Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи 10
1.1. Обобщенная структура микроволновой технологической установки.. 10
1.2. Анализ развития микроволновых технологий 13
1.3. Анализ состояния теоретических разработок 18
1.4. Существующие микроволновые технологические установки 21
1.5. Системы управления микроволновыми технологическими установками 27
1.6. Постановка задачи 33
Список литературы главы 1 35
Глава 2. Исследование процессов тепло- и массопереноса в условиях микроволнового вакуумного обезвоживания 39
Введение , 39
2.1. Анализ изменения мощности нагрева при микроволновом вакуумном обезвоживании 40
2.2. Разработка алгоритма процесса обезвоживания 49
2.3. Разработка математической модели 58
2.3.1. Описание объекта исследования и его физических характеристик 58
2.3.2. Характеристика воздействия , 60
2.3.3. Уравнение непрерывности 69
2.3.4. Уравнение теплопроводности 70
2.3.5. Нормировка уравнения непрерывности , 71
2.3.6. Нормировка уравнения теплопроводности 72
2.4. Результаты и выводы 73
2.4.1. Анализ кривой сушки 73
2.4.2. Анализ температуры поверхности вакуоли (клетки) на Ш участке кривой сушки 75
2.4.3. Анализ нагрева микроволновым полем на III участке кривой сушки 76
2.4.4. Интегральный анализ процесса испарения из пористого тела в вакууме 77
2.4.5. Основные результаты главы 2 79
Список литературы главы 2 81
Глава 3. Экспериментальное исследование 83
Введение 83
3.1. Блок управления МВУ «Муссон» 84
3.2. Программное обеспечение ПК 96
3.3. Результаты и выводы 101
Список литературы главы 3 103
Глава 4. Разработка установок . 104
Введение 104
4.1. Требования к технологическому режиму 104
4.2. Варианты построения микроволновых технологических установок .. 106
4.2.1. Вакуумная камера 107
4.2.2. Система рекуперации энергии 108
4.2.3. Система возбуждения 109
4.2.4. Вакуумные насосы, применяемые в технологических вакуумных установках 113
4.2.5. Вакуумная система 116
4.2.6. Система поддержания давления 119
4.3. Расчет и выбор отдельных элементов 120
4.3.1. Расчет и выбор насоса 120
4.3.2. Расчет системы охлаждения генераторов и блоков питания 124
4.4. Варианты реальных установок 127
4.5. Тестирование микроволновых технологических установок 131
Список литературы главы 4 133
Заключение 135
Приложения
- Анализ развития микроволновых технологий
- Описание объекта исследования и его физических характеристик
- Программное обеспечение ПК
- Варианты построения микроволновых технологических установок
Введение к работе
Актуальность работы. Начало развития технологий, базирующихся на эффектах воздействия микроволнового излучения на- различные вещества, относится к 1946 г, когда в условиях конверсии послевоенной радиотехнической промышленности в США были разработаны и выпущены на рынок первые бытовые микроволновые печи. В России работы в этой области, в- частности по исследованию нетеплового воздействия микроволнового излучения микроволнового излучения на биологические объекты, были начаты в середине 60-х гг. Однако вплоть до последнего времени отдельные малочисленные проекты по разработке микроволновых технологий для гражданского применения не были приоритетными для отечественной промышленности, ориентированной в основном на решение задач военно-промышленного комплекса.
Внедрение микроволновых технологий в практику сдерживалось, во-первых, отсутствием моделей процессов, протекающих при воздействии микроволнового излучения на различные вещества, следствием чего было отсутствие алгоритмов и автоматизированных систем управления, технологическим процессом, во-вторых, отсутствием методики проектирования микроволновых технологических установок,
С появлением дешевых источников микроволнового излучения - магнетронов и разработкой моделей микроволновых технологических процессов микроволновые технологии находят применение в таких приоритетных отраслях народного хозяйства, как пищевая, медицинская, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, в промышленности строительных материалов, в сельском хозяйстве, в горном деле и др. Появляются новые перспективные направления применения микроволновых технологий, в частности, по исследованию химического состава пищевых продуктов с целью определения содержания в них тяжелых металлов, в области микроволнового химического синтеза лекарственных средств широкого применения и их соединений, а так же в экологии — для очистки грунта от промышленных отходов. По результатам-8-ой Международной конференции по микроволновому и высокочастотному нагреву (8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating, Bayreuth, Germany, 2001г.) годовой рынок микроволновых технологических установок оценивается в более чем 500 миллионов долларов США.
