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| 【摘 要】本文概述了均質(zhì)機的發(fā)展，重點分析了柱塞泵高壓均質(zhì)機的功能、原理和基本結構以及在乳制品工業(yè)中的地位和應用，均質(zhì)機選型和配套要點，同時概述了申鹿牌高壓均質(zhì)機的結構和材質(zhì)的特點。 引言 一條乳制品生產(chǎn)線，zui關鍵的設備為：1、高壓均質(zhì)機——是決定產(chǎn)品品質(zhì)和品味的關鍵設備；2、灌裝設備；3、殺菌設備。這后兩項是決定產(chǎn)品保質(zhì)期的關鍵設備。所以使用廠家對這三種設備都十分重視精挑細選，以選用設備進廠，尤其是均質(zhì)機更是如此。 均質(zhì)機根據(jù)原理和結構不同，主要有柱塞泵高壓均質(zhì)機、超聲波均質(zhì)機、高剪切均質(zhì)機、射流均質(zhì)機等等，它們共同點都可以乳化、勻漿，但對于后三種均質(zhì)機由于功能原理上比較單一，所以粉碎效果相對比較差，在工業(yè)生產(chǎn)上應用較少。而柱塞泵高壓均質(zhì)機的功能原理比較齊全，可在完成超細粉碎及乳化、勻漿的深加工中效果特別理想。這種柱塞泵高壓均質(zhì)機起始于1900年，由美國Manton GauLin首先研制成功?，F(xiàn)在上柱塞泵高壓均質(zhì)機，zui大壓力從150 Bar～1600 Bar，額定流量從6到60000 L/H，在食品、精細化工、石油化工、制藥及生物工程等領域，得以廣泛應用，到目前為止還沒有比它更有成效的設備可以替代。尤其在食品行業(yè)中，加工乳品、果汁、豆奶等是*關鍵設備，隨著倡導“一杯牛奶，健康一個民族”，不斷深入人心，柱塞泵高壓均質(zhì)機在乳制品工業(yè)大發(fā)展中，它的應用更是引人注目，銷量急增，它的用途： 1、 生物細胞破碎制成新產(chǎn)品或提取內(nèi)含物； 2、 液——液（不同相）均質(zhì)制成水包油或油包水的乳化液； 3、 液——固（粉末）均質(zhì)制成穩(wěn)定的勻漿液； 這種設備的研制，在中國起步較晚，直到1980年由原上?？萍即髮W科技人員，克服了結構、材質(zhì)、制造工藝的困難，*靠自己的力量研制成中國*代壓力為60 Mpa高壓均質(zhì)機，*，當時獲得上?？萍汲晒泉?。1995年還是這些科技人員研制成第二代申鹿牌系列高壓均質(zhì)機，并推動組建了上海申鹿均質(zhì)機有限公司。這些產(chǎn)品以高起點，能走向市場，得到用戶普遍贊譽，產(chǎn)品遍及全國，為中國特大企業(yè)選用。如上海光明牛奶公司、內(nèi)蒙古伊利乳業(yè)、蒙牛乳業(yè)、石家莊三鹿乳業(yè)、杭州娃哈哈、江蘇維維乳業(yè)等等。并出口東南亞、歐美等國。2006年推出第三代智能自動調(diào)壓系列高壓均質(zhì)機，將給用戶在科學技術新品中得到更多的實惠。 1 柱塞泵高壓均質(zhì)機的工作原理 柱塞泵高壓均質(zhì)機是一種深加工設備，完成這種功能，主要靠高壓均質(zhì)閥完成，它的結構如圖1所示：它由閥座、閥芯及碰撞環(huán)組成。 圖1 在圖1中可見到高壓液料進入閥座內(nèi)腔時，當它的壓力超過預先設定的高壓彈簧作用下形成的壓力，閥芯向右移動，開啟閥芯和閥座，之間形成一個很小的縫隙，約≤0.4 mm，高壓液流以*的線速度，通常達到200～300 m/s，通過這個縫隙時，液料產(chǎn)生極大壓力降，瞬間失壓，膨脹、爆炸（這個復雜過程稱空穴效應），由此產(chǎn)生高頻振動和喘流形成強烈剪切效應，和高速撞擊在碰撞環(huán)形成的碰撞效應等，其中空穴效應起了主導作用，將存在液體中顆?；蛴偷畏鬯槌珊苄〉某叽纾睆溅?.01～2μm，平均φ≤1μm，而且獲得較理想的乳化液或勻漿液。