Повышение производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем равномерным заполнением межтарелочных пространств молоком Саввин Андрей Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние механизации сепарирования молока. цель и задачи исследований 12

1.1 Молоко, как сырьё для производства сливок 12

1.2 Факторы, оказывающие влияние на эффективность сепарирования молока 18

1.3 Классификация и анализ конструкций сепараторов-сливкоотделителей 21

1.4 Структурно-функциональное описание технологического процесса сепарирования молока

и структурная схема работы барабана 44

1.5 Выводы по разделу 50

1.6 Цель и задачи исследований 52

2. Теоретическая оценка производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем и обоснование его конструктивных, кинематических и технологических параметров 54

2.1 Обоснование конструктивной схемы сепаратора-сливкоотделителя 54

2.2 Обоснование конструктивных параметров лопастного тарелкодержателя 57

2.2.1 Обоснование углов, образованных вектором относительной скорости и обратным направлением вектора переносной скорости 57

2.2.2 Обоснование формы лопасти тарелкодержателя и количества подводящих каналов 69

2.3 Обоснование критического размера жирового шарика, выделяемого сепаратором-сливкоотделителем 79

2.4 Определение производительности сепаратора-сливкоотделителя 84

2.5 Определение разделяющей способности сепаратора-сливкоотделителя и разделяемости молока 89

2.6 Выводы по разделу 93

3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях сепараратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем 96

3.1 Цель и программа экспериментальных исследований 96

3.2 Обоснование критерия оптимизации, выбора факторов и уровней их варьирования. Применяемое оборудование для измерений 98

3.3 Методика определения основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока 102

3.3.1 Методика определения плотности и жирности молока, сливок и обезжиренного молока 102

3.3.2 Методика определения размера и количества жировых шариков в анализируемых пробах 104

3.4 Методика проведения экспериментальных исследований по определению оптимальных и рациональных конструктивных, кинематических и технологических параметров.

Описание лабораторной установки 107

3.5 Выводы по разделу 112

4. Результаты экспериментальных исследований сепараратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем 114

4.1 Результаты трехфакторного эксперимента 114

4.2 Результаты исследований сепаратора-сливкоотделителя в производственных условиях 122

4.3 Результаты исследований основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока 123

4.4 Результаты исследований по оценке равномерности заполнения молоком межтарелочных пространств 124

4.5 Выводы по разделу 126

5. Экономическая эффективность применения сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем 128

Общие выводы 132

Литература

• Классификация и анализ конструкций сепараторов-сливкоотделителей
• Определение производительности сепаратора-сливкоотделителя
• Методика определения основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока
• Результаты исследований основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока

Введение к работе

Актуальность темы. Основной продукцией молочного скотоводства сельскохозяйственных предприятий является цельное молоко, которое, как и его составляющие (сливки и обезжиренное молоко) являются сырьем для производства различных молочных продуктов. Для чего в составе большинства технологических линий производства молочной продукции применяются сепараторы-сливкоотделители. Анализ их конструкций позволяет считать одним из главных недостатком неравномерное заполнение межтарелочных пространств молоком, что является основной причиной снижения их производительности. Одним из пунктов Госпрограммы РФ «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» является техническая и технологическая модернизация АПК, без которой, при использующемся оборудовании, невозможно в полной мере обеспечить импортозамещение конкурентоспособной продукцией и повысить экономическую безопасность страны.

Поэтому работа, посвященная разработке новых конструкций сепараторов-сливкоотделителей, способствующих повышению их производительности, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

Степень разработанности темы. В настоящее время существует множество конструкций сепараторов-сливкоотделителей, отличающиеся по типу привода, способу подачи молока и отвода продуктов сепарирования, конструкции барабана и тарелок и др. Несмотря на конструктивные различия, все серийно-выпускаемые сепараторы-сливкоотделители работают по принципу тонкослойного центробежного разделения. При этом молоко в пакет тарелок подается по вертикальным питающим каналам снизу вверх, образованным отверстиями в тарелках, не имея строгого очертания границ, параллельных оси вращения, так как отверстия одной тарелки частично, перекрывают отверстия другой из-за недостаточно точного их изготовления. Кроме того, при движении молока, на заполнение пакета тарелок, оказывают влияние различные сопротивления, приводящие к снижению напора на вышележащих тарелках и производительности их отдельных межтарелочных пространств, а наиболее крупные жировые шарики в основном стремятся выделиться при движении в области нижележащих тарелок. Это приводит к тому, что нижние тарелки работают в более жестком режиме, чем верхние, и снижению производительности сепаратора-сливкоотделителя в целом.

