Пристрій для термообробки рідких харчових продуктів і нагрівання води

Изобретение относится к устройствам для стерилизации и пастеризации жидких пищевых продуктов, в том числе жидких молочных продуктов, а также может быть использовано для паї рева технической и питьевой воды. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для тепловой обработки жидких продуктов, включающее корпус, в котором размещен закрепленный на валу электродвигателя ротор. Привод ротора осуществляется через муфту электродвигателя. Ротор выполнен в виде чаши с расположенными на ее периферической части лопатками, имеющими форму сектора и крышка корпуса снабжена аналогичными лопатками, образующими кольцевую полость. Патрубки подвода и отвода продукта связаны с полостями [1]. Недостатками известного устройства является низкая производительность, большие габариты, повышенное потребление электроэнергии и необходимость предварительного нагрева обрабатываемого продукта. Наличие в данном устройстве специального насоса для подачи продукта через теплообменник значительно снижает его производительность, делает устройство громоздким и неудобным в эксплуатации. Низкая производительность является также следствием того, что обрабатываемый продукт попадает не сразу в зону его обработки, а на центральную часть ротора, и только потом через кольцевой зазор на лопатки. Привод ротора устройства от электродвигателя осуществляется через муфту, что также усложняет конструкцию и снижает ее надежность в эксплуатации. Конструктивное решение данного устройства предполагает предварительный нагрев продукта в теплообменнике, что предопределено конструкцией ротора, выполненного в виде чаши с расположенными на ее периферической части лопатками, системой подачи продукта в зону обработки и величиной зазора между лопатками ротора и корпуса. Данная конструкция не в полной мере использует эффект Феттингера, т.к. нагревание обрабатываемого продукта осуществляется только в результате непосредственного пересечения потока лопатками и трения жидкости о стенки ротора и крышки корпуса. Поэтому без ! предварительного нагрева, получаемый на выходе продукт не будет соответствова ть необходимому качеству. Предварительный нагрев, являясь эксплуатационным недостатком данного устройства, предопределяет также повышенное потребление электроэнергии. Задачей предлагаемого устройства является повышение производительности, уменьшение габаритов сокращение потребления электроэнергии путем введения конструктивных элементов, создающих такую систему циркуляции продукта, которая обеспечивает его движение и нагрев без применения дополнительных устройств. Устройство состоит из корпуса, закрепленного на фланце электродвигателя, ротора, имеющего с обоих торцевых сторон профилированные ковшеобразные ячейки, и неподвижных крышек, имеющих аналогичные ячейки. Ковшеобразные ячейки ротора имеют подводящие жидкость каналы. Отвод жидкости осуществляется через отверстие в корпусе. За счет такого выполнения повышается производительность, так как подвод продукта осуществляется сразу во все ячейки при помощи каналов, соединяющих и х с патр убком подвода. Более полно используется эффект Феттингера. т.к. продукт совершает сложное движение: закручивается по спирали в сферах ячеек и одновременно пересекается встречными полостями неподвижных крышек. Указанное в свою очередь приводит к снижению энергоемкости. Для стабилизации процесса во времени в роторе имеются каналы для отвода накапливающейся газовой фазы. Компактность конструкции достигается исключением предварительного нагрева жидкости, а следовательно исключением дополнительного нагревательного устройства и теплообменника. Снижение габаритов устройства также достигается за счет использования осевого насоса, размещенного в роторе, который служит для обеспечения самовсасывания и предотвращения кавитации при высоких температурах. Закрепление ротора непосредственно на фланце электродвигателя исключает необходимость использования муфты, что упрощает конструкцию. При наличии возможности подвода жидкости при необходимом избыточном давлении осевой насос и система использования отвода газовой фазы могут о тсутствовать. На чертеже показана конструкция предлагаемого устройства, общий вид. Устройство состоит из следующи х основных деталей: корпуса 1, вала 2 с осевым насосом 3, ротора 4, передней 5 и задней 6 крышек, кольца 7, уплотнительного узла 8, входного 9 и вы ходного 10 патрубков. Корпус 1 закреплен на фланце 11 электродвигателя и является основным несущим элементом конструкции. На конец вала электродвигателя 12 насажен вал 2 устройства и закреплен при помощи резьбового хвостовика осевого насоса 3. Вал 2 имеет цилиндрическое со шпонкой посадочное место для ротора 4, закрепленного на валу гайкой 13. Носок вала выполнен полым с целью подвода жидкости к ротору через отверстия в посадочном месте вала. Внутри корпуса расположены задняя крышка 6, кольцо 7 и передняя крышка 5, образующие рабочую проточную камеру