高压均质机构质理论的分析探讨.pdf

各 冷披 速 藤 食每善 霉 曲呶 摘 要 以斜座 阀为例 应 用半经验半理论 的方法分析 探讨 了高压 均质机 的均 质 理论 提 出 了均质 阀流 体计算 力学模 型的建立方 法 分析 了均质 阀 中流体的流动特性 压 力变化 和均质 效果 关 键 词 童 堡 望 堕 垫 望 堕 望 笪 丝 选 堡 垒 干 g f 一 一 I f 0 o前 言 功 b 乏 考 勾 食 品加工 中经常需要对流体食 品进行均质处理 均 质被视为食 品加工工 艺 中的重 要 环节 均 质 机是食 品 J n Ti 中的关键设 备 均质效 果的好坏直接影 响到产品质 量 目前 国内对均质机 的研 究局 限于 实验研究 仅对 某 种结构均质 阀的均质效 果进行验证与 分析 或是 选择结 构参数 实验研 究的局 限性 使这 种分 析 不够 全面 高 压均质机 是 目前 食 品加工 中广 泛 使 用 的一种 均 质 机 作者结 合近期国外对高压均 质机 的理论研 究工 作 应用 半经验半 理论 的方法 分析 探讨 了高压均 质机的均质理 论 1 高压均 质 机 的结 构 及 工 作原 理 高压均质机 由高 压泵和均质 阀两 部分组 成 高压泵 通常采用三柱塞往复 泵 其结构 与一般柱塞泵 相同 均 质 阀安装在柱塞泵 的排 出管路上 一般 由阀芯和 阀座 构 成 阀芯和 阀座 的结 构形 式对 均 质效 果 能耗 以及 阀 的 磨损影响极大 国外对均 质阀的结构进行 了大量研 究 设计 出许 多不同结构的均 质阀 研 究主要 围绕如何提高 均 质效果 以及提 高阀的使用寿命 图 1 4为 4种不同 结构的均质 阀 I 图 1 平座 阀 图 2 斜 座 阀 图 3边 缘型 阀 图 4 带 喷 嘴 湍流 室 目前 有 关均 质 机 的均 质 作 用 机理 主 要有 3种 理 论 剪 切 理 论 撞 击 理 论 和 空 穴 理 论 这 3种 作 用 机 理 可 同时存在于 某种结构 的均 质阀中 但也可通过 阀的结 构设计 使其 中的某一 机理 起 主 要 作用 虽 然空穴 的产 生可起 到均质 的作用 但 空 穴也 能 引起 汽蚀 从而 产生 振动 使 阀体 发 出较 大 的噪 音 而 汽蚀 现象 是均 质 阀磨 损 的主要 原 因 因此 现代 均 质 阀 的结构 设 计 主要依据 剪切和撞击 两种理 论 尽量 抑 制和 减 少 空穴 从 而使 所 设计 的阀体 结构能产 生 足够 的液体 剪切 作 用和撞 击 作 用 2流体 在 均 质 阀 处 的 流 动特 性 2 1 均质 阀的流体 计算 力学模型 均 质阀虽仅有 阀芯和 阀座两个主 要部件 但其结构 形式变 化多样 且 现今对 阀的结构设计 趋 向复杂 化 为 便于应用 流体力学进行 理论分析 与计算 将均质 阀阀 口 处简化为具 有等 效流道 的流体 力学 模 型 现 以图 5 a 斜座阀为例进行 分析 斜 座阀 阀 口处 等效流道共 有 4个 等效直径 分别为 截 面 1 2 3 4处 的 l 2 3 4 它 们 按 水 力 直 径 来 确 定 w 式 中 A 过 流截 面积 s 湿 润周 边长度 一 17一 维普资讯 冷饮 速冻食 善 9 9 设 j 备 一 b d3 d2 dl d3 d2 图 5 斜 座 阀流 道模 型 按公 式确定的等效直径 为 d1 ds d2 d 一 d d 3 2 d4 2 d 6 s i n 0 h d 一 6 s i n0 c os O 旦 等效流道的长度为 l Z 1 Z 2 3 其 中 z z 6一 z c o t 0 z z t 一 6 1 D 一 d 3 2 s i n0 等 效 流道 中 的 扩 散 角 a可 由下 式 确 定 1 d4一 d 3 t 2 Z 1 一 图 5 b 流道 模 型是 在 d 3 d 2或 d 3 d 2的情形下 还 可获得斜座 阀的另外两种流 道模型 见图 5 c 和 d 至 此 流 道 模型 的 8个特 征 参数均可确定 它们是 阀芯 和阀座结构参 数 d D d 0 z z 及阀芯开启量 6的函数 流体在均质 阀 口处 的 流动特性 取决于流道的结构 形式和尺寸参 数 2 2流动特性 食 品流 体在均质 阀处的流 动特性 主要是流经均 质 阀 口处 的流速变 化和压 力变化 的特性 由于均质 