Реодинамика пищевых масс

Одним из важных направлений технического прогресса в различных отраслях (мясная, молочная, рыбная) агропромышленного комплекса является совершенствование существующих и создание новых механизированных и поточно-автоматизированных линий на основе использования новейших достижений науки и техники. Внедрение линий обеспечивает значительный рост производительности труда, улучшение санитарно-гигиенических условий производства, повышение качества готовой продукции.

Создание автоматизированных технологических линий невозможно без использования средств межоперационного транспорта и транспортных систем по перемещению структурированных жидкообразных и твердообразных (вязкопластичных) продуктов.

Наиболее рациональным видом транспорта является трубопроводный. Стоимость трубопроводного транспорта в несколько раз дешевле остальных видов транспорта (например, транспортировка фарша по трубам в пять раз дешевле транспортировки его с помощью тележек, исключение составляют спуски, но для них необходима вертикальная поточность технологического процесса). В ряде случаев (например, при транспортировке жидкообразных продуктов на большие расстояния) трубопроводный транспорт — единственно возможный. Закрытая система трубопроводного транспорта обеспечивает высокое санитарно- гигиеническое состояние производства, высокое качество продукта.

На проектируемых и многих действующих предприятиях, перерабатывающих биотехнологическое сырье, переходят к трубопроводному транспорту. При внедрении такой системы транспортировки у проектировщиков и работников промышленности встречаются затруднения, связанные с расчетом трубопроводов и выбором насосов.

Устройство напорного трубопроводного транспорта конструируют на основе данных гидравлического или реологического расчета, устройства безнапорного транспорта — на основе эмпирических сведений, полученных при эксплуатации подобных систем.

Если расчетный аппарат по теории жидкообразного потока в настоящее время имеет практически законченную форму, то теоретические разработки по движению пластично-вязких систем менее универсальны. Для расчета течения «твердообразного» потока (мясной фарш, жиры при температуре, близкой к застыванию) имеются уравнения, полученные на основе экспериментальных данных и теории подобия. Некоторые расчетные уравнения можно применять только в определенных пределах изменения переменных.

При транспортировке биотехнологического сырья и продуктов важным вопросом является расчет и выбор побудителя движения — насоса. Для работы на заданную трубопроводную сеть с большой долей надежности можно выбрать на­сосы, применяющиеся для перемещения маловязких структурированных жидкостей (расплавленный жир, бульон, кровь, рассол), так как теория лопастных и объемных насосов, использующихся для этих целей, разработана достаточно подробно. Для перекачки пластично-вязких сред вопросы расчета и выбора насосов в общем виде не решены, имеются лишь частные теоретические разработки по некоторым насосам или видам перемещаемого продукта. При конструировании этих насосов надо учитывать особенности свойств перемещаемой среды и в первую очередь наличие предельного напряжения сдвига. Это свойство продукта может обусловливать сводообразование перед рабочим органом, что является причиной уменьшения подачи продукта. Поэтому поступление продукта в насос должно быть принудительным или продукт через широкое окно должен поступать непосредственно на рабочие органы насоса под действием силы тяжести. Вместо этих способов или в дополнение к ним часто применяют разрежение в начале рабочей зоны насоса. Для перекачки пластично- вязких тел предложены различные конструкции насосов, которые в том или ином сочетании в качестве рабочих органов используют эксцентричный ротор с лопатками, винт, кулачок и пр.

Течение по трубам реологически сложных дисперсных систем, к которым относятся структурированные жидкости и системы, а также пластично-вязкие

продукты, происходит при условии создания в продукте давлений, достаточных для преодоления внутренних и внешних сопротивлений.

В основе гидравлических расчетов трубопроводов лежат уравнения напряжений и деформаций, связывающие между собой приложенные извне давления с реологическими характеристиками продуктов, кинематическими и геометрическими факторами.

Общими для гидродинамики пластично-вязких масс являются уравнения расхода (подачи), полученные из условия неразрывности:

V_C = V/t;

Mc = pV;

Gc = p-g-Vc,

где Vc Мс, Gc — соответственно объемный [м³/с], массовый [кг/с] и весовой [Н/с] секундный расход; V— объем продукта [м³], перемещаемый через живое сечение потока за

время t [с]; p — плотность продукта, кг/м³; g — ускорение свободного падения (= 9,8 м/с²).

