EA019448B1

EA019448B1 - Мембранное насосное устройство для гомогенизатора

Info

Publication number: EA019448B1
Application number: EA201171085A
Authority: EA
Inventors: Клаэс-Йёран Йоханссон; Нильс Вендестам
Original assignee: Тетра Лаваль Холдингз Энд Файнэнс С.А.
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2014-03-31
Also published as: AU2010218519B2; JP2012518740A; EP2401501A4; US20120011998A1; CA2752754A1; BRPI1008003A2; AU2010218519A1; CN102317628A; NZ594426A; JP5592900B2; SE0900233A1; MX2011008580A; EP2401501A1; WO2010098707A1; EA201171085A1

Abstract

Изобретение относится к мембранной насосной головке (1) для гомогенизатора или насоса высокого давления. Мембранная насосная головка (1) содержит по меньшей мере одну насосную головку (1), размещенную в корпусе (2) насоса. Мембранная насосная головка (1) также включает продуктовую камеру (3) с впуском (20) и выпуском (7) для продукта, а также гидравлическую камеру (4), в которой поршень (9) размещен для работы. Продуктовая камера (3) и гидравлическая камера (4) отделены друг от друга двойной мембраной (5). Мембрана (5) расположена под углом 15-75° относительно продольного направления поршня (9).

Description

Настоящее изобретение относится к мембранному насосному устройству для гомогенизатора, содержащему корпус насоса с по меньшей мере одним рабочим поршнем, по меньшей мере одной продуктовой камерой с впуском и выпуском для продукта и по меньшей мере одной гидравлической камерой, в которой размещен рабочий поршень, при этом продуктовая камера и гидравлическая камера отделены друг от друга двойной мембраной.

Уровень техники

Гомогенизация представляет собой производственный процесс, который применялся в течение значительного периода времени, и цель которого состоит, например, в эмульсии жира, такого как молоко, для расщепления самых больших жировых шариков на более маленькие жировые шарики и посредством чего стабилизирования эмульсии жира. Для, например, молока, это подразумевает то, что предотвращено сгущение сливок, и большая часть всего потребляемого молока сегодня гомогенизируется.

Обычно гомогенизация осуществляется посредством механической обработки, таким образом, что эмульсия жира, которую при высоком давлении всасывания пропускают с большой скоростью через очень узкий зазор, после чего жировые шарики эмульсии жира разбиваются, помимо прочего, вследствие турбулентности, возникающей, когда эмульсия жира выходит из зазора с чрезвычайно высокой скоростью. Высокая скорость жидкости дает низкое статическое давление после зазора и, таким образом, появляются пузырьки воздуха. Когда пузырьки воздуха лопаются, возникают чрезвычайно высокие, короткие, импульсы давления, которые дают значительные усилия, необходимые для разбивания клеточной мембраны жировых шариков.

Гомогенизаторы, доступные в настоящее время на рынке, по существу, состоят из поршневого насоса, который создает высокое давление, необходимое для гомогенизации, и устройства противодавления, где происходит фактическая гомогенизация. Поршневые насосы обычно имеют механическую конструкцию, которая преобразует вращательное движение приводного двигателя в поступательное движение. Поршень поршневого насоса приводится в движение посредством этого поступательного движения.

Поршни поршневого насоса снабжены поршневыми уплотнениями, которые работают против высокого давления, создаваемого в машине. Так как в пищевых контекстах не является возможным смазывать уплотнение, например, посредством обеспечения возможности затекания части продукта, при этом срок службы уплотнений становится неприемлемо коротким. Дополнительно к недостаткам гигиены, это давало бы большие потери продукта. Для того чтобы уплотнения были эффективными, они должны дополнительно состоять из относительно мягкого материала, даже если они подвергаются таким же напряжениям, что и сталь в окружающей конструкции машины. Это также способствует сокращению срока службы.

Поршневые насосы, которые в настоящее время используют в гомогенизаторах, кроме того, содержат кованые блоки, которые являются дорогими в изготовлении.

Мембранные насосы, которые гидравлически приводятся в действие, т.е. они имеют мембрану, которая приводится в действие посредством гидравлической текучей среды, которая перекачивается посредством традиционного поршневого насоса, не страдают от таких же проблем уплотнения, как поршневые насосы. Это так потому, что для поршневых уплотнений на поршнях, которые перекачивают гидравлическую текучую среду, может быть обеспечена возможность наличия минимальной, управляемой протечки гидравлической текучей среды, которая смазывает уплотнение и поршень, так как гидравлическая жидкость отделена от продукта посредством двойной мембраны. Такой принцип уплотнения обеспечивает почти неограниченный срок службы поршневого уплотнения.