阀的流道通 常很短 在应 用实际流体 的柏 努利方程式 时 可不考 虑重 力势 能的变 化 图 5 b 流道 模型的流体柏努 利方程式 为 Pl P2 h l 一 2 2 2 D D l 等 竽 一 孚 一 流 体 的 连 续 性 方程 式 为 Q Al l A 2 V 2 A 3 V 3 A4 W 4 式 中 P 液体 密度 Pl P 2 P 3 P 4 分 别 为 截 面 1 2 3 4处 的 流体 压 力 l 2 3 4 分 别 为截 面 1 2 3 4处 的 流体 速 度 Al A2 A 3 A4 分别为 截面 1 2 3 4处的过流 面 积 h l 一 2 h 3 h 卜4 能 量 损 失 其 中 A1 d A 2 丌 一 A 3 nd 6 s i n0 A 4 丌D 6 s i n0 能量 损失 h 包 括流道沿 程摩擦 损失和局部压 力损 失所 引起 的能量损失 由于均质 阀流道很短 阀芯 和阀 座上流道表 面光洁度 好 粗 糙度 很 小 故 由沿 程峰 擦 引 起的能量 损 失 相 对 较 小 故 可 忽 略 该 项 的 影 响 图 5 b 流 道 经 历 了两 次 突 然 收 缩 和 一 次 逐 渐 扩 大 其 h 卜 4 为 hs 1 4 h 1 2 h 2 3 h 3 4 譬 譬 譬 其 中 0 5 1 一 d2 0 5 1一 d 3 一 18一 3 二 宝 盟 a 4 5 a 45 r了 T 町丌l 鬟 厂i 维普资讯 设 一备 冷饺 速 冻食 品 业j 9 9 9 1 图 5 c 流 道 经 历 了 一 次 突 然 收 缩 一 次 突 然 扩 大 和 一次逐渐扩大 其 一 4 为 7 s 1 4 1 2 3 其 中 图 5 d 流 道 经 历 了 一 次 突 然 收 缩 和 一 次 逐 渐 扩 大 其 一 4 为 s l 4 h 1 孚 譬 1 2 1 1 2 3 由柏努利方程式 和连续性方程式 联立求解 可确定 流道 各 截 面 2 3 4处 的 压 力 P 2 P 3 P 4 而 P1 是 流 体 的 进 口压力 均质机 实验 和操作 时控 制 的压力即 为 P 而 P 2 P 3 P 4 分 别 为 z 10 1 10 户 s P 筹 1 P 吉 10 1 H 10 阀 口 处 的压 力 变 化 如 图 6所 示 均质时食 品流体 在均质 阀处的流动状态 可 由在等 效流道 中流体流动 的雷诺 数 R 来确 定 等 效流 道 中各 段 的 R e值 为 pl p p p pl p p 1 2 3 4 5 R c b C 图 6流道 内的压 力 变化 R U R z 一 c c 式 中 食 品流体 的动力 粘度 3阀 芯 的 受 力分 析 与 计 算 实 际 操 作 和 实 验 研 究 时 一 般 取 均 质 压 力 作 为控 制 参数 当均 质阀结构 确 定后 均 质压力 的大 小 主要 反 映 阀的 间隙大小 现取 阀芯作 为研 究对象 当忽略 阀芯 重 力并且不考虑 流体卡 紧阻力 的影响 阀芯上共作用 r 5种力 流 动力 F 弹簧 力 FK 阀芯 上侧 压力 F 4 阀 芯下 的侧压力 F 阀芯 斜 面压 力 F 见 图 7 阀芯 的 力 平 衡 方 程 式 为 图 7阀芯 受 力 F 十 Fp Fp l Fp 2 截 面 4处的流量 Q 可用 下式进行计算 一 1 9一 Q c A 吾 一 C n D s 6 s i n 0 J 言 户 1 一 4 式 中 C 流 量 系 数 C 0 7 7 0 8 0 液 动 力 F p Q4 W 4 c o s 0 一 o v 4 C n D s n c s 0 言 户 l 2 下转第 2 8页 2 1J l 一 2 3 rL 2 3 5 4 2 维普资讯 因 为 Po p A 整 理 得 A K2 K K2 1 9 2 1 K 1 9 2I 若温度保持一定 食品的组成与状态不变 食品中l 干物质的含量不变 食品的含水量变化范围很小 水与I 非水组分之间的结合状态保持不变 且食品中的水分l 含量远大于单层结合水含量 此时 K 2 K及 r n l 就为常l 数 A 和 1 m之间呈线性关系 在温度恒定下适当改J 变食品的含水量 可由实验求出 r n 减压干燥法 和 A l 扩散法 作出 A 1 m图 在 A 值较高的范围内 l A 一1 m曲线变化很平缓 