Разработка и расчёт перемешивающего устройства емкости для созревания кефира

http://www.ce-studbaza.ru/werk.php?id=9427

3 Разработка и расчёт перемешивающего устройства емкости для созревания кефира

3.1 Требования, предъявляемые к перемешивающим устройствам
Перемешивающее устройство предназначены для перемешивания продукта и интенсификации теплообмена. Качество перемешивания, определяющее структуру и однородность состава перемешивающего продукта, оценивают степенью перемешивания, которая определяется взаимным расположением двух или более компонентов продукта после окончания перемешивания всей системы. Основными характеристиками перемешивающих устройств являются интенсивность работы и эффективность перемешивания.
Интенсивность работы перемешивающего устройства определяется продолжительностью технологического процесса при постоянной частоте вращения. Эффективность перемешивания оценивается удельным расходом энергии (на единицу номинального объёма) [2,19].
Конструкция перемешивающего устройства должна обеспечивать равномерное перемешивание продукта без изменения технологических параметров. Основные требования, предъявляемые к приводу перемешивающего устройства, - компактность, а также возможность регулирования частоты вращения вала мешалки. Кроме того, привод должен быть таким, чтобы исключалась возможность попадания смазочных материалов в продукт и на поверхность деталей, соприкасающихся с продуктом. Вращающие части привода перемешивающего устройства должны иметь ограждение. Электродвигатель привода должен иметь закрытое обдуваемое исполнение по ГОСТ 13859 – 68. На стойке привода или крышке редуктора должна быть прикреплена стрелка (или отлита) окрашенная в красный цвет, указывающая направление вращения мешалки.
Отклонение вала по вертикали при установке в аппарате не должно быть более 0,3 мм на 1м длины. При центровке вала редуктора с промежуточным валом или валом мешалки с помощью муфты несоосность вследствие смещения осей не должна превышать 0,05 мм, а вследствие излома осей 0,05 мм на 1м длины вала. Радиальное биение поверхности вала в месте установки уплотнительного устройства в зависимости от типа уплотнения и диаметра вала не должно превышать 0,1 – 0,25 мм. Температура корпуса подшипников привода перемешивающего устройства не должна превышать . Конструкция перемешивающего устройства и его крепление не должны препятствовать автоматической без разборной мойке всей внутренней поверхности корпуса емкости.

3.2 Обоснование и краткое описание конструкции перемешивающего устройства
Одним из основных направлений технического совершенствования современного оборудования является разработка конструкции, обеспечивающая получение продуктов высокого качества. Развитие этого направления сопровождается усложнением общего конструктивного исполнения емкостей для созревания кисломолочных продуктов за счет введения в аппаратурную схему новых видов оборудования, повышения степени автоматизации процесса, использования более прогрессивных методов обработки продукта на различных стадиях технологического процесса. В месте с тем в отдельных разработках предусмотрено не только повышение качества продукта, но и обеспечение компактности установок, обладающих пониженной металлоемкостью и повышенными технико-экономическими показателями.
Примером подобного решения может служить предлагаемое перешивающее устройство ёмкости для кисломолочных напитков.
На предприятии ОАО маслодельный завод «Ардатовский» имеется линия по производству кефира. В ее состав входит емкость для созревания кисломолочных продуктов Я1-ОСВ-1, производительность которой составляет 1000 литров в смену. На данный момент линия производит лишь 400 литров в смену. следовательно емкость загружена только на 40%.
Целью данного дипломного проекта является совершенствование технологической линии производства кефира, и предлагаются мероприятия по улучшению качества кефира.
С целью улучшения работы емкости предлагается установить перемешивающее устройство с трансформирующейся верхней частью. При использовании агрегата на 400л верхняя часть мешалки находится в собранном состоянии, прижатой к валу, что позволяет снизить усилие крутящего момента на вал, и следовательно экономит электроэнергию. В случае возникновения необходимости использовать емкость на полную мощность 1000л верхняя часть мешалки легко раскладывается, что позволит без особых усилий переоборудовать емкость.
Данная конструкция является экономически выгодной так как позволяет не приобретать новую емкость требуемой производительности, что значительно снижает финансовые затраты на покупку и доставку нового оборудования, и экономит время. Данное перемешивающее устройство изготавливается в условиях ремонтной мастерской предприятия с помощью следующего оборудования: токарный станок 1К62; электродуговая сварка; электродрель; ножницы по металлу, имеющегося на предприятии.
Кроме того в предлагаемой конструкции уменьшаем расстояние между днищем и перемешивающим устройством, для предотвращения образования осадка на дне корпуса, и более равномерного перемешивания. Это позволяет улучшить технологию производства выпускаемой продукции, и увеличивает качество производимого кефира. Изменение расстояния от днища емкостного аппарата до перемешивающего устройства не отражается на затратах мощности, расходуемой на перемешивание Таким образом мы сможем повысить качество выпускаемой продукции, при этом снизим расход электроэнергии и оптимизируем работу мешалки в зависимости от загруженности технологической линии.
3.3 Расчет основных элементов конструкции

