mgr in¿.Agata BIEÑCZAK, dr hab. in¿. Jan SZCZEPANIAK prof. nadzw.
Martyna WILKOÑSKA
Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych ul. Staro³êcka 31, 60-963 Poznañ
e-mail: office@pimr.poznan.pl
Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu al. Niepodleg³oœci 10, 61-875 Poznañ
Streszczenie
Okreœlono wartoœci lepkoœci dla p³ynnych artyku³ów spo¿ywczych, wraz ze wskazaniem rodzaju pomp stosownych w przemyœle. Stwierdzono, i¿ w bran¿ach przemys³u spo¿ywczego do transportu mediów o du¿ej lepkoœci szerokie zastosowanie znalaz³y pompy zêbate, które wymagaj¹ przeprowadzenia badañ empirycznych w celu wyznaczenia ich charakterystyk
pompy; lepkoœæ; transport cieczy lepkich; przemys³ spo¿ywczy .
S³owa kluczowe:
SYSTEM TRANSPORTU CIECZY O RÓ¯NYCH
LEPKOŒCIACH W SPO¯YWCZYCH ZAK£ADACH
PRODUKCYJNYCH
Wprowadzenie i cel pracy
Ciecze w przemyœle spo¿ywczym
Podzia³ pomp
Jednym ze sposobów transportowania produktów ¿ywnoœcio-wych w postaci p³ynnej w zak³adach produkcyjnych jest transport za pomoc¹ pomp. Z punktu widzenia procesów produkcji istotne jest, aby materia³ pompowany nie zmienia³ swoich w³aœciwoœci podczas przep³ywu. Dlatego bardzo wa¿ny jest dobór odpowiedniej pompy do medium charakteryzuj¹cego siê indywidualnymi w³aœciwoœciami fizykochemicznymi.
W dostêpnej literaturze czêsto spotyka siê informacje na temat zastosowania w przemyœle spo¿ywczym pomp wirowych i wypo-rowych. Niestety nie ma danych tabelarycznych na temat zastosowa-nia pomp w zale¿noœci od parametrów medium, takich jak np. lepkoœæ.
Celem pracy jest okreœlenie, jakie pompy s¹ wykorzystywane w przemyœle spo¿ywczym do przet³aczania cieczy o okreœlonych lepkoœciach.
W przemyœle spo¿ywczym transportowane (t³oczone) s¹ substancje o ró¿nej lepkoœci. Najogólniej mo¿na je podzieliæ na dwa rodzaje, tj.: ciecze newtonowskie oraz ciecze nienewtonowskie.
Ciecze newtonowskie, tzw. ciecze doskonale lepkie, wykazuj¹ liniowe zale¿noœci naprê¿enia stycznego od szybkoœci œcinania (hydrodynamiczne prawo Newtona).
Przyk³adami cieczy newtonowskich w przemyœle spo¿ywczym s¹: woda, klarowne soki owocowe, koncentraty soków owocowych, oleje, syropy. Lepkoœæ wody w temperaturze 25°C wynosi 0,89·10 Pa·s [14], oleju roœlinnego 0,065Pa·s, [1].
Ciecze nienewtonowskie to ciecze, które nie spe³niaj¹ hydro-dynamicznego prawa Newtona. Ciecze te nie wykazuj¹ liniowej zale¿noœci naprê¿enia stycznego od szybkoœci œcinania. Przyk³adem cieczy psuedoplastycznych i dylatacyjnych jest stê¿ona zawiesina krochmalu. Bita œmietana, puree ziemniaczane, mas³o, margaryna czy te¿ p³ynna czekolada to ciecze plastyczne Binghama, których lepkoœæ pozorna jest niezale¿na od czasu. Miód eukaliptusowy jest ciecz¹ reopeksyjn¹, która zwiêksza swoj¹ lepkoœæ na skutek szania. Majonez natomiast zmniejsza swoj¹ lepkoœæ w wyniku mie-szania i jest przyk³adem cieczy tiksotropowej. Lepkoœci cieczy nienewtonowskich s¹ wy¿sze w odniesieniu do cieczy newto-nowskich. Przyk³adowe wartoœci lepkoœci dla czekolady wynosz¹ od 2,5 do 16 Pa·s, a dla mieszanki czekolad wynosz¹ 2,1 Pa·s [1].
W transporcie wewn¹trzzak³adowym wykorzystuje siê ró¿ne typy pomp w zale¿noœci od transportowanego medium. Mo¿na je najogólniej podzieliæ na wirowe i wyporowe.
-3
W pompach wirowych (krêtnych i kr¹¿eniowych) obracaj¹cy siê wirnik wyposa¿ony w ³opatki wprawia w ruch cz¹steczki cieczy. £opatki obracaj¹ siê ze sta³¹ i du¿¹ prêdkoœci¹ obrotow¹. Na medium przep³ywaj¹ce przez wirnik dzia³a si³a odœrodkowa lub si³a wyporu ³opatek, lub obie si³y ³¹cznie. Na rys. 1 przedstawiono model 3D pompy wirowej.