在该曲线段上选取食品原f 来所处的点 1 m 食 A 作切线 求 出该切线的斜率l 即为K 2 r n l K值 切线在纵坐标轴上的截距即为K 2 K l 值 据此即可求出该食品的单分子层结合水的含量 m l 一 斜率 截距 l 用此法求出每克天然大米淀粉的单分子层结合水l 的含量为 0 0 6 6g 1 l 参考文献l 1 美国食品焙烤学院编 食品科学与工艺学简明教程 中册 无锡轻工业l 学院培训部与食品教研室译 北京 中国轻工业出版社 1 9 9 0 8 9l 2菲尼玛 0 R 著 食 品化学 王璋等 译 北 京 中国轻工业 出版社 I 3刘邻渭 水活性与温度和水活性 与单层结合水含量的关系 食品科学 1 I 上接 第 1 9页 弹簧力 F K K S o 艿 式 中 K 弹簧刚 度 S 0 弹簧预变形 量 阀 芯 下 侧 压 力 Fp l Pli 17 d 阀芯斜 面压力 在 P 3 P 间变化 取 其平均值 F p 3 i1 声 3 P 4 丢 兀 D 2 一 d s in O F p 4 P 4 吉 7 D s 将以上 各 力代 入 阀芯 平衡 方 程 式 再 将 P 3 P 计 算 公式代入后 就 可得 到均质 阀的均 质压 力 P 与 阀芯 开 启 量 8间 的 函 数 关 系 式 这 样 一 旦 测 得 均 质 压 力 P1 就 可测算 出阀芯 开启量 从而流体 在流道 中的流 动状态 便 可确 定 参 考文 献 l Ro v i n s k yL A Th ea n a l y s i sa ndc a l c u l a t i o noft h ee f f i c i e nc yo fah o mo g e n i z ing JFo o dEn g i ne e r i n g 1 9 9 4 2 3 2 Mo h rK H High Pr e s s ur eh o mo g e n i z in g p a r t I l i qu id l i q uidd i s p e r s i o n i nt u r b u l e n c ef i e l d s o f h i g he n e r g yd e n s i t y JF o o dE n g i n e e r i n g 1 9 8 7 6 3 3Moh rK H High Pr e s s u r eh o mo g e niz i n gp a r t Th ei n f l u e n c eo fc a v i t a t iononl i q uid l i q uid d i s pe r s i o n i n t u r b u l e n c ef i e l d sofh i ghe n e r gyd e n s i t y JF o o dE n g i n e e r i n g 1 9 8 7 6 4 4宋鸿 尧 液压 阀设 计 与计算 北京 机 械工 业 出版社 1 9 8 2 5潘文 金 工 程 流体 力学 北京 清 华大 学 出版社 1 9 8 6 特 种 粮食 冰 淇 淋渐 成 新宠 从 夏 季硝 烟 弥 漫 的 冷 饮 大 战 中便 可 感知 冷 食 在 我 国居 民食 品 消 费 中 的份 量 和 比 重 但 大 多 冰 淇 淋 制 品 采 用 高 脂肪 高热 量 高胆 固醇 的 原辅 料 长 期 食 用 对 健 康 极 为 不 利 中 国农 科 院 两 位 专 家张 涛 徐 新 宇 在近 日召 开 的 全 国首 届 绿 色食 品 新 闻 推 广 与 市场 营 销 研 讨 会 上 提 出 了开 发 特 种粮 食 冰 淇 淋 的 观 点 特种粮食是指通过 生物性状 与生化指标对粮食 的加 工特 性 成分 组 成 营养均衡 有效 生理物 质 等综 合指标进 行评价后优选 出的作物 品种 它基本的品质评价指标就 是被 称为营 养素 的蛋 白质 脂肪 碳 水化 合物 维 生素 等 利 用它 制 作 的 冰 淇 淋 既 可 保 持 人 们 喜 爱 的 风 味 和 口感 又能 降 低 传 统 奶 制 冰 淇 淋 的 三 高 成 分 和 生 产 成 本 并 能 粗 粮 细制 改善适 口性 促使 少年儿童摄取 谷物 补充维生 素和纤维素 故称 为 健康冷 食 两位 专 家就 开发 出的紫黑香米冰淇淋 小米冰淇淋 玉米冰 淇