Мембранные насосные головки обычно не могут применяться в гомогенизаторе, так как диаметр мембраны должен быть чрезмерно большим для того, чтобы соответствовать рабочему объему существующего поршня, в результате чего поршневой насос с мембранными насосными головками требует значительно большего центрального расстояния между поршнями, чем требует традиционная поршневая машина.

Мембрана в мембранной насосной головке, которая выровнена по давлению, так как одинаковое давление действует на ее обеих сторонах, разделяет головку на продуктовую камеру и гидравлическую камеру. В качестве результата, мембрана не подвергается перепаду давления, которому подвергается обычное поршневое уплотнение, и, следовательно, может быть изготовлена из материала, который, иным образом, не выдерживал бы высоких давлений, которые возникают. В качестве результата, мембранная насосная головка также способна выдерживать значительно более высокое давление, чем может противостоять традиционный поршневой насос.

Устройство для использования мембранного поршневого насоса для гомогенизации описано в патенте США 6174144. Здесь несколько насосных головок было расположено параллельно таким образом, что образуются гидравлические камеры и продуктовые камеры, и где одна продуктовая камера и одна гидравлическая камера, соответствующим образом, отделены друг от друга посредством мембраны. Поршень работает в каждой соответствующей гидравлической камере, и мембраны ориентированы таким образом, что они являются параллельными относительно поршней. В этом варианте осуществления насосные узлы будут значительно больше и более дорогостоящими, если имелось бы пространство для

- 1 019448 мембран диаметра, требующегося рабочим объемом поршня. Это так, потому что поперечное сечение насосного узла должно быть таким большим, как диаметр мембраны, плюс пространство, которое требуется для закрепления мембраны. Аналогичным образом, этот вариант выполнения вызывает относительно неблагоприятное сжатие мембран и относительно большие потери расхода.

Задачи изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании мембранной насосной головки для гомогенизатора, которая предоставляет все преимущества мембранного насоса, при этом без чрезмерного увеличения размеров насосного узла.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, что насосные узлы станут значительно более легкими для изготовления и, тем самым, значительно более экономически выгодными.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в обеспечении предпочтительного сжатия мембран.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в уменьшении потерь расхода между поршнем и мембраной.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, что мембранная насосная головка может быть установлена в традиционном поршневом насосе с сохранением центрального расстояния между поршнями.

Решение поставленных задач

Эти и другие задачи решаются настоящим изобретением посредством того, что мембранная насосная головка типа, описанного во введении, имеет отличительный признак, заключающийся в том, что мембрана расположена под углом 15-75° относительно продольного направления поршня.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Один предпочтительный вариант выполнения изобретения теперь будет более подробно описан в дальнейшем со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - схематичный вид мембранной насосной головки;

фиг. 2 - вид сверху в сечении насосного узла по изобретению;

фиг. 3 - вид сбоку, частично в сечении, насосного узла по изобретению.

На прилагаемых чертежах показаны только те части и признаки, которые важны для понимания настоящего изобретения, а размещение насосного узла в гомогенизаторе, хорошо известном для специалиста в данной области, не показано.

Предпочтительный вариант выполнения

На фиг. 1 показана мембранная насосная головка 1, как она может выглядеть в принципе. Мембранная насосная головка 1 содержит корпус 2 насоса, который включает продуктовую камеру 3 и гидравлическую камеру 4. Продуктовая камера 3 и гидравлическая камера 4 отделены друг от друга посредством мембраны 5.

Продуктовая камера 3 соединена с впуском 20 (входным патрубком) для продукта. Впуск 20 для продукта снабжен клапаном 6. Продуктовая камера 3 также соединена с выпуском 7 (выходным патрубком) для продукта. Выпуск 7 для продукта снабжен клапаном 8.

Поршень 9 работает в гидравлической камере 4, которая заполнена гидравлической текучей средой, предпочтительно маслом. Поршень 9 уплотнен относительно корпуса 2 насоса посредством уплотнения 10. Уплотнение 10 представляет собой тип уплотнения, который выдерживает высокое давление, и оно постоянно смазывается гидравлической текучей средой. Излишний поток гидравлической текучей среды отводится через канал 11 в емкость 12 для гидравлической текучей среды, из которой, когда необходимо, гидравлическая текучая среда добавляется в гидравлическую камеру 4 через канал 13 и односторонний клапан 14.

