Кавитационный взбиватель

ТЕ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ПИСАНИЕ И(57) Изобретение относится к пищевой промышленности и имеет своей целью сокращение времени взбивания массы, в частности кондитерской, иулучшение ее качества путем создания и максимального использования эффекта искусственнойкавитации. Сущность изобретения взбиватель со(19) 3 Ш (11) 2001669 С 1(51) 5 В 01 Г 7 16 держит емкость 1 и установленный на приводном валу рабочий орган с закрепленными по его периферии на носителях 4 кавитационными элементами 3. Рабочий орган выполнен в виде венчика 2 замкнутой формы с перегородками 8, установленными внутри венчика 2 симметрично относительно оси его вращения. Носители 4 кавитационных элементов 3 расположены вертикально с внешней стороны перегородок 8, а кавитационные элементы 3 закреплены на носителях 4 по высоте на равном расстоянии друг от друга. Носители 4 выполнены полыми и снабжены отверстиями 6, расположенными со стороны, противоположной кавитационным элементам 3 и соосно им, а верхние концы носителей 4 открыты для сообщения с атмосферным воздухом.2 з.п.ф-пы, У ип.Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для интенсификации технологического процесса приготовления взбитых масс, в частности кондитерских, 5Известна взбивальная машина МВ, предназначенная для приготовления кремов, майонезов, муссов. Машина состоит из вэбивателя, бачка с механизмом подъема и электропривода. Взбиватель установлен 10 эксцентрично оси бачка и в процессе работы совершает сложное движение: быстрое вращение вокруг своей вертикальной оси и медленное вращение вокруг оси бачка, Бачок крепится на кронштейне, который имеет 15 пластину, скользящую по вертикальным направляющим станины при помощи червячной пары, шестерни и рейки, Поднимают и опускают бачок вручную с помощью маховика, 20Анализируя конструкцию и работу машины МВ, необходимо отметить следующее. Подлежащая обработке масса находится в емкости в процессе взбиоания до определенного состояния довольно дли тельное время, Конструкция привода взбивального органа отличается сложностью. Кроме того, в конструкцию машины включен дополнительный механизм для подъема и опускания емкости с продуктом, 30Известен кавитационный смеситель, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого на приводном валу установлены радиальные кронштейны, снабженные перемешивающими элемента ми, между которыми размещены горизонтальные перегородки. Перемешивающие элементы выполнены в виде полых цилиндров с поверхностью тороидальной формы и с прорезями, а корпус снабжен неподвижно 40 закрепленными на его внутренней поверхности дисками, плоскости которых перпендикулярны плоскости вращения кронштейнов. При этом центральнал ось диска, перпендикулярная его плоскости, соо падает с центральной ось цилиндра. Перемешиваемый материал по входным патрубкам подают в корпус между перегородками, и приводят во вращение кронштейны с перемешивающими элементами, 50 при движении которых на внутренних поверхностях полых цилиндров создаются кавитационные каверны эа счет увеличения относительной скорости жидкости, При смыкании каверн образуются поля микро пузырьков, которые при схлопывании создают кавитационно-кумулятивные струи, оказывающие диспергирующее и перемешивающее воздействие на обрабатываемый материал. При набегании перемешиоающих элементов на неподвижные диски, жидкость, уолекаемэя элементами, резко тормозится, в результате чего образуются зоны повышенного пульсирующего давления, При э 1 ом частота пульсаций давления определяется частотой набегания перемешивающих элементов на диски. Возникающее пульсирующее поле давлений дополнительно повышает эффективность схлопывания каоитационных микропузырькоо, что интенсифицирует процесс перемешивания и диспергирования обрабатываемого материала.Таким образом, изоестный каоитационный смеситель предназначен для перемешивания и диспергирования обрабатываемого материала, в связи с чем разработана соответствующая конструкция с использованием эффекта естественной каоитации,Предлагаемый каоитационный взбиватель предназначен не только и не столько для перемешивания взбиваемой массы, но и для насыщения ее ооздухом. Для насыщения взбиваемой массы воздухом разработана конструкция, позволяющая активно использовать эффект искусственной кавитации, благодаря чему кавитационные каверны заполняютсл воздухом из атмосферы, затем заполненные воздухом каверны не всплывают, а при помощи специального приспособления напрдвллются в толщу взбиоаемой массы, насыщая ее воздухом.