Большую часть рынка применения микроволновых технологий составляют технологии, основанные на микроволновом нагреве, такие как нагрев, размораживание, обезвоживание. По сравнению с известными способами обезвоживания, основанными на нагреве продукта за счет конвекции, ик-излучения и т.п., процессы с применением микроволновой энергии обладают целым рядом принципиальных преимуществ:
Энергосбережение (микроволновый нагрев имеет высокий к.п.д. - не менее 70%, а также возможность использования вторичного тепла для сушки, тем самым, повышая общий к.п.д. процесса обезвоживания).
Температурный градиент направлен к поверхности, и таким образом температура внутри вещества больше, чем на поверхности, что создает
!
и)с национальная)
БИБЛИОТЕКА |
внутреннее избыточное давление и позволяет ускорить процесс обезвоживания.
Внешние слои не иссушаются полностью, поверхность - остается влаго проницаемой.
Нагрев воды< и- органического продукта происходит выборочно - он обусловлен большими диэлектрическими потерями воды по сравнению с высушиваемым продуктом.
Возможность сушки продуктов с низкой температурной проводимостью. -
Низкая инерционность нагрева и малое, точно прогнозируемое время технологического процесса позволяют создавать автоматизированные технологические комплексы.
Экологичность. процесса, заключающаяся в возможности утилизации всех продуктов технологического процесса.
Возможность обезвоживания веществ, окисляющихся при обычных способах сушки.
Из изложенного следует, что исследование, разработка и внедрение микроволновы технологий и, в частности, микроволнового обезвоживания безусловно актуально. Масштабы исследований и объемы финансирования разработок, связанных с гражданским применением микроволн, в последние годы, как в России так и за рубежом, непрерывно возрастают. Но разработка новых микроволновых технологий невозможна без построения модели процессов, протекающих при микроволновом обезвоживании, и построения принципов проектирования микроволновых промышленных установок.
Цели диссертационной работы:
Исследование возможности применения технологии микроволнового вакуумного низкотемпературного обезвоживания широкого класса сред с различными исходными характеристиками.
Разработка принципов проектирования микроволновых технологических установок на основе распределенного способа возбуждения рабочей микроволновой камеры от нескольких источников излучения.
Разработка и внедрение промышленных технологических установок широкого применения с автоматизированным управлением технологическим режимом на основе микропроцессора.
Для ч достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:
экспериментальное исследование и построение математической модели
процесса массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием
микроволнового излучения;
исследование и разработка устройств распределенного возбуждения рабочей
камеры от нескольких источников микроволнового излучения;
исследование и оптимизация влияния основных параметров технологического
процесса, обеспечивающих заданное качество конечного продукта при
сохранении его основных органолептических и полезных свойств;
разработка методов контроля и управления параметрами технологического
процесса для обеспечения требуемого качества продукта;
- разработка алгоритма управления технологическим режимом процесса микроволнового обезвоживания и реализация его на базе микроконтроллера.
Методы исследования
При выполнении работы были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Оценка точности разработанных моделей, алгоритмов и программ компьютерного моделирования процесса обезвоживания различных веществ проводилась путем сравнения с результатами экспериментальных исследований.
Новые научные результаты и новые научные положения, выносимые на
защиту
Научные результаты
1. Впервые на основе предложенных способов распределенного возбуждения
рабочей камеры предложены конструкции промышленных микроволновых
технологических установок, обеспечивающих эффективное сложение
мощностей от нескольких источников микроволнового излучения.
На основе предложенных методов контроля и управления параметрами технологического процесса предложен и реализован алгоритм автоматизированного управления процессом микроволнового вакуумного низкотемпературного обезвоживания.