Объемный расход связан с геометрическими размерами трубопровода и кинематикой течения продукта в нем:

w -p-d²

где w — средняя скорость продукта, м/с; d — внутренний диаметр, м.

Продукт считают сплошной, неразрывной средой с непрерывным распределением физических свойств, деформаций и скоростей деформаций, что позволяет использовать аппарат математического анализа, приложенного к непрерывным функциям. При расчете трубопроводного транспорта определяющую роль играют три группы факторов:

• геометрические — площадь живого сечения (диаметр); кинематические — средняя скорость потока или объемный расход; динамические — сопротивление в начале трубы или потери давления вдоль трубы.

К динамическим факторам относятся также реологические характеристики и плотность, которые должны быть известны для каждого продукта.

В общем случае состояние системы описывается пятью дифференциальными уравнениями: неразрывности, движения, диффузии (массопереноса), теплопроводности, состояния.

В соответствии с этим, на практике имеют место три случая расчета трубопроводов, когда определяют одну неизвестную величину, если две остальные известны. По степени сложности расчетов определяемыми величинами будут:

• первый случай — давление в начале трубы (потери давления или напора

вдоль трубы),

• второй — расход жидкости (подача) или средняя скорость продукта,

• третий — диаметр трубы (площадь живого сечения).

В первом и во втором случаях диаметр можно определить из условий оптимальности по стоимостным показателям.

Условно можно выделить четвертый случай, когда при известных трех факторах определяют реологические характеристики.

Существенное значение в выборе метода расчета имеет режим движения продукта по трубе, оцениваемый критерием (числом) Рейнольдса ^е). Он представляет собой безразмерное числовое значение, пропорциональное отношению кинетической энергии потока к работе сил вязкого сопротивления:

w - d - р 4 - V_c - р

Re _----------- — _------- ,

m p-m-d

где d — диаметр трубы, м;

р — плотность жидкости, кг/м³;

Ус — секундный расход, м³/с;

m — динамический коэффициент вязкости, Па-с.

Твердообразные, пластично-вязкие системы имеют структурный режим движения, при котором скорость в тонком слое около стенки (градиентный слой) резко возрастает, в следующем промежуточном слое увеличивается незначительно, а центральная часть потока (ядро) движется, испытывая незначительные деформации за счет ползучести или пластичности продукта. Движение «степенных» жидкостей аналогично, но в ядре потока, в зависимости от индекса течения в большей или меньшей мере, существует градиент скорости.

Структурированные жидкообразные продукты могут иметь ламинарный или турбулентный режим движения, что определяется величиной критерия Рейнольдса. При ламинарном режиме (Re < 2320) жидкость движется в виде слоев, не перемешивающихся друг с другом. Однако для структурированных мясопродуктов (бульон, расплавленный жир и др.) ламинарный режим имеет место при Re < 1400. При турбулентном режиме происходит интенсивное внутреннее перемешивание жидкости. У стенки сохраняется ламинарный слой, толщина которого с увеличением критерия Рейнольдса или скорости потока при

прочих равных условиях уменьшается. Если толщина этого слоя больше высоты выступов шероховатости материала стенки, то трубы считаются гидравлически гладкими, в противном случае — шероховатыми.

Традиционная теория реодинамики, кроме гипотез сплошности и непрерывности, использует следующие допущения и ограничения:

• скорость жидкости на стенке принимается равной нулю; продукт считается несжимаемым;

реологические характеристики неизменны по длине трубы и не зависят от времени (т. е. на течение не оказывают влияния процессы тиксотропии, реопексии и релаксации).

Однако отмечены случаи проскальзывания продукта относительно стенки, т. е. скорость на стенке не равна нулю. Теория предусматривает, например, для степенных жидкостей при индексе течения, равном нулю, «стержневой» режим движения, при котором вся масса перемещается как твердый стержень и скорость на стенке равна среднеобъемной скорости потока, а градиент скорости на стенке стремится к бесконечности.

В последние годы в связи с требованиями практики и для получения более точных данных пытаются учитывать изменения реологических характеристик (вязкости, плотности и др.) по длине трубы и по времени, рассматривая отклонение их величин последовательно по отдельным участкам длины трубы. Особую роль при этом играет непостоянство градиента давления по длине трубы для некоторых сжимаемых пластично-вязких продуктов.

