Сравнение пищевых насосов для перекачки молока и вязких жидкостей

В молочной промышленности транспортировка сырья, ингредиентов и готовой продукции имеет большое значение. Для решения проблемы используются молочные насосы. Они могут быть разной конструкции, в зависимости от того, какую рабочую среду и в каких условиях надо перекачивать. Для изготовления большого ассортимента продуктов, применяются вязкие жидкости. К ним относятся сметана, мед, сиропы, майонез, растительные масла, шоколад, жир и многие другие. Их перемещение выполняется насосами, которые могут работать с подобными веществами.

Вязкость и типы жидкостей

Понятие вязкости

Вязкость жидкости или внутреннее трение – это свойство вещества сопротивляться перемещению его слоев один относительно другого. Простейший пример – помешивание сиропа или растительного масла лопаткой. Чем более густой материал, тем больше сил надо прикладывать, тем большую работу придется выполнить.

Явление вязкости объясняется межмолекулярными силами. Движущиеся частицы воздействуют друг на друга силовыми полями, импульсы переносятся между слоями вещества, в результате чего скорости слоев жидкости стремятся к выравниванию, т.е. к достижению усредненных значений. В итоге, те слои, на которые воздействовала перемешивающая лопатка (она работала на увеличение их скорости), стараются замедлиться. А те, которые рядом с ними – получают импульсы и ускоряются. Для более точного описания процесса, используется молекулярная теория трения.

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметр. Понятие, обратное вязкости – текучесть.

Насосами для вязких жидкостей считаются агрегаты, способные перекачивать рабочую среду с параметром вязкости до 1 000 000 сСт. В отдельных случаях, можно использовать установки с более низкими характеристиками, если это подходит для конкретных транспортируемых веществ.

Различают кинематическую и динамическую вязкость. Первая обычно указывается в паспортных данных, в разделе «Характеристики жидкости». Вторая больше применяется в исследованиях, инженерных расчетах и т.п.

Единицы измерения. Перевод величин

Кинематическую вязкость измеряют в квадратных сантиметрах за секунду или Стоксах.

1 кв. см. / сек = 1 Ст;

1 кв.см. / сек = 0,0001 кв. м. / сек

На практике часто пользуются сантистоксами: 1 Ст = 100 сСт

Динамическая вязкость измеряется в Пуазах (г / (см*сек)) или Паскалях на секунду (кг / (м*сек).

1 Па * с = 10 Пуаз = 1000 сантиПуаз (сП)

Для перевода динамической вязкости (ƞ) в кинематическую (ν), пользуются формулой:

ν = ƞ / ρ

где ρ – плотность. Например, для патоки плотностью 1,48 кг / куб. дм. при 18 град С динамическая вязкость составляет 888 Пуаз. Кинематическая: 888 / 1,48 = 600 Ст или 60 000 сСт. Для оливкового масла (ρ = 914 кг / куб. м. = 0,914 кг / куб. дм.) ƞ = 80,8 мПа*с, ν = 80,8 / 0,915 = 88,4 кв. мм. / сек.

Нормативные документы

Стандарт по техническим требованиям к вискозиметрам – ГОСТ 29226-91. Значения вязкости и технологий ее измерения приводится в ГОСТах на соответствующие готовые продукты. Например, по сгущенным молочным консервам: ГОСТ 27709-2015, ГОСТ 31688-2012 п. 5.1.3. табл. 2 и т.п.

Типы жидкостей

Вязкость жидкости, а также ее поведение при механических воздействиях или с течением времени, в немалой степени зависят от типа вещества.

Ньютоновские

Все жидкости делятся на две группы: ньютоновские и неньютоновские. В первую категорию входят вещества, вязкость которых не зависит от изменения параметров сил воздействия: механического давления или перемешивания. Если рабочий орган насоса (винт, шестеренка и т.п.) начнет вращаться с повышенной скоростью, подача пропорционально увеличится. В данную группу входят: вода, сиропы, смолы, углеводороды, минеральные масла.

Неньютоновские

В эту группу входят жидкости, вязкость которых зависит (нередко – в значительной степени) от скорости деформации, т.е., от величины и силы воздействия. По характеру зависимости, различают дилатантные вещества и псевдопластики.

Псевдопластики

По мере того, как скорость деформации жидкости растет (т.е., напряжение сдвига увеличивается), вязкость псевдопластиков снижается. В пищевой промышленности типичным образцом такого вещества является кетчуп. Если пластиковую бутылку с этим продуктом взять в руки и сильно сжать, то произойдет следующее. Кетчуп, изначально бывший густым, наподобие меда, вдруг резко теряет свою вязкость и начинает течь, почти как минеральная вода. Благодаря такому свойству, он без проблем выдавливается из банки, зато на тарелке сохраняет форму, не растекаясь во все стороны.