Экспериментально показано, что для исключения перегрева продукта, приводящего к нарушению его химического состава (ухудшению его полезных биологических свойств) необходимо контролировать такой параметр технологического процесса, как удельная мощность, который рассчитывается как отношение суммарной микроволновой мощности от нескольких источников микроволнового излучения к массе оставшейся в продукте влаги, а не к общей массе продукта. Числовое значение этого параметра зависит от начальных свойств продукта.
Построена простая математическая модель процесса обезвоживания, анализ которой позволил прогнозировать степень уменьшения массы при заданном уровне мощности и начальной влажности, и тем самым исключить ее из числа параметров, контролируемых в течение процесса обезвоживания.
Экспериментально доказано, что разработанная математическая модель описывает обезвоживание продуктов с начальной влажностью до 80% с достаточной для практики точностью.
Экспериментально показано, что при микроволновом вакуумном обезвоживании до 95% испаренной влаги может быть утилизировано в виде бесцветного дистиллята с запахом продукта,
Показано, что для устранения взрывного характера кипения, приводящего к нарушению формы продукта, необходимо и достаточно изменять давление со скоростью 0,25-0,5 мм.рт.ст. в минуту. Это может быть достигнуто за счет управления температурой рабочей жидкости (воды) вакуумного насоса.
Разработаны и внедрены в различные отрасли народного хозяйства эффективные микроволновые технологические установки, обеспечивающие высокое качество
готового продукта и реализующие главные преимущества микроволновых технологий, такие как энергосбережение и экологическая чистота. Научные положения
1. Процесс обезвоживания на стадии удаления связанной влаги в микроволновых вакуумных установках необходимо вести по критерию допустимой удельной мощности, рассчитываемой как отношение микроволновой мощности к массе оставшейся в продукте влаги. Данный параметр для большинства сельскохозяйственных продуктов составляет 0.75-1.5 кВт/кг.
2. Ускоренный процесс обезвоживания продуктов с высокой начальной влажностью (выше 85%) объясняется эффектом бародиффузии.
Практическая ценность диссертации
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что их реализация позволила создавать промышленные микроволновые установки с мощностью микроволновых источников 5-25 кВт и производительностью до 250 кг в час, обеспечивающие обезвоживание широкого класса продуктов и веществ.
Часть результатов диссертационной работы использовались в рамках проводившихся на кафедре радиотехнической электроники СП6ТЭТУ «ЛЭТИ» хоздоговорных НИР: «Разработка микроволновых технологических установок и исследование процессов влаго- и теплопереноса в них» (1999-2000 гг.) и «Разработка программы повышения эффективности переработки и хранения сельскохозяйственного сырья в системе продовольственной безопасности населения Санкт-Петербурга на основе комплексного использования перспективных технологий обезвоживания для получения высококачественны пищевых продуктов нового поколения» (2002 г.).
Промышленные технологические установки серии «Муссон» были внедрены в мелкосерийное производство в ООО «Ингредиент» в 2000 г., где и производятся по настоящее время.
Разработанные установки прошли успешные испытания на соответствие требованиям шума, микроволновой и электрической безопасности, времени технологического процесса, качества продукции, что подтверждено результатами испытаний с привлечением специалистов Северо-Западной Государственной машиноиспытательной станции.
Разработанные микроволновые технологические установки внедрены в различные области народного хозяйства и успешно работают в городах Санкт-Петербурге, Москве, Петропавловске-Камчатском, Белгороде, в Красноярском крае и др. регионах Российской Федерации.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования и результаты, полученные в процессе работы над темой, были доложены и одобрены на следующих научных конференциях:
Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» в Санкт-Петербурге в 1998 г.
8th International Conference on Microwave and Hih Frequency Heating in Bayreuth, Germany,2001.
5 Разработанные установки неоднократно представлялись на выставках «Российский Фермер» в 1998-2002 гг. и имеют ряд наград и дипломов.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, из них - одна статья и тезисы к двум докладам на Международных Научно-Технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста. Работа содержит 59 рисунков и 5 таблиц.