Do zalet pomp wirowych zalicza siê:
- du¿¹ wydajnoœæ przy stosunkowo niewielkiej wysokoœci podnoszenia,
- zdolnoœæ samoczynnego przystosowywania siê do zmienionych warunków pracy [12].
Wadami pomp wirowych s¹:
- brak zdolnoœci samozasysania, pompa musi byæ nape³niona ciecz¹ przed uruchomieniem,
- wra¿liwoœæ ma³ych pomp wirowych na zanieczyszczenia mechaniczne [12].
W pompach wyporowych zassana ciecz przemieszczana jest przez organ roboczy z przestrzeni ssawnej do t³ocznej. Organ robo-czy takiej pompy powiêksza okresowo przestrzeñ ssawn¹, zmniej-szaj¹c jednoczeœnie przestrzeñ t³oczn¹, wskutek czego jednoczeœnie nastêpuje zasysanie cieczy przez pompê i t³oczenie jej na zewn¹trz. Do pomp wyporowych zalicza siê m.in. pompy ³opatkowe, zêbate, krzywkowe, œrubowe, œlimakowe, labiryntowe i t³okowe. Na rys. 2 przedstawiono model pompy zêbatej.
Rys. 1. Model pompy wirowej - odœrodkowej
Fig. 1. Centrifugal pump model
Rys. 2. Model pompy wyporowej - zêbatej [6]
Fig. 2. Displacement pump model gear pump
ród³o: opracowanie w³asne/ Source: own work
ród³o: opracowanie w³asne/ Source: own work
Zaletami pomp wyporowych s¹: - zdolnoœæ do samozasysania,
- niezmienna (w pewnym czasie) wydajnoœæ przy zmieniaj¹cych siê warunkach pracy uk³adu [8, 12].
Wadami pomp wyporowych s¹: - ograniczona wydajnoœæ,
- du¿y wp³yw technologii wykonania (szczelnoœci) na sprawnoœæ pomp [8, 12].
W przemyœle spo¿ywczym w³aœciwoœci fizykochemiczne medium decyduj¹ o zastosowaniu odpowiedniego rodzaju pompy. W tab. 1-3 przedstawiono ró¿ne substancje spo¿ywcze w³aœciwe dla danego przemys³u. Sklasyfikowano te¿ rodzaj pompy, jaki jest wykorzystywany do ich t³oczenia, jak równie¿ okreœlono lepkoœæ poszczególnych mediów. Podane wartoœci lepkoœci nie uwzglêdniaj¹ temperatury medium. S¹ to wartoœci zaczerpniête z ró¿nych Ÿróde³ w celu okreœlenia rzêdu wartoœci lepkoœci, czy te¿ ich przedzia³u.
Przemys³ owocowo-warzywny do t³oczenia soków, koncentra-tów owocowych lub warzywnych oraz napojów bezalkoholowych korzysta z pomp wirowych, membranowych, œrubowych i dwuœru-bowych. Natomiast do transportu krojonych warzyw i owoców sto-suje pompy membranowe oraz wirowe. W przemyœle miêsnym do
Zastosowanie pomp w przemyœle spo¿ywczym
Tab. 1. Wykorzystanie pomp w przemyœle mleczarskim [7, 13] Table 1. Usage of pumps in the dairy industry [7, 13]
Tab.2. Wykorzystanie pomp w przemyœle t³uszczowym [1, 5, 14, 15] Table 2. Usage of pumps in the fat industry [1, 5, 14, 15]
Tab. 3. Wykorzystanie pomp w przemyœle fermentacyjnym oraz cukierniczym [3, 13, 14]
Table 3. Usage of pumps in the fermentation and confectionery industries [3, 13, 14]
TRANSPORTATION SYSTEM FOR LIQUIDS OF VARIOUS VISCOSITY IN FOOD
FACTORIES
Summary
The values of viscosity of the liquid food products with an indication of the type of pump in the relevant industry were established. It was found that the sectors of the food industry for the transportation of highly viscous media found widespread use gear pumps, which require empirical testing to determine their characteristics.
pumps; viscosity; viscous liquids transportation; food industry
Key words:
transportu kawa³ków miêsa u¿ywa siê pomp wyporowych, w szcze-gólnoœci pomp membranowych, krzywkowych, œrubowych i dwu-œrubowych. Do transportu owoców morza korzysta siê z pomp membranowych.
Z danych zawartych w tab. 1-3 wynika, ¿e pompy zêbate, wskazane na rys. 2, znalaz³y szerokie zastosowanie w przemyœle spo¿ywczym. Ten rodzaj pompy s³u¿y do przesy³ania i dozowania p³ynów o wysokiej lepkoœci. Transportuje siê za ich pomoc¹ lepkie media o ma³ych w³aœciwoœciach œciernych. W przemyœle spo¿yw-czym stosuje siê pompy zêbate do:
przet³aczania olejów stosowanych w produkcji chipsów, pompowania oleju sojowego w temperaturze dochodz¹cej do 150°C,
przet³aczania nadmiaru czekolady zbieranej z pow³ok, produkcji chemii gospodarczej,
kontroli przep³ywu ¿ywicy oraz kredy, aby móc je przetwarzaæ w ciek³¹ mieszaninê,
t³oczenia miksu substancji, którego postaæ jest podobna do gumy do ¿ucia [9].
