Устройство для гомогенизации и гомогенизирующая головка

 

Изобретение относится к устройствам для получения однородных эмульсий и может использоваться в пищевой и химической промышленности. Устройство для гомогенизации содержит подводящий 1 и отводящий 2 трубопроводы, насос 4 с приводом 5, не менее двух гомогенизирующих головок 9. Выходной канал каждой гомогенизирующей головки содержит два отвода 10 и 11. Отводы 10-1...10-n всех гомогенизирующих головок 9-1...9-n, имеющие большую пропускную способность, соединены патрубками с подводящим трубопроводом 1, отводы 11-1...11-n - с отводящим трубопроводом 2. Входной патрубок 3 насоса 4 соединен с подводящим трубопроводом 1, выходной патрубок 6 через разветвитель 7 - с входными патрубками 8-1...8-n гомогенизирующих головок 9-1...9-n. Гомогенизирующая головка содержит корпус с внутренней цилиндрической камерой, в которой размещен узел диспергирования, включающий щелевое сопло и упругую пластину. Пластина имеет заостренную кромку и установлена в корпусе с возможностью фронтального перемещения относительно щели сопла. Изобретение позволяет повысить производительность при высоком качестве продукта, а также повысить эксплуатационную надежность и ремонтопригодность. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения однородных эмульсий и может использоваться в пищевой и химической промышленности.

Известно устройство для гомогенизации, содержащее подводящий патрубок, узел диспергирования, установленный в подводящем патрубке и имеющий полый корпус по меньшей мере с двумя тангенциальными каналами, и отводящий патрубок с расширительной камерой, присоединенный к торцевой части узла диспергирования, выполненный в виде диффузора (см.описания МПК 5 A 01 J 11/16, B 01 F 5/06, публ. 1992 г., Бюл. N 12).

Такое устройство для гомогенизации отличается конструктивной простотой, низкой себестоимостью.

Однако невысокая степень диспергации не позволяет добиться высокого качества продукта, что существенно снижает потребительскую ценность устройства.

Гомогенизатор для жидких пищевых продуктов, защищенный авторским свидетельством СССР N 1706486, МПК 5 A 01 J 11/16, B 01 F 3/00 публ. 1992 г., бюл. N 2, содержит корпус, нагнетательный плунжерный блок для продукта, привод, двухступенчатую гомогенизирующую головку с гидроцилиндрами для управления гомогенизирующим клапаном первой ступени и клапаном второй ступени, а также гидронасос с баками и соединительными трубопроводами.

Для повышения качества процесса гомогенизации продукта гомогенизатор снабжен устройством для регулирования давления, установленным на трубопроводе питания второй ступени и выполненным в виде закрытого крышками корпуса с размещенным внутри него плунжером с регулировочным винтом, причем между плунжером и корпусом выполнены продольный сплошной канал и кольцевая полость, которая посредством трубопровода соединена с гидроцилиндром второй ступени, а полости перед торцами плунжера соединены - одна с камерной магистралью насоса, а другая - с баком гидронасоса. Недостаток такого гомогенизатора - конструктивная сложность, невысокая надежность из-за наличия узлов с высоким (до 250 мПа) давлением.

Волновой гомогенизатор, защищенный патентом СССР N 1839612, МПК 5 A 01 J 11/16, B 01 F 3/00, публ. 1993 г. Бюл. N 47...48, содержит приемную и сливную емкости, насос с приводом, гомогенизирующую головку, включающую корпус с входным и выходным каналами, обтекатель, установленный с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью корпуса, и пластинчатый излучатель. Для повышения производительности процесса гомогенизации гомогенизирующая головка выполнена с коаксиально установленной относительно ее корпуса тороидальной камерой с кольцевым отверстием для входа и выхода продукта, гидравлически связанным с кольцевым каналом, образованным поверхностью обтекателя и внутренней поверхностью корпуса гомогенизирующей головки, при этом в сечении, проходящем через ось корпуса, тороидальная камера имеет эллиптическую форму.

По наибольшему количеству совпадающих признаков устройство, защищенное патентом СССР N 1839612, выбрано в качестве прототипа.

Недостаток прототипа - низкая ремонтопригодность, т.к. устройство не содержит заменяемых элементов, сравнительно невысокая производительность, узкая специализация, т.к. устройство предназначено для гомогенизации продукта с узким диапазоном вязкостей.

Цель изобретения - повышение производительности при высоком качестве продукта, повышение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности.

Указанная цель достигается тем, что устройство для гомогенизации, включающее подводящий и отводящий трубопроводы, насос с приводом, гомогенизирующую головку с входным и выходным каналами, содержит не менее чем две гомогенизирующие головки, и в нем выходной канал каждой гомогенизирующей головки имеет два отвода, у одного из которых пропускная способность не менее чем в три раза превышает пропускную способность другого, отводы с большей пропускной способностью всех выходных каналов гомогенизирующих головок через патрубки соединены с подводящим трубопроводом, отводы с меньшей пропускной способностью всех выходных каналов гомогенизирующих головок через патрубки соединены с отводящим трубопроводом, подводящий трубопровод соединен с входным патрубком насоса, выходной патрубок которого через разветвитель соединен с входными каналами всех гомогенизирующих головок. Отводы могут содержать либо сменную диафрагму, либо заслонку, отводящий трубопровод может содержать трехпозиционный кран.

Гомогенизирующая головка также является объектом изобретения.

Известные гомогенизирующие головки (диспергаторы, устройства для гомогенизации молока) или конструктивно сложны (см., например, описание к авторскому свидетельству СССР N 1706486, МПК 5 A 01 J 11/16, публ. 1992 г., Бюл. N 14), или не обеспечивают высокое качество продукта (см., например, описание к патенту РФ N 2094108, МПК 6 B 01 F 3/00, публ. 1997 г., Бюл. N 30), или же не отличаются высокой надежностью и ремонтопригодностью (см., например, описание к авторскому свидетельству СССР N265606, Кл. A 01 J, B 06 B, публ. 1970 г., Бюл. N 10).

В качестве прототипа выбрано устройство для гомогенизации молока, защищенное авторским свидетельством СССР N 265606, кл. A 01 J 11/16, публ. 1970 г. , Бюл. N 10. Это устройство содержит корпус, внутри которого размещен колебательный контур, состоящий из пакета пластин, и сопло для подачи молока к колебательному контуру. Корпус представляет собой камеру цилиндрической формы с конусным переходом с одной стороны, который служит для подключения к молочному трубопроводу.

Пластины заполняют внутреннюю полость камеры, расположены вдоль ее продольной оси по ходу перемещения молока и прикреплены единым концом к крестообразной державке.

Сопло представляет собой отрезок трубы с центрально установленным внутри нее цилиндрическим вытеснителем.

Недостаток прототипа - конструктивная сложность и вытекающая из этого сравнительно невысокая надежность, низкая ремонтопригодность и унитарность использования.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение ремонтопригодности и эксплуатационной надежности.

Указанная цель достигается тем, что в гомогенизирующей головке, содержащей корпус в виде цилиндрической камеры с патрубками для подачи и отвода продукта и узел диспергирования, размещенный внутри камеры, узел диспергирования содержит щелевое сопло в торцевой части цилиндрической камеры, сопряженной с патрубком для подачи продукта, и упругую пластину с заостренной кромкой, конец которой закреплен в механизме перемещения пластины, сочлененным с противоположным щелевому соплу торцом цилиндрической камеры, при этом щелевое сопло и упругая пластина размещены в одной диаметральной плоскости цилиндрической камеры, продольный размер щели сопла не менее чем в 8 раз больше ее поперечного размера, а механизм перемещения пластины обеспечивает фронтальное перемещение заостренной кромки пластины относительно продольной оси щели сопла. Гомогенизирующая головка содержит два патрубка для отвода продукта, установленные в средней части корпуса симметрично диаметральной плоскости цилиндрической камеры, в которой размещены упругая пластина и щелевое сопло. Ширина упругой пластины должна быть не менее продольного размера щели, а толщина - поперечного.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 изображена структурная схема заявленного устройства для гомогенизации.

На фиг.2 приведена конструкция гомогенизирующей головки.

На фиг.1 и 2 цифрами обозначены: 1 - Подводящий трубопровод 2 - Отводящий трубопровод 3 - Входной патрубок насоса 4 - Насос 5 - Привод насоса 6 - Выходной патрубок насоса 7 - Разветвитель 8-1...8-n - входные каналы (патрубки) гомогенизирующих головок 9-1...9-n - гомогенизирующие головки
10-1...10-n - отводы гомогенизирующих головок с большей пропускной способностью
11-1...11-n - отводы гомогенизирующих головок с меньшей пропускной способностью
12 - трехпозиционный кран
13 - возвратный трубопровод
14 - корпус гомогенизирующей головки
15 - щелевое сопло
16 - упругая пластина
17 - прижимная гайка сопла
18 - герметизирующая прокладка
19 - винт крепления пластины
20 - стержень механизма перемещения
21 - направляющая планка
22 - гайка механизма перемещения
23 - фиксирующая шайба
24 - опорная гайка
25 - направляющие штыри
26 - герметизирующее кольцо
27 - упорный винт
28 - стенка
Заявленное гомогенизирующее устройство (фиг. 1) содержит подводящий трубопровод 1, через который на устройство поступает продукт из приемной емкости (не показана), отводящий трубопровод 2, через который конечный продукт подается в сливную емкость (не показаны). Подводящий трубопровод 1 соединен с входным патрубком 3 насоса 4, приводимого в действие приводом 5.

Выходной патрубок 6 насоса 4 через разветвитель 7 соединен с входными патрубками (каналами) 8-1...8-n гомогенизирующих головок 9-1...9-n. Выходной канал каждой гомогенизирующей головки 9-1...9-n имеет два отвода. Отводы 10-1. . .10-n имеют более чем в три раза большую пропускную способность, чем отводы 11-1...11-n.

Отводы 10-1...10-n патрубками соединены с подводящим трубопроводом 1, а отводы 11-1. ..11-n - с отводящим трубопроводом 2. На выходе трубопровода 2 может быть установлен трехпозиционный кран 12, с помощью которого возможно либо перекрытие трубопровода 2, либо подключение его к выходу, либо подключение трубопровода 2 к возвратному трубопроводу 13, через который продукт возвращается в приемную емкость (не показана).

Гомогенизирующая головка 9 (в приведенном на фиг.2 конструктивном исполнении) содержит корпус 14 с внутренней цилиндрической камерой, в которой размещен узел диспергирования, состоящий из щелевого сопла 15, сопряженного с входным патрубком 8, и упругую пластину 16 с заостренной кромкой, закрепленную в корпусе 14 с возможностью перемещения. Щелевое сопло 15 гайкой 17 через герметизирующую прокладку 18 прижимается к торцу корпуса 14. Упругая пластина 16 с помощью винта 19 крепится к механизму перемещения, который содержит стержень 20 с направляющей планкой 21 и резьбой, гайку 22, соединенную с корпусом 14 через фиксирующую шайбу 23, опорную гайку 24 и стенку 28. Направляющая планка 21 надета на направляющие штыри 25, жестко закрепленные в стенке 28. За счет вращения гайки 22, сопряженной с резьбой на стержне 20, обеспечивается фронтальное перемещение острой кромки упругой пластины 16 относительно щели сопла 15. Герметизирующее кольцо 26 обеспечивает герметичность цилиндрической камеры со стороны механизма перемещения. Винт 27 предназначен для фиксации стержня 20 при работе. Стержень 20 перемещается в стенке 28, прикрепленной к торцу корпуса 14 винтами.

Устройство для гомогенизации (фиг. 1) работает следующим образом: из приемной емкости (не показана) продукт поступает в подающий трубопровод 1. При включении привода 5 продукт насосом 4 нагнетается через разветвитель 7 в гомогенизирующие головки 9-1...9-n под давлением 2-4 кг/см² (0,2-0,4 мПа) и подвергается диспергированию. Так как пропускная способность отводов 10-1... 10-n выходных каналов гомогенизирующих головок 9-1...9-n более чем в три раза выше пропускной способности отводов 11-1...11-n, большая часть продиспергированного продукта подается обратно через подводящий трубопровод 1 на вход насоса 4 и далее на гомогенизирующие головки и подвергается повторной диспергации. В установившемся режиме можно полагать, что продукт подвергается диспергированию столько раз, во сколько пропускная способность отвода 10 больше пропускной способности отвода 11, за счет чего существенно улучшается качество продукта. Для того, чтобы имелась возможность оперативно влиять на качество продукта, в подводящем и отводящем трубопроводах 1 и 2 может быть установлена регулировочная заслонка или предусмотрена возможность установки сменных диафрагм. При наличии трехпозиционного крана 12 на выходе трубопровода 2 возможны три режима работы устройства. При перекрытии трубопровода 2 можно достигнуть любой степени дисперсности продукта, заполнившего устройство. Этот режим может быть установлен в начале работы устройства, чтобы исключить попадание в сливную емкость (не показана) продукта с низкой степенью диспергации. После нескольких циклов диспергирования, когда каждый раз весь продукт с выходов 10-1. . . 10-n гомогенизирующих головок 9-1...9-n возвращается в подающий трубопровод 1, трехпозиционный кран 12 устанавливается в положении, при котором трубопровод 2 подключается к выходу и конечный продукт с нужной степенью дисперсности подается в сливную емкость (не показана).

В третьем режиме трехпозиционным краном 12 трубопровод 2 подключается к возвратному трубопроводу 13, соединенному с приемной емкостью. Этот режим работы может быть использован, когда необходимо получить высокую степень дисперсности ограниченного приемной емкостью объема продукта.

Гомогенизирующая головка 9 (фиг.2) функционирует следующим образом: нагнетаемый насосом 4 продукт через входной патрубок 8 поступает в щелевое сопло 15. Имея турбулентное движение, продукт из щели сопла 15 с большой скоростью направляется на упругую пластину 16. Пластина 16 приобретает интенсивное колебательное движение в поперечном направлении и воздействует на продукт, который под действием кавитации подвергается диспергированию. Для создания оптимальных условий возникновения и поддержания колебаний пластина 16 установлена в корпусе 14 с возможностью перемещения вдоль продольной оси цилиндрической камеры. Заостренная кромка пластины 16 облегчает возникновение колебаний.

Конструктивно гомогенизирующая головка 9 выполнена таким образом, чтобы ее детали можно было бы изготовить без использования специального технологического оборудования рабочему средней квалификации.

Корпус 14, патрубок 8, отводы 10 и 11, гайки 17, 22, 24, стержень 20, упорный винт 27 без труда изготавливаются на токарном станке. Для изготовления щелевого сопла 15 и упругой пластины 16 потребуется фрезерный станок. Отверстия под отводы 10, 11 и под направляющие 25 выполняются сверлением. Набор такого оборудования имеется в большинстве сельских мастерских. Соединение патрубка 8 с щелевым соплом 15, отводов 10, 11 с корпусом 14 и направляющей пластины 21 со стержнем 20 осуществимо как газосваркой, так и электросваркой. Возможно и клеевое соединение, т.к. гомогенизирующая головка 9 работает при низких давлениях и сравнительно невысоких скоростях движения продукта.

Гомогенизирующая головка 9 (фиг. 2) собирается в следующей последовательности: стержень 20 с герметизирующим кольцом 26 продевается в отверстие стенки 28 таким образом, чтобы направляющая планка 21 наделась на направляющие стержни 25. Стенка 28 закрепляется винтами на торце корпуса 14.

Далее по очереди накручиваются опорная гайка 24 на стенку 28, и гайка 22 на стержень 20. Гайка 22 накручивается до тех пор, пока проточная канавка на ней не совпадает с поверхностью опорной гайки 24. После этого в проточную канавку гайки 22 вставляется фиксирующая шайба 23 и прикрепляется винтами к опорной гайке 24. Затем с другого торца корпуса 14 вставляется щелевое сопло с патрубком 8 так, чтобы продольная ось его щели совпала с заостренной кромкой упругой пластины 16. Положение щелевого сопла 15 фиксируется с помощью прижимной гайки 17.

При работе гомогенизирующей головки 9, вращая гайку 22 в ту или иную сторону, пластину 16 перемещают вдоль продольной оси цилиндрической камеры корпуса 14 таким образом, чтобы интенсивность ее колебаний была максимальной, после чего положение стержня 20 фиксируется упорным винтом 27.

Наличие двух отводов 10 и 11 расширяет функциональные возможности гомогенизирующей головки 9, т.к. она может использоваться в устройствах для гомогенизации с многократным циклом диспергирования.

