гомогенной структуры.
Конструкция модернизированной мешалки танка-охладителя молока, предложенная студентом Белорусского государственного аграрно-технического университета представлена на рис. 1.17. Нижняя лопасть 2 установлена на валу 3 и выполнена в виде изогнутой лопатки, которая создает интенсивный поток в нижней части молочной емкости, где есть контакт с испарителем и самые низкие температуры.
Однако применение таких лопастей по всей длине мешалки привело бы к повышенному пенообразованию, поэтому в середине вала 3 установлена мешалка 1, выполненная в виде четырех трубчатых лопастей скрепленных между собой втулками, которая успокаивает течение молока и перемешивает по всему объему, а также уменьшает пенообразования в молочной емкости танка-охладителя [14].
Рисунок 1.17 Мешалка танка-охладителя молока многоуровневая комбинированная: 1 – лопасть верхняя; 2 – лопасть нижняя; 3 – вал
В результате реализации предложенного технического решения уменьшиться время охлаждения молока по всему объему резервуара охладителя, за счет организации большего количества потоков, которые из-за взаимопроникновения ускоряют процесс охлаждения, а следовательно, позволяют снизить затраты энергии на охлаждение молока и повысить его качество.