RU2001669C1 - Кавитационный взбиватель - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к пищевой промышленности и может быть использовано дл  интенсификации технологического процесса приготовлени  взбитых масс, в частности кондитерских.

Известна взбивальна  машина МВ-35, предназначенна  дл  приготовлени  кремов , майонезов, муссов. Машина состоит из взбивател , бачка с механизмом подъема и электропривода. Взбиватель установлен эксцентрично оси бачка и в процессе работы совершает сложное движение: быстрое вращение вокруг своей вертикальной оси и медленное вращение вокруг оси бачка. Бачок крепитс  на кронштейне, который имеет пластину, скольз щую по вертикальным направл ющим станины при помощи черв чной пары, шестерни и рейки. Поднимают и опускают бачок вручную с помощью маховика .

Анализиру  конструкцию и работу машины МВ-35, необходимо отметить следующее . Подлежаща  обработке масса находитс  в емкости в процессе взбивани  до определенного состо ни  доволы-ю длительное врем . Конструкци  привода взби- вального органа отличаетс  сложностью. Кроме того, в конструкцию машины включен дополнительный механизм дл  подъема и опускани  емкости с продуктом.

Известен кавитационный смеситель, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого на приводном валу установлены радиальные кронштейны, снабженные перемешивающими элементами , между которыми размещены горизонтальные перегородки. Перемешивающие элементы выполнены в виде полых цилиндров с поверхностью тороидальной формы и с прорез ми, а корпус снабжен неподвижно закрепленными на его внутренней поверхности дисками, плоскости которых перпен- дикул рны плоскости вращени  кронштейнов. При этом центральна  ось диска , перпендикул рна  его плоскости, совпадает с центральной ось цилиндра. Перемешиваемый материал по входным патрубкам подают в корпус между перегородками , и привод т во вращение кронштейны с перемешивающими элементами, при движении которых на внутренних поверхност х полых цилиндров создаютс  ка- витационные каверны за счет увеличени  относительной скорости жидкости, При смыкании каверн образуютс  пол  микропузырьков , которые при схлопывании создают кавитационно-кумул тивные струи, оказывающие диспергирующее и перемешивающее воздействие на обрабатываемый материал. При набегании

перемешивающих элементов на неподвижные диски, жидкость, увлекаема  элементами , резко тормозитс , в результате чего образуютс  зоны повышенного пульсирующего давлени , При этом частота пульсаций давлени  определ етс  частотой набегани  перемешивающих элементов на диски. Возникающее пульсирующее поле давлений дополнительно повышает эффективность

схлопывани  кавитационных микропузырьков , что интенсифицирует процесс перемешивани идиспергировани  обрабатываемого материала.

Таким образом, известный кавитацион5 ный смеситель предназначен дл  перемешивани идиспергировани  обрабатываемого материала, в св зи с чем разработана соответствующа  конструкци  с использованием эффекта естественной ка0 витации.

Предлагаемый кавитационный взбива- тель предназначен не только и не столько дл  перемешивани  взбиваемой массы, но и дл  насыщени  ее воздухом. Дл  насыще5 ни  взбиваемой массы воздухом разработана конструкци , позвол юща  активно использовать эффект искусственной кавитации , благодар  чему кавитационные каверны заполн ютс  воздухом из атмосферы,

0 затем заполненные воздухом каверны не

всплывают, а при помощи специального

приспособлени  направл ютс  в толщу

взбиваемой массы, насыща  ее воздухом.

Таким образом,кавитационный взбива5 тель отличаетс  от кавитационного смесител  принципиально. Различные функциональные назначени . Целью создани  кавитационного смесител   вл етс  интенсификаци  процесса перемешивани  с

0 использованием эффекта естественной кавитации , Целью же создани  кавитационного взбивател   вл етс  интенсификаци  насыщени  воздухом взбиваемой массы с активным использованием эффекта искусст5 венной кавитации.

На фиг. 1 изображен венчик дл  взбивани ; фиг. 2. 3 - носители кавитационных элементов; фиг. 4, 5, 6 - телескопическа  муфта; фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг. 1.

0 Кавитационный взбиватель включает емкость 1, внутри которой установлен венчик 2 замкнутого контура. Венчик 2 снабжен капитационными элементами 3, например дисками, которые установлены на верти5 кальных носител х 4 и закреплены на них неподвижно с помощью кронштейнов 5. Диски 3 расположены на носител х 4 с опреде- ленным шагом h. В зависимости от взбиваемой массы примен ютс  два вида носителей. Дл  масс жидкой консистенции

носитель 4 выполнен цельным (фиг. 2), а дл  более в зких масс носитель 4 выполнен полым (фиг. 3), причем диски 3 укреплены на одной его стенке, а соосно дискам 3 на противоположной стенке носител  4 выполнены отверсти  6. Носители 4 с помощью поперечных кронштейнов 7 устанавливаютс  внутри венчика 2. Носители 4 расположены по периферии венчика 2 симметрично относительно оси его вращени .

