CC BY
11
УДК 621.436
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ МОЛОЧНЫХ ЛИНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ОЧИСТИТЕЛЕЙ С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ
В.В. Кирсанов, доктор технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ В.Ю. Матвеев, кандидат технических наук М.М. Маслов, аспирант
ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет E-mail: mslvmax @bk.ru
Аннотация. Для производства на молочнотоварных фермах молока высшего или первого сорта согласно ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко коровье сырое. Технические условия» необходимо обеспечить соответствующий уровень плотности, кислотности, содержания жира и белка, а также бактериальной обсемененно-сти, уровень которой постоянно меняется в зависимости от различных факторов. Согласно требованиям к молоку высшего сорта количество микроорганизмов в сдаваемом на переработку молоке должно быть не более 300 тыс. КОЕ/см3. Для снижения бактериальной обсемененности производственного молока нами разработаны несколько конструкций механических очистителей с активными рабочими органами, позволяющих сократить время промывки и улучшить ее качество. В статье рассмотрен вариант привода активного рабочего органа от вентилятора. Однако использование такого типа движителя не позволяет получить стабильную работу рабочего органа. Поэтому в качестве движителя был выбран электропривод. Приведено теоретическое обоснование минимальной мощности. При анализе сил, действующих на устройство, было выявлено, что движению устройства препятствуют сила трения рабочего органа и направляющих, а также гидравлическое сопротивление жидкости. Нужно учитывать, что устройство приводится в движение не только за счет электродвигателя, но и за счет разреженности в молокопроводе. Таким образом, была выведена теоретическая зависимость мощности электродвигателя. Применение разработанных конструкций механических очистителей позволяет за счет придания рабочим органам вращательного движения повысить эффективность очистки, а наличие фотодатчика позволяет контролировать качество в реальном времени. Их применение позволяет снизить эксплуатационные затраты на промывку за счет сокращения времени выполнения данной операции и расхода электроэнергии и воды.
Ключевые слова: автомат промывки, доильные аппараты, молокопровод, контуры промывки, трубопроводы.
Молоко высокого качества является ценным питательным продуктом и сырьем для выработки высококачественных продуктов, входящих в потребительскую корзину: масла, сыра, молочных консервов и кисломолочной продукции [1]. Вместе с тем молоко обладает благоприятной средой для размножения бактерий и микроорганизмов. Чтобы получить представление о качестве молока и его питательной ценности, его исследуют на чистоту, плотность, кислотность, содержание жира и белка, а также на бактериальную обсемененность [2]. Негативное