3.3.1 Подбор электродвигателя
Расчёт перемешивающего устройства сводится к определению мощности, необходимой для работы. В общем виде мощность, расходуемая на перемешивание, зависит от частоты вращения мешалки, физических свойств перемешиваемо среды, ускорения свободного падения и геометрических характеристик ёмкости и мешалки [2,8].
(3.1)
Определим мощность, необходимую для работы перемешивающего устройства:
(3.2)
где h – высота мешалки, 0,535 м;
z – число лопастей, 4;
и - диаметр мешалки соответственно наружный и внутренний, м;
- коэффициент, зависящий от соотношения размеров мешалки, 1,1;
- плотность кефира, 1027 кг/

Принимаем асинхронный электродвигатель RAM71B4У2.

3.3.2 Расчёт перемешивающего устройства
Цилиндрический сосуд заполнен жидкостью. С осью цилиндра совпадает ось мешалки, имеющей n = 4 лопастей длиной l = 1,0375 м. Радиус внутренней кромки лопасти , наружной . После включения двигателя мешалка почти мгновенно приобретает угловую скорость , в дальнейшем почти не изменяющуюся [14,21,23].
Лопасть смещает жидкость, которая приобретает кинетическую энергию. 1 с массой поглотит:
(3.3)
где - плотность продукта, кг/ .

Определим кинетическую энергию, сообщаемую жидкости при наличии n лопастей:
(3.4)

Формулу (3.3) дополним множителем С, отражающим поправку к теории, обусловленную тем, что вязкая жидкость увлекается не только поверхностью мешалки , но в некоторой мере захватывается и из окружающей среды. Учитывая к.п.д. пускового механизма, получим:
(3.5)

Данная формула получена в предложении, что жидкость неподвижна, а мешалка вращается с угловой скоростью . Это предположение верно только в течение одного мгновенья. Немедленно вслед за воздействием мешалки жидкость выйдет из состояния покоя и будет перемещаться с угловой скоростью . Это обусловлено тем, что движение жидкости тормозится силой трения о поверхность цилиндра. Угловая скорость перемещения жидкости относительно мешалки составит:
(3.6)

При скорости мощность, потребляемая для вращения мешалки:
(3.7)

Таким образом, следует различать две мощности, необходимые для вращения мешалки: пусковую, определяемую по формуле (3.5), и рабочую, по формуле (3.7). Рабочая всегда меньше пусковой.
Из формул (3.5) и (3.7) следует, что пусковая и рабочая мощности относятся как кубы угловых скоростей:
(3.8)

Во время стабилизированного режима крутящий момент будет равен:
(3.9)

Определим в пусковой период крутящий момент:
(3.10)