Совершенствованию сепараторов-сливкоотделителей посвящены работы Г. де Лаваля, Г.И. Бремера, Н.Н. Липатова, В.И. Соколова, И.В. Лысковцова, П.Г. Романкова, С.А. Плюшкина, В.К Юровского, Д.С. Торосяна, А.В. Карамзина, И.Н. Краснова, Е.А. Чеботарева, Е.С. Дружининой и др. Ими были изучены и изложены основные положения разделения жидкостей на центробежных аппаратах, разработаны методики исследований и расчетов, обоснованы различные конструкции сепараторов, призванные повысить их производительность и качество разделения дисперсных жидкостей.

Однако до настоящего времени вопрос повышения производительности сепараторов-сливкоотделителей более равномерным заполнением молоком межтарелочных пространств является мало исследованным и требует новых конструкторских решений.

Работа выполнена по планам НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (тема №32 «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства») и инновационного проекта конкурса «У.М.Н.И.К.» по договору № 2962ГУ1/2014 от 29.07.2014 г. (тема «Разработка инновационного технического средства для производства сливок»).

Цель исследований - повышение производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем равномерным заполнением межтарелочных пространств молоком.

Задачи исследований:

1. Разработать конструктивно-технологическую схему и конструкцию сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем.

2. Теоретически оценить производительность сепаратора-сливкоотделителя с лопаст
ным тарелкодержателем и обосновать его конструктивные, кинематические и технологи
ческие параметры.

1. Изготовить опытно-конструкторский образец сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем, провести экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях по оценке производительности и определению оптимальных конструктивных, кинематических и технологических параметров.

2. Определить технико-экономическую эффективность применения сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем.

Объект исследований - технологический процесс сепарирования молока сепаратором-сливкоотделителем с лопастным тарелкодержателем.

Предмет исследований - показатели, оценивающие технологический процесс сепарирования молока сепаратором-сливкоотделителем с лопастным тарелкодержателем.

Научную новизну представляют:

теоретические зависимости по определению напора, создаваемого лопастным тарелкодержателем и мощности, необходимой для придания потоку молока движения по подводящим каналам с обоснованием конструктивных параметров (профиля лопасти; радиуса окружности, определяющего множество точек центра кривизны профиля лопасти; радиуса кривизны профиля лопасти; центрального угла дуги радиуса кривизны лопасти; длины лопасти; количества подводящих каналов; углов, образованных вектором относительной скорости и обратным направлением вектора переносной скорости для начала и конца наружной и внутренней лопастей);

теоретические зависимости по определению производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем, его разделяющей способности и разде-ляемости молока с обоснованием кинематических и технологических параметров (угловой скорости барабана, температуры молока и критического размера жирового шарика, выделяемого в сепараторе-сливкоотделителе);

математические зависимости производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем и оптимальные значения конструктивных, кинематических и технологических параметров (углов, образованных вектором относительной скорости и обратным направлением вектора переносной скорости для конца наружной и внутренней лопастей; угловой скорости барабана; температуры молока);

- конструкция сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем.
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение

№ 2539759 «Сепаратор-сливкоотделитель».

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическую значимость работы составляют полученные аналитические зависимости по определению напора, создаваемого лопастным тарелкодержателем, мощности, необходимой для придания потоку молока движения по подводящим каналам, производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем, его разделяющей способности и разделяемости молока с обоснованием конструктивных, кинематических и технологических параметров.

Практической значимостью применения разработанного сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем является повышение производительности на 13,7 % по сравнению с серийно-выпускаемым сепаратором-сливкоотделителем ЭСБ-02.

Реализация результатов исследований. Разработанный сепаратор-сливкоотделитель с лопастным тарелкодержателем внедрен в ООО «Яшьлек» Лопатин-ского района Пензенской области, МП «Комбинат детского питания» г. Заречного Пензенской области и в учебный процесс кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» в 2014 году.

Методология и методы исследований.

Методологической основой исследований является использование системного подхода объектно-ориентированного анализа и синтеза, направленного на повышение производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем равномерным

заполнением межтарелочных пространств молоком. При решении поставленных задач использовались теоретические (изучение, обобщение, абстрагирование, анализ, синтез, моделирование, сравнение и описания) и экспериментальные (эксперимент, наблюдение, измерение, описание, сравнение, анализ) методы. Теоретические методы основывались на известных принципах механики жидкости и твердых тел, молекулярно-кинетической теории и математического анализа. Экспериментальные методы использовались при проведении исследований в лабораторных и производственных условиях с использованием теорий полного факторного эксперимента, вероятностей и математической статистики, а также на основе действующих ГОСТов, общепринятых методик и разработанных на их основе частных методик.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

теоретические зависимости по определению напора, создаваемого лопастным тарелкодержателем, мощности, необходимой для придания потоку молока движения по подводящим каналам, а также производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем, его разделяющей способности и разделяемости молока с обоснованием конструктивных, кинематических и технологических параметров;

конструкция сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем;

оптимальные значения конструктивных, кинематических и технологических параметров сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем;

значения показателей, оценивающих технологический процесс сепарирования молока сепаратором-сливкоотделителем с лопастным тарелкодержателем.