Ze wzglêdu na szerokie zastosowanie w przemyœle spo¿ywczym pomp zêbatych zachodzi potrzeba opracowania ich eksperymentalnych charakterystyk uwzglêdniaj¹cych lepkoœæ przet³aczanego medium. Dlatego te¿ w Przemys³owym Instytucie Maszyn Rolniczych opracowano stanowisko do badañ pomp. Przy opracowywaniu stanowiska badawczego uwzglêdniono w³aœciwoœci fizykochemiczne substancji podlegaj¹cej badaniu, które maj¹ wp³yw na charakter przyp³ywu. • • • • • • Podsumowanie Bibliografia
[1] Bieñczak A., Szczepaniak J.: Studium i badania charakterystyk reologicznych wybranych p³ynów nienewtonowskich pod k¹tem ich w³aœciwoœci przep³ywowych. Opracowanie modelu matematycznego przep³ywu w typoszeregu pomp dla celów aproksymacji charakterystyk obliczeniowych, PIMR-Poznañ, BS-6, 2012. Praca dofinansowana w ramach projektu wdro¿eniowego.
[2] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 87th ed., CRC Press LLC, Boca Raton, USA, 2007.
[3] Dziubiñski M., Kiljañski T., Sêk J.: Podstawy reologii i reometrii p³ynów. Wydawnictwo Politechniki £ódzkiej, £ódŸ, 2009.
[4] Kijowski J., MillerA., Pawlicki K., Szolc T.: Maszynoznawstwo, WSiP, 1993. [5] Kotiuk E., Sawicka B., Karwowska M.: Zmiany lepkoœci oraz wyró¿ników barw
musztardy w czasie przechowywania. Nauka Przyroda Technologie, 2010, Tom 4, Zeszyt 3.
[6] Marcinkiewicz J., Bieñczak A.: Opracowanie modelu obliczeniowego MES na pod-stawie modeli komputerowych CAD 3D. Implementacja obci¹¿eñ z uwzglê-dnieniem analizy przep³ywu cieczy nieniutonowskich. Symulacje przep³ywów. Analiza wyników obliczeñ, PIMR- Poznañ, BS-7, 2012. Praca dofinansowana w ramach projektu wdro¿eniowego.
Mohammad Reza Alizadehfard, Dianne Elizabeth Wiley: Viscosity of Whey Protein Solutions, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 1995, vol. 4, No 2. [8] Ochêduszko K.: Ko³a zêbate. Tom pierwszy. Konstrukcja. WNT, Warszawa, 1971. [9] Peter Staddon I.Eng., F.I.Mech.I.E. Managing Director, Stork Pumps Ltd, Internal
gear pumps and their use in industry, WORLD PUMPS,April, 1995.
[10] Pijanowski E., D³u¿ewski M., D³u¿ewska A., Jarczyk A.: Ogólna Technologia ¯ywnoœci, 2004.
[11] Skoæ A., Spa³ek J., Markusik S.: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 2, WNT, Warszawa, 2008.
[12] Troskolañski A.T., £azarkiewicz S.: Pompy wirowe. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1973. [13] www.michael-smith-engineers.co.uk/pdfs/ViscositiesofCommonLiquids2.pdf [14] http://en.wikipedia.org/wiki/Viscosity [15] http://books.google.pl/books?id=5crR45NfGMC&pg=PA139&lpg=PA139&dq= =Viscosity+of+whipped+cream+Pas&source=bl&ots=KOt3GbAoI6&sig=KdDW p9wjYDRTyS8zpUR3vKhkOA&hl=pl&sa=X&ei=5QV4UJT4MYiRswb1nIGAA w&ved=0CDYQ6AEwAjgK#v=onepage&q=viscosity%20of%20whipped%20cre am%20Pas&f=false [7] Produkt/ pó³produkt spo¿ywczy Lepkoœæ medium
[Pa·s] Rodzaj pompy
oleje jadalne oliwa majonez musztarda ketchup 0,065 0,081 12,1 20-48 50-100 membranowe membranowe zêbate zêbate zêbate Produkt/ pó³produkt spo¿ywczy Lepkoœæ medium
[Pa·s] Rodzaj pompy
wino miód melasa glukoza ¿elatyna dro¿d¿e p³ynna czekolada 0,002-0,005 2-10 5-10 4,3-8,6 1,2 0,4 2,5-16 membranowe, wirowe zêbate zêbate zêbate zêbate zêbate krzywkowe, zêbate 0,002-0,004 0,001-1,2 Produkt/ pó³produkt spo¿ywczy Lepkoœæ medium
[Pa·s] Rodzaj pompy
wirowe, krzywkowe, œrubowe i dwuœrubowe Wirowe, krzywkowe, œrubowe i dwuœrubowe zêbate mleko œmietana bia³ko 0,014-0,12