這個過程，實際上集中了超聲波均質(zhì)機（空穴效應），高速剪切機（剪切效應），射流均質(zhì)機（碰撞效應）等功能原理于一體，由此可見，它的功效遠遠超過了其他設備。它的產(chǎn)品保持原有活性、穩(wěn)定性、混合性，均質(zhì)以后乳制品具有更好營養(yǎng)值、易吸收性、保質(zhì)期、口味和色彩。所以一百余年來一直是國內(nèi)外*的一種、節(jié)能、可靠的超細粉碎、乳化勻漿設備。 一般均質(zhì)機都具有二級均質(zhì)閥。后面一級均質(zhì)閥（即第二級均質(zhì)閥或稱低壓閥），它的功能主要給*級高壓一個合適的背壓，集中*級能量，使空穴效應發(fā)生在縫隙的*區(qū)域；同時*級均質(zhì)后，可能因范得瓦爾斯引力作用下，微粒發(fā)生聚合，再次給予破碎，料液得到進一步的乳化和勻漿。 空穴效應發(fā)生區(qū)域取決于背壓大小，閥的結構及液料的粘度大小。背壓太小，空穴效應發(fā)生區(qū)域移向縫隙出口處，可能造成空穴失控，閥座的外緣容易崩塌損壞；背壓增高，空穴效應發(fā)生區(qū)域會移向縫隙進口處；背壓過高，還會引起空穴效應較少，影響均質(zhì)效果，且閥座孔內(nèi)壁容易崩塌損壞。所以空穴效應必須受控的。空穴效應發(fā)生時，會產(chǎn)生局部高溫和高壓，引起空穴氣融，而逐漸使均質(zhì)閥座和閥桿的工作端面變得粗糙，根據(jù)這種粗糙情況，可以判斷空穴效應是受控還是失控。受控良好的，應在受蝕而變得粗糙端面上出現(xiàn)一個封閉圓環(huán)。（如圖2a） 如觀察到工作面上局部粗糙性是放射狀，這意味空穴失控（如圖2b），這時能量不能被全部利用。所以，*級均質(zhì)閥后面再串聯(lián)第二級均質(zhì)閥，改變第二級均質(zhì)閥縫隙大小可以改變*級均質(zhì)閥的背壓大?。煌瑫r，防止分散了顆粒重新聚合。 圖2 圖a 圖b *背壓要通過實驗得到，實踐中牛奶均質(zhì)時*背壓不能大于均質(zhì)壓力的20%，實際上由于牛奶生產(chǎn)管路相當復雜，已形成相當?shù)牡谋硥?。這樣，就無法獲得所需的較低背壓，甚至無法調(diào)低背壓，所以，有些均質(zhì)機只有一級均質(zhì)閥，它利用水力特性，形成一定背壓。 由于第二級均質(zhì)閥主要還是集中*級能量，所以在結構上，不裝碰撞環(huán)。如在生產(chǎn)實踐中，一般牛奶低壓取2 Mpa左右（20 Bar），高壓取16～18 Mpa（160～180 Bar），酸奶低壓取2～4 Mpa左右（20～40 Bar），高壓取20～25 Mpa（200～250 Bar），原則是達到均質(zhì)效果，壓力取低值為宜。均質(zhì)溫度對均質(zhì)效果影響是很大的，溫度高飽和蒸汽壓也高，均質(zhì)時空穴效應容易形成，為了提高均質(zhì)效果，在保證液體物料不變性的前提下，適當提高均質(zhì)溫度是有益的，實際中牛奶均質(zhì)溫度一般為50～70℃，50℃是牛奶有效均質(zhì)的zui低溫度。超過70℃在設備中產(chǎn)生氣窩，工作不正常，壓力指針擺動大。溫度高一些可以促進脂肪球粉碎和分散效果更好，但不利于熱穩(wěn)定性。以上需要各地生產(chǎn)廠家在工藝師指導下經(jīng)過實踐以取得*均質(zhì)壓力數(shù)據(jù)。 2 均質(zhì)機的結構 柱塞泵均質(zhì)機，它有傳動箱，柱塞泵、均質(zhì)閥，壓力指示部分及電氣柜或變頻器組成。 傳動箱：有電動機、曲軸箱、活塞——這個過程是將電機高速旋轉運動變成低速往復直線運動。實踐中兩級變速，即皮帶輪及齒輪變速為好。通過變速之后，使柱塞往復速度控制在130～170 r/min。這種速度，機器穩(wěn)定、噪聲低，柱塞及其密封耐用性好。 柱塞泵：由活塞帶動柱塞，在泵體內(nèi)作往復運動，在單向閥配合下，完成吸料，加壓進入集流管。 均質(zhì)閥：接受集流管輸送過來高壓液料，完成超細粉碎、乳化、勻漿任務。