Технологическая линия производства мороженого

Рисунок 8- Фризер непрерывного действия

1 - аккумулятор; 2 - трубопровод жидкого аммиака; 3 - станина; 4 - кран выпускной; 5-цилиндр фризера; 6 - привод мешалки; 7 - бачок для смеси; 8 - насадка для наполнения гильз; 9 - трубопровод газообразного аммиака

На рисунке 9 показана технологическая схема фризера. Подготовленная для взбивания смесь мороженого из бака 1 подается в рабочий цилиндр фризера двухступенчатым насосом 9. В нем имеется штуцер, через который засасывается воздух в объеме, превышающем объем смеси продукта. Количество воздуха должно обеспечить степень взбитости мороженого 100%. Таким образом, в цилиндре 3 происходит термомеханическая обработка продукта: дробление воздушных пузырьков и равномерное распределение их в массе продукта, а также раздробление слоя льда, намерзающего на стенках цилиндра. На выходе готового мороженого из цилиндра установлен клапан противодавления 4. После клапана противодавления поток мороженого выходит из фризера через трехходовой кран.

Сжатый воздух проходит сначала через регулятор давления, а затем через фильтр-конденсатоотводчик для очистки его от пыли и капель влаги. Проходя через следующий регулятор давления (давление снижается до 0,4 МПа), сжатый воздух поступает в стабилизаторы давления, предназначенные для регулирования степени взбитости мороженого, давления инжекции и противодавления продукта, выходящего из фризера.

В дальнейшем воздух проходит через редуктор, запорный вентиль, дроссель, мановакуумметр и обратный клапан 10 с фильтром. Обратный клапан предотвращает попадание исходной смеси при резких повышениях давления за насосом в пневматическую систему.

Жидкий аммиак, предназначенный для охлаждения и замораживания смеси мороженого и поступающий из общей сети, проходит через фильтр. После этого одна его часть поступает в регулирующий вентиль 5 и аккумулятор 8, а другая через регулятор давления инжекции 6 направляется к инжектору 7, откуда жидкий аммиак поступает для охлаждения взбиваемой массы в рубашку фризера. Через отверстия в стенке рубашки жидкий аммиак проходит в кольцевой зазор, в результате чего во фризере охлаждается продукт. Парожидкостная смесь из рубашки возвращается в аккумулятор 8, в котором капли жидкого аммиака отделяются от пара, а последний отсасывается из системы компрессором. На линии отсоса паров аммиака размещены предохранительный клапан, реле высокого и низкого давления, регулятор давления испарения 13 с задатчиком давления.

Рисунок 9- Технологическая схема фризера непрерывного действия:

1 - бак для смеси; 2 - привод машины; 3-цилиндр; 4 - клапан противодавления; 5 - вентиль аммиачный регулирующий; 6 - регулятор инжекции; 7 - инжектор; 8 - аккумулятор; 9 - насос; 10 - клапан обратный;

11 - дроссель; 12 - редуктор технологический воздушный; 13 - регулятор давления

Для контроля за давлением в аккумуляторе установлен мановакуумметр, а для контроля за давлением инжекции в линии инжекции - мембранный соленоидный клапан, регулятор давления инжекции и манометр аммиачный.

При увеличении потребляемой взбивателем мощности катушка соленоидных вентилей перед регулятором давления инжекции и задатчика давления обесточивается и аммиак стекает в аккумулятор из рубашки цилиндра 3, В это время прекращается замораживание продукта. На жидкостной линии открывается соленоидный вентиль, и жидкий аммиак высокого давления перетекает в дренажную линию. При падении давления в линии всасывания клапан регулятора давления закрывается и цикл работы восстанавливается.

Как правило, фризеры изготовляются с одним цилиндром. За рубежом имеются фризеры, в которых на основе одной и той же системы охлаждения (аммиачной или фреоновой) в агрегате размещено два, три и даже шесть цилиндров с последовательным или параллельным прохождением продукта. Приводное устройство конструируется различно: с одним электродвигателем для двух цилиндров или с электродвигателями для каждого цилиндра, работающими самостоятельно.

 

4 Техническое описание  и расчеты

 

4.1 Технологический расчёт  фризера

 

Принимаем:

температуру поступающей в фризер смеси tсм = 6о С;

температуру смеси на выходе из фризера tм = -5о С.

Процент вымороженной воды вычислим по формуле, предложенной Г.М. Дезентом:

, ([1] стр. 343)                      (4.1)

где  Wл – содержание замороженной воды, %;

          В – эмпирический коэффициент, характеризующий удельное понижение температуры замерзания водяного раствора сахара на каждый процент по отношению к воде, (В=6,1);

           А – эмпирический коэффициент, учитывающий содержимое лактозы, солей и СОМО и понижение температуры замерзания, вызываемое присутствием этих веществ, (А=5,95);

          n1 – содержание СОМО, %;

          n2 – содержание сахара, %;

          tm – температура мороженого, о С;

          Wc – содержание воды в смеси, % к массе смеси.