Дилатантные

К дилатантным относят жидкости, вязкость которых повышается, если растет скорость деформации сдвига. Характерной особенностью таких веществ является наличие плотно размещенных частичек, пространство между которыми заполняет жидкость. При такой внутренней структуре, если сила воздействия на материал небольшая (и скорость относительного сдвига слоев, соответственно, низкая), жидкость работает в качестве смазки. Дилатантное вещество ведет себя как текучее тело. Если же усилие возрастает (и скорости относительного сдвига тоже увеличиваются), то твердые частички перемещаются и между ними, как и в предыдущем случае, возникают пустоты, но жидкость уже не успевает их заполнять. Из-за этого трение между частичками растет, вязкость увеличивается. Пример – смесь кукурузного крахмала с водой. Если по ее поверхности ударить, она ведет себя «неестественно».

Тиксотропные и реопексные

Отдельные группы неньютоновских жидкостей составляют тиксотропные и реопексные. В первом случае, если к жидкости приложить постоянное напряжение сдвига, то ее вязкость, с течением времени, будет понижаться. Если такую жидкость помешивать лопаткой с постоянным усилием, она становится все более текучей. В состоянии покоя, наблюдается сгущение материала. К таким веществам относятся некоторые пасты, гели, суспензии. Реопексные жидкости по свойствам вязкости противоположны тиксотропным. Они при перемешивании твердеют.

Типы насосов, устройство, достоинства и недостатки

Ниже перечислены распространенные на производстве виды насосов, с помощью которых перекачиваются жидкости с повышенной вязкостью. Для правильного выбора, надо знать не только их характеристики, но также достоинства и недостатки.

Винтовые

Самые популярные молочные насосы для вязких жидкостей – винтовые (рис. 1). Для перекачки рабочей среды в них имеется пара «ротор – статор». Первый металлический, сделан в форме винта (рис. 2). Второй представляет собой эластомерную обойму с внутренней поверхностью, соответствующей по форме ротору, но сдвинутой на один шаг. Благодаря этому, между ротором и статором образуется ряд герметичных полостей. Во время вращения, жидкость в них засасывается и перемещается к выходу. Для малотекучих сред предусмотрены варианты с загрузочной воронкой.

Винтовые насосы могут работать со средами вязкостью до 1 000 000 сСт. Многоступенчатые модели выдерживают давление до 48 бар. Они являются самовсасывающими, с низким энергопотреблением и равномерной подачей. Очень надежные, с низким уровнем шума. Могут транспортировать жидкости с твердыми включениями размером до 50 мм, которые во время движения не разрушаются. А также – с неоднородными либо мультифазными средами, с газовыми компонентами и даже с воздушными пробками. Есть возможность реверсного включения. Производительность регулируется, поэтому винтовые насосы можно использовать в качестве дозировочных.

С другой стороны, насосы данного типа тяжелые и громоздкие. Они не «любят» сухой ход. Стоимость агрегата и запасных частей – выше средней. КПД не слишком высокий (от 50 до 70%).

Вариантом винтовых насосов являются бочковые. Они работают с жидкостями вязкостью от 5000 сПз.

Шестеренные

Шестеренчатые (шестеренные) насосы (рис. 3) по распространенности находятся приблизительно на одном уровне с винтовыми. Они имеют простую конструкцию. Рабочим органом являются две расположенные в герметичном корпусе шестерни – ведущая, соединенная с приводом, и ведомая. Они захватывают рабочую среду в пространствах между зубцами, проводят ее вдоль стен корпуса и выталкивают под давлением в напорный трубопровод. Конструктивно такие аппараты делятся на два вида: с внешним или внутренним зацеплением.

Шестеренные насосы могут работать со средой большой вязкости. Притом, возможности агрегатов с внутренним зацеплением в этом плане выше, чем с внешним (1 000 000 сСт против 100 000 сСт). Установки рассчитаны на довольно высокое давление жидкости, создают значительный напор на выходе, без пульсаций. КПД высокий (от 90%), все модели самовсасывающие, уровень шума незначительный. Могут использоваться в качестве дозировочных. Некоторые способны работать в реверсном режиме.

При выборе насоса, важно помнить, что нагрев рабочей среды выше нормы не допускается, т.к. из-за уменьшения и так минимальных зазоров возможен повышенный износ, вплоть до заклинивания. Аппараты не могут долго работать «насухо». Рабочая среда не может содержать твердые включения. Модели с внешним зацеплением не приспособлены для жидкостей с малой вязкостью, а с внутренним – имеют ограничения по давлению (20-30 бар против 250-300 бар для внешних).