它有兩級均質(zhì)閥及其二級調(diào)壓裝置。它是完成超細粉碎、乳化、勻漿零部件。以上接觸液料的材質(zhì)必須具備無毒、無玷污、耐磨、耐沖擊、耐酸、耐堿、耐腐蝕的條件。 壓力指示部分：壓力指示通常用指針式耐震壓力表。為防止壓力表使用中失控而損壞設備，常常配有電流表同時監(jiān)控。在380V電壓條件下，機器正常運行，額定流量，壓力及功率、電流成正比關系，申鹿牌均質(zhì)機電流值估算公式如下： I＝Q×P×2／31212 式中：Q：流量以升/小時（L/H）表示 P：壓力以巴（Bar）表示（1 Mpa＝10 Bar） I：電流以安培（A）表示 例如：流量Q：5000 L/H、生產(chǎn)壓力P：180 Bar I＝5000×180×2／31212＝57.7 A 如果電流表指示及壓力表指示擺幅非常大，或者指示過大，都說明機器運行不正常。需要檢查、排除。 均質(zhì)機的結構、材質(zhì)、制造工藝是決定均質(zhì)機性能、效率、噪聲、可靠性的關鍵。制造商都把重點放在這方面的研究上。二十余年來，申鹿均質(zhì)機有限公司科技工作者認真總結前人研制開發(fā)的經(jīng)驗，深入研究均質(zhì)機理論，在結構上、材質(zhì)上及制造工藝上有了較大突破，并取得成效。表現(xiàn)在以下三個方面： 2.1申鹿均質(zhì)機的傳動箱采用雙出軸電機，兩面皮帶，兩面滾動軸承，曲臂齒輪，對稱傳動，軸瓦采用特種合金，正常使用條件下*不用更換；潤滑采用飛濺式潤滑加壓力輔助潤滑（配套變頻器工作），以確保各運動部件潤滑良好，磨損小。這種結構在巴塞羅那博覽會上令同行贊嘆不已；實踐證明，這種結構，傳動平穩(wěn)、低噪聲、率、無技術性故障，機械平均效率提高10%左右；傳動噪聲低于電機聲，如90 KW電機噪音為90 db；45 KW電機噪音為84 dB，配在申鹿均質(zhì)機SRH1000-25和SRH5000-25壓力為25 Mpa時，實測分別為88 db和83 db（按市企標分貝表置于主泵體正前方1米處檢測）。 2.2主泵體打破傳統(tǒng)的壓蓋平面密封和柱塞V型方式，采用壓蓋徑向密封和柱塞方形自位密封方式，所有密封材料均為第四代密封材料，耐酸堿、耐腐蝕、無毒、無污染，耐高溫達150℃以上，柱塞密封不需頻繁更換，通常3000小時以上。 2.3柱塞、單向閥、均質(zhì)閥等硬件，都是第四代特種合金鋼材料，具有穩(wěn)定化學性能，耐磨、耐沖擊、耐酸堿等優(yōu)點，對乳品生產(chǎn)來說，通常6000小時以上更換與修磨，適用于二次滅菌及CIP消毒。這種材料達到*水平。 這些方面成功，為申鹿均質(zhì)機在國內(nèi)外市場達到占有率起到關鍵作用。 3 均質(zhì)機的選型 一條生產(chǎn)線配套的理想的均質(zhì)機是至關重要，因為它是產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本效益的關鍵，還影響整個生產(chǎn)線能否正常運行，選用理想均質(zhì)機的條件，應具備流量充足，壓力穩(wěn)定，均質(zhì)機效果好，易損件耐用，噪音低、節(jié)能、節(jié)油、操作維修方便等優(yōu)點。結合工程項目的規(guī)模，產(chǎn)品種類和生產(chǎn)工藝流程，綜合考慮選用的均質(zhì)機，實踐中應抓住以下幾項主要技術參數(shù)。 3.1流量 單位用升/小時或L/H表示,指生產(chǎn)流量不少于銘牌標明的數(shù)據(jù)，即使壓力達到zui大數(shù)值時，流量也不少于銘牌所示數(shù)據(jù)，才能確保生產(chǎn)線設計要求和正常運行，在進料充足條件下，制造商提供的流量數(shù)據(jù)可以通過以下計算方式求得： Q= d2/4×π2e×Vn×n×60×K/1000 L/H 式中：d:柱塞直徑，用cm表示 π：3.1416 2e:柱塞行程（e是曲軸偏心），用cm表示 n: 柱塞的根數(shù) Vn: 柱塞速度用r/min表示 k:流量系數(shù) 式中流量系數(shù)K的大小，決定于均質(zhì)機本身的單向閥結構、材質(zhì)、密封材料和密封方式以及加工精度等，即使在供料充足條件下，由于以上條件不能滿足，引起嚴重內(nèi)、外泄漏導致K系數(shù)過低，造成先天性的流量不足，結果給用戶造成*性產(chǎn)量效益損失過大。 