В сравнении с прототипом и аналогами заявленное устройство для гомогенизации обладает рядом преимуществ:
во-первых, для достижения высокой степени диспергации не требуется создание высокого давления, что позволяет использовать промышленные насосы низкого давления, отличающиеся высокой надежностью;
во-вторых, заявленное устройство для гомогенизации реализируется на одних и тех же типовых узлах вне зависимости от предъявляемых к нему технических требований. Это существенно упрощает как проектирование устройства, так и промышленное освоение;
в-третьих, за счет того, что продукт подвергается многократной диспергации, а увеличение количества гомогенизирующих головок не представляет труда, заявленное устройство для гомогенизации способно обеспечить и высокую производительность, и высокое качество продукта;
в-четвертых, отсутствие высоких требований к гомогенизирущим головкам позволяет существенно снизить их весогабаритные характеристики. Так, например, установка для гомогенизации молочных смесей с использованием заявленных технических решений производительностью до 350 - 500 л/ч и имеющая то же качество продукции, что и промышленная установка (гомогенизатор ОГБ-М) с клапанной гомогенизирующей головкой на базе плунжерного насоса, содержит две гомогенизирующие головки диаметром 70 мм, длиной 250 мм и весом 2,5 кг каждая, шестеренчатый насос с двигателем 1,0 кВт и по весогабаритным характеристикам приблизительно в 10 раз, а по рабочему давлению в 50 раз меньше промышленной установки ОГБ-М;
в-пятых, заявленное устройство может быть изготовлено в любой мастерской, т.к. единственное ограничение при ее изготовлении предъявляется только к материалу, из которого изготавливаются детали. Для пищевых продуктов материал не должен быть токсичным, например нержавеющая сталь. Для химической промышленности устройство должно быть изготовлено из материала, не взаимодействующего с продуктом.

Остальные требования, в том числе и к точности изготовления, не являются критичными и вполне доступны к выполнению среднеквалифицированным рабочим и на оборудовании невысокой точности.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что заявленное устройство для гомогенизации обладает высокой эксплуатационной надежностью, повышенной ремонтопригодностью и, теоретически, не имеет ограничений по производительности и качеству продукта.

Формула изобретения

1. Устройство для гомогенизации, содержащее подводящий и отводящий трубопроводы, насос с приводом, гомогенизирующую головку с входным и выходным каналами, отличающееся тем, что оно содержит не менее чем две гомогенизирующие головки, выходной канал каждой гомогенизирующей головки имеет два отвода, у одного из которых пропускная способность не менее чем в три раза превышает пропускную способность другого, отводы с большей пропускной способностью всех выходных каналов гомогенизирующих головок через патрубки соединены с подводящим трубопроводом, отводы с меньшей пропускной способностью всех выходных каналов гомогенизирующих головок через патрубки соединены с отводящим трубопроводом, подводящий трубопровод соединен с входным патрубком насоса, выходной патрубок которого через разветвитель соединен с входными каналами всех гомогенизирующих головок.

2. Устройство для гомогенизации по п.1, отличающееся тем, что отвод с меньшей пропускной способностью выходного канала гомогенизирующей головки содержит сменную диафрагму.

3. Устройство для гомогенизации по п.1, отличающееся тем, что отвод с меньшей пропускной способностью выходного канала гомогенизирующей головки содержит заслонку.

4. Устройство для гомогенизации по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что отводящий трубопровод содержит трехпозиционный кран.

5. Гомогенизирующая головка, содержащая корпус в виде цилиндрической камеры с патрубками для подачи и отвода продукта и узел диспергирования, размещенный внутри камеры, отличающаяся тем, что узел диспергирования содержит щелевое сопло в торцевой части цилиндрической камеры, сопряженной с патрубком для подачи продукта, и упругую пластину с заостренной кромкой со стороны сопла, консольно закрепленную в механизме перемещения пластины, сочлененном резьбовым соединением с противоположным соплу торцом цилиндрической камеры, при этом щелевое сопло и упругая пластина размещены в одной диаметральной плоскости цилиндрической камеры, продольный размер щели сопла не менее чем в 8 раз больше ее поперечного размера, механизм перемещения пластины обеспечивает фронтальное перемещение заостренной кромки пластины относительно продольной оси щели.

6. Гомогенизирующая головка по п.5, отличающаяся тем, что она содержит два патрубка для отвода продукта, установленные в средней части корпуса симметрично диаметральной плоскости цилиндрической камеры, в которой размещены упругая пластина и щелевое сопло.

7. Гомогенизирующая головка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что ширина упругой пластины равна либо превышает продольный размер щели, а толщина равна либо превышает поперечный размер щели.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2