Вязкость рабочей среды для шестеренного насоса может доходить до 30 Па*с. Но рост данного параметра снижает подачу, повышает потребление мощности и величину гидропотерь на входе. В результате, может наблюдаться картина неполного залива пространств между зубцами шестерен. Из-за этого, существенно понизится объемный КПД, давление на выходе станет пульсирующим. Для устранения подобных явлений, рекомендуется снизить частоту вращения ведущего вала, понизить вязкость рабочей среды, сократить подачу.

Недостаточное заполнение карманов между зубьями становится причиной выдавливания жидкости в обратном направлении. В итоге может произойти гидроудар и сокращение количества рабочей среды из подающего трубопровода.

Роторные (кулачковые)

Для перекачки рабочей среды насос этого типа (рис. 4) оборудован парой роторов, с двумя или тремя кулачками (до шести) каждый. Между собой они не соприкасаются – зазор есть, но он минимальный. Принцип действия похож на работу шестеренного агрегата. При вращении, лопасти роторов отсекают небольшие объемы рабочей среды и транспортируют из от зоны всасывания к области нагнетания. Модели с двумя лепестками обеспечивают более щадящую перекачку жидкости, чем с тремя. Серповидная или винтовая форма кулачков – для увеличения возможностей всасывания.

Роторные насосы подходят для рабочей среды вязкостью до 1 000 000 сСт. С их помощью можно перекачивать даже малотекучие и плотные пастообразные материалы. У этих агрегатов высокий объемный КПД, который, как и производительность, изменяется в зависимости от консистенции жидкости. Это самовсасывающие агрегаты, очень надежные, с малой изнашиваемостью.

Среди основных недостатков – невозможность работать с жидкостями, которые содержат абразивные включения. Кулачковый насос боится гидроударов. Он дорогой, т.к. требует очень точного изготовления.

Перистальтические

В корпусе перистальтического насоса (рис. 5) есть гибкая трубка для рабочей среды и ролики (от 2-х до 8-ми шт.). Последние вращаются на поворотном устройстве, прижимая трубку к треку (плоской дугообразной поверхности, выполненной на внутренней части корпуса). Принцип работы заключается в том, что ролики «продавливают» жидкость по трубочному каналу, от входа к выходу.

Перистальтические насосы хороши тем, что позволяют перекачивать жидкости не только вязкие, но еще и с мягкими или твердыми включениями, размером до 40% диаметра трубки. Т.е., обеспечивается очень деликатная транспортировка. Это самовсасывающие аппараты, с возможностью «сухой» работы. Жидкость контактирует только с трубкой.

Основные недостатки подобных насосов заключаются в ограничениях по вязкости рабочей среды (от 20 000 до 70 000 сСт) и ее температуре (до 130 град С). Для малотекучих веществ они не годятся. КПД невысокий.

Мембранные

Мембранные насосы (рис. 6) можно причислить к агрегатам для вязких жидкостей только условно, т.к. они подходят для рабочей среды вязкостью не более 20 000 сСт. Если данный параметр будет выше, КПД таких устройств значительно понижается. Для малотекучих они не годятся совсем.

В указанном диапазоне вязкости мембранные насосы обладают значительными преимуществами. У них высокие показатели самовсасывания, они могут долго работать на «сухом» ходу. Если, при работающем насосе, будет перекрыт напорный трубопровод, агрегат не выйдет из строя.

Лучше всего применять мембранные насосы на предприятиях с действующими пневматическими магистралями.

Импеллерные

Насос данного вида оборудован гибкой крыльчаткой (рис. 7). Давление на выходе повышается за счет несимметричной формы внутреннего пространства корпуса. Напротив утолщения, лепестки импеллера сгибаются, выталкивая порции рабочей среды в напорный трубопровод.

Импеллерные насосы подходят для работы с вязкими (до 70 000 сСт) жидкостями, в т.ч. с довольно крупными твердыми включениями. Вещество транспортируется с сохранением структуры, без пульсаций и пенообразования. Допускается перекачка жидкостей с риском коагуляции. Конструкция самовсасывающая, с возможностью сухого запуска. Может работать в реверсном режиме, а также использоваться в качестве дозатора. Это сравнительно недорогой аппарат.

Недостатки следующие. Есть ограничения по максимальной температуре и типам рабочих сред, а также – по оборотам электромотора. Некоторые детали быстро изнашиваются. Долгая работа на холостом ходу не рекомендуется, можно «убить» импеллерное колесо.

Заключение

Насосы плохими не бывают. Слово «сравнение» в заголовке статьи применяется не в том смысле, что один лучше другого. Условия производства на разных предприятиях различные. В первую очередь – из-за обрабатываемого сырья. Сравнение молочных насосов для вязких жидкостей делается в плане изучения их характеристик, исходя из их преимуществ и недостатков – какой лучше подходит к принятой технологии.