Степень достоверности и апробация результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечиваются достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов исследований, а так же использованием средств измерений, отвечающих требованиям соответствующих стандартов и применением ПЭВМ с использованием программ Statistica 6.0, MathCAD 2001 RUS, Microsoft Excel.

Основные результаты исследований представлялись в качестве инновационного проекта на научно-инновационном конкурсе «У .М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Пенза 2014 г.), по результатам которого заключен государственный контракт (договор № 2962ГУ1/2014 от 29.07.2014 г.) на выполнение НИОКР по теме «Разработка инновационного технического средства для производства сливок».

Апробация результатов исследований подтверждается участием в научной студенческой конференции (г. Пенза, 2009 г.), всероссийской научно-практической конференции (г. Пенза, 2012-2013 гг.), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Пенза, 2014 г.), международной научно-практической конференции (г. Пенза, 2014 г.), X международной научно-практической конференции (Чешская Республика, г. Прага, 2014 г.), VI международной научно-практической конференции (г. Ульяновск, 2015 г.), международной научно-практической конференции посвященной дню Российской науки ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (г. Пенза, 2015 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. две статьи в рецензируемом издании, указанном в «Перечне.. .ВАК», одна в иностранном издании, одна без соавторов, получен патент РФ на изобретение № 2539759. Общий объем публикаций составляет 3,85 п.л., из них автору принадлежит 2,35 п.л.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 141 наименования и приложения на 42 с. Общий объем диссертации составляет 188 с, 20 табл. и 54 рис.

Классификация и анализ конструкций сепараторов-сливкоотделителей

Несомненно, молочный жир является ценной составляющей молока. Его массовая доля составляет около 30 % сухого вещества молока [8]. Эффективность сепарирования зависит от сезонных изменений состава молока, которые напрямую зависят от пищевой ценности кормов, лактационного периода и др. [1-4, 7, 8]

На эффективность сепарирования напрямую оказывают влияние технологические процессы, используемые при производстве молока, и такие технологические факторы как: температура сепарирования, кислотность молока, загрязненность молока механическими примесями, размер и плотность жировых шариков, массовая доля жира в молоке, предварительная обработка, плотность и вязкость молока. Кроме того, среди основных конструктивных факторов можно выделить: количество и величину межтарелочных пространств, форму тарелки, направление подачи молока в барабан, способ подачи молока в пакет тарелок, вид подводящего устройства и др. К кинематическому параметру относится угловая скорость барабана. [1-5, 7, 8, 15, 26-40]

Оптимальной температурой молока при сепарировании считается от 35 до 45 С [15, 26, 30, 41-45]. Повышение температуры молока при сепарировании выше указанного интервала способствует денатурации белков молока, то есть уменьшению в размерах или полное разрушение жировых шариков. При этом часть мелких жировых шариков уносится в обезжиренное молоко, грязевое пространство барабана сепаратора при этом быстро заполняется образующейся сепараторной слизью. Также имеет место вспенивание сливок и обезжиренного молока, что, несомненно, приводит к ухудшению выделения жира. Сильное вспенивание сливок может негативно отразиться на их дальнейшей технологической обработке, поскольку это приводит к образованию мелкого масляного зерна (жировых комков). При этом часть мелких жировых шариков, которая все же попадает в сливки, например, при производстве масла переходит в пахту, что уменьшает степень использования молочного жира.

При сепарировании молока с низкой температурой экономится электроэнергия, замедляется развитие микроорганизмов, жировые шарики подвергаются меньшему воздействию, поэтому, в своей структуре, сливки более стабильны и в меньшей степени подвержены порче. Но существенным недостатком сепарирования холодного молока является снижение эффективности отделения жира, потому как вязкость охлажденного молока больше, чем подогретого до температуры от 35 до 45 С. Так как с увеличением вязкости молока снижается скорость всплытия жировых шариков и, следовательно, возможность их выделения из молока [20].