Расчёты будем производить по сливочному мороженому.

Состав сливочного мороженого:

          содержание жира – 10%

         содержание СОМО – 10%

         содержание сахара – 16%

          содержание стабилизатора – 0,3 %.

Итого сухих веществ – 36,3%.

Тогда содержание воды в смеси составит:

Wc =  100-36,3 = 63,7%.

 

 Подставив данные n1 = 10, n2 = 16 и Wc = 63,7 в формулу (4.1) получим

       

               

Криоскопическую температуру смеси определим по формуле:

([2] стр. 244)                     (4.2)

Подставив найденные выше значения в формулу (4.2), получим:

 

Плотность мороженного при выгрузке из фризера определяем по формуле:

([3] стр.447)  (4.3)

 

где, ρм – плотность мороженого, кг/м3;

       ρсм – плотность смеси, кг/м3;

       s – взбитость мороженого, %.

Для сливочного мороженого ρсм = 1100 кг/м3 [1] стр. 56.

Принимаем взбитость мороженого 80%.

Подставив данные в формулу (4.3), получим

                              

 Объемная производительность фризера составит:

                                

где G – производительность фризера, кг/ч. G=700кг/ч.

Тогда:

                               

Количество засасываемого насосом II ступени воздуха составит:

                               .

 

4.2 Конструктивный расчёт

 

Рабочую поверхность Fр можно определить из формулы:

, кг/ч   ([4], стр. 427)   (4.4)

где  GM – производительность фризера, кг/ч.

       Z – число ножей, z=2;

       N – число оборотов мешалки, об/мин; n=510 об/мин

       Fр – рабочая поверхность морозильного цилиндра, м3;

          м.ср - плотность срезаемого продукта, кг/м3;

       Фнер- средний коэффициент неравномерности срезания слоя продукта;

       Фn – средний коэффициент  плавления срезаемого слоя, мкм.

Принимаем толщину срезаемого слоя м.ср = 20мкм.

Фнер и Фn находим по графику VII.6 и VII.7 [2] стр. 250: Фнер=1,2; Фn=1.25

Из формулы (4.4) определим:

Fp= , м2      (4.5)

Подставив значения в формулу (4.5), получим:

Длину ножа определяем из формулы:

,([4] стр. 427)     (4.6)

где – длина ножа, м;

      D - внутренний диаметр морозильного цилиндра, м.

Отсюда:

                                            (4.7)

D=0,4м; =3,14

Подставив значение в формулу (4.7), получим:

Толщину изоляционного слоя δ рассчитываем по формуле:

([3] стр. 25)      (4.8)

где  λ – теплопроводность изоляционного слоя, ;

         К – коэффициент теплопередачи, ;

         - коэффициент теплоотдачи от цилиндра к окружающей среде, ;

         - коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра к жидкости, Вт/ град;

         теплопроводность стенки цилиндра, Вт/ град;

         толщина стенки цилиндра, м.

Коэффициент теплопередачи принимаем : К = 1 Вт/ град (3) стр 25.

Величиной пренебрегаем , как относительной малой.

 Вт/ град. ((5) стр.92 )

Если жидкость охлаждается вследствие кипения в трубах аммиака , то определяется по формуле

= ( (3) стр.147 )       (4.9)

где  А – эмпирический коэффициент .

          g – количество тепла приходящегося на 1 поверхности , Вт/ .

Коэффициент А подбирается в зависимости от температуры кипения аммиака ((3) стр. 148).

, А = 3,36.

Для аммиака ((3) стр.147).

Ориентировочно примем

g = 500 Вт/

Тогда составит:

                              = 3,36 * = 51,9 Вт/ град.

Подставив в формулу (4.8) значения и приняв для изоляции материал – пенопласт ПСВ-С с ([7] стр. 50), получим:

С учётом коэффициента запаса для изоляции 20% принимаем толщину изоляции 5 см.

 

4.3 Тепловой расчёт

 

Расход холода на фризерование определяем по формуле:

 

([3] стр.448) (4.10)

 

где  Gсм – количество смеси, кг/с;

         См, Ссм – теплоёмкость мороженого и смеси, кДж/(кг град);

         ηм – КПД учитывающий потери холода ηм=0,9;

         335 – расход холода на замораживание 1 кг воды, кДж/кг;

         Nр – мощность на валу мешалки, кВт.

Удельная теплоёмкость смеси для сливного мороженого Ссм=3,2 кДж/(кг град) ([5] стр. 66)

Теплоемкость мороженого определяем по графику ( [2] стр.243) при tm=-5

cm=4,19•103•0,62=2600 Дж/кг•град = 2,6 кДж/кг•град.

