Расчет основных технологических параметров горизонтальной осадительной центрифуги, применяемой для разделения картофельной кашки



МИНОБРНАУКИ РФ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

 

Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств

С.Ю. СОЛОВЫХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

по дисциплине

«Процессы и аппараты пищевых производств»

 

 

Оренбург 2016

 

УДК

ББК

          

 

 

      Рецензент

      доктор технических наук, доцент П.В. Медведев

 

 

      Соловых С.Ю. Методические указания к контрольной работе по дисциплине «процессы и аппараты пищевых производств» [Текст]:      / С.Ю. Соловых - Оренбург: ОГУ, 2016 – 36 с. 

           

           

Методические указания предназначены для самостоятельного выполнения контрольной работы и проведения практических занятий по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов направлений бакалавриата 19.03.02, 19.03.03, 19.03.04.

 

 

 

                                                                                    

 

                                                                                                  ББК

 

                                                                           © Соловых С.Ю., 2016

                                                                           © ОГУ, 2016

Раздел 1 - Гидромеханические процессы

 

Теоретические основы процессов разделения неоднородных систем под действием центробежной силы

Гидромеханические процессы – процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Примером этих процессов могут служить процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, процесс псевдоожижения зернистого материала.

Гидромеханические процессы часто связаны либо с созданием, либо с разделением неоднородных систем.

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, как минимум, из двух фаз: дисперсной (внутренней), обычно находящейся в тонкораздробленном состоянии, и дисперсионной (внешней), окружающей частицы дисперсной фазы.

Различают следующие неоднородные систем.

Суспензиисостоят из жидкой дисперсионной и твердой дисперсной фаз. В зависимости от размера взвешенных твердых частиц суспензии делятся на грубые с частицами размером >100 мкм; тонкие, когда размеры твердых частиц составляют 0,1. ..100 мкм, и коллоидные растворы, содержащие твердые частицы размерами <0,1 мкм.

Эмульсиисостоят из двух жидких фаз, не растворяющихся одна в другой: дисперсионной и дисперсной. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в значительных пределах. Под действием гравитационной силы эмульсии обычно расслаиваются, однако тонкие эмульсии с размером капель дисперсной фазы менее 0,4...0,5 мкм, а также содержащие стабилизаторы, становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение продолжительного времени.

С увеличением концентрации дисперсной фазы может возникнуть состояние, когда дисперсная фаза обращается в дисперсионную и наоборот. Такой взаимный переход называется инверсией фаз.

Пенысостоят из жидкой дисперсионной и газовой дисперсной фаз. По своим свойствам пены близки к эмульсиям.

Пыли и дымысостоят из газовой дисперсионной и твердой дисперсной фаз. Образуются пыли обычно при дроблении, смешивании, транспортировке твердых материалов. Размеры твердых частиц составляют от 3 до 70 мкм. Дымы образуются при горении. Размер твердых частиц в дымах составляет 0,3... 5 мкм.

Туманысостоят из газовой дисперсионной и жидкой дисперсной фаз. Туманы образуются при конденсации паров. Размер жидких капель в тумане 0,3...3 мкм. Пыли, туманы и дымы представляют собой аэрозоли.

Основные методы разделения неоднородных систем в пищевой промышленности осаждение, фильтрование.

Осаждение— процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем под действием гравитационных сил, сил инерции (центробежной силы) или сил электрического поля. Соответственно различают гравитационное отстаивание, циклонное и отстойное центрифугирование, электроочистку.

Фильтрование— процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем с использованием пористой перегородки, способной пропускать жидкость и газ, но задерживающей взвешенные частицы. Фильтрование осуществляется под действием сил давления или центробежных сил. Соответственно различают просто фильтрование и центробежное фильтрование. Фильтрование более эффективно для разделения суспензий, эмульсий и пыли, чем осаждение.

Для интенсификации процессов разделения неоднородных систем, таких как суспензий или эмульсий, используют действия центробежной силы. С целью создания поля центробежных сил применяют два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате, и этот процесс называется циклонным, а аппарат – циклоном; или поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним, тогда процесс называется центрифугированием, а аппарат – центрифугой.

Во вращающемся потоке на твердую частицу, находящуюся во взвешенном состоянии, действует центробежная сила. Под действием центробежной силы частица движется от центра к стенке аппарата по принципу отстаивания, однако, действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. В общем случае величина центробежной силы выражается равенством

 

                          ,                                    (1.1)

 

где - масса вращающегося тела, кг;

   - окружная скорость вращения, м/с;

   - радиус вращения, м.

  Окружная скорость вращения определяется равенством

 

                              ,                                        (1.2)

 

где:  - угловая скорость вращения, рад/с;

  - число оборотов в минуту, мин-1.

В гравитационных отстойниках на частицу действует сила тяжести

 

                                 .                                    (1.3)

 

Сравнив эффективность разделения неоднородных систем под действием силы тяжести и центробежной силы из сопоставления уравнения (1.1) и (1.3), получим

                                 .                         (1.4)

 

Таким образом, центробежная сила больше силы тяжести в  раз.