Таким образом, кооитационный озбиватель отличается от каоитационного смесителя принципиально. Различные функциональные назначения. Целью создания каоитационного смесителя является интенсификацил процесса перемешивания с использооанием эффекта естественной каоитации, Целью же создания каоитационного озбиоателл яоляется интенсификация насыщения воздухом озбиоэемой массы с активным испальзооанием эффекта искусственной каоитации.На фиг, 1 изображен венчик для взбивания; фиг. 2, 3 - носители кавитационных элементов; фиг. 4, 5, 6 - телескопическая муфта; фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг, 1.Каоитационный озбиватель включает емкость 1, внутри которой установлен венчик 2 замкнутого контура. Венчик 2 снабжен каоитационными элементами 3, например дисками, которые установлены на вертикальных носителлх 4 и закреплены на них неподвижно с помощью кронштейнов 5. Диски 3 расположены на носителях 4 с определенным шагом Ь, В зависимости от взбиваемой массы применяются два вида носителей, Длл масс жидкой консистенцииноситель 4 выполнен цельным (фиг, 2), а для более вязких масс носитель 4 выполнен полым (фиг. 3), причем диски 3 укреплены на одной его стенке, а соосно дискам 3 на противоположной стенке носителя 4 выполнены отверстия 6. Носители 4 с помощью поперечных кронштейнов 7 устанавливаются внутри венчика 2. Носители 4 расположены по периферии венчика 2 симметрично относительно оси его вращения.Внутри венчика 2 установлены неподвижные вертикальные перегородки 8, которые отделяют зону образования кавитационных каверн и одновременно являются опорой для кронштейнов 7 носителей 4. Внутри венчика 2 между перегородками 8 установлено перемещающееся приспособление, например лопатки 9, установленные под определенным углом атаки к вертикальной и горизонтальной плоскостям.Венчик 2 закреплен неподвижно на вертикальной ступице 10, которая имеет шпоночные пазы 11 и 12 и окно 13, Для соединения ступицы 10 венчика 2 о выходным валом 14 привода применена телескопическая муфта 15, в конструкцию которой входит шпонка 16, шпоночный паз 17, окно 18, Выходной вал 14 привода имеет шпонку 19.Кавитационный вэбиватель работает следующим образом.Венчик 2 устанавливается на дно емкости 1, наполненной подлежащей взбиванию кондитерской массой. Затем емкость 1 крепится на лапах взбивальной машины однимоиз известных способов, Однако в предлагаемой конструкции в отличие от существующих лапы машины не имеют механизма подъема и опускания, 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 рабочео органа осуществляется распространенным способом, т.е. при помощи шпонки, Однако в существующих машинах ступица рабочего органа непосредственно крепится к ведущему валу, что вызывает перемещение рабочего органа вверх вдоль оси на величину порядка 70- 100 мм (1,8-2,0 диаметра ведущего вала плюс часть длины ступицы для размещения паза для шпонки). В результате перемещения вверх ступицы вместе с рабочим органом нижний торец рабочего органа поднимается над дном емкости на такое же расстояние (70 - 100 мм). Чтобы ликвидировать образовавшийся мертвый объем в существующих машинах имеется механизм 5 1015 20 25 30 35 40 45 50 55 поднимания емкости и опускания ее при завершении цикла взбивания, В предлагаемой конструкции необходимости в механизме подъема и опускания емкости нет, т.к, соединение рабочего органа с ведущим валом осуществляется с применением специально разработанной телескопической муфты, На фиг. 4 основными линиями муфта 15 изображена в положении "соединена" (верхнее положение) и пунктирными линиями в положении "разъединена" нижнее положение).