Основы теории сепарирования молока

Общие сведения о молочных сепараторах и их классификация.

Успешное решение проблемы обеспечения населения нашей страны продуктами питания зависит от производства молока и молочных продуктов, являющихся ценнейшим пищевым продуктом.

Так, один литр молока или полученные из него продукты (кефир, ряженка, творог) удовлетворяют почти половину суточной потребности человека в незаменимых аминокислотах.

В технологии производства сливок, сметаны, масла возникает необходимость разделения молока на две фракции с целью выделения жировой.

Сливки можно получить двумя путями: естественным отстоем и сепарированием молока. Оба способа основаны на разнице между плотностью жира и плазмы.

В покоящемся молоке жировые шарики всплывают на поверхность со скоростью (v_с), несколько мм в час (под действием сил Стокса). Поэтому весь процесс отстоя молока для получения жира очень продолжителен – от 10 до 30 часов.

При замене поля силы тяжести полем центробежных сил получается огромный эффект:

- достигается быстрое и тщательное выделение жира;

- становится возможным непрерывно - поточное отделение жира.

Разделение молока на сливки и обрат, очистка его от механических примесей и нормализация с использованием центробежной силы осуществляются на аппаратах, называемых сепараторами.

Сепарирование позволяет получить обезжиренное молоко (обрат) практически с любым содержанием жира. Скорость выделения жира при этом в 2,5 – 3 млн. раз выше, чем при естественном отстое.

Молочные сепараторы классифицируют:

1. По назначению:

а). сепараторы – сливкоотделители;

б). сепараторы – очистители;

в). сепараторы – нормализаторы - для получения в потоке молока определенной жирности;

г). сепараторы – классификаторы – для очистки молока, а также раздробления и получения однородных по величине жировых шариков;

д). универсальные сепараторы.

2. По исполнению:

а). открытые (подача молока, выход сливок и обрата осуществляется свободным потоком при соприкосновении с окружающим воздухом). Они наиболее распространены в сельском хозяйстве.

б). полузакрытые (полугерметические) в них подача молока осуществляется открытым потоком, а выход сливок и обрата – под давлением, создаваемым самим сепаратором;

в). закрытые (герметические) – подача молока и выход продуктов сепарирования осуществляется под давлением;

Такие сепараторы применяют в замкнутой системе охладительно – пастеризационных установок.

3. По конструкции привода:

а). с ручным приводом;

б). с электроприводом;

в). с комбинированным приводом.

Необходимо отметить, что в полузакрытых и закрытых сепараторах в результате отвода молочных продуктов под давлением не происходит насыщения их воздухом и вспенивания. Это большое преимущество названных сепараторов в эксплуатации по сравнению с открытыми сепараторами.

Общее устройство сепаратора:

1. Станина;

2. Приводной механизм;

3. Барабан;

4. Молочная посуда.

Поток молока в барабанах разделен тарельчатыми вставками (тарелками), чем обеспечивается тонкослойность разделения молока и высокое качество процесса. Зазор между тарелками молокоочистительного барабана всегда больше, чем у сливкоотделителя. Величина его в различных конструкциях находится в пределах 0,8 – 2 мм. (для молокоочистителей) и 0,35 – 0,5 мм.(для сливкоотделителей).

Приводные механизмы сепараторов, как правило снабжаются фрикционными муфтами, для обеспечения плавного и постепенного разгона барабана сепаратора.

Работа. Под воздействием центробежной силы в быстровращающемся барабане тяжелая фракция – обрат или механические примеси – отбрасываются к периферии или так называемому грязевому пространству, а более легкая - жировые шарики – всплывают к оси барабана. Разделение потоков обеспечивает верхняя разделительная тарелка.

В настоящие время наибольшее распространение в животноводстве получили следующие марки сепараторов СОМ – 600, СОМ – 7 – 600М. (открытие) СОМ – 3 – 1000М; СПМФ – 2000; ОСП – 3М (закрытого типа, полузакрытые); ОМА – 3М (очиститель молока).

Все эти марки сепараторов снабжены электроприводом.

При естественном отстое сливок жировые шарики всплывают к свободной поверхности сосуда со скоростью

(1)

где, - ускорение силы тяжести, м/с²;

- фактор, характеризующий свойства молока (способность к разделению), с.

Величена определяется по формуле:

,с (2)

где, - разность плотностей плазмы молока и жировых шариков, кг/м³;

- динамическая вязкость молока, Н•с/м²;

- средний диаметр жировых шариков, м.

Медленный процесс разделения молока при естественном отстое убыстряется в молочных сепараторах.

Скорость движения жирового потока между тарелками будет равна:

(3)

где, - центростремительное ускорение, развиваемое во вращающемся барабане, м/с².

- угловая скорость барабана, рад/с.

– радиус рассматриваемого сечения.

Если взять отношение скоростей V₀ и V_с, то получим:

(4)

Отсюда (5)

Вывод. Интенсивность сепарирования во столько раз выше процесса отстоя, во сколько раз центростремительное ускорение, соответствующие данной угловой скорости барабана, выше величины ускорения силы тяжести.

На физико-механические свойства молока влияние оказывает температурный режим. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур от 283 – 343⁰К (10-70⁰С)

. (6)

Для уяснения сущности процесса сепарирования, рассмотрим схему движения молока в межтарелочном пространстве барабана.

Молоко поступает межтарелочное пространство по вертикальным каналам пакета тарелок. Здесь жировые шарики участвуют в переносном движение потока молока со скоростью V_П и под действием центростремительного ускорения в относительном движении со скоростью V_С.

Скорость потока молока в меж тарелочном пространстве:

,м/с. (7)

где, - объемный расход молока, м³/с;

- радиус рассматриваемого сечения, м;

- расстояние между тарелками, м;

- число межтарелочных пространств в барабане.

Относительная скорость жирового шарика будет равна:

, (8)

где, а – центростремительное ускорение, развиваемое во вращающемся барабане.

,

тогда (9)

Анализируя зависимости (7) и (9) можно заключить, что с увеличением R, величина V_П уменьшается, а величина V_С - увеличивается. Следовательно изменяется величина и направление абсолютной

скорости жирового шарика, они осаждаются на верхних поверхностях тарелок и непрерывно двигаются к оси вращения барабана. Потоки обрата и сливок разделяет верхняя разделительная тарелка.

Чем меньше шарик, тем ближе к периферии тарелки он опускается. Часть самых мелких жировых шариков не успеет опуститься на тарелку, и будет захвачена и вынесена вместе потоком обрата.

3. Основы технологического и энергетического расчета молочных сепараторов.

Технологический расчет ставит целью определение пропускной способности сепаратора, которая всецело определяется пропускной способностью барабана:

или

, м³/с.

где, - к.п.д. барабана (=0,6-0,7);

- приведенный радиус тарелок, м;

– высота тарелки, м.

Приведенный радиус тарелок:

.

Энергетический расчет.

При выборе привода сепаратора необходимо учитывать следующие режимы работы – пусковой (разгон до рабочих оборотов), рабочий ход и холостой ход сепаратора.

При выборе типа и мощности электрического двигателя для привода сепараторов основным режимом является пусковой, так как пусковая мощность в 1,5 –2 раза больше потребной для рабочего хода.

В период рабочего хода мощность распределяется следующим образом:

- на трение в приводном механизме – 25%;

- на трение барабана о воздух – 50%;

- на сообщение кинетической энергии выбрасываемой жидкости – 25%.

Пусковая мощность определяется по формуле:

, Вт.

где, - момент инерции барабана относительно оси вращения, кг•м²;

- угловая скорость барабана, 1/с;

- механический к.п.д. передачи ();

- время разгона барабана (t=100 - 300с).

механическая характеристика барабана сепаратора выражается формулой (получена П.А. Рубцовым) (М_С=f(n)):

где, М₀ – начальный момент трогания (М₀=0,2-1,0 Н•м);

n – частота вращения барабана, об/мин;

а₁ – коэффициент, зависящий от качества обработки элементов привода и барабана, массы барабана.

Для сепараторов производительностью 50-3000 л/ч

Всплески на кривой М_С=f(n) объясняются тем, что практически не возможно добиться абсолютной балансировки барабана сепаратора.

Квадратичная зависимость момента сопротивления сепаратора сохраняется при линейной скорости барабана до 70 м/с. Применительно к сепараторам сельскохозяйственного назначения это соответствует частоте вращения барабана 10000 об/мин.

Нагрузочная диаграмма [М_С=f(n) или N=f(t)] при установившемся рабочем режиме сепаратора имеет слабо пульсирующий характер не значительного изменения мощности. Практически N=const во времени. Абсолютное значение N находится в кубической зависимости от частоты вращения барабана.

4. Особенности электропривода и эксплуатации молочных сепараторов.

1. Особенностью сепараторов (центрифуг) является наличие больших маховых масс и быстроходность. В следствие этого система электродвигатель-сепаратор имеет значительную продолжительность разбега. Продолжительный разбег позволяет устранить большие динамические напряжения в период разгона. Как правило в приводном механизме сепараторов устраивают фрикционную муфту, обеспечивающую плавный, постепенный разгон барабана.

2. Рабочая частота вращения барабана не должна лежать в зоне резонансных колебаний. Это – основное условие нормальной работы сепаратора.

3. При работе сепаратора необходимо поддерживать постоянную частоту вращения барабана, так как уменьшение n приводит к ухудшению сливкоотделения, снижению Q, а увеличение – более быстрому износу червячной пары.

Поэтому для привода молочных сепараторов необходимо применять двигатели с жесткой механической характеристикой (трех-фазные и однофазные короткозамкнутые конденсаторные асинхронные двигатели).

4. Повышенная влажность воздуха молочных требует установки (использования) для приводов сепараторов электродвигателей закрытого обдуваемого исполнения.

5. Электрический привод сепараторов при Q до 1000 л/ч целесообразно выполнять с однофазным конденсаторным двигателем (у него небольшой пусковой ток, высокий cosφ, высокий пусковой момент, жесткая механическая характеристика).

6. Для привода сепараторов при Q>1000 л/ч с непосредственным соединением валов целесообразно применять двухскоростные электрические двигатели, которые до половинной частоты вращения разгоняют барабан при увеличенном пусковом моменте, а затем до n_ном – при обычном пусковом моменте.

7. При питании электрического двигателя от индивидуальной станции необходимо следить за тем чтобы частота тока была постоянной и соответствовала паспортной.

8. Сепараторы и пусковая аппаратура должны быть тщательно заземлены.

Дата добавления: 2014-01-04