Кислотность молока, согласно ГОСТ Р 52054-2003, должна находиться в пределах от 16 до 21 Т [46]. Повышенная кислотность приводит к частичной коагуляции белков молока. Хлопья белка быстро заполняют грязевое пространство барабана сепаратора, что влечет унос жировых шариков в обезжиренное молоко и его загрязнение механическими примесями. Чтобы избежать этого, при повышенной кислотности молока, нужно чаще останавливать сепаратор на мойку или применять саморазгружающиеся сепараторы. Чтобы избежать уменьшения эффективности сепарирования рекомендуется сепарировать молоко кислотностью не выше 20 Т.

Загрязненность молока определяется, согласно ГОСТ Р 52054-2003 [46], по группе чистоты молока. Группа чистоты молока, как сырья для дальнейшей переработки, согласно ГОСТ, должна быть не ниже П. Повышенная загрязненность молока механическими примесями приводит к снижению эффективности сепарирования из-за быстрого заполнения грязевого пространства барабана сепаратора и последующего уноса жировых шариков в обезжиренное молоко. Увеличение механических примесей повышает риск бактериального загрязнения молока, так как оптимальная температура сепарирования благоприятна для развития микрофлоры.

Степень обезжиривания зависит от размера жировых шариков молока. Диаметр жировых шариков молока по разным источникам [1-4, 7, 8] колеблется от 0,5 мкм до 10 мкм. Производительность сепаратора зависит от минимального размера жирового шарика, который можно отделить на данном сепараторе. Чем меньше размер жировых шариков, тем труднее выделить их из плазмы молока.

Плотность жировых шариков определяют как среднюю величину плотности жира и белковой оболочки. Отношение размера жирового шарика к толщине оболочки обуславливается главным образом его диаметром. Чем меньше диаметр, тем больше доля оболочки и сильнее влияние белкового слоя, увеличивающего плотность жирового шарика. При толщине оболочки 0,02 мкм жировой шарик диаметром 1 мкм имеет плотность в 1,1 раза большую, чем жировой шарик диаметром 3 мкм [1-4, 7, 8, 47]. При некотором размере жирового шарика наступает равенство плотностей плазмы молока и жира. Когда плотность жирового шарика равна плотности плазмы молока, то скорость его всплытия (Стокса) для такого шарика будет равна нулю. Это значит, что жировые шарики при сепарировании молока, вероятно, будут уноситься в обезжиренное молоко. Таким образом, эффективность сепарирования молока зависит от количества жировых шариков критического диаметра. На их количество влияет предварительная механическая обработка молока, применяемая для раздробления жировых шариков (использование центробежных насосов для перекачки молока, гомогенизация и др.). Снизить унос жира в обезжиренное молоко можно с помощью различных приемов: увеличить температуру сепарирования, уменьшить производительность сепаратора, увеличить частоту вращения барабана сепаратора и т.п.

Если увеличить подачу или снизить частоту вращения барабана, то эффективность сепарирования уменьшится [26, 48-53]. Поэтому подачу молока в барабан сепаратора необходимо поддерживать постоянной и, по сравнению с паспортными данными, не изменяя частоту вращения барабана.

Увеличение скорости потока, вследствие увеличения расстояния между тарелками, приводит к снижению эффективности сепарирования, так как путь жирового шарика в радиальном направлении увеличивается, а время прохождения этого пути, из-за возрастания скорости потока, уменьшается, и жировой шарик, даже не критического размера, будет унесен потоком обезжиренного молока. Поэтому оптимальное расстояние между тарелками сепараторов-сливкоотделителей составляет от 0,25 до 0,45 мм [15, 26, 31, 32, 48].

Определение производительности сепаратора-сливкоотделителя

Рассмотрим движение молока по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя (рис. 2.3). При этом согласно методу Эйлера [82-99, 108], предположим, что движение молока струйное. Таким образом, поток молока в подводящих каналах можно рассматривать, как состоящим из бесконечного числа элементарных струек 7.

Поток молока движется по подводящим каналам образованным наружной 1 и внутренней 2 лопастью, а также верхними ограничивающими поверхностями 4, 5 и основанием 8. Предположим, что элементарная струйка молока 7 скользит по внутренней лопасти 2, а верхние ограничивающие поверхности 4 и 5, основание 8, а также наружная лопасть 1 служат только для образования подводящего канала.

Частица молока, каждой элементарной струйки 7, совершает сложное движение: - относительное, перемещаясь вдоль внутренней лопасти 2 от А до В (рис. 2.3, 2.4) с относительной скоростью иг и направленной по касательной к траектории или к соответствующему элементу лопасти 2; - переносное, перемещаясь вместе с внутренней лопастью 2 (вращается) с переносной скоростью ие направленной по касательной к окружности, прове денной через любую точку внутренней лопасти 2 абсолютной иа и переносной ие скоростей, град.; /зл -угол, образованный вектором относительной скорости иг и обратным направление вектора переносной скорости ve, град.