Мембрана 5 обычно выполнена из термопластика, такого как РТЕЕ (политетрафторэтилен), или другого материала, допущенного к применению вместе с пищевыми продуктами. Такая мембрана 5 обычно имеет срок службы 8000 ч. Так как мембрана 5 гидравлически поддерживается и выровнена по давлению, т.е. имеет одинаковое давление на обеих сторонах, она не подвергается чрезмерным усилиям и напряжениям. Мембрана 5 используется в оборудовании для производства пищевых продуктов, причем используется двойная мембрана 5. В пространстве между обеими мембранами 5 создан вакуум. Одна сторона вакуумного пространства соединена с односторонним клапаном 15, а другая сторона - с капиллярной трубкой 16, которая, в свою очередь, соединена с датчиком 17 давления. При утечке через одну из разрушившихся или разорвавшихся мембран 5 давление в капиллярной трубке 16 вырастет, и датчик 17 давления выдаст аварийный сигнал, что мембрана 5 повреждена.

По прочностным причинам мембрана 5 может перемещаться только приблизительно на одну десятую часть ее диаметра и, в качестве результата, именно диаметр мембраны 5 определяет рабочий объем насосной головки 1, т.е. смещение поршня 9. Так как процесс гомогенизации требует определенного рабочего объема, необходим диаметр мембраны, который дает такую же длину хода для поршня 9, как и традиционный поршневой насос.

- 2 019448

Для обеспечения пространства для мембранных насосных головок 1 в имеющемся гомогенизаторе мембраны 5 ориентированы под углом 15-75° относительно продольного направления поршней 9, как очевидно из фиг. 2. Предпочтительно мембраны 5 ориентированы на 45° относительно продольного направления поршней 9. Посредством ориентации мембран 5 под углом 15-75° и предпочтительно 45° относительно продольного направления поршней 9 размер корпуса 2 насоса будет уменьшен до минимума. Например, в соответствующем корпусе 2 насоса является возможным иметь мембрану 5 с диаметром приблизительно на 30% больше, чем если мембраны 5 были бы ориентированы на 90° относительно продольного направления поршней 9. Мембраны 5 по изобретению расположены таким образом, что это не влияет на габариты машины в целом. Так как перемещение мембраны 5 физически ограничено в направлении перемещения, это неизбежно влечет за собой увеличение диаметра с дополнительной областью для резьбового соединения.

Поскольку мембраны 5 ориентированы под углом 15-75°, предпочтительно 45° относительно продольного направления поршней 9, будет получено более благоприятное сжатие мембран 5, так как угол потока относительно мембран 5 будет намного более предпочтительным. Благодаря предпочтительному углу потока, кроме того, будут иметь место более низкие потери расхода между поршнем 9 и мембраной 5, что уменьшает общее потребление энергии гомогенизатора.

Насосный узел 18 состоит из некоторого количества корпусов 2 насоса, которые включены в гомогенизатор. На фиг. 2 три корпуса 2 насоса показаны и объединены для образования насосного узла 18. Каждый корпус 2 насоса поддерживается посредством соседнего корпуса 2 насоса, что делает возможным корпусы 2 насосов, которые являются меньше, чем те корпусы насосов, которые применяются в традиционных поршневых или мембранных насосах. Только две самые внешние части в насосном узле 18 требуют усиления. Посредством объединения друг с другом корпусов 2 насоса, в соответствии с настоящим изобретением, будет исключено требование того, что каждый корпус 2 насоса должен быть в достаточной мере жестким для того, чтобы не приводить к протечке при сжатии.

Настоящее изобретение обеспечивает возможность удерживания насосного узла 18 вместе с помощью стяжных стержней 19, которые дают достаточные упругие свойства в соединении, одновременно, по существу, соединение занимает меньше пространства. Посредством ориентации мембран 5 на 15-75°, предпочтительно на 45° относительно продольного направления поршней 9, будет получено, когда мембраны 5 сжаты, приблизительно 30% уменьшение усилия на стяжных стержнях 19, которые удерживают вместе насосный узел 18. Эти стяжные стержни 19 работают вместе со стяжными стержнями (не показаны), которые фиксируют насосный узел в кривошипно-шатунном механизме, на поверхности уплотнения мембраны 5 и уплотняют ее. На 30% меньшее усилие на стяжных стержнях 19 дает более низкий расход материала и способствует меньшим размерам как для стяжных стержней 19, так и насосного узла 18.

Настоящее изобретение делает возможным уменьшить количество стяжных стержней 19 или соединительных болтов, и, в качестве результата, внешние размеры насосного узла 18 будут значительно меньше, чем для традиционной, круглой мембранной насосной головки 1, где требуется большое количество болтов с их связанными круглыми областями посадки для обеспечения герметичности мембранной насосной головки 1. Настоящее изобретение также делает возможным применять стяжные стержни 19 вместо болтов для объединения насосного узла 18. С помощью таких средств также будут получены упругие свойства, которые требуются в соединении. Поскольку настоящее изобретение способствует меньшему количеству необходимых болтов или стяжных стержней 19, также будет пространство для внедрения требуемых каналов для гидравлической текучей среды в насосном узле 18.

