Лабораторная работа № 4 испытание центрифуги.

Цель работы. Изучить принцип действия и конструкцию и центрифуг, наиболее распространенных в пищевой промышленности определить их производительность, мощность и охарактеризовать физические свойства продуктов до и после центрифугирования.

Основные сведения:

Центрифуги – аппараты для осуществления центрифугирования. Цен-трифугирование применяется для разделения жидких неоднородных сред под действием центробежных сил. Позволяет разделить смесь, состоящую из двух и более компонентов с разной удельной плотностью, если, по крайней мере, один из этих компонентов – жидкость.

Разделение веществ с помощью центрифугирования основано на разном поведении частиц в центробежном поле. В центробежном поле частицы, имеющие разную плотность, форму или размеры, осаждаются с разной скоростью. Скорость осаждения зависит от центробежного ускорения. В первом случае центрифугирование выполняют в роторах со сплошными стенками, во втором – с перфорированными.

Центрифугирование проводят двумя методами: центробежное отстаивание, т.е. разделением неоднородных систем под действием объемных дисперсной фазы и центробежным фильтрованием – под действием объемных сил дисперсной среды и частично дисперсной фазы. При центрифугировании по принципу отстаивания различают два типа центрифуг:

1) осветляющие центрифуги периодического действия, в которых неоднород-ная смесь (например, суспензия) вводится в центральную часть полого ротора во время его вращения; твёрдые частицы оседают на внутренней поверхности ротора, а осветлённая жидкость (фугат) отводится из верхней его части. Образовавшийся осадок выгружается из ротора после его остановки (в некоторых случаях на ходу) через специальные сопла или через периодически открывающиеся щели (отверстия);

2) непрерывно действующие центрифуги со шнековой выгрузкой, где суспензия поступает вдоль оси полого ротора; фугат выводится из широкой части ротора, а образующийся осадок шнеком транспортируется к узкому концу ротора и выбрасывается через разгрузочные отверстия.

Центрифугирование по принципу фильтрования чаще всего осуществляется в циклически работающих центрифугах, имеющих непрерывно вращающийся перфорированный ротор, покрытый изнутри фильтрующим материалом. Суспензия поступает в ротор порциями; после заполнения осадком части ротора подача суспензии прекращается, жидкая фаза отжимается, осадок срезается ножом и удаляется; затем снова начинается подача суспензии и цикл повторяется. Для разделения концентрированных суспензий с относительно грубодисперсной твёрдой фазой применяются центрифуги со шнековой, пульсирующей, вибрационной и другими системами выгрузки.

Классификация центрифуг

Центрифуги лабораторные могут быть классифицированы следующим образом: по характеру протекания процесса центрифуги делят на: машины периодического и непрерывного действия; по основному конструктивному признаку центрифуги подразделяют следующим образом:

- центрифуги с горизонтальным расположением вала (ротор может быть расположен между опорами или на консоли с одной стороны);

- с вертикальным расположением вала;

- с наклонным расположением вала;

- подвесные с верхним приводом и вертикальным расположением вала, подвешенным на упругой верхней шарнирной опоре; ротор закреплен на нижнем конце вала;

- подвесные с нижним приводом (маятниковые на колонках) и вертикальным расположением вала; опоры вала помещены в общий жесткий корпус, подвешенный на колонках с упругими шарнирными опорами; ротор закреплен на верхнем конце вала;

по способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги: с ручной контейнерной (кассетной), ножевой, шнековой, инерционной, механико-пневматической выгрузкой и выгрузкой пульсирующим поршнем.

Ручная выгрузка возможна через борт и через отверстие в днище ротора. Выгрузка через борт и через днище ротора встречается у маятниковых (трехколонных) центрифуг, через днище ротора — у подвесных центрифуг с верхним приводом.

В центрифугах с контейнерной выгрузкой осадок выгружается в съёмном контейнере.

Ножевую выгрузку осадка (с помощью ножа или скребка) |применяют в механизированных центрифугах периодического действия, как при пониженной, так и при полной скорости ротора

Комбинацию ножовой и пневматической выгрузки осадка называют механико-пневматической. Этот принцип выгрузки применяют на маятниковых центрифугах.

Выгрузку пульсирующим поршнем применяют только в фильтрующих центрифугах. Загрузка этих центрифуг непрерывная, а выгрузка осадка — цикличная, отдельными порциями при возвратно-поступательном движении поршня (или внутреннего каскада ротора). Так как число циклов в единицу времени велико, то такую выгрузку осадка можно считать практически непрерывной.