Таким образом, согласно теореме о сложении скоростей [109, ПО], вектор абсолютной скорости частицы молока иа элементарной струйки равен геометрической сумме векторов переносной ие и относительной иг скоростей: va=ve+vr, (2.1) где ие - вектор переносной скорости частицы молока, м/с; иг - вектор относительной скорости частицы молока, м/с. Рисунок 2.6 - Схема к определению напора, создаваемого лопастным тарелкодержателем: R - радиус точки лопасти тарелкодержателя, м; h - плечо вектора dm-va относительно точки О принадлежащей оси z, м; dm - масса частицы молока, кг; иа - вектор абсолютной скорости частицы молока; ие - вектор переносной скорости частицы молока; иг - вектор относительной скорости частицы молока; иае - вектор скорости, определяемый проекцией абсолютной скорости иа на ось проходящую через вектор переносной скорости ие; иат - вектор скорости, определяемый проекцией абсолютной скорости иа на ось проходящую в радиальном направлении через точку лопасти тарелкодержателя; со - угловая скорость лопастного тарелкодержателя, с ]; ал - угол, образованный векторами абсолютной иа и переносной ие скоростей, град.; /Зл -угол, образованный вектором относительной скорости иг и обратным направлением вектора переносной скорости ие, град.; ул -угол, образованный вектором абсолютной скорости иа и радиусом R, град.; 1,2- индексы соответствующие началу в точке А и концу лопасти в точке В тарелкодержателя Вектора абсолютной иа и переносной ие скоростей образуют угол ал, а вектор относительной скорости иг и обратное направление вектора переносной скорости ие образуют угол рл. При вращении лопастного тарелкодержателя частицы молока элементарной струйки 7 за некоторый промежуток времени переместятся от А к В, где в связи с переходом в другое живое сечение изменятся и скорости частиц молока. Предполагая, что рассматриваемое движение является установившимся, то за некоторый промежуток времени в объеме элементарной струйки между живыми сечениями А и В остаются частицы прежнего объема и изменение количества движения в этой части объема между живыми сечениями А и В такое же, как и раньше. Изменение количества движения происходит за счет прибавления количества движения в живом сечении В.

Рассмотрим частицу молока, расположенную в точке М на радиусе R от точки О принадлежащей оси z, которая перемещается лопастью тарелкодержателя (рис. 2.4) со скоростью иа, а ее вектор определяется углом ул.

Количество движения частицы молока представляет собой вектор [111], имеющий направление вектора абсолютной скорости иа, и модуль, равный произведению массы частицы молока dm на модуль скорости ее движения иа. Тогда количество движения частицы молока переместившейся в течение одной секунды мимо точки М составит dm-va.

Кинетический момент или момент количества движения частицы молока в точке М относительно точки О принадлежащей оси z представляет собой вектор [111], модуль которого равен произведению количества движения частицы молока dm va на плечо h вектора dm-va. ул - угол, образованный вектором абсолютной скорости иа и радиусом R, град. Определим проекции вектора абсолютной скорости иа на ось проходящую через вектор переносной скорости иае (тангенциальная скорость) и на ось проходящую в радиальном направлении иат (меридиальная скорость) через точку М лопасти тарелкодержателя: vae = va соъал =ие-vam ctgpn = иа-ъшул\ (2.4) Vam=Va sin «л С2 5) где ал - угол, образованный векторами абсолютной иа и переносной ие скоростей, град. /Зл - угол, образованный вектором относительной скорости иг и обратным направлением вектора переносной скорости ие, град. Массу молока, проходящей за бесконечно малую единицу времени через точку М можно определить по зависимости dm = p-Q-dt, (2.6) где Q - подача молока, м /с; р - плотность молока, кг/м . Тогда зависимость (2.2) с учетом (2.3), (2.4) и (2.6) примет вид dLz=p-Q-vae-R-dt. (2.7) Определим изменение кинетического момента элементарной струйки молока от начала до конца лопасти тарелкодержателя с учетом зависимости (2.7): dLz2 -dLzl=p-Q-(uae2 -R2 -vael -Rx \dt. (2.8)

Производная по времени от кинетического момента потока молока [111], в предположении, что его движение идентично элементарной струйке, относительно неподвижной точки О принадлежащей оси z геометрически равна главному моменту внешних сил, действующих на поток молока относительно той же точки, следовательно из выражения (2.8) получим: - главный момент внешних сил, действующих на поток молока относительно точки О принадлежащей оси z соответственно для начала и конца лопасти тарелкодержателя, Нм. Теоретическую мощность, необходимую для придания потоку молока движения по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя с требуемой угловой скоростью определится зависимостью:

Зависимость (2.13) носит название первого уравнения Эйлера или основного уравнения работы лопастного тарелкодержателя и формулируется следующим образом: давление, создаваемое лопастным тарелкодержателем равно произведению плотности молока на разность произведений переносной (окружной) и тангенциальной скорости на конце и начале лопасти тарелкодержателя.