為此，制造商提供的均質(zhì)機設備必須具有合理的結構，優(yōu)良的材質(zhì)，*的密封以及良好的加工條件才能達到。 實踐中，要確定流量大小，若手頭無流量表時,zui簡便的方法就是用稱重估算法，即在均質(zhì)機額定壓力運行時，用水桶接料（或以水代料）一分鐘稱重后乘以60分就到每小時流量。例如，申鹿均質(zhì)機SRH10000-35，額定壓力為28Mpa時，每分鐘測得水重是Q=167kg。SRH5000-30為額定壓力24Mpa,每分鐘測得水重Q=84kg。 3.2壓力 單位：用Mpa，Bar ， Psi.表示 在數(shù)值 1Mpa≈10 Bar≈145 Psi 〈≈表示約等于〉 均質(zhì)機銘牌上常常標有zui大工作壓力〈或zui大測試壓力〉用Pmax表示。還有標有額定工作壓力〈連續(xù)生產(chǎn)壓力〉用P表示。在生產(chǎn)實踐中，高壓均質(zhì)機常常提倡輕負荷工作，取額定工作壓力P＝0.8Pmax。 例如：zui大壓力Pmax25Mpa,額定生產(chǎn)壓力應該P≤20 Mpa為宜。即選型時注意需用生產(chǎn)壓力必須留有余地為宜；壓力表指示擺幅≤0.5 Mpa。在額定工作壓力下，只要達到工藝要求，保證質(zhì)量的前提下，壓力取低值,以降低耗能，延長易損件使用壽命和維修周期，是十分有益的。 3.3均質(zhì)效果 柱塞泵高壓均質(zhì)機，均質(zhì)效果關鍵另部件是高壓均質(zhì)閥，同樣壓力下它的結構形式.流道、閥的材質(zhì)決定了均質(zhì)效果，這也是由制造商設計決定了。而均質(zhì)閥在高壓條件下閥座、閥桿、碰撞環(huán)的工作端面極易磨蝕，加工制造比較困難，成本也較高。為此，選型時高壓閥座、閥芯、碰撞環(huán)等零件形狀必須簡單，以利加工，尤其使用廠家能方便加以修復，以便再次使用。目前，高壓均質(zhì)閥件，普遍采用平面閥就是這個道理。選型時要注意。 確定均質(zhì)效果，對于牛奶一般兩個參數(shù)確定，一是粒度大小，二是達到同一粒度微粒所占的比例，根據(jù)均質(zhì)后達到同一粒徑的脂肪球比例，可以評估均質(zhì)機效果好壞，當脂肪球直徑φ：2μm以下達到98％以上，均質(zhì)效果為優(yōu)；脂肪球直徑φ：2μm以下，低于98％，在2.5μm以下高于95％時，均質(zhì)效果良好；若脂肪球直徑3μm以下低于90％時，均質(zhì)效果不良，即均質(zhì)性能不好。 判斷均質(zhì)效果zui直觀方法是顯微鏡法，一般采用光學顯微鏡在1000x或其他適當倍率下，用目鏡的測微尺，螺旋測微尺等在視野內(nèi)對脂肪球進行直接測定。如圖： 圖3 均質(zhì)效果圖 3.4噪音 用分貝db表示，噪音大小與設備結構方式，加工精度,安裝條件有密切關系，均質(zhì)機行業(yè)內(nèi)目前還沒有國家標準，申鹿均質(zhì)機按照市企 標準用分貝計放在主泵體正前方一米處測定，應小于電動機銘牌上表示分貝數(shù)是比較理想。 3.5耗能 均質(zhì)機的耗能與均質(zhì)機的結構制造精度安裝有關，在實踐中可以用下式估算： N=Q×P/K(Kw) 式中：N耗能，用Kw表示 Q:每小時流量用L/H表示 P: 選用壓力，用Bar表示 K:效率系數(shù)（各廠家不*一樣，有 K:30060、K:31212，K越大，耗能越?。? 