Анализ развития микроволновых технологий
Обезвоживание пищевых продуктов - это процесс особенно важный для фруктов и овощей, которые содержат большое количество воды и, следовательно, их сохранение становится проблематичным. В последние годы большое внимание уделяется качеству пищевых продуктов и его изменению в процессе сушки. При испарении воды имеет место изменение физической структуры и такое явление как сжатие (усадка), которое в значительной степени определяет качество продукта. Говоря в целом, качество может характеризоваться цветом, структурой, вкусом, пористостью, плотностью и способностью продукта восстанавливаться при контакте с водой (регидратация) [1].
На протяжении последних десятилетий предпринимались серьёзные усилия, направленные на введение промышленного микроволнового оборудования в различные процессы, связанные с переработкой пищевых продуктов, такие как хлебопечение, размораживание, пастеризация, варка, нагрев и сушка. В большинстве случаев использование микроволновой энергии приводит к значительному сокращению времени обработки и, как следствие, к сокращению производственных мощностей, а также к лучшему качеству и увеличению продолжительности хранения конечных продуктов [2]. Сообщалось, что тепловая обработка образцов картофеля в микроволновой сушильной установке предотвращает изменение цвета или потемнение чипсов, вызванное содержанием глюкозы в сыром картофеле [3]. Хорошо известно, что вода считается основным диэлектрическим компонентом большинства пищевых систем, особенно фруктов и овощей с высокой влажностью. Следовательно, эти продукты должны быть восприимчивы к микроволновым методам обработки, и будут поглощать микроволновую энергию быстро и эффективно до тех пор, пока есть остаточная влага [4]. Белки, жиры и структурные элементы также могут поглощать микроволновую энергию, но относительно менее эффективно [5]. Преимущество использования микроволн для сушки фруктов заключается в генерации внутреннего тепла. Такая сушка обусловлена движением влаги изнутри к поверхности. В традиционных системах тепло, которое подводится к поверхности, должно передаваться внутрь через теплоизолирующий обезвоженный слой для испарения воды с удаляющегося вглубь водяного фронта. В микроволновой сушильной установке микроволны могут легко проникать через инертные обезвоженные слои, поглощаясь непосредственно влагой на водяном фронте [4]. Быстрое поглощение энергии вызывает быстрое испарение (кипение) воды, создавая наружный (внешний) поток быстро улетучивающегося пара [6]. В дополнении к повышению скорости сушки этот наружный поток помогает предотвратить сморщивание клеточной структуры, которое преобладает в большинстве традиционных конвективных методов. Следовательно, для продуктов микроволновой сушки можно ожидать лучших регидрационных показателей [7].
Метод микроволновой вакуумной сушки имеет много преимуществ над другими методами, вследствие способности воды поглощать микроволновую энергию. Объемная генерация тепла во влажном образце за счет непосредственно поглощенной энергии молекулами воды приводит к высокой внутренней температуре, тем самым точка кипения воды достигается значительно быстрее, чем это было бы возможным при конвективной сушке [8, 9]. На этой стадии происходит испарение жидкости в материале, вызывающее повышение давления, так как пар расширяется и стремится просочиться сквозь поры. Градиент давления будет направлять неиспарившуюся воду к поверхности аналогично действию насоса, ускоряя процесс сушки. Таким образом, процесс не основывается на отводе тепла от поверхности, и это может исключать затвердевание поверхностного слоя, тем самым, повышая качество продукта [10]. Моделирование микроволновой сушки достигло значительного процесса в последние годы [11,12].
В современных методах сушки микроволновые сушильные шкафы могут быть использованы в качестве альтернативы конвективным сушилкам для многих сельскохозяйственных продуктов [13,14]. Другая группа исследователей изучала сушку как комбинированный микроволново-конвективный процесс [15]. В общем, значения констант сушки, полученные для микроволнового вакуумного обезвоживания, выше по величине приблизительно на один порядок соответствующих показателей традиционной сушки, демонстрируя ещё раз, что микроволновое обезвоживание может значительно помогать, если вообще не заменять, традиционную сушку с целью быстрого удаления влаги [16]. Эти заключения соответствуют также выводам Drouzas и Schubert [17]. Более того, было экспериментально доказано, что продукты традиционной воздушной сушки имеют тенденцию проявлять неважные показатели качества вследствие чрезмерного теплового повреждения, а также пониженные показатели регидратации из-за структурного разрушения в процессе обезвоживания [18,19]. Чтобы исключить недостатки традиционной сушки, может быть успешно использовано микроволновое вакуумное обезвоживание.