Воспользуемся теоремой косинусов [112], которая гласит, что квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними, согласно рис. 2.4 и получим следующую зависимость: (и22 - v2al) представляет собой удельную кинетическую энергию потока молока, выходящего из лопастного тарелкодержателя. Необходимо стремится к тому, чтобы данное слагаемое было минимальным и оказывало как можно меньшее динамическое воздействие на молоко.

Методика определения основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока

Рассмотрим движение молока по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя (рис. 2.3). При этом согласно методу Эйлера [82-99, 108], предположим, что движение молока струйное. Таким образом, поток молока в подводящих каналах можно рассматривать, как состоящим из бесконечного числа элементарных струек 7.

Поток молока движется по подводящим каналам образованным наружной 1 и внутренней 2 лопастью, а также верхними ограничивающими поверхностями 4, 5 и основанием 8. Предположим, что элементарная струйка молока 7 скользит по внутренней лопасти 2, а верхние ограничивающие поверхности 4 и 5, основание 8, а также наружная лопасть 1 служат только для образования подводящего канала.

Частица молока, каждой элементарной струйки 7, совершает сложное движение: - относительное, перемещаясь вдоль внутренней лопасти 2 от А до В (рис. 2.3, 2.4) с относительной скоростью иг и направленной по касательной к траектории или к соответствующему элементу лопасти 2; - переносное, перемещаясь вместе с внутренней лопастью 2 (вращается) с переносной скоростью ие направленной по касательной к окружности, прове денной через любую точку внутренней лопасти 2. Рисунок 2.3 - Схема движения молока по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя: 1 - наружная лопасть; 2 - внутренняя лопасть; 3 - прямоугольное отверстие; 4, 5 - верхние ограничивающие поверхности направляющего канала; 6 - верхняя часть; 7 - элементарная струйка молока; 8 - основание; иа - вектор абсолютной скорости частицы молока, м/с; ve - вектор переносной скорости частицы молока, м/с; vr - вектор относительной скорости частицы молока, м/с; ал - угол, образованный векторами абсолютной иа и переносной ие скоростей, град.; /зл -угол, образованный вектором относительной скорости иг и обратным направление вектора переносной скорости ve, град.

Таким образом, согласно теореме о сложении скоростей [109, ПО], вектор абсолютной скорости частицы молока иа элементарной струйки равен геометрической сумме векторов переносной ие и относительной иг скоростей: va=ve+vr, (2.1) где ие - вектор переносной скорости частицы молока, м/с; иг - вектор относительной скорости частицы молока, м/с. Рисунок 2.6 - Схема к определению напора, создаваемого лопастным тарелкодержателем: R - радиус точки лопасти тарелкодержателя, м; h - плечо вектора dm-va относительно точки О принадлежащей оси z, м; dm - масса частицы молока, кг; иа - вектор абсолютной скорости частицы молока; ие - вектор переносной скорости частицы молока; иг - вектор относительной скорости частицы молока; иае - вектор скорости, определяемый проекцией абсолютной скорости иа на ось проходящую через вектор переносной скорости ие; иат - вектор скорости, определяемый проекцией абсолютной скорости иа на ось проходящую в радиальном направлении через точку лопасти тарелкодержателя; со - угловая скорость лопастного тарелкодержателя, с ]; ал - угол, образованный векторами абсолютной иа и переносной ие скоростей, град.; /Зл -угол, образованный вектором относительной скорости иг и обратным направлением вектора переносной скорости ие, град.; ул -угол, образованный вектором абсолютной скорости иа и радиусом R, град.; 1,2- индексы соответствующие началу в точке А и концу лопасти в точке В тарелкодержателя Вектора абсолютной иа и переносной ие скоростей образуют угол ал, а вектор относительной скорости иг и обратное направление вектора переносной скорости ие образуют угол рл. При вращении лопастного тарелкодержателя частицы молока элементарной струйки 7 за некоторый промежуток времени переместятся от А к В, где в связи с переходом в другое живое сечение изменятся и скорости частиц молока. Предполагая, что рассматриваемое движение является установившимся, то за некоторый промежуток времени в объеме элементарной струйки между живыми сечениями А и В остаются частицы прежнего объема и изменение количества движения в этой части объема между живыми сечениями А и В такое же, как и раньше. Изменение количества движения происходит за счет прибавления количества движения в живом сечении В.