Шнековую выгрузку осадка обеспечивает разная частота вращения ротора и шнека, вращающихся в одну и ту же сторону. Вследствие этого шнек транспортирует осадок вдоль ротора к выгрузочным окнам. Этот способ выгрузки использован в осадительных и в фильтрующих центрифугах непрерывного действия.

Инерционная выгрузка осадка встречается только в фильтрующих центрифугах. Перемещение осадка вдоль ротора к разгрузочной кромке происходит под действием составляющей центробежной силы инерции.

Относительная центробежная Сила (RCF)

Параметры скорости, RCF и диаметра ротора связаны между собой следующим соотношением:

RCF = 11,18* 10^-6*r*n^{2 (4.1)}

r - радиус, см;

n - частота вращения, об/мин

RCF – относительная центробежная сила, безразмерная величина.

Если известны две величины, третья может быть вычислена из приведенной формулы. Если меняется либо скорость, либо радиус вращения, то результирующая RCF будет пересчитана. Если меняется величина RCF , то при известном радиусе пересчитывается величина скорости.

ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРИФУГИ ЛАБОРАТОРНОЙ

Центрифуга является центрифугой лабораторной периодического действия, обычной, переносной с частотой вращения до 8000 об/мин, применяемой для разделения неоднородных жидких систем в поле центробежных сил.

Центрифуга предназначена для использования в практике клинической и лабораторной диагностики и проведения исследований в области медицины и других областях.

Центрифуга обеспечивает центрифугирование жидких систем плотностью не более 2 г/см, при работе со стеклянными пробирками- жидких систем плотностью не более 1,5 г/см.

Условия эксплуатации центрифуги:

- температура окружающего воздуха от + 10 до +35 С.

Рис. 4.1. Центрифуга лабораторная

Устройство центрифуги

На корпусе центрифуги смонтированы привод (поз. 2), пульт управления (поз. 3) и основание (поз. 4). Привод центрифуги (поз. 2) состоит из электродвигателя (поз. 5), конусного вала (поз. 6.), датчика частоты вращения и обратной связи (поз. 7). Привод соединен с кожухом (поз. 8) при помощи амортизирующих элементов.

Пульт управления (поз. 3) состоит из переключателя- задатчика частоты вращения, управляемого ручкой (поз. 10), выключателя цепи питания центрифуги (поз. 12) и выключателя часового механизма (поз. 11).

На основании центрифуги смонтированы элементы электронной схемы управления частотой вращения и панель предохранителей.

В рабочей камере на конусный вал (поз. 6) устанавливается ротор. Рабочая камера центрифуги закрывается прозрачной крышкой (поз. 13).

Принцип работы центрифуги лабораторной. Электрическая принципиальная схема обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения ротора и стабилизацию частоты вращения на заданной ступени, автоматическое выключение центрифуги по окончании каждого цикла.

Принцип работы электрической схемы центрифуги основан на изменении угла управления тиристора в зависимости от положения задатчика частоты вращения при жесткой синхронизации с сетью и глубокой отрицательной обратной связи угла управления тиристора по частоте вращения ротора.

Электрическая принципиальная схема состоит из следующих составных частей:

- универсального коллекторного электродвигателя;

- часового механизма с электронным приводом;

- регулятора мощности на тиристоре;

- блока питания электронной системы на трансформаторе;

- генератора пилообразных импульсов с жесткой синхронизацией от сети на транзисторах и конденсаторе;

- усилителя- формирователя управляющих на транзисторах;

- датчика обратной связи;

-порогового усилителя обратной связи на транзисторе.

При достижении ротором установленной задатчиком частоты вращения, включается пороговый усилитель и управляющий импульс сдвигается в сторону увеличения угла управления тиристором, что вызывает уменьшение частоты вращения ротора. В дальнейшем процесс повторяется, что обеспечивает стабилизацию частоты вращения ротора при заданном значении.[5]

Отключение центрифуги осуществляется автоматически по истечении заданного цикла при работе с электрочасовым механизмом, либо вручную с помощью сетевого выключателя, выведенного на пульт управления.

Техника безопасности при работе с центрифугой

Категорически запрещается при работе с центрифугой лабораторной:

1) работать на оборотах, превышающих максимальное значение для данной центрифуги;

2) при работе со стеклянными пробирками устанавливать частоту вращения ротора свыше 2000 об/ мин;

3) работать с открытой крышкой центрифуги при вращающемся роторе;

4) открывать крышку центрифуги до полной остановки ротора;

5) загружать ротор центрифугатом, объем которого превышает значения, указанные в паспорте на определенный тип ротора;

6) работать с разностью масс диаметрально противоположных пробирок, заполненных центрифугатом, более 0,5 г;

7) применять самодельные пробирки;

8) работать с гайкой, предназначенной для стопорения привода при транспортировании.