Величина  носит название фактора разделения. Эффективность разделения в поле центробежных сил повышается с увеличением вращения ротора центрифуги и уменьшением его диаметра. Выражая окружную скорость вращения через частоту вращения, получаем

   

                                      .                                      (1.5)

 

Скорость центробежного осаждения  частицы при ламинарном движении, когда критерий Рейнольдса , определяется из уравнения Стокса

 

                            ,                         (1.6)

 

где d – диаметр частицы, м;

  ρЧ – плотность частицы, кг/м3;

  ρс – плотность жидкости, кг/м3;

  ω – угловая скорость вращения барабана, рад/с;

  r – радиус вращения, м;

  μ – динамический коэффициент вязкости, Па .с.

Производительность центрифуг на практике ниже, чем полученная расчетным путем, по следующим причинам:

- производительность центрифуг снижается из-за отставания скорости вращения частиц жидкости от скорости вращения ротора центрифуги;

- из-за неравномерного течения жидкости вдоль ротора осадившиеся частицы смываются с его стенок;

- из-за образовавшихся вихревых потоков взмучиваются частицы.

Снижение действительной производительности по сравнению с расчетной учитывает коэффициент эффективности

 

                                    ,                                               (1.7)

 

где  - действительная производительность, м3/с;

   - расчетная производительность, м3/с.

Коэффициент эффективности для каждой конкретной конструкции центрифуг определяется экспериментальным путем.

 

 

Расчет основных технологических параметров горизонтальной осадительной центрифуги, применяемой для разделения картофельной кашки

 

 

Картофельная кашка, полученная после протирочной машины, представляет собой неоднородную систему – суспензию.

Задача: Определить объемную производительность V (в м3/с) и мощность электродвигателя NДВ (в кВт) горизонтальной отстойной центрифуги периодического действия при её работе на картофельной суспензии по следующим данным:

Наружный диаметр барабана – DН, м;

Внутренний диаметр барабана – DВН, м;

Длина барабана – L, м;

Масса барабана – mБ, кг;

Масса суспензии, загруженной в барабан – mС, кг;

Продолжительность разгона барабана – τР, с;

Диаметр шейки вала – dШ;

Плотность частиц суспензии – ρЧ, кг/м3;

Плотность среды – ρЖ, кг/м3;

Наименьший диаметр частицы – d, мкм;

Частота вращения барабана – n, об/мин.

Выбор варианта: Студенты выбирают свой индивидуальный вариант задачи в приложении Ж, исходя из последних двух цифр номера зачетной книжки.

Методика решения.

1. Определяем угловую скорость вращения барабана (в рад/с)

 

;                                         (1.8)

 

2. Скорость центробежного осаждения частицы  (в м/с) при ламинарном движении Re<0,2 определяется из уравнения Стокса

 

;                            (1.9)

3. Проверяем режим осаждения

 

;                                   (1.10)

 

4. Определяем внутренний радиус кольца R0 (в м)

 

;                           (1.11)

 

5. Площадь поверхности суспензии в барабане F (в м2) рассчитывается по уравнению

 

;                                 (1.12)

 

6. Производительность отстойных центрифуг V (в м3/с) описывается формулой

 

,                              (1.13)

 

где η – коэффициент, учитывающий отношение действительной производительности к теоретической (η = 0,4 ¸ 0,5)     

7. Общую мощность, необходимую для работы центрифуги находят так

 

,                       (1.14)

 

где N1 – мощность, необходимая для разгона барабана

N2 – мощность, потраченная на сообщение кинетической энергии утфелю,

N3 – мощность, необходимая для преодоления силы трения в подшипниках,

N4 – мощность на преодоление трения барабана о воздух.

8. Мощность, необходимая для разгона барабана, N1 (в кВт) рассчитывается по формуле

 

;                                          (1.15)

 

9. Мощность, потраченная на сообщение кинетической энергии утфелю, N2 (в кВт) вычисляется по формуле

 

,                          (1.16)

 

где k – коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление при перемешивании суспензии в барабане (k = 0,8).  

10. Мощность, необходимая для преодоления силы трения в подшипниках, N3 (в кВт) рассчитывается по формуле

 

,                              (1.17)

 

где Р – динамическая нагрузка на подшипники.  

11.  Динамическая нагрузка на подшипники Р (в Н) будет равна

                            

,                          (1.18)

 

где m – масса барабана с суспензией (m = mБ + mС), кг;

ƒ – коэффициент трения, равный 0,01;

KЦ – фактор разделения в барабане центрифуги.

12.  Фактор разделения KЦ равен

 

;                                     (1.19)

 

13.  Мощность на преодоление трения барабана о воздух N4 (в кВт) вычисляется по формуле

 

;                          (1.20)

 

14. С учетом запаса мощности в период пуска, равного 20%, и КПД, необходимая мощность электродвигателя для центрифуги будет равна

 

.                                         (1.21)


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 258;