Рассмотрим частицу молока, расположенную в точке М на радиусе R от точки О принадлежащей оси z, которая перемещается лопастью тарелкодержателя (рис. 2.4) со скоростью иа, а ее вектор определяется углом ул.

Количество движения частицы молока представляет собой вектор [111], имеющий направление вектора абсолютной скорости иа, и модуль, равный произведению массы частицы молока dm на модуль скорости ее движения иа. Тогда количество движения частицы молока переместившейся в течение одной секунды мимо точки М составит dm-va.

Кинетический момент или момент количества движения частицы молока в точке М относительно точки О принадлежащей оси z представляет собой вектор [111], модуль которого равен произведению количества движения частицы молока dm va на плечо h вектора dm-va. ул - угол, образованный вектором абсолютной скорости иа и радиусом R, град. Определим проекции вектора абсолютной скорости иа на ось проходящую через вектор переносной скорости иае (тангенциальная скорость) и на ось проходящую в радиальном направлении иат (меридиальная скорость) через точку М лопасти тарелкодержателя:

Производная по времени от кинетического момента потока молока [111], в предположении, что его движение идентично элементарной струйке, относительно неподвижной точки О принадлежащей оси z геометрически равна главному моменту внешних сил, действующих на поток молока относительно той же точки, следовательно из выражения (2.8) получим: где Mzl, Mz2 - главный момент внешних сил, действующих на поток молока относительно точки О принадлежащей оси z соответственно для начала и конца лопасти тарелкодержателя, Нм. Теоретическую мощность, необходимую для придания потоку молока движения по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя с требуемой угловой скоростью определится зависимостью:

Зависимость (2.13) носит название первого уравнения Эйлера или основного уравнения работы лопастного тарелкодержателя и формулируется следующим образом: давление, создаваемое лопастным тарелкодержателем равно произведению плотности молока на разность произведений переносной (окружной) и тангенциальной скорости на конце и начале лопасти тарелкодержателя.

Воспользуемся теоремой косинусов [112], которая гласит, что квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними, согласно рис. 2.4 и получим следующую зависимость: (и22 - v2al) представляет собой удельную кинетическую энергию потока молока, выходящего из лопастного тарелкодержателя. Необходимо стремится к тому, чтобы данное слагаемое было минимальным и оказывало как можно меньшее динамическое воздействие на молоко.

Предполагая, что у потока молока при движении по подводящим каналам лопастного тарелкодержателя отсутствует сжимаемость, т.е. Q = Qx = Q2, а их количество бесконечно, определим меридиальную составляющую абсолютной скорости:

быть как можно меньше, чтобы сход потока молока с лопасти был безударным. Это позволит понизить скоростной напор и повысить подачу молока без механических повреждений жировых шариков, приводящих к их дроблению с частичной агрегацией. Кроме того, согласно рис. 2.6 повышение подачи молока при рл1 рл2 позволит работать лопастному тарелкодержателю с более меньшей потребной мощностью. Практически углы рл1 и рл2 у молочных лопастных насосов и аналогичных устройств составляют [25, 84-97] 50 /?л1 10, Рл2 20. Графики зависимостей Hd=f(Q), Nd=f{Q) для углов Рл1,рл2 в граничных значениях указанных интервалов представлены в приложении 2.

Обоснование формы лопасти тарелкодержателя и количества подводящих каналов Обоснованность выбора формы лопастей тарелкодержателя определяется эффективностью работы сепаратора-сливкоотделителя - высокой производительностью при допустимой остроте обезжиривания и минимальных затратах мощности, минимальном напоре и плавностью движения потока молока по подводящим каналам.

В устройствах, имеющих в качестве рабочих органов лопасти применяются различные способы их профилирования [82-97], отличающиеся друг от друга соответственно по типу рабочих органов, технологии изготовления и т.д. Практическое применение нашли лопасти, имеющие прямолинейный или криволинейный профиль. Криволинейные лопасти, как и прямолинейные, в зависимости от величины угла рл2 (рис. 2.7, 2.8 и 2.9) могут быть радиальнооканчивающиеся (или радиальные для прямолинейных лопастей) при Рл2 = 90 (рис. 2.7), загнутые вперед при Рл2 90 (2.8) и загнутые назад при Рл2 90 (2.9). Радиальнооканчивающиеся и загнутые вперед лопасти применимы при необходимости создания соответственно среднего или повышенного напора. Кроме того для таких типов профилей лопастей характерна повышенная потребляемая мощность и повышенный скоростной напор (динамическое воздействие на поток жидкости) с быстро изменяющейся скоростью потока при удалении от начала лопасти к ее концу, что негативно сказывается на плавности потока и эффективности сепарирования. Таким образом, целесообразно применение криволинейных лопастей загнутых назад, т.е. противоположно направлению вращения барабана.