Заземление центрифуги осуществляется заземляющим контактом вилки сетевого шнура. Заземляющий контакт розетки должен быть соединен с магистралью защитного заземления

РАСЧЕТ ЦЕНТРИФУГИ ЛАБОРАТОРНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Расчет производительности центрифуги периодического действия

Технологический расчет центрифуг сводится к определению их производительности и расхода энергии на процесс разделения суспензии в поле центробежных сил.

Несмотря на сложность точного расчета производительности фильтрующих и осадительных центрифуг. Этот метод при наличии некоторых опытных данных позволяет определить производительность центрифуг с достаточной для технических расчетов точностью.

Так как в центрифуге лабораторной происходит центрифугирование в пробирках, то полный максимальный объем будет равен:

_(4.2)

где - объем всех пробирок;

- объем одной пробирки, принимаем равным 10 мл;

- количество пробирок в центрифуге.

Для центрифуги лабораторной максимальное время непрерывной работы равно 180 минут.

Таким образом, производительность центрифуги лабораторной периодического действия ( ):

_(4.3)

где, - максимальное время непрерывной работы центрифуги.

Методика проведения экспери­мента.

Работу начинают с изуче­ния имеющийся в лаборатории центрифуги. Для этого знакомятся с устройством, изучают указание мер безопасности и подготовку центрифуги к работе.

Получив разрешение преподавателя, приступают к опытам.

Подготовка к работе центрифуги

Перед началом работы необходимо установить центрифугу на ровную поверхность. Установить крышку на центрифугу, выдвинуть винты, закрепить крышку винтами на кожухе.

Плотно насадить ротор на вал привода. Далее следует установить пробирки, заполненные центрифугатом, в гнезда ротора. Пробирки надо устанавливать в роторе с амортизатором под каждую пробирку. При неполной загрузке центрифуги каждую пару наполненных пробирок размещать в диаметрально противоположных гнездах ротора.

Закрепить ротор на валу привода при помощи крышки или специальной гайки. Закрыть крышку центрифуги. Далее необходимо подключить сетевой шнур центрифуги к сети переменного тока.

Порядок работы с центрифугой лабораторной.

При работе центрифуги с часами необходимо:

1) Установить ручкой задатчика механизма отсчета времени требуемое время центрифугирования с учетом времени разгона.

2) Выключатель часов установить в положение включено, при этом на клавише будет видна красная точка.

3) Установить задатчиком частоты ротора требуемое число оборотов

4) Выключатель цепи питания установить в положение включено, при этом на клавише будет видна красная точка.

Ротор начнет вращаться через некоторое время (30-45 с). И автоматически достигнет заданной частоты вращения.

5) После истечения заданного времени автоматически отключается напряжение питания электродвигателя, и ротор начнет останавливаться

6) Выключатель цепи питания установить в положение отключено.

7) После полной остановки ротора открыть крышку центрифуги, снять крышку ротора и вынуть пробирки.

8) Для продолжения центрифугирования без смены ротора необходимо заменить центрифугат в пробирках и повторить процесс работы.

При работе центрифуги без часов.

1) Выключатель часов установить в положение отключено.

2) Установить задатчик частоты вращения ротора в положение , соответствующее требуемое частоте вращения.

3) Выключатель цепи питания установить в положение включено. Ротор разгонится до заданной частоты вращения.

4) После истечения требуемого времени центрифугирования отключить центрифугу от сети выключателем.

5) После полной остановки ротора открыть крышку центрифуги, отвернуть крышку ротора и вынуть пробирки.

6) Для продолжения центрифугирования без смены ротора необходимо заменить центрифугат в пробирках и повторить процесс работы.

7) Для продолжения центрифугирования со сменой ротора необходимо снять ротор, предварительно отвернуть крышку или специальную гайку, плотно насадить требуемый ротор на вал и повторить процесс работы.

В отчете описать лабораторную центрифугу, рассчитать производительность и определить относительную центробежную силу; провести сравнительный анализ пробы до и после центрифугирования в форме таблице.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение процессу отстаивания.

2. На чем основан принцип разделения жидких неоднородных сред в отстойниках?

3. Для чего предназначен отстойник системы Чугунова, опишите его основные рабочие органы и принцип действия.

4. Выполнение каких двух основных требований необходимо для обеспечения нормальной работы отстойного оборудования?

5. Какие силы действуют на частицу в процессе осаждения?

6. В каком случае частицы будут всплывать?

7. Какой процесс называется центрифугированием?

8. Чем отличается процесс сепарирования от центрифугирования?

9. Как классифицируются мембранные модули по среднему размеру пор?