例如：申鹿SRH5000－25 Q:5000L/H P:200Bar K:31212 N=5000×200/31212 =32Kw 電流表指示 64A±10％ 在選型和合理電氣配套時，是十分有用的參考數(shù)據(jù) 3.6易損件 均質(zhì)機易損件主要閥件，密封件，柱塞等，由于選用材質(zhì)，加工工藝不同，各制造商不能一樣。對于選用設備，只能作比較才能擇優(yōu)選用。 3.7 適合CIP消毒全過程。接觸食品的零件閥、柱塞、密封、頂桿等件必須滿足NaOH 1.5-2%，HNO3 1.5%，85℃的要求。 4 均質(zhì)機前道配套 工業(yè)型高壓均質(zhì)機往往有幾個柱塞泵組成，柱塞隨曲軸旋轉作往復行動，在主泵體內(nèi)通過進料閥，出料閥以及均質(zhì)閥，完成進料——壓縮——泄放——進料——壓縮——泄放……周而復始運行。這樣，對于每一個柱塞泵來說，進料和泄放都是間隙的，管道的液流必然是脈沖狀態(tài)，即使是多柱塞合成的液流也成脈動狀態(tài)，這個脈沖（動）頻率會引起管道的共振，如果柱塞運行速度130－170r/min，柱塞每一個行程周期僅0.46－0.36秒，進出料單向閥開啟時間僅0.23－0.18秒，表明主泵體在短時間內(nèi)完成進料、壓縮和泄放全過程首先必須具備穩(wěn)定進料速度和進料壓力。實踐中，選擇合理均質(zhì)機的進、出料管徑，輸送泵和緩沖管，是十分必要的。 4.1管道選擇： 為了減少管道背壓，用V進表示進料管速度，V出表示出料管速度，采用V進＝V出為宜，進出料管選擇原則，必須把握流經(jīng)管道速度V進＜2m/s 為宜。 可用下式計算驗證： V進＝Q×4/3600×φ2×π （m/s） 式中：Q：流量用m3表示 φ：進出料管內(nèi)徑用m表示 π：3.1416表示 例如：申鹿SRH10000-35均質(zhì)機選配管道內(nèi)徑φ50即φ＝0.05m，供10000L/H即Q=10m3/H進出料是否合適，可代入公式V進＝10×4/3600×0.052×π=1.41 m/s 此管用在每小時流量10000L/H進出料管是合適的。 4.2配備合適的輸送泵 為了有效的開關進料閥門，均質(zhì)機必須實施壓力輸送，通常在粘度1000CP以下輸入壓力取0.2－0.3Mpa,超過1000－2000CP時，輸入壓力適當提高0.3－0.6 Mpa，針對不同加工物料可選用 奶泵 500CP以下 轉子泵 1000CP以下 螺桿泵或齒輪泵 1000－2000 CP 4.3緩沖管的設置 進出料管道的速度較大且為脈沖（脈動）式，對于管道沖擊較大，尤其管道系統(tǒng)較為復雜，拐彎多，拐角不圓滑，很容易與管道的固有頻率發(fā)生共振，引起管道抖動，發(fā)出拍拍聲，同時影響進料，出料，為此,進出料管必須加裝緩沖管。 圖4 緩沖管 緩沖管結構有水庫室（a） 空氣室（b）兩種，如圖4 a.b.國產(chǎn)機以空氣室緩沖管為多緩沖管設計原則： 4.3.1以V緩：表示緩沖管的容積，V行程：表示柱塞行程容積 則V緩≥10 V行程 4.3.2 緩沖管同進出料管連接必須用活接頭，便于清洗和充氣。 例如申鹿牌SRH10000-35 柱塞直徑 d:5.5cmπ：3.1416 柱塞行程2e:12cm 用φ表示緩沖管內(nèi)徑cm，H表示緩沖管高度cm V緩≥d2×π×12×10/4=2851cm3 若緩沖管內(nèi)徑選用φ7.6cm： 則d2×π×H/4≥V緩 即7.62×π×H /4≥2851 H≥2851×4/7.62×π=62.84 cm 此機，緩沖管：可取φ80管及高度為650mm 綜合上述，柱塞式高壓均質(zhì)機在中國還是起步較晚，在均質(zhì)機理論上，結構上，選材上及制造工藝上，及合理選用上，還有待與進一步探討、研究，務使中國均質(zhì)機加速走上更耐用，更實用和更*境地，讓國內(nèi)、用戶更受歡迎。 |
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