Когда поршень 9 в мембранном насосе перемещается назад, пространство в гидравлической камере 4 увеличивается. Это, в свою очередь, заставляет мембрану 5 перемещаться в том же направлении, что и поршень 9. Клапан 6 на впуске 20 для продукта является открытым, и продукт всасывается в продуктовую камеру 3. Когда поршень 9 в мембранном насосе перемещается вперед, пространство гидравлической камеры 4 уменьшается. Это, в свою очередь, заставляет мембрану 5 перемещаться в том же направлении, что и поршень 9. Клапан 8 на выпуске 7 для продукта является открытым, и продукт выходит из продуктовой камеры 3 через выпуск 7 для продукта.

Так как продукт и гидравлическая текучая среда герметично отделены друг от друга и являются разъединенными в результате двойной мембраны 5, в будущем больше не будет являться необходимым изготавливать определенные асептические гомогенизаторы. Никакие части поршня 9 не входят в контакт с продуктом, как в асептических машинах. Поршень 9 не требует стерилизации, и общее время стерилизации гомогенизатора может быть уменьшено. В качестве результата, потребление пара асептических гомогенизаторов уменьшено до минимума.

Сегодняшние поршневые насосы в гомогенизаторе наиболее широко имеют поршни 9 с водяным охлаждением, так как они непрерывно промываются водой для охлаждения и смазки и, тем самым, увеличения срока службы уплотнений 10. Посредством замены традиционного поршневого насоса мембранным насосом потребность в охлаждении водой исключается, и потребление воды гомогенизаторами может быть радикально уменьшено.

Так как мембранная насосная головка 1 в соответствии с настоящим изобретением имеет двойные мембраны 5, вероятность того, что обе мембраны 5 одновременно отказали бы, не возникает. В результа

- 3 019448 те, не является необходимым останавливать производство в случае аварийного сигнала, который означает, что мембрана 5 является поврежденной, а мембраны 5 могут быть заменены во время обычной производственной остановки. Конечно, в обычном порядке мембраны 5 должны заменяться после заданного, заранее определенного количества часов.

Традиционный гомогенизатор наиболее широко работает с давлением 250 бар. Гомогенизатор с мембранной насосной головкой 1 может работать со значительно более высоким давлением, в частности, если мембрана 5 выполнена из металла. Следовательно, в будущем является возможным изготавливать гомогенизаторы, которые работают при существенно более высоком давлении, чем сегодняшние гомогенизаторы по предшествующему уровню техники.

Как следует из вышеприведенного описания, настоящее изобретение предлагает мембранную насосную головку для гомогенизатора, которая предоставляет все преимущества мембранного насоса и может быть установлена в существующие гомогенизаторы. Поскольку мембрана наклонена относительно продольного направления поршня, обеспечивается более компактный насосный узел, чем в известных мембранных насосах. Кроме того, насосные узлы по изобретению более просты в изготовлении и, тем самым, более экономически выгодны и одновременно, меньше воздействуют на окружающую среду при производстве. Мембранная насосная головка по изобретению дополнительно представляет предпочтительное сжатие мембраны, и потери расхода уменьшены, что дает меньшее общее потребление энергии для гомогенизатора.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Мембранное насосное устройство (1) для гомогенизатора, содержащее корпус (2) насоса по меньшей мере с одним рабочим поршнем, по меньшей мере одной продуктовой камерой (3) с впуском (20) и выпуском (7) для продукта и по меньшей мере одной гидравлической камерой (4), в которой размещен рабочий поршень (9), при этом продуктовая камера (3) и гидравлическая камера (4) отделены друг от друга двойной мембраной (5), отличающееся тем, что мембрана (5) расположена под углом 15-75° относительно продольного направления поршня (9).
2. Мембранное насосное устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что мембрана (5) расположена под углом 45° относительно продольного направления поршня (9).
3. Мембранное насосное устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что несколько корпусов (2) насоса образуют насосный узел (18), при этом насосный узел (18) удерживается в соединении посредством стяжных стержней (19).
4. Мембранное насосное устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что мембрана (5) выполнена из термопластика.
5. Мембранное насосное устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что мембрана (5) выполнена из политетрафторэтилена.
6. Мембранное насосное устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что мембрана (5) выполнена из металла.