устройства. Уплотнение камеры обеспечивается резиновыми кольцами 14 крышек, графитовым уплотни тельным узлом 8, установленным со стороны задней крышки и резиновыми кольцами 15 и 16 патрубков. Передняя крышка крепится к корпусу винтами и создает необходимый натяг на уплотнительных кольцах 14 между кольцом 7 и крышками. Ширина кольца 7 больше ширины ротора для обеспечения оптимальных торцевых зазоров между ротором и крышками. Кольцо 7 является не только дистанционным распорным элементом, но и эффективной тепловой защитой корпуса 1. Ротор 4 с торцов, обращенных к крышкам, имеет ковшеобразные ячейки, в которые подводится жидкость через каналы 17, расположенные над отверстиями вала в месте посадки ротора. На торцевых поверхностях ротора между ячейками имеется система каналов 18, параллельных оси вала, соединенных с радиальными каналами в средней части ротора, выходящими на его наружную цилиндрическую поверхность. Через эту систему каналов отводится газовая фаза жидкости, образующаяся при рабочей температуре, близкой к точке кипения. Внутренние поверхности крышек со стороны ротора также имеют ковшеобразные ячейки, образующие неподвижные полости, в отличие от подвижных полостей ротора. Для защиты электродвигателя от попадания влаги при потере работоспособности уплотнительного узла в корпусе сделаны дренажные окна и на вал электродвигателя установлен отражатель 19. Работа устройства заключается в следующем. Устройство является нагревателем и одновременно насосом в технологической цепи пастеризации или нагрева воды. Его действие основано на принципе Феттингера преобразования механической энергии, подведенной к ротору, в энергию вихревого движения жидкости. Жидкость, поступающая через входной патрубок 9 во внутреннюю полость вала, центральную расточку ротора, через каналы 17 подается в ячейки ротора 4. При вращении ротора жидкость, заполнившая его ячейки, в переносном движении совершает вращение вместе с ним, а в относительном движении - от центра к периферии, повторяя контур ячейки. Поток жидкости, возникший в подвижных ячейках ротора, с большой скоростью покидает их и попадает в неподвижные ячейки крышек 5 и 6. На перерезывание вихревых потоков жидкости затрачивается основная энергия, подведенная к валу агрегата. Стекающая жидкость из ячеек крышек 5 и 0 поступает в ячейки ротора 4, смешиваясь с вновь поступающей через каналы ротора жидкостью (приход новой жидкости равен расходу устройства). Возникает мощное циркуляционное течение, расход которого существенно превышает расход (производительность) устройства. Поглощенная жидкостью энергия вращения ротора превращается в тепло. Температура ее при постоянстве подведенной энергии определяется соотношением циркуляционного расхода и производительности агрегата (т.е. соотношением "внутреннего" и "внешнего" расходов). При нагреве до высоких температур в зонах пониженного давления начинается парообразование. Пары жидкости скапливаются в центральной части ротора и могут оголить часть объема ячеек и блокировать входные каналы. Произойдет срыв работы агрегата. Для предотвращения этого явления применена система отводящих каналов 18, обеспечивающих эвакуацию газовой фазы на периферию ротора, а также подключенный осевой насос, создающий повышение давления в проточной полости. Осевой насос расположен в полости вала и крепится при помощи резьбового хвостовика, вворачиваемого в тело вала. Установка осевого насоса, кроме того, позволяет работать в режиме самовсасывания. Устройство аналогично гидродинамической муфте, работающей в гидротормозном режиме и является гидродинамической вихревой машиной. Оно аналогично в какой-то мере также и вихревому насосу и может развивать напоры (по сравнению с другими лопастными гидромашинами). Поэтому в технологической цепи пастеризации или теплоснабжения предусматривать насос не требуется. Необходимо отметить, что выносной насос аналогичной производительности работал бы с более высоким КПД, чем встроенный, присущий самой схеме роторного устройства. Но все несовершенства "встроенного" насоса все равно идут на пользу нагревают жидкость. Все потери в обычном понимании - трение в уплотнительном узле, низкий КПД осевого насоса и др. в данном случае таковыми не являются, т.к. в конечном счете переходят в тепло, которое и должен вырабатывать агрегат Безусловными потерями являются потери тепла в окружающую среду, но с ними легко бороться: материалы, контактирующие с продуктами могут быть выполнены из пластмассы с низкой теплопроводностью, кольцо 7 отделено от корпуса 1 воздушной прослойкой, корпус 1 подогревается теплом электродвигателя (т.е. даже потери в электродвигателе работают на КПД данного устройства). Значительное превышение циркуляционного потока над расходом устройства позволяет получитыеплообменный аппарат с высокими удельно-габаритными характеристиками. В устройстве отсутствует перепад температуры стенка-жидкость (он даже отрицателен). Нагрев идет за счет вн утреннего преимущественно вихревого трения жидкости.