Результаты исследований основных физико-химических свойств молока, сливок и обезжиренного молока

Установлены адекватные математические зависимости в закодированном и раскодированном виде для производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем (4.2) и (4.8), у которых множественный коэффици ент корреляции R=0,99 и FecT=0,97. Построены двумерные сечения поверхности отклика производительности сепаратора-сливкоотделителя, а также установлены оптимальные его конструктивные, кинематические и технологические параметры, которые составили: угол, образованный вектором относительной скорости и обратным направлением вектора переносной скорости для конца лопастей рл2=-\ град; угловая скорость барабана о = изо с-1; температура молока t = 44 С. При этом расчетная производительность сепаратора-сливкоотделителя составила QC3 =0,0000165 м/с. Расходимость значений производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем полученной по результатам трехфакторного эксперимента при оптимальных значениях конструк тивных, кинематических и технологических параметров QC3 =0,0000165 м/с, а также по теоретической зависимости (2.64) Qc = 0,0000159 м3/с не превышает 4 %.

Исследования сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем в производственных условиях ООО «Яшьлек» Лопатинского района Пензенской области и МП «Комбинат детского питания» г. Заречный Пензенской области при объеме переработки молока в каждом из предприятий по 300 литров показали его производительность Qcn =0,0000161 м3/с. Таким образом, расходимость значений производительности сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем (при оптимальных значениях конструктивных, кинематических и технологических параметров) полученной по результатам трехфакторного эксперимента и исследований в производственных условиях не превышает 2,5%, что указывает на правильность определения оптимальных параметров;

Основные физико-химические свойства молока, сливок и обезжиренного молока удовлетворяют требованиям ГОСТ, а острота обезжиривания составила не более 0,04 %. Размер жировых шариков, присутствующих в обезжиренном молоке размером 0,5-10" м составляет не менее 97 %, что хорошо согласуется с расчетным значением критического радиуса жирового шарика;

Получена адекватная математическая зависимость (4.9) производительностьи сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем в раскодированном виде от количества межтарелочных пространств, у которого множественный коэффициент корреляции R=0,99 и FecT=0,99. Таким образом, производительность каждого отдельного межтарелочного пространства является величиной постоянной, а, следовательно, обеспечивается равномерное заполнение межтарелочных пространств молоком. Анализ зависимости производительности сепаратора-сливкоотделителя от количества межтарелочных пространств, определенной по теоретической зависимости (2.64) и экспериментальным данным в соответствии с зависимостью (4.9) указывает на хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных при степени плотности их значений FecT=0,96 и максимальном расхождении их значений не более 1,25 %.

Экономическая эффективность определялась при сравнении предлагаемого сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем с серийно выпускаемым ЭСБ-02 [15].

Расчет эффективности проводился по ГОСТ Р 53056-2008 [139] для случая, когда новый сепаратор-сливкоотделитель с лопастным тарелкодержателем заменяет серийно выпускаемый промышленностью сепаратор-сливкоотделитель ЭСБ-02. Основные показатели экономической эффективности для нового сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем рассчитывались на основании данных исследований в производственных условиях, а для существующего варианта - заимствованы из технической характеристики ЭСБ-02 [15]. Удельные капитальные вложения для нового сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем рассчитывались, а для существующего способа были заимствованы из технической характеристики ЭСБ-02 [15]. Также, при сравнительных расчетах для базового сепаратора-сливкоотделителя принимали его максимальную паспортную производительность, а для нового сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем - производительность при оптимальных конструктивных, кинематических и технологических параметрах.

Приведённые затраты определяются зависимостью Для определения экономической эффективности нового сепаратора-сливкоотделителя с лопастным тарелкодержателем необходимо рассчитать величину эксплуатационных расходов, в состав которых входят издержки на хранение в течение года, заработная плата с начислениями ,амортизационные отчисления и стоимость электроэнергии.

Амортизационные отчисления определяются зависимостью Аот = Б НАО , (5.2) где СБ -балансовая стоимость нового сепаратора-сливкоотделителя, руб.; НАО норма годовых амортизационных отчислений, %. Заработная плата рассчитывалась по единой тарифной сетке с учетом начислений на социальное страхование и др.