Процесс крепления венчика 2 к валу 14 осуществляется в следующей последовательности. Телескопическая муфта 15 (фиг, 4,5,6) перемещается в ступице 10 из нижнего положения вверх. При этом ступица 10 и закрепленный на ней венчик 2 остаются в начальном положении, опираясь на дно емкости 1. При движении вверх муфта 15 надевается на вал 14, шпоночный паз 17 совмещается со шпонкой 19, неподвижно закрепленной на валу 14, Далее при движении муфты 15 вверх доводят ее до такого положения, когда шпонка 19 выходит из шпоночного паза 17 и устанавливается в окне 18, При этом нижняя шпонка 16, неподвижно закрепленная на муфте 15, передвигаясь вместе с ней вверх по шпоночному пазу 12 ступицы 10, подходит к верхней точке гнезда окна 13, До этого момента венчик 2 оставался неподвижным и опирался на дно емкости 1 (фиг. 1), В конце хода муфты 15 вверх, например, на 15 мм до выхода 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 устанавливается в окно 18, При этом нижняя шпонка 16, упираясь в верхнюю точку гнезда окна 13, последние 15 мм хода поднимает ступицу 10 вверх, а вместе с ней и венчик 2, отрывая нижнюю плоскость его от дна емкости 1 соответственно на 15 мм. Далее поворачивают 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 опускаются, например, на 5 мм до упора гнезда окна 18 в шпонку 19. Таким образом вся система - муфта 15, ступица 10 и венчик 2 фиксируются на валу 14 так как в радиальном, так и в осевом направлениях. При этом 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 емко 20016695 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сти. наполненной подлежащим взбиванию продуктом, а стало быть, и потребность в механизме подъема и опускания емкости отсутствует. Процесс разъема венчика 2 и вала 14 осуществляется в обратной последовательности. Таким образом, венчик 2 подготовлен к работе,При включении машины ведущий вал 14 в рассматриваемой конструкции, начиная вращение по часовой стрелке, передает момент через шпонки 19 и 16 венчику 2, Начинается процесс вэбивания, который можно рассматривать как интеграцию двух процессов -перемешивание массы и насыщение ее воздухом (аэрирование). Процесс перемешивания взбиваемой массы достаточно полно описан в существующих конструкциях вэбиваемых машин. Поэтому подробно остановимся на процессе насыщения взбиваемой массы воздухом.В полстях вэбиваемой массы, расположенных непосредственно эа вращающимися вместе с венчиком 2 кавитационными дисками 3, при определенных скоростях образуются зоны пониженного давления (кавитационные зоны), и когда давление в этих плоскостях становится ниже критического Р,р, т.е. ниже давления насыщенного пара вэбиваемой жидкости при данной температуре, в этих полостях начинают образовываться кавитационные пузырьки, Увеличение скорости потока (в данном случае скорости вращения венчика 2 с кавитационными дисками 3) после начала кавитации вызывает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за чем происходит их объединение о общую кааитационную каверну. Если внутрь каверны через тело, около которого возникает каверна. подвести атмосферный воздух, то размеры каверны увеличиваются. При этом установится. течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению водяного пара Рн, а по давлению воздуха внутри каверны Рк, т.е.у=2Р оо - РрчмОбразовавшиеся кавитационные каверны, заполненные воздухом, стремятся к всплытюю. Всплывание это определяется так называемым число Фруда Рг - Ч Оо/9 б, где 9 - ускорение силы тяжести;б - некоторый характерный линейный размер.В данном случае это диаметр кавитационных дисков.(б 0,02 и согласно произведенному расчету). Предлагаемая конструкция венчика 2 препятствует осплыванию кавитационных каверн, заполненных воздухом, направляя их внутрь взбиоаемой массы для интенсификации насыщения ее воздухом, Кавитационные течения, получающиеся о результате подвода воздуха внутрь каоерны, называются искусственной кавитацией. Предлагаемая конструкция рабочего органа к взбивальной машине позволяет эффективно использовать явление искусственной кавитации для насыщения взбиваемой массы воздухом из атмосферы,Условия образования кавитационных каверн в полостях массы, находящихся по движению за кавитационными дисками 3, уже рассмотрены выше, Подвод воздуха иэ атмосферы в каверны осуществляется благодаря конструкции носителей 4 (фиг. 2,3). При озбивании масс более жидкой консистенции в венчик 2 (фиг. 1) устанавливаются носители 4 дисков 3 (фиг. 2). Носитель 4 выполнен в виде цельного стержня, к которому при помощи кронштейнов 5 (фиг, 2) прикреплены диски 3 диаметром 0,02 м, Диски расположены вдоль оси стержня по вертикали с определенным шагом и, размер которого рассчитан, исходя из условия, чтобы при любом уровне взбиоаемой массы один из дисков на каждом носителе был эффективно задействован. т.