Внутри венчика 2 установлены неподвижные вертикальные перегородки 8, которые отдел ют зону образовани  кавитационных каверн и одновременно  вл ютс  опорой дл  кронштейнов 7 носителей 4. Внутри венчика 2 между перегородками 8 установлено перемещающеес  приспособление, например лопатки 9, установленные под определенным углом атаки к вертикальной и горизонтальной плоскост м .

Венчик2 закреплен неподвижно на вертикальной ступице 10. котора  имеет шпоночные пазы 11 и 12 и окно 13. Дл  соединени  ступицы 10 венчика 2 о выходным валом 14 привода применена телескопическа  муфта 15, в конструкцию которой входит шпонка 16, шпоночный паз 17, окно 18. Выходной вал 14 привода имеет шпонку 19.

Кавитационный взбивэтель работает следующим образом.

Венчик 2 устанавливаетс  на дно емкости 1, наполненной подлежащей взбиванию кондитерской массой. Затем емкость 1 крепитс  на лапах взбивальной машины одним из известных способов. Однако в предлагаемой конструкции в отличие от существующих лапы машины не имеют механизма подъема и опускани , а неподвижно закреплены на станине машины. После установки емкости на лапы машины необходимо присоединить рабочий орган машины (венчик 2) к ведущему валу - выходному валу 14 привода . Крепление рабочего органа осуществл етс  распространенным способом, т.е. при помощи шпонки. Однако в существующих машинах ступица рабочего органа непосредственно крепитс  к ведущему валу, что вызывает перемещение рабочего органа воерх вдоль оси на величину пор дка 70- 100 мм (1,8-2,0 диаметра ведущего вала плюс часть длины ступицы дл  размещени  паза дл  шпонки). В результате перемещени  вверх ступицы вместе с рабочим органом нижний торец рабочего органа поднимаетс  над дном емкости на такое же рассто ние (70-100 мм). Чтобы ликвидировать образовавшийс  мертвый объем в существующих машинах имеетс  механизм

поднимани  емкости и опускани  ее при завершении цикла взбивани . В предлагаемой конструкции необходимости в механизме подъема и опускани  емкости нет, т.к. соединение рабочего органа с ведущим валом осуществл етс  с применением специально разработанной телескопической муфты. На фиг. 4 основными лини ми муфта 15 изображена в положении соединена

0 (верхнее положение) и пунктирными лини ми в положении разъединена (нижнее положение ).

Процесс креплени  венчика 2 к валу 14 осуществл етс  в следующей последова5 тельности. Телескопическа  муфта 15 (фиг. 4,5,6) перемещаетс  в ступице 10 из нижнего положени  вверх. При этом ступица 10 и закрепленный на ней венчик 2 остаютс  в начальном положении, опира сь на дно ем0 кости 1. При движении вверх муфта 15 надеваетс  на вал 14, шпоночный паз 17 совмещаетс  со шпонкой 19, неподвижно закрепленной на валу 14. Далее при движении муфты 15 вверх довод т ее до такого

5 положени , когда шпонка 19 выходит из шпоночного паза 17 и устанавливаетс  в окне 18. При этом нижн   шпонка 16, неподвижно закрепленна  на муфте 15, передвига сь вместе с ней вверх по шпоночному

0 пазу 12 ступицы 10, подходит к верхней точке гнезда окна 13. До этого момента венчик 2 оставалс  неподвижным и опиралс  на дно емкости 1 (фиг. 1). В конце хода муфты 15 вверх, например, на 15 мм до выхода

5 шпонки 19 в окно 18 шпонка 16 подошла к верхней точке окна 13. В последние 15 мм хода вверх муфты 15 шпонка 19 выходит из шпоночного паза 17 (фиг. 5) и устанавливаетс  в окно 18. При этом нижн   шпонка 16,

0 упира сь в верхнюю точку гнезда окна 13, последние 15 мм хода поднимает ступицу 10 вверх, а вместе с ней и венчик 2, отрыва  нижнюю плоскость его от дна емкости 1 соответственно на 15 мм. Далее поворачи5 вают муфту 15 (фиг. 4), а вместе с ней и ступицу 10 с венчиком 2 против часовой стрелки до упора шпонки 19 (фиг. 1, 4) в левую кромку окна 18. В этот момент муфта 15 вместе со ступицей 10 и венчиком 2 опу0 скаютс . например, на 5 мм до упора гнезда окна 18 в шпонку 19. Таким образом вс  система - муфта 15, ступица 10 и венчик 2 фиксируютс  на валу 14 так как в радиальном , так и в осевом направлени х. При этом

5 нижний торец венчика 2 имеет необходимый зазор между торцом и дном емкости, в данном случае зазор равен 15 - 5 10 мм Таким образом, установка рабочего органа - венчика 2 в емкости 1 в рабочее положение не потребовала подъема вверх самой емкости . наполненной подлежащим взбиванию продуктом, а- стало быть, и потребность в механизме подъема и опускани  емкости отсутствует. Процесс разъема венчика 2 и вала 14 осуществл етс  в обратной последовательности . Таким образом, венчик 2 подготовлен к работе.

При включении машины ведущий вал 14 в рассматриваемой конструкции, начина  вращение по часовой стрелке, передает момент через шпонки 19 и 16 венчику 2. Начинаетс  процесс взбивани , который можно рассматривать как интеграцию двух процессов -перемешивание массы и насыщение ее воздухом (аэрирование). Процесс перемешивани  взбиваемой массы достаточно полно описан в существующих конструкци х взбиваемых машин. Поэтому подробно остановимс  на процессе насыщени  взбиваемой массы воздухом.

В полст х взбиваемой массы, расположенных непосредственно за вращающимис  вместе с венчиком 2 кавитационными дисками 3, при определенных скорост х образуютс  зоны пониженного давлени  (ка- витационные зоны), и когда давление о этих плоскост х становитс  ниже критического Ркр, т.е. ниже давлени  насыщенного пара взбиваемой жидкости при данной температуре , в этих полост х начинают образовыватьс  кавитационные пузырьки. Увеличение скорости потока (в данном случае скорости вращени  венчика 2 с кэвита- ционными дисками 3) после начала кавитации вызывает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за чем происходит их объединение о общую кавитационную каверну. Если внутрь каверны через тело, около которого возникает каверна, подвести атмосферный воздух, то размеры каверны увеличиваютс . При этом установитс  течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению вод ного пара Рн, а по давлению воздуха внутри каверны Р. т.е. 2 Р°°-Рк

pv oo

Образовавшиес  кавитационные каверны, заполненные воздухом, стрем тс  к всплытию . Всплывание это определ етс  так называемым число Фруда Fr V oo/gd, где д - ускорение силы т жести;

d - некоторый характерный линейный размер.

В данном случае это диаметр кавитационных дисков.

(d - 0,02 м согласно произведенному расчету).

Предлагаема  конструкци  венчика 2 преп тствует всплыванию кавитационных каверн , заполненных воздухом, направл   их внутрь взбиваемой массы дл  интенсификации насыщени  ее воздухом. Кавитационные течени , получающиес  в результате подвода воздуха внутрь каверны, называютс  искусственной кавитацией. Предлагаема  конструкци  рабочего органа к

0 взбивальной машине позвол ет эффективно использовать  вление искусственной кавитации дл  насыщени  взбиваемой массы воздухом из атмосферы.

Услови  образовани  кавитационных

5 каверн в полост х массы, наход щихс  по движению за кавитационными дисками 3, уже рассмотрены выше. Подвод воздуха из атмосферы в каверны осуществл етс  благодар  конструкции носителей 4 (фиг. 2.3).

0 При взбивании масс более жидкой консистенции в венчик 2 (фиг. 1) устанавливаютс  носители 4 дисков 3 (фиг. 2). Носитель 4 выполнен в виде цельного стержн , к которому при помощи кронштейнов 5 (фиг. 2)

5 прикреплены диски 3 диаметром 0,02 м. Диски расположены вдоль оси стержн  по вертикали с определенным шагом h, размер которого рассчитан, исход  из услови , чтобы при любом уровне взбиваемой массы

0 один из дисков на каждом носителе был эффективно задействован, т.е. участвовал в процессе искусственной кавитации. Уровни взбиваемой массы будут различны по двум причинам. Во-первых, исход  из производ5 ственной необходимости, в емкость может закладыватьс  разное количество компонентов . Во-вторых, в процессе взбивани  массы уровень ее вследствие насыщени  воздухом будет посто нно бесступенчато