Относительно воздействия микроволновой энергии и вакуума на Ч кинетику микроволнового вакуумного обезвоживания было обнаружено, что эти показатели оказывают влияние на скорость сушки; влияние микроволновой энергии - очень положительное, а вакуума - слегка отрицательное, что указывает на то, что быстрое обезвоживание может быть достигнуто за счет высоких уровней микроволновой энергии, в то время как вакуум не будет значительно способствовать обезвоживанию [16].
Описание объекта исследования и его физических характеристик
Кривая сушки, представляет зависимость веса продукта mL от времени / (рис. 2.12.). На кривой т {І) обычно выделяют три участка: I — нагрев продукта, II - испарение преимущественно свободной влаги, III — испарение связанной (клеточной) влаги. Важным аспектом, влияющим на конкретный вид кривой m (t), является, прежде всего, величина и характер изменения подводимой мощности Р.
По зависимостям m (t) удобно изучать влияние различных факторов на процесс обезвоживания. Одним из важнейших факторов является удельная мощность на единицу массы продукта PSAR=Pm/mL(t). (SAR - specific absorption rate). Интегрально закон сохранения энергии для этого случая запишется в следующей форме: Рт At + a(Tair s)At = Ceff m{t)AT - rAm, (2.9.) где Pm At - поглощенная микроволновая энергия, a(Toirs)At - подвод (или отвод) тепла за счет конвекции воздуха, с температурой 7V., СеЖ m(t)AT - энергия, идущая на нагрев, г Am энергия, идущая на испарение, а - коэффициент теплопередачи от воздуха к продукту, 7 - усреднённая температура поверхности, Дж г - удельная теплота парообразования (-2,4 10 кг ). Уравнение (2.9.) не учитывает возможное выдавливание влаги за счет внутреннего давления, возникающего в порах «защемлённого» воздуха, т.е. Am — изменение массы за счет испарения.
Для анализа зависимости температуры от времени (что практически является главной целью изучения процесса сушки) необходимо, прежде всего, понимать как перераспределяется энергия идущая на нагрев и на испарение. С нагревом всё относительно просто, особенно на участке I. Рт Д/ + а(7\ s)At = CeJf -m(t)AT (2.10.) Для вакуумной сушки = _ (2.11.) dt Ceg-m
Это уравнение справедливо, только до тех пор, пока не начнётся заметное испарение с поверхности, т.е. для случая Am 0. Для установления этой границы требуется детально проанализировать процесс испарения с поверхности.
Необходимо, прежде всего, отметить, что процесс испарения существует в каждой точке кривой сушки. Главный вопрос - величина потока пара в зависимости от температуры поверхности Ts и характеристики самой поверхности.
Баланс энергии и массы на границе фазового перехода воды в пар или наоборот. Граница испарения, в общем, может быть: - подвижная, или - неподвижная.
Это определяется темпом подвода тепла и темпом подвода воды. Ключевым фактором, определяющим скорость испарения с точки зрения массового потока, является разность давлений пара на поверхности, ps и вне её (за пределами слоя Кнудсена) ра. При этом для испарения со свободной поверхности воды (или при испарении свободной воды из продукта) ps a Ts связаны однозначным соотношением [10] р5=133ехр(21.2-5367/7;). (2.12.) рт определяется возможностью внешней откачивающей системы. При этом рт и Гв также должны быть связаны соотношением (2.12.), но с учетом влажности окружающего воздуха или насыщенного пара.
Если это не свободная поверхность воды, картина будет та же, но соотношение (2.12.) не будет выполняться, т.к. на поверхности не будет насыщенного пара. Но разница ps и р будет по-прежнему определять скорость испарения.