Мощность на валу мешалки складывается из следующих основных затрат

Np =N1+N2+N3  ([2] стр.247)   (4.11)

где N1 –мощность, затрачиваемая на срезание слоя мороженого ножами, Вт;

          N2-мощность затрачиваемая на трение мороженого о стенки морозильного цилиндра и на вращение мешалки с ножами в вязкой среде, Вт;

          N3- мощность затрачиваемая на трение ножа мороженого о стенки морозильного цилиндра ,Вт.

N1  определим по формуле

, Вт ([2] стр.248)  (4.12)

где  ωm/ср – скорость срезания слоя, м/с

       α – угол установки ножа (для фризера Е4-ОФЛ α=32-35°)

       pм.ср –механическое напряжение при срезании слоя, Н/м=Па.

Скорость срезания слоя определим по формуле

  м/с.

Механическое напряжение при срезании слоя зависит от отношения плотности мороженого ρм и плотности льда  ρл и механического напряжения при срезании льда pл

pм.ср= pл , Н/м2 ([2] стр.248)    (4.13)

pл=9,81•104 , Н/м; ρл= 900 кг/м3;

Тогда

pм.ср = 98100

= 66708 Па

Подставив значения в формулу (4.12) получим

N1= 20•10-6•2•1,07•tg35•66708=21,3 Вт

С учетом неравномерности срезания слоя мороженого принимаем N1 =25 Вт

N2 определим по формуле:

N2 = , Вт   ([2] стр.249)  (4.14)

где ξтр – коэффициент трения;

      rн – наружный радиус мешалки, м;

      rвн – внутренний радиус мешалки, м;

      ω – угловая скорость вращения мешалки, рад/с;

      Фдоп – коэффициент, учитывающий дополнительные затраты мощности при усложнении конструкции мешалки (Фдоп =1,5).

ω=

=53,38 с-1

Принимаем : rн =0,2 м, rвн =0,192 м.

, ([2] стр.249)      (4.15)

где ξ0 – коэффициент трения при ламинарном движении смеси, ξ0=0,06.

 

νм , νсм – кинематическая вязкость мороженого и смеси, м2/с

νм =0,5 м2/с , νсм =0,0006 м2/с  ([2] стр.252)

Тогда:

ξтр =0,06

=0,322

Подставив числовые данные в формулу (4) , получим:

N2=0,322(0,24-0,1924)•1,07•tg35•2•53,383•611•1,5=14011 Вт

Величиной N3 можно пренебречь ввиду ее малости по сравнению с N2.

Подставив найденные значения в формулу (4.11), получим:

Np=14011+25=14036 Вт=14,036кВт.

Подставив значения в формулу (4.10), получим:

 

Q={0,194[3,2(6+2,5)+2,6(-2,5+5)+50,7·63,7·335/1000]+14,036}:0,9=46,2кВт.

 

 

 

4.4 Прочностной расчёт

 

Толщину стенки цилиндра можно определить по формуле:

мм    ([4]  стр. 120)         (4.16)

где δст – толщина стенки, мм;

      p – внутреннее избыточное давление, кг/см2;

      d – внутренний диаметр цилиндра, мм;

     [σ]p – допускаемое напряжение на растяжение, кг/см2;

      φ – коэффициент прочности шва, (φ=0,85);

      С – прибавка на коррозию, мм.

Избыточное давление в рубашке для аммиака p=8атм=8кг/см2;

d=0,4+0,2=0,6м=600мм.

Допускаемое напряжение на растяжение принимаем:

[σ]p=σв/nв      ([6]  стр.  115)           (4.17)

где σв – предел прочности материала на растяжение, кг/см2;

      nв – коэффициент запаса прочности.

Цилиндр фрезера изготовлен из стали марки Х18Н10Т.

Из таблицы 12 [6]  стр.  94 находим σв=54 кг/мм2, а из таблицы 24 [6]  стр.  115 nв=3,75.

Тогда

кг/мм2.

Подставив в формулу (4.16) данные получим:

 

4.5 Кинематический расчёт

 

Число оборотов насоса 1 ступени определим из формулы:

м3/ч, ([3]  стр.  53)                            (4.18)   

где g – объём продукта, подаваемый насосом за один оборот, м3;

      n1 – число оборотов насоса 1 ступени, об/мин;

      Vч – объёмная производительность насоса, м3/ч;

      ηоб – коэффициент объёмного наполнения (0,75-0,8).

У шестерёнчатого насоса для смеси мороженого g=4,0·10-5 м3.

Из формулы (4.18) определим:

об/мин.

Число оборотов насоса 1 и 2 ступеней относятся как 3:10

n1/n2=3/10

Тогда число оборотов насоса 2 ступени составит:

об/мин.

Мощность, необходимую на вращение насосов определим по формуле:

 Вт,                                           (4.19)

где V – объёмная производительность насосов, м3/ч;

       p – давление, создаваемое насосами, Н/ :

       η- к.п.д. насоса(0,8- 0,7).

Сумма производительностей насосов I и II ступени составит: