Машины и оборудование для переработки молока.

1.Внедрение сепаратора в технологические линии по переработке молока равносильно замене конной тяги трактором в полеводстве. Сепаратор позволил (интенсифицировать) убыстрить процесс разде­ления молока на сливки и обрат в несколько тысяч раз и получать разнообразные молочные продукты: масло, сыр, брынзу, сметану и т.д., производить очистку молока, а также нормализовать молоко, т.е. доводить его до стандартной жирности (3,2 или 2,5%).

По назначению молочные сепараторы разделяются на сливкоотде­лители, молокоочистители, нормализаторы и гомогенизаторы (кла-рификсаторы). В технологических линиях для производства сливоч­ного масла поточным способом применяют сепараторы получения высокожирных сливок.

По конструкции сепараторы могут быть открытыми, полугерме­тическими (полузакрытыми) и герметическими. В открытых сепа­раторах молоко и продукты сепарирования соприкасаются с окружаю­щей средой (воздухом) - СОМ-3-1000, ОСД-500. В полугермети­ческих молоко подается открытым способом, а отвод продуктов осу­ществляется закрытым способом под действием давления, создавае­мого напорными дисками, установленными в барабане сепаратора -ОСП-3; ОМБ-3; СПМФ-2000 (4000). В герметических сепараторах подача молока и отвод продуктов происходит под давлением без дос­тупа воздуха. Такие сепараторы применяют в замкнутой системе ох­ладительно-пастеризационных установок и на крупных предприятиях молочной промышленности - ОМА-ЗМ (в установках типа ОПУ).

За рубежом эксплуатируются бестарельчатые молокоочистители -марки "Титан" датской фирмы и молокоочистители с автоматичес­кой выгрузкой осадка.

2.Существенный вклад в развитие теории сепарирования молока внес советский ученый профессор БремерГ.И. Излагаемый материал да­ется, исходя из этой теории.

Процесс разделения молока на сливки и обрат происходит внутри барабана сепаратора непрерывно, под действием центростремитель­ного ускорения, возникающего при вращении барабана. Поскольку в цельном молоке жир находится в виде мелких шариков диаметром 1...10 микрон и обладает меньшей плотностью (r_ж=0,930 г/см³), чем молочная плазма (r_n=1,0338 г/см³), то при сепарировании, как и при естественном отстое, жировые шарики выделяются из молока (всплы­вают с определенной скоростью).

Скорость выделения жировых шариков из плазмы молока при от­стое определяется по формуле Д.Г. Стокса (он был ректором Кемб­риджского

университета после Исаака Ньютона):

см/с. (9.1)

где а - ускорение свободного падения (a=g=981 см/с²);

r_n - плотность плазмы, г/см³;

r_ж - плотность жирового шарика, г/см³;

d - диаметр жирового шарика, см;

µ- динамическая вязкость плазмы, г/см.с

При сепарировании в барабане действует центростремительное ус­корение:

a=w²R,

где w - угловая скорость барабана сепаратора, рад/с;

R - радиус, на котором находится рассматриваемый жировой шарик, см.

Подставив в формулу Д.Г. Стокса (9.1) значение а, получим формулу для определения скорости выделения жировых шариков из плазмы при сепарировании:

(9.2)

Из данной формулы следует, что скорость выделения жировых ша­риков из плазмы зависит от частоты вращения барабана (w=pn/30), радиуса барабана, размера жирового шарика и вязкости молочной плазмы и растет с увеличением n, R, d и уменьшением µ.

Известно, что с изменением температуры молока изменяется плот­ность плазмы и жира, а также вязкость плазмы.

Если известна подача молочного сепаратора при одной темпе­ратуре сепарирования, то подсчитать подачу при другой температуре можно, изменив известную подачу пропорционально разделяемому.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при тем­пературе молока от 10 до 70°С справедливо равенство

;

где t(T) - температура молока.

Скорость выделения жира из молока при сепарировании больше, чем при отстое в 4000...6000 раз. Так, например, жировой шарик диаметром 4 мКм при температуре молока 30°С при отстое будет всплы­вать на поверхность молока со скоростью u₀=0.000076 см/с, а при сепарировании, когда барабан имеет частоту вращения 7200 мин^-1, тот же жировой шарик, находящийся на расстоянии 8 см от оси вра­щения, будет всплывать к оси вращения со скоростью u_с =0,354 см/с, т.е. в 4658 раз быстрее.

Расчеты показывают, что при сепарировании молока скорость всплывания жирового шарика диаметром 6 микрон в 36 раз больше скорости всплывания жирового шарика диаметром 1 микрон.

Очевидно, что барабан сепаратора должен удовлетворять услови­ям, при которых за время прохождения молока через барабан будет обеспечено отделение не только крупных, но и мелких жировых ша­риков.

Известно, что в сепараторе открытого типа молоко из поплавко­вой камеры непрерывно поступает внутрь барабана и в нижней его части распределяется по трем вертикальным каналам, образованным отверстиями в тарелках и далее заполняет межтарелочные простран­ства, а также весь свободный объем барабана. Из барабана оно в виде двух фракций (сливки и обрат) выходит через два отверстия. Так как выпускные отверстия сливок и обрата обычно располагаются несколько ниже верхнего конца приемной трубки барабана, то под действием напора столба молока внутри барабана всегда будет постоянный при­ток молока:

см3/с (9.3)

где u_n - переносная скорость молока, см/с;

S - поперечное сечение барабана, см².

S=2pRhZCosa, см²

где R - радиус рассматриваемого сечения тарелки, см;

h - расстояние между тарелками, см;

Z - количество тарелок в барабане;

<a - угол наклона тарелок.

В межтарелочном зазоре жировые шарики движутся вместе с по­током молока вниз к периферии тарелок со скоростью:

(9.4)

Но одновременно под действием центростремительного ускорения жировые шарики будут двигаться (всплывать) к оси вращения бара­бана со скоростью, определяемой по формуле (9.2).

Следовательно, абсолютная скорость движения жирового шарика будет равна геометрической сумме скоростей переносной и относи­тельной (см. рисунок 9.1)

(9.5)

Нетрудно представить, что по мере удаления жирового шарика от оси вращения скорости u_c и u_n будут изменяться по величине, а с ними будет изменяться величина и направление абсолютной скороcти u_м.

Рисунок 9.1- Движение молока в межтарелочном пространстве бара­бана

сепаратора сливоотделителя выделение жирового шарика.

Скорость u^,_c будет возрастать, так как R увеличивается, а ско­рость u^,_n будет уменьшаться, так как с увеличением R увеличивается сечение потока. Следовательно, жировые шарики за время пребыва­ния в межтарелочном пространстве, стремясь к оси вращения бараба­на, накапливаются на верхних поверхностях тарелок, и, образуя наиболее легкую фракцию, непрерывно движутся по образующим тарелок вверх к оси вращения (рисунок 9.2).

Таким образом, вдоль повер­хности каждой тарелки образует­ся непрерывный ток сливок, иду­щий в направлении, противопо­ложном потоку молока. Это обес­печивает вывод сливок из бара­бана.

В целом рабочий процесс се­параторного барабана состоит из трех отдельных связанных между собой явлений: протока молока сквозь барабан, всплывания жи­ровых шариков и образования сливочных токов.

Рисунок 9.2- Схема пути движения жирового шарика и сливочного тока.

Из анализа рабочего процесса се­паратора следует, что полнота отде­ления жира зависит от ряда факто­ров, которые можно разделить на две группы: конструктивно-механичес­кие и технологические.

. К первым относятся: частота вра­щения барабана, его размеры, чис­ло и расположение тарелок и др.; ко вторым: качество сепарируемого молока, характеризуемое размерами жировых шариков в нем, плотностьюжира и обрата и вязкостью молока.

Рассматривая эти две группы факторов в их взаимной связи, можно дать метод оценки степени совершенства любого сепаратора, или на­ходить необходимые размеры их при конструировании.

Рассмотрим этот вопрос подробней.

Чтобы жировой шарик попал в сливки, необходимо определенное соотношение между скоростью протока молока (u_n) и относительной скоростью всплывания жировых шариков (u_c), которое обеспечит

достижение шариком сли­вочного тока в период прохождения жидкостью межтарелочного простран­ства.

В самом неблагоприят­ном случае (берем жировой шарик на краю отверстия, где ему труднее всего выде­литься) жировой шарик, находящийся в точке m (рисунок 9.3), достигнет сли­вочного тока в точке m', являющейся наружным кра­ем тарелки. Очевидно, что сепаратор должен быть рассчитан на определен­ную предельную величи­ну мелких шариков, кото­рые не должны переходить в обрат.

Рисунок 9.3- Схема возможных путей дви­жения жирового шарика.

Шарик проходит межтарелочное пространство на пути mm' или mm_n в течение времени t.

(9.6)

Путь жирового шарика, который он пройдет под воздействием потока молока, равен:

(9.7)

Скорости жирового шарика на этих путях будут величиной пере­менной. Действительно, скорость выделения жировых шариков из плазмы

при постоянных значениях величин w, r_n, r_ж, µ, d представляет уравнение прямой - u_с=R К_с (рисунок 9.4)

А скорость потока молока u_n=G/2pRhZCosa представляет из себя уравнение гиперболы (рисунок. 9.5).

Рисунок 9.4- Зависимость Рисунок 9.5- Зависимость скорости

скорости выделения жировых потока молока от радиуса

шариков от радиуса

Обозначив постоянные величины G/2phZ Cosa=K_n ,

получим - уравнение гиперболы.

Следовательно, (9.8)

Приняв u_n и u_c как средние скорости и отложив их на чертеж в приня­том масштабе, нетрудно найти соотношение этих скоростей (рисунок 9.6).

Длина пути u_n t равна длине образующей усе­ченного конуса тарелки. Н - высота тарелки.

Непосредственно из рисунка находим, что го­ризонтальная проекция вектора скорости u_n есть u_х. Тогда из подобия двух треугольников ABC и аbс следует пропорция:

(9.9)

Рисунок 9.6- План скоростей.

Такому соотношению будут удовлетворять средние значения ско­ростей u_c и u_х того предельного по своей величине жирового шари­ка, который достигает сливочный ток при протоке молока в межтаре­лочном пространстве в точке m'.Все жировые шарики, меньшие по размеру и всплывающие из той же крайней точки m, попадут в обрат.

Из соотношения (9.9) можно определить величину предельного жирового шарика, переходящего в сливки. Для этого подставим зна­чения скоростей ,u_с и u_х(u_n Cosd), тогда пропорция (9.9) примет вид:

(9.10)

Заменим d через r и приняв конечные размеры тарелок для скоро­сти u_c-R_м а для скорости u_х-R_б и произведя алгебраическое преоб­разование, получим

Сгруппируем отдельно факторы, относящиеся к свойствам моло­ка и к сепараторному барабану:

(9.11)

Получим критериальную формулу сепаратора.

В левом сомножителе уравнения (9.11) помещены все величи­ны, характеризующие молоко в отношении его способности сепари­роваться. Обозначим эту величину через F и назовем ее разделяю­щим фактором молока, то есть

(9.12)

В правом сомножителе уравнения находятся все величины, ха­рактеризующие способность сепаратора производить разделение мо­лока. Эту величину обозначим через Е и назовем разделяющим фак­тором сепаратора, то есть

(9.13)

Тогда Е* F=2,25

Чем больше разделяемость молока (Е), тем меньше необходим раз­деляющий фактор (F) сепаратора, чтобы произвести сепарирование с надлежащей степенью обезжиривания.

Пользуясь формулой (9.11), можно для каждого сепаратора нахо­дить определенную величину r_теор. предельного жирового шарика, переходящего в сливки. В действительности, в процессе работы се­паратора в обрате встречаются жировые шарики большей величины, чем rтеор.

Следовательно, отношение r_теор./r_{действ.}⁼ h_б - это КПД сепаратор­ного процесса (h_б =0,6...0,7) - определяет степень совершенства сепа­ратора и дает возможность производить оценку качества конст­рукции.

3.Объемный расход сепаратора определяют по формуле:

см³/c (9.14)

где V_р - расчетный объем тарелки, см³;

h_б - технологический к.п.д.сепаратора.

Расчетный объем тарелки сепаратора находится так:

см³ (9.15)

где R_прив. - приведенный радиус тарелки, см.

(9.16)

где R_min, R_maх - минимальный и максимальный радиусы тарелки, см.

Постоянство величины объемного расхода сепаратора поддержи­вают поплавковой камерой, оборудованной выпускным калиброван­ным насадком (рисунок 9.7)

Пропускная способность на­садки:

(9.17)

где µ_н - коэффициент истечения молока из насадка (µ_н=0,96);

d_н - диаметр выходного отвер­стия насадка, см;

h - расстояние от выходного отверстия насадка до уровня мо­лока в поплавковой камере, см.

Следовательно, подачу можно регулировать изменением диаметра насадка.

Регулировочные параметры жирности сливок.

Представим барабан сепаратора в следующем виде (рисунок 9.8).

1 - пакет тарелок; 2 - тарелка разделительная; 3 - корпус барабана.

Рисунок 9.9- Схема барабана сепаратора:

В межтарелочном пространстве барабана I находится смесь обрата и сливок с плотностью r_см. В полостиII между корпусом барабана и разделительной тарелкой находится обрат с плотностью r_0.

Плотность смеси r_см< r₀

По закону сообщающихся сосудов высота сливок будет

По закону равенства давлений в участке сообщающихся сосудов можно записать:

Для случая неподвижной модели запишем пропорцию:

_(9.18)

Переходим к действительному явлению. Барабан имеет большую частоту вращения, на смесь действуют центробежные силы. Поэтому в динамике пропорция (9.18) примет следующий вид:

(9.19)

Отсюда находим радиус выхода сливок

(9.20)

Из данного уравнения вытекает следующее: для увеличения жир­ности сливок - плотность смеси (плазмы) r_см должна уменьшаться.

Этого можно достичь за счет увеличения температуры молока перед сепарированием.

Эффективность работы сепаратора характеризуется степенью обез­жиривания - это отношение количества жира, перешедшее в слив­ки, ко всему количеству жира, содержащегося в молоке

(9.21)

где С - количество сливок, л;

Ж_c - жирность сливок, %;

М - количество молока, л;

Ж_м -жирность молока, %.

Количество сливок заданной жирности, которое можно получить из молока, определяется из формулы:

(9.22)

Длительность непрерывной работы сепаратора определяется по следующей зависимости:

ч (9.23)

где V_грязь - объем грязевого пространства сепаратора, л;

р - загрязненность молока (р=0,02...0,03%);

G - производительность сепаратора, л/ч.

Состав сепараторной слизи: вода - 66...70%, эфирорастворимые вещества - 2,5…3% (в том числе жира - 1,44%, азотистые вещества -20...26% (в том числе казеин - 16,5...20,3%), прочие органические вещества - 1,8...2,0%, зола - 2,8...3,2%.

Рабочая частота вращения барабана должна быть больше первой критической, но меньше второй критической:

где n_1крит. - первая критическая частота вращения, когда барабан преодолевает

динамическую неуравновешенность за счет горлового подшипника,

с^-1;

n_2крит. - вторая критическая частота вращения, когда барабан сепаратора

может сойти с веретена, с^-1.

1 - нижняя опора веретена; 2 - горловая опора веретена; 3 - центр тяжести барабана сепаратора.

Рисунок 9.9- Схема к расчету допустимого угла отклонения веретена.

При разгоне барабана (рисунок 9.9) действуют следующие силы. Из точки 0 (центра тя­жести барабана) действует сила тяжести барабана - mg.

Приводной вал барабана (ве­ретено) в период разгона бара­бана до рабочей частоты откло­няется от вертикальной оси на некоторый угол a (за счет неотбалансированности массы бара­бана). На барабан одновремен­но действует центробежная сила

(9.24)

где m - масса барабана, кг. c²/м;

е- эксцентриситет оси барабана, м;

а – величина отклонения оси барабана от вертикали за счет пружины горлового подшипника, м.

Для того, чтобы в процессе разгона барабан не сошел со своего посадочного места, вертикальная составляющая от центробежной силы (направленной вдоль барабана) должна быть равна составляющей от силы тяжести:

(9.25)

Отсюда можно найти предельный угол отклонения приводного вала от вертикальной оси:

(9.26)

На практике рабочую частоту вращения барабана сепаратора опре­деляют по эмпирической зависимости

(9.27)

где D - диаметр барабана, см.

Литература

1. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. – Л.: Агропромиздат, 1985.

2. Коба В.Г. и др. Механизация и технология производства продукции животноводства. – М.: Колос, 2000.

3. Карташов Л.П. Машины и аппараты для обработки молока. – Оренбург: Издательство ОГАУ, 1998.

4. Барышников В.Ф., Абдыров А.М., Рустембаев Б.Е. и др. Механизация технологических процессов в животноводстве. – Астана: КазАУ, 2002.

5. Белянчиков Н.Н., Смирнов А.И. Механизация животноводства. – М.:Колос, 1983.

6. Белянчиков Н.Н., Беляхов И.П., Кожевников Г.Н. и др. Механизация технологических процессов. – М.: Агропромиздат, 1989.

7. Курочкин А.А., Ляшенко В.В. Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства. -М.: Колос, 2001.

8. Алешкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. -М.: Агропромиздат, 1985.

9. Карташов Л.П., Козлов В.Т., Аверкиев А.А. Механизация и электрификация животноводства. – М.: Колос, 1979.

10. Брагинец Н.В., Палишкин Д.А. Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства. – М.: Колос, 1991.

11. Нуртаев Ш.Н. Техника для фермерских (крестьянских) хозяйств. Учебное пособие. – Алматы: Агроуниверситет, 1998.

12. Доценко В.М., Коровин В.В., Абдыров А.М. Механизация технологических процессов на животноводческих и птицеводческих фермах. – Астана: КазАУ, 2002.