Для пара вблизи поверхности можно записать уравнение Менделеева-Клайперона где ps - плотность пара вблизи поверхности. Она определяется количеством воды сумевшей придти к фронту испарения. По Лабунцову Д.А. [11] скорость испарения (формула Герца-Кнудсена): -nPs-P (2.14.) Более точно Ps (2.15.) /,=/?( г , р- ), У2лйГ5 finRT где р 1 - коэффициент прилипания пара к поверхности. Если пар движется вдоль поверхности, то член выражения (2.15.) содержащий /7Ш умножается на коэффициент Г 1. Разберём поподробнее случай, когда испарение с поверхности офаничено скоростью поступления к ней влаги. При этом температура поверхности 7 может или повышаться или понижаться, в зависимости от величины подводимой мощности. Рассмотрим стационарный вариант Ts= const
Программное обеспечение ПК
Возникает вопрос: какими программными средствами можно воспользоваться, для того, чтобы обеспечить все требуемые функции? Для получения и обработки данных поступающих от установки наиболее оптимальным является использование программного комплекса LabView производства фирмы National Instruments. Этот программный продукт позволяет пользователю самому выбрать алгоритм обработки данных, необходимые элементы управления и/или контроля и собрать собственную «виртуальную» панель управления. И другим немаловажным достоинством этого программного является то, что обработка данных идет в реальном времени. Другой возможный вариант организации процесса взаимосвязи компьютера и установки предусматривает использование одного из высокоуровневых языков программирования, например, «С», и с его помощью создание специальной программы узкого назначения. Второй из выше перечисленных вариантов требует больших временных затрат на разработку и отладку программы и является менее предпочтительным.
Программный комплекс LabView представляет собой уникальный программный продукт, позволяющий контролировать различные процессы и без знания языков программирования высокого уровня реализовывать алгоритмы обработки данных в удобной среде визуального программирования. Основная задача пользователя — разработать алгоритм, который позволит управлять установкой, а так же принимать и анализировать данные в ходе технологического процесса. Обобщенная блок-схема алгоритма пользовательского модуля изображена на рис. 3.19. Как видно из блок-схемы данный программный модуль реализует требуемые функции автоматизированной системы.
Для сложной и более детальной обработки экспериментальных данных была выбрана программа Origin фирмы OriginLab. Данный программный продукт позволяет всесторонне обрабатывать данные, а именно: строить графики экспериментальных данных в различных системах координат с различными масштабами по осям, сглаживать графики несколькими методами, численно интегрировать и дифференцировать полученные зависимости, получать аналитические зависимости для экспериментальных данных и др. Вид экрана программы Origin с экспериментальными данными, полученными от МВУ «Муссон», представлен на рис. 3.21.
С помощью разработанной системы автоматизированного сбора и обработки информации удалось показать явление бародиффузии (см. рис. 3.22.), которое было предсказано выражением (2.26.). Как видно из рисунка на начальном этапе сушки наблюдается резкий спад зависимости массы продукта от времени.
Для проектирования установки необходимо составить техническое задание на установку. Требования этого задания должны формулироваться исходя из параметров технологического процесса, который будет протекать в установке.
Из всего широкого круга продуктов и веществ, которые можно обезвоживать с помощью микроволновой энергии остановимся на продуктах растительного происхождения, начальная влажность которых равна 80+90%. Установка должна позволять обезвоживать продукты с минимальными изменениями их органолептических и потребительских качеств. Для обеспечения сохранности этих качеств технологический процесс должен протекать при температуре не выше температуры денатурализации белков, что составляет 25+40С в зависимости от внутреннего состава продукта, без возникновения локальных перегревов [I].
Как было показано в главе 2, температуру процесса обезвоживания можно снизить до температур 25+40С за счет уменьшения давления в рабочей камере до 20+60 мм.рт.ст. и поддержания значения плотности мощности на уровне 0,5+3 кВт/кг.
Для увеличения равномерности нагрева необходимо в установке предусмотреть систему вращения контейнера, либо возможность установки нескольких невращающихся контейнеров друг на друга для продуктов, которые слишком нежные, что бы их можно было бы вращать в контейнере. Так же для увеличения равномерности нагрева, с точки зрения электродинамики, рабочую камеру необходимо сделать максимально большой, так как чем больше размеры камеры, тем большее количество электромагнитных колебаний может возникать в ней. Это приведет к более равномерному электромагнитному полю внутри рабочей камеры. Так же особое внимание следует уделить разработке системы возбуждения, так как от ее конструкции сильно зависит равномерность электромагнитного поля.