е. участвовал в процессе искусственной кавитации. Уровни взбиоаемой массы будут различны по двум причинам. Во-первых, исходя из производственной необходимости, в емкость может закладываться разное количество компонентов, Во-вторых, в процессе взбивания массы уровень ее вследствие насыщения воздухом будет постоянно бесступенчато повышаться. Толщина же слоя жидкости, через который атмосферный воздух врывается в кавитационную каверну, имеет при определенных скоростях определенный ограниченный размер. аким образом, при повышении уровня массы увеличивается толщина слоя жидкости над диском, становится больше предельной толщины, и воздух из атмосферы прекращает поступать в каверну. Однако над предыдущим диском расположен очередной каоитационный диск, который вслед за предыдущим начинает участвовать в процессе насыщения взбиваемой массы воздухом. Подобная смена дисков продолжается на протяжении всего цикла взбивания. Согласно расчетным данным толщина слоя жидкости, через который воздух будет поступать из атмосферы при выбранных по конструктивным и технологическим соображениям скоростях рабочего органа, составляет 0,05 и 0,1 м, Исходя30 35 40 45 50 из этого, диски установлены по вертикали с шагом, равным толщине слоя жидкости и, способствующей образованию искусственной кавитации, В результате этого при любом уровне массы будут задействованы те или иные кавитационные диски.Для взбивания масс более плотной консистенции прорыв воздуха в каверну из атмосферы через слой массы весьма затрудняется, и представленная на фиг. 2 конструкция не обеспечит процесс насыщения воздухом массы с использованием эффекта искусственной кавитации.Исходя из изложенного, для использования эффекта искусственной кавитации для взбивания масс более плотной консистенции предлагается конструкция носителей кавитационных дисков, представленная на фиг, 3. Носитель 4 выполнен полым, причем на одной его стенке по всей максимальной высоте вэбиваемой массы расположены диски 3, неподвижно закрепленные на кронштейнах 5 с шагом и, В зонах образования кавитационных каверн в стенке носителяимеются отверстия 6. Поступление воздуха из атмосферы в кавитационные каверны осуществляется через полый носитель 4 и отверстия 6. В остальном процесс искусственной кавитации протекает так же. как и в представленной на фиг. 2 конструкции.Однако заполненные воздухом из атмосферы каверны стремятся к всплытию. Формула изобретения 1, КАВИТАЦИОННЫЙ ВЗБИВАТЕЛЬ, содержащий емкость, установленный на приводном валу рабочий орган с закрепленными по его периферии на носителях ка вита ционными элементами, отличающийся тем, что рабочий орган выполнен в виде венчика замкнутого контура с перегородками, установленными внутри венчика симметрично относительно оси его вращения, при этом носители кавитационных элементов расположены вертикально с внешней стороны перегородок, а закреплены кавитационные элементы на носите 5 10 15 20 25 Процесс всплывания каверн с воздухом будет препятствовать процессу интенсивного насыщения массы воздухом, т.к. всплывшие каверны уносят воздух из массы в атмосферу,тогда как в процессе вэбивания необходимо воздух оставить в массе, Для осуществления 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 плоскостям. Благодаря такому расположению лопастей 9 масса в процессе взбивания постоянно рециркулирует в емкости таим образом, как это показано стрелками на фиг, 1 и 7, Вследствие этой рециркуляции порции взбиваемой массы, насыщенные атмосферным воздухом, направляются через толщи массы и аэрируют ее. По окончании цикла взбивания венчик 2 отсоединяется от ведущего вала 14, вынимается из емкости, после чего взбитая масса извлекается из емкости и направляется на дальнейшие технологические операции.(56) Драгилев А,И. и др, Взбивальная машина МВ. Устройство и эксплуатация оборудования предприятий пищевой промышленности, М,; ВО "Агропромиздат", 1988, с. 148 - 150,Авторское свидетельство СССР М 1443951, кл, В 01 Е 7/16, 1987,лях по высоте на равном расстоянии от друг друга,2. Вэбиватель по п.1, отличающийся тем, что носители кавитационных элементов выполнены полыми и снабжены отверстиями, расположенными со стороны, противоположной кавитационным элементам, и соосно с ним, при этом верхние концы носителей открыты для сообщения с атмосферным воздухом.3. Вэбиватель по п,1, отличающийся тем, что между перегородками установлены по высоте лопасти для циркуляции взбиваемой массы.