0 повышатьс .Толщинажесло жидкости,через который атмосферный воздух врываетс  в кавитационную каверну, имеет при определенных скорост х определенный ограниченный размер. Таким образом, при

5 повышении уровн  массы увеличиваетс  толщина сло  жидкости над диском, становитс  больше предельной толщины, и воздух из атмосферы прекращает поступать в каверну. Однако над предыдущим диском

0 расположен очередной кавитационный диск, который вслед за предыдущим начинает участвовать в процессе насыщени  взбиваемой массы воздухом. Подобна  смена дисков продолжаетс  на прот жении все5 го цикла взбивани . Согласно расчетным данным толщина сло  жидкости, через который воздух будет поступать из атмосферы при выбранных по конструктивным и технологическим соображени м скорост х рабочего органа, составл ет 0,05 и 0,1 м. Исход 

из этого, диски установлены по вертикали с шагом, равным толщине сло  жидкости h, способствующей образованию искусственной кавитации. В результате этого при любом уровне массы будут задействованы те или иные кавитационные диски.

Дл  взбивани  масс более плотной консистенции прорыв воздуха в каверну из атмосферы через слой массы весьма затрудн етс , и представленна  на фиг. 2 конструкци  не обеспечит процесс насыщени  воздухом массы с использованием эффекта искусственной кавитации.

Исход  из изложенного, дл  использовани  эффекта искусственной кавитации дл  взбивани  масс более плотной консистенции предлагаетс  конструкци  носителей кавитационных дисков, представленна  на фиг. 3. Носитель 4 выполнен полым, причем на одной его стенке по всей максималь- ной высоте взбиваемой массы расположены диски 3, неподвижно закрепленные на кронштейнах 5 с шагом h. В зонах образовани  кавитационных каверн в стенке носител  ft -имеютс  отверсти  6. Поступление воздуха из атмосферы в кавитационные каверны осуществл етс  через полый носитель 4 и отверсти  6. В остальном процесс искусственной кавитации протекает так же, как и в представленной на фиг. 2 конструк- ции.

Однако заполненные воздухом из атмосферы каверны стрем тс  к всплытию.

Процесс всплывани  каверн с воздухом будет преп тствовать процессу интенсивного насыщени  массы воздухом, т.к всплывшие каверны унос т воздух из массы в атмосферу , тогда как в процессе взбивани  необходимо воздух оставить в массе. Дл  осуществлени  этого в конструкцию венчика 2 введены вертикальные перегородки 8 и перемещающее приспособление, например радиально установленные лопасти 9, расположенные под определенным углом атаки к вертикальной и горизонтальной плоскост м . Благодар  такому расположению лопастей 9 масса в процессе взбивани  посто нно рециркулирует в емкости таким образом, как это показано стрелками на фиг. 1 и 7. Вследствие этой рециркул ции порции взбиваемой массы, насыщенные атмосферным воздухом, направл ютс  через толщи массы и аэрируют ее. По окончании цикла взбивани  венчик 2 отсоедин етс  от ведущего вала 14, вынимаетс  из емкости, после чего взбита  масса извлекаетс  из емкости и направл етс  на дальнейшие технологические операции.

(56) Драгилев А.И. и др. Взбивальна  машина МВ-35. Устройство и эксплуатаци  обору- довани  предпри тий пищевой промышленности. М,: ВО Агропромиздат, 1988, с. 148-150.

Авторское свидетельство СССР № 1443951, кл. В 01 F 7/16, 1987.

Claims (3)

1. КАВИТАЦИОННЫЙ ВЗБИВАТЕЛЬ, содержащий емкость, установленный на приводном валу рабочий орган с закрепленными по его периферии на носител х кавитационными элементами, отличающийс  тем, что рабочий орган выполнен в виде венчика замкнутого контура с перегородками , установленными внутри венчика симметрично относительно оси его вращени , при этом носители кавитационных элементов расположены вертикально с внешней стороны перегородок, а закреплены кавитационные элементы на носите35

л х по высоте на равном рассто нии от друг друга.

2.Взбиватель по п.1, отличающийс  тем, что носители кавитационных элементов выполнены полыми и снабжены отверсти ми , расположенными со стороны, противоположной кавитэционным элементам , и соосно с ним, при этом верхние концы носителей открыты дл  сообщени  с атмосферным воздухом.

3.Взбиватель по п.1, отличающийс  тем, что между перегородками установлены по высоте лопасти дл  циркул ции взбиваемой массы.

(рг/г2

В-В

17

/s

Фиг 5

/$

Г-,Г

.

/jf

/

16

Фиг. 6