Определим критерий относительной скорости по формуле:
(3.11)
К сожалению, до сих пор этому критерию не уделялось внимания, а между тем именно он является определяющей величиной для процесса перемешивания. Угловая скорость характеризует интенсивность пронизывания жидкости лопастью.
Необходимо уяснить, мешалками какой формы достигается наиболее успешно макроэффект переноса масс, способствующий выравниванию состава жидкости и какую роль играют скорости, предопределяющие, с одной стороны, перенос масс, с другой – сепарирующий микроэффект вихрей, возникающих при всяком перемешивании.
Если руководствоваться соображением, что интенсивность теплообмена между жидкостью и стенкой зависит от скорости движения жидкости вдоль стенки, то лопасть мешалки должна иметь такие размеры, при которых она заполняет всё осевое сечение сосуда. При этих условиях жидкость будет двигаться вдоль стенки с наибольшей скоростью , но не будет происходить перемешивание, что невыгодно для теплообмена. Так как нагрев массы должен быть по возможности равномерным, то наилучшая теплопередача должна быть связана с наилучшим перемешиванием, т. е. С определённым значением критерия .
Пренебрегая влиянием днища цилиндра и полагая, что поверхность равна:
(3.12)
где Н – высота цилиндра, 1,17м;
- диаметр цилиндра, 0,73м.
(3.13)
Получим:
(3.14)
Соотношение представляет собой геометрический критерий, который может быть близок к единице, если высота лопастей немного меньше глубины цилиндра. Обозначим = .
- безразмерная группа, определяемая конструктивными параметрами мешалки. В группе величин коэффициент является функцией Re. Коэффициент С зависит от Re и соотношения размеров аппарата, характеризуемых критериями и .
Тогда получим критериальное соотношение:
(3.15)
Очевидно, что размеры мешалки (ширина лопасти и её расстояние от стенки) существенно влияют на процесс. Ясно например, что узкая лопасть прорежет жидкость с увеличенной относительной скоростью. Такая увеличенная скорость может оказаться необходимой, если в жидкой среде находятся массы, подлежащие раздроблению. Но что крайне не желательно в нашем случае.
(3.16)
где - расстояние от оси вращения до поверхности объёма;
- угол, охватывающий объем жидкости от любого вертикального сечения до того места, где толщина объёма сводится к нулю, или до следующей лопасти.
Формула (3.16) дает обоснование для подбора ширины лопасти.
Предполагая, что угол равен углу между лопастями, причем жидкость покрывает всю поверхность и изогнутый объём жидкости выклинивается перед следующей лопастью, где .
Полагая что , получим:
(3.17)
Преобразуем формулу (3.17):
(3.18)
Данная формула характеризует отношение ширины лопасти к радиусу резервуара.

При соблюдении отношения ширины лопасти к радиусу резервуара, определяемого по формуле (3.18), поверхность резервуара покрыта жидкостью. При большем отношении пространство между лопастями заполнено с избытком, при меньшем – часть поверхности обнажена.
В нашем случае отношение ширины лопасти к радиусу резервуара равно:
(3.19)
Из формулы (3.19) следует, что поверхность резервуара обнажена.
Ширину лопасти необходимо принимать минимальной для аппаратов, в которых перемешивание сопровождается теплообменом.


3.3.3 Расчет вала
Опорные реакции в горизонтальной плоскости [8,18]:
(3.20)
(3.21)
кг
(3.22)
(3.23)
кг
Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости:
(3.24)
Мх1 = 24,3  60,45 = 1468кг/см
Мх2 = Rха  l2 (3.25)
Мх2 = 26 56,45= 1468кг/см



Опорные реакции вала изображены на рисунке 3.1:
Горизонтальная плоскость
RAX Pok
A В
RBX

Мх =1468 кг.см


0 0

Вертикальная плоскость

A B

RА RВУ Sо

0 0

Му=6256,6кг.см





Рисунок 3.1 – Опорные реакции вала
(3.26)
(3.27)
кг
(3.28)
(3.29)
кг
Изгибающие моменты в вертикальной плоскости:
(3.30)
Му1 = 103,5  60,45 = 6256,6 кг см
(3.31)
Му2 = 110,8  56,45 = 6256,6 кг см
Суммарный изгибающий момент в наиболее нагруженном сечении:
(3.32)
кг см
Определим нормальные и касательные напряжения в рассматриваемом се-чении вала при действии максимальных нагрузок:
(3.33)
(3.34)
где - суммарный изгибающий момент, Н м;
- крутящий момент;
- осевая сила;
W и - моменты сопротивления сечения вала при расчете на изгиб и кручение, ;
А – площадь поперечного сечения, .
Определим моменты сопротивления W при изгибе, при кручении и площадь А:
(3.35)
(3.36)
(3.37)
где D – диаметр вала,24 мм.
Подставляя данные в формулы, получим:


Определим частные коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям:
(3.38)
(3.39)
где и - пределы текучести стали 12Х18Н10Т, равные 196 МПа.


Определим общий запаса прочности по пределу текучести при совместном действии нормальных и касательных напряжений:

(3.40)
Статическая прочность обеспечена, так как , где =1,7.
Деформация кручения вызывается парой сил, действующих в плоскостях, перпендикулярно оси вала.
Запишем условие прочности при кручении:
(3.41)
где - допустимое сопротивление материала вала.

Условие выполняется, так как , где .

3.3.4 Расчет лопасти на изгиб

Исходные данные:
; ;

Рисунок 3.2- Расчетная схема лопасти на изгиб
Нагрузка Р приложена к центру балки. Произвести расчет балки на прочность [3,18].
Решение:
Определяем опорные реакции от усилия Р.
Составляем уравнение моментов относительно точки А.
SMA= P × l1 + RB × (l1 + l2) = 0 (3.42)
RA = 0; RB = P
(3.43)

Определяем величину моментов и строим эпюру
Момент от силы Р в сечении равен:
(3.44)
из условия прочности:
(3.45)
Определяем момент сопротивления для стали [s] = 510Мпа для легированной стали 12Х18Н10Т
(3.46)
где d – диаметр мешалки, см.

(3.47)
Условие прочности выполняется.

3.3.5 Расчет штифта на срез
Изобразим схему нагружения штифта, покажем действующие силы (рисунок.3.3) [3].

Рисунок 3.3 - Схема нагружения штифта
Для расчета штифта на срез воспользуемся формулой:
(3.48)
где F – нагрузка, приходящая на штифт от действия веса рычага, Н;
d – диаметр штифта, 0,005 м;
K – число плоскостей среза, 2;
n – число штифтов, 4;
[t]ср - допускаемое напряжение среза, 112 МПа.

Условие выполняется, следовательно оставляем штифт диаметром 5 мм.

3.3.6 Расчет сварных соединений
Рассчитаем сварные соединения мешалки (рисунок 3.4)

Рисунок 3.4 – Расчетная схема сварных соединений
Условие прочности:
(3.49)
l - длина всех сварных швов;
S - толщина свариваемого материала, 10 мм.
l = 78,5 4=314 мм.
Р - рассчитывающее усилие, 400 кг.
М - изгибающий момент, .
(3.50)
Поставив значения в формулу (3.49) получим:

При ручной сварке используем электрод Э42.
(3.51)



Условие выполняется.