Теория реодинамики для различных по своей текучести систем рассматривает равномерное (силы инерции равны нулю), прямолинейное (центробежные силы равны нулю) движение в горизонтальной трубе. Если рассмотреть условия движения цилиндрического элемента жидкости радиусом R и длиной l, то получим следующее равенство:

p ■ к-R² = 2 • к-R ■ l ■ 0, где в левой части находится разность сил давления, приложенных к торцам элемента, а в правой части - силы вязкого сопротивления, возникающие на боковой поверхности цилиндра. Здесь 0 - касательное напряжение, создаваемое в продукте силой вязкого сопротивления.

В результате преобразования данного уравнения получаем уравнение Пуазейля, решённое относительно величины касательного напряжения:

₀ _ 4 ■ Vc m _ 32■ Vc m ^c к■ R к■ d³ '

Данное уравнение представляет собой основной теоретический закон ламинарного движения ньютоновской жидкости. Однако его используют и для неньютоновских систем, заменяя понятие «вязкость» на «эффективную вязкость».

С учётом равенства, приведённого выше, можно определить вязкость жидкости:

p • p • d⁴

m = —------ т.

128 •V • l

Характер распределения скоростей и деформаций по поперечному сечению потока, наряду с величинами реологических характеристик и типом структуры, обуславливает выбор расчётной формулы для определения потерь давления.

Традиционно исследователи пытались представить течение пластично- вязкого тела в виде структурного режима, при котором центральная часть потока (ядро) движется как твёрдый стержень с максимальной скоростью, испытывая незначительные деформации. Максимально возможные деформации в ядре возникают в момент начала движения. В следующем цилиндрическом (промежуточном) слое скорость уменьшается несколько быстрее, чем в ядре. В пристенном слое скорость достигает нулевого значения, т. е. тончайший слой продукта прилипает к стенке трубы вследствие адгезии. Такой механизм движения может вызвать перемещение к стенке мельчайших частиц третьей фазы; особенно заметное, если они обладают пониженной когезионной способностью к двум другим фазам и повышенной адгезионной способностью к материалу стенки трубы.

Структурный режим может быть осложнён проскальзыванием продукта относительно стенки, что наблюдается у пластичных, высококонцентрированных грубодисперсных систем: например, при движении обезжиренного творога или измельчённого мяса со средним размером частиц 3 мм и более при малом содержании жировых частиц.

Потери давления при движении по трубе пластично-вязкого продукта можно представить общей функциональной зависимостью:

p = f(l, d, Л, 0о, m Р, w), т. е. число переменных N=8.

В системе СИ имеются три основных единицы измерения: длина - метр (геометрический фактор), масса - килограмм (динамический фактор), время - секунда (кинематический фактор). Для каждой единицы размерности выбирается соответствующая физическая величина в качестве носителя размерности.

К носителям размерности предъявляются следующие требования: им может быть характерная для процесса определяющая величина, стоящая под знаком функции, но не определяемая, расположенная в левой части зависимости. Выбор носителя размерности имеет эвристический характер, и после получения критериальной зависимости она нуждается в экспериментальной проверке.

В представленной зависимости к геометрическим факторам относятся длина l, диаметр d, высота выступов шероховатости А. Потери давления прямо пропорциональны длине, высота выступов при движении пластично-вязких мясных и молочных продуктов по гладким трубам не влияет на процесс - поэтому определяющей величиной принимаем диаметр трубопровода.

К динамическим факторам относятся потери давления, предельное напряжение сдвига, вязкость и плотность. Ввиду того, что степенные зависимости, выстроенные относительно вязкости или плотности малочувствительны к изменению определяющих переменных, в качестве носителя размерности выбираем такой динамический фактор, как предельное напряжение сдвига.

К кинематическим факторам относится среднеобъёмная скорость, которую принимаем в качестве носителя размерности времени.

Путём формирования критериев подобия и преобразования функциональных зависимостей в критериальные получают критериальные уравнения для расчёта трубопроводов при движении по ним пластично-вязких продуктов. В гидравлике ньютоновских или приближенных к ним по свойствам жидкостей используют формулы для воды.