Варианты построения микроволновых технологических установок
Вакуумные насосы по принципу действия можно разделить на насосы объемного действия и эжекторные насосы. Насосы объемного действия к осуществляют процесс откачки за счет периодического изменения объема рабочей камеры (вращательные насосы, поршневые насосы). Эжекторные насосы осуществляют откачку за счет захвата газа струей рабочей жидкостей или пара (водоструйные насосы, пароэжекторные насосы).
Насосы, обеспечивающие требования к рабочей области давления, можно разделить на две группы: насосы, смазываемые маслом и насосы без смазки. К первой группе относятся такие насосы как: - пластинчато-роторные, - плунжерные, - двухроторные, - многопластинчатые, - трохоидные, - поршневые.
Все они имеют общий недостаток — они требуют смазку. Этот факт не совместим с требованием получения экологически чистых продуктов. Конечно, можно было бы поставить высококачественные ловушки, но это, во-первых, вызовет удорожание установки, во-вторых, не возможно дать стопроцентную гарантию попадания паров рабочей жидкости в рабочую камеру, и, в-третьих, есть вероятность загрязнения масла паром, который возникает во время работы [3].
Ко второй группе относятся насосы следующих типов: - жидкостно-кольцевые, - жидкоструйные, - мембранные.
Рассмотрим насосы второй группы подробнее, так как они подходят для применения в пищевых технологических установках.
Жидкостно-кольцевой вакуумный насос - это вращательный объемный вакуумный насос, в котором рабочие камеры образуются лопатками рабочего колеса и прилегающим к стенке корпуса вращающимся кольцом рабочей жидкости.
По используемой в рабочем кольце жидкости различают водокольцевые и жидкостно-кольцевые (жидкости кроме воды), в зависимости от числа рабочих циклов - насосы простого и двойного действия. По конструкции выделяют насосы с осевым и радиальным подводом и отводом газа. Они позволяют откачивать газы, содержащие пары, которые даже положительно влияют на производительность насоса. Оптимальная рабочая область этих насосов лежит примерно на уровне 20 мм.рт.ст. над парциальным давлением рабочей жидкости. С водой в качестве рабочей жидкости можно достичь предельного давления 30 мм.рт.ст. Недостатками этого насоса являются высокая мощность, необходимая для вращения жидкостного кольца, и, как следствие этого, относительно низкий КПД [3].
Жидкоструйным насосом называется вакуумный насос, действие которого основано на увлечении удаляемого газа струей жидкости. Он может откачивать любые газы, пары и парогазовые смеси. В практике получили распространение в основном водоструйные насосы, благодаря возможности использования в качестве рабочего тела струи обычной водопроводной воды. Водоструйные насосы достигают предельного давления, соизмеримого с парциальным давлением воды при данной ее температуре. Производительность и быстрота действия жидкоструйного насоса увеличиваются при повышении расхода и давления рабочей жидкости [3].
Мембранный насос представляет собой осциллирующий объемный вакуумный насос, в котором движущейся стенкой является мембрана. Движение мембраны происходит механически или гидравлически.
Насосы с механически движущейся мембраной достигают значения производительности до нескольких кубических метров в час и предельного давления до единиц мм.рт.ст. Для достижения более высоких значений необходимо использовать насосы с гидравлически движущейся мембраной. Насосы этого типа имеют значительно меньше эксплуатационных расходов. Однако мембранные насосы требуют относительно большого капиталовложения для крупных экземпляров.
Насосы мембранного типа имеют один значительный недостаток: нельзя допускать перехода газа или пара в рабочую камеру насоса. Это может привести к временной или полной остановке агрегата. 4.2.5. Вакуумная система.
Как показал анализ предыдущего раздела, из множества разновидностей вакуумных насосов требованиям установки удовлетворяют два типа: водоструйный и водо кольцевой. Построению вакуумных систем, использующих эти два типа насосов, будет посвящен данный раздел.
Необходимым условием для построения вакуумной системы является стандартизация элементов этой системы. Только применение стандартных элементов может обеспечить технологичность и удешевление проектирования и изготовления установки.