3.4 Устройство, работа и правила эксплуатации предлагаемой конструкции.
Емкостной аппарат для созревания кисломолочных напитков Я1-ОСВ-1 состоит из ёмкости, электрошкафа, устройства автоматического контроля и управления.
Ёмкость включает корпус, перемешивающее и моющее устройства. Корпус представляет собой цилиндр со сферическим верхним и коническим нижним днищами, которые устанавливаются на регулируемых по высоте опорах. Боковая поверхность корпуса изолирована фенолформальдегидным пенопластом и облицована тонкой коррозионностойкой сталью. Верхнее днище выполнено без изоляции, а у нижнего днища изоляция доходит только до опор с наружной стороны. На верхнем и нижнем днищах имеются проушины, предназначенные для транспортировки ёмкости.
Перемешивающее устройство включает привод и рамную мешалку. Привод смонтирован на верху ёмкости на плите и состоит из электродвигателя и червячного редуктора, соединенных между собой муфтой. В нагревательно-охладительную систему, в виде теплообменной рубашки, подается теплохладоноситель под давлением, обеспечивая хороший теплообмен. Емкостной аппарат Я1-ОСВ-1 снабжены комплексом технических средств автоматизации.
Патрубки наполнения и опорожнения находятся в нижнем коническом днище.
Мешалка устроена таким образом, чтобы не взбалтывала продукта и не резала бы его на пласты и кубики, а равномерно и одновременно перемешивала всю массу продукта. Частичное перемешивание или разрезка сгустка приводит к отделению сыворотки, а взбалтывание мешалкой – к пенообразованию, что в свою очередь вызывает отделение сыворотки.
Автоматическое устройство обеспечивает протекание сквашивания по определённому циклу: перемешивание – покой – перемешивание.
Нормализованное молоко поступает в ёмкость через нижний патрубок, туда же вносится закваска. Заквашенное молоко сквашивается в ёмкости до требуемой кислотности. Полученный сгусток охлаждается в той же ёмкости, при этом через каждые 30 – 40 минут включается мешалка для размешивания и более быстрого его охлаждения. Затем сгусток охлаждается до температуры созревания и остается в ёмкости до полного приготовления продукта. В качестве хладоносителя используют холодную воду, а в качестве теплоносителя – горячую воду.
При эксплуатации двустенных резервуаров необходимо соблюдать следующие условия.

Правила эксплуатации.
1. Смазку производите согласно схеме смазки, в редуктор привода мешалки заливается 0.05 л масла.
Первую замену масла залитого в мотор-редуктор, редуктор мешалки про-изводите через 150 часов работы.
Время от времени следите за уровнем масла в редукторе. Новое масло в пресс-масленки нагнетайте до тех пор, пока старое масло не станет выделяться с обоих концов подшипника.
2. Ежедневно проверяйте, нет ли утечки охлаждающей воды, масла.
3. Не реже одного раза в месяц проверьте и при необходимости подтяните все крепежные соединения.
4 Периодически, но не реже одного раза в месяц проверяйте расстояние между днищем емкости и лопастями мешалки.
4. Постоянно следите за состоянием кинематических пар трения, при не-обходимости замените их.
5. Мойку аппарата производите после окончания работы, но не реже чем через 2 смены при непрерывной работе.
6. Смазку аппарата производить согласно схеме смазки.
Во время эксплуатации разрабатываемого аппарата возникают факторы, которые могут повлиять на безопасность труда обслуживающего персонала.
В аппарате много вращающихся частей и поэтому можно получить раз-личного вида травмы. Аппарат работает с использованием пара и воды. Вслед-ствие утечки в помещении, где эксплуатируется емкость, влажность повышена.
На аппарате большое количество электропроводки, которое при непра-вильной эксплуатации может быть причиной пожара и поражения электриче¬ским током обслуживающего персонала.
Помещение цеха должно быть хорошо оборудовано средствами пожаро-тушения по правилам пожарной безопасности. Можно получить травму и вслед-ствие нечистых полов. Если на пол проливаются продукты, то необходимо сразу же смывать их. На рабочем месте оператора должны быть постелены резиновые коврики. Главным фактором, негативно влияющим на окружающую среду, яв-ляются сточные воды. Только после очистки ее можно сливать в реку.
Меры предосторожности необходимо соблюдать и при разборке оборудо-вания. Во избежание несчастных случаев необходимо соблюдать положение ин-струкции по эксплуатации аппарата.
При монтаже, демонтаже и обслуживании емкости необходимо обесточивать аппарат чтобы избежать случаев поражения электрическим током и возможности случайного включения перемешивающего устройства.
При вводе в эксплуатацию верхней трансформирующейся части мешалки следует следить за деталями крепления, так как случайно оставленные в емкости детали могут привести к выводу из строя конструкции.
Также не допускается колебание мешалки во время работы, это контролируется качественным креплением лопастей к валу.
При соблюдении всех правил эксплуатации оборудования срок службы значительно увеличивается.