Течение твердообразных пластично-вязких мясных, молочных и рыбных продуктов отличается от течения жидкообразных тем, что кинетическая энергия потока меньше по сравнению с аналогичным потоком жидкообразной системы, т. е. числа Рейнольдса, имеют небольшую величину. Это обусловлено высокой вязкостью и наличием предельного напряжения сдвига. Для описания энергетического баланса потока уравнение Бернулли оказывается неприменимым.

Общее давление робщ, необходимое для обеспечения перемещения твердообразного потока, расходуется на преодоление потерь по длине р, в местных сопротивлениях рм, инерционных рин, на сжатие продукт рсж, противодавления рп, а также на создание кинетической энергии ррк и давления, необходимого для подъема продукта, находящегося в трубе, на определенную высоту (геометрический напор):

Робщ = ±pg-h + р + Рм + Рин + Рсж + Рп + Ррк,

где р — плотность перекачиваемой массы, кг/м³;

h — высота нагнетания продукта, м (положительная величина — восходящий поток, отрицательная — нисходящий).

Первый член в уравнении (±p-g-h) обычно учитывают при перемещении ньютоновских и слабоструктурированных жидкостей. При движении пластично- вязких тел вследствие наличия распорных усилий геометрический напор может работать лишь частично.

Потери давления по длине трубы являются в большинстве случаев основным членом уравнения. Для расчета этой величины при движении различных продуктов предложено множество уравнений.

Потери давления в местных сопротивлениях можно вычислить сравнительно точно для течения ньютоновских и слабоструктурированных жидкостей. Для пластично-вязких систем методы расчета местных сопротивлений практически отсутствуют.

Инерционные потери давления обусловлены неравномерностью движения, т. е. они возникают при неустановившемся режиме движения, что, например, может происходить при подаче продукта поршневыми или кулачковыми насосами. Для ньютоновских жидкостей инерционный напор вычисляют по аналитическим уравнениям.

Пятый член уравнения рсж учитывает потери давления, возникающие вследствие сжатия продукта. При течении ньютоновских жидкостей, которые практически несжимаемы, эти потери не учитывают. Пластично-вязкие продукты сравнительно легко сжимаемы. Методы расчета течения сжимаемой пластично- вязкой системы разработаны, но на ЭВМ они реализуются по довольно сложным программам. Из тех слагаемых наиболее существенная величина — потери давления по длине потока, которые рассчитывают по аналитическим или эмпи­рическим расчетным уравнениям.

Шестой член уравнения рп показывает величину противодавления, если продукт вытекает не в атмосферу, а подается в какой-либо технологический аппарат. Например, фарш по трубопроводу поступает и формующую полость котлетного автомата, через которую проходят объемные дозаторы. Давление, необходимое для заполнения форм дозаторов, будет соответствовать величине против одавления.

Седьмой член уравнения ррк показывает величину давления, необходимую для создания кинетической энергии потока. В простейшем случае — это потери давления со струей, выходящего из трубы продукта. Этот член может иметь существенную величину при высокой (несколько метров в секунду) скорости истечения.

Вид расчетной формулы определяется дифференциальной и интегральной математической моделью, которая описывает течение и деформационное поведение данного продукта.

Течение по трубам жиросодержащих мясопродуктов, в частности

коллоидных фаршей, имеет особенность, которая заключается в

перераспределении химических компонентов по живому сечению потока. При испытаниях установок «насос - труба» получена картина распределения жировой фазы в потоке фарша, движущегося по трубопроводу. Установлено появление эффекта «осаливания» внутренних стенок трубопровода - что при длительной эксплуатации приводит к снижению подачи продукта и необходимости удаления жировой плёнки. Одним из методов, снижающих отрицательное влияние осаливания, является подогрев технологического трубопровода. Можно нагревать поверхность трубы либо поток продукта; однако во втором случае следует помнить о необходимости создания малых скоростей движения потока и соблюдения определённого температурного режима (35...40°С) во избежание закупоривания трубопровода и денатурации белковых компонентов системы.

Рассмотрим некоторые реодинамические машины и транспортные устройства для вязко-пластичных пищевых сред.

Рабочие органы большей части оборудования, предназначенные для обработки мясных, рыбных или молочных продуктов, а также вытеснители, создающие напор в перемещаемой среде, взаимодействуют с текучими продуктами и таким образом могут быть отнесены к группе гидравлических или, точнее, реодинамических машин. К группе гидравлических машин, служащие для создания напора с целью вытеснения и транспортирования мясных, рыбных и молочных продуктов по трубам также относят насосы и ряд других конструкций, которые используют в качестве шприцев или дозаторов.

Насос, предназначенный для перекачивания мясных и молочный пластично- вязких продуктов, должен удовлетворять всем санитарно-гигиеническим условиям пищевого производства и учитывать наличие в продукте предельного напряжения сдвига. Исходя из этого, к насосам предъявляют следующие требования:

• насос должен быть изготавливен из инертных к продуктам материалов;

• должен легко разбираться для мойки и стерилизации;

• должен иметь гладкие внутренние поверхности.

Вследствие сводообразования перед рабочим органом насоса продукт может зависать, что нарушает оптимальный режим работы и уменьшает подачу. С целью устранения зависания место входа продукта насоса должно иметь достаточный размер или должны быть установлены дополнительные питающие устройства, обеспечивающие принудительное поступление продукта к рабочим органам насоса. Установка таких устройств (шнеки, лопастные колеса и т. д.) не должна приводить к дополнительному перетиранию продукта.

Сопряжение рабочих органов с конструктивными деталями всасывающего патрубка должно быть герметичным и обеспечивать и поддерживать разряжение в зоне всасывания.

Путь продукта от зоны всасывания до камеры нагнетания должен быть минимальным при небольшой скорости перемещения продукта и неизменном его объеме. Соблюдение этого требования создает хорошие условия для исключения замятия и разрушения структуры продукта. Обратный перепуск (возврат продукта из камеры нагнетания в камеру всасывания — в зону низкого давления) должен быть минимальным. Возврат продукта происходит через узкие щели, образованные рабочим органом насоса и его корпусом или элементами самого рабочего органа. Перемещение через щели сопряжено с воздействием на продукт больших механических градиентов, что вызывает значительные структурные изменения вплоть до глубоких качественных перерождений продукта. Величина щели может увеличиться вследствие износа замыкающих поверхностей рабочего органа и корпуса.

Для уменьшения обратного перепуска насосы совершенствуют по направлениям: взаимозаменяемость отдельных элементов, применение износостойких материалов и обеспечение строгого контроля допусков при изготовлении и эксплуатации насоса.

Механическое воздействие на продукт рабочих органов ряда насосов приводит к разрушению его структурной сетки, уменьшению вязкости и предельного напряжения сдвига. После выхода продукта из насоса во время движения его по трубе, когда приложенные напряжения снижаются, структура восстанавливается и реологические характеристики принимают первоначальные значения. Следовательно, по длине трубопровода поток будет неоднородным. При высоких скоростях движения продукта по трубе (0,5...1,5 м/с) неоднородность проявиться не успевает, а при низких скоростях (менее 0,01 м/с) течение становится неустановившимся. Поэтому для получения равномерного, установившегося движения необходимо, чтобы касательные напряжения на продукт в насосе были меньше аналогичных напряжений в трубопроводе.

При этом следует иметь в виду, что применение повышенных скоростей движения продукта в трубе может привести к нежелательным явлениям. Например, транспортирование измельченного мясного шрота, фарша и других жирсодержащих мясных и молочных пластично-вязких продуктов с повышенными скоростями (выше 0,5 м/с) вызывает обильное выделение внутритканевого жира на стенках трубопровода, вследствие чего живое сечение трубопровода постоянно уменьшается вплоть до образования жировой пробки.

Одним из недостатков насосов объемного типа, используемых для пе­рекачки пластично-вязких мясных и молочных продуктов, является пульсация давления (неравномерность подачи), которая возникает при выдаче дозы продукта, находящегося между двумя пластинами (пластинчатый насос), во

впадине между кулачками (кулачковый насос) или зубьями (шестеренный, коловратный, шланговый насосы) и т. д. Пульсации могу: иногда стать причиной выхода из строя трубопровода, его разрыва.

Величина и характер пульсаций определяют выбор типа насоса для перекачки конкретного продукта в конкретном технологическом процессе. Помимо упомянутого, в основе выбора насоса лежат его геометрические, кинематические и динамические факторы, т. е. факторы, определяющие работу насоса в производственных условиях. Наиболее важными характеристиками насоса являются подача, создаваемый напор (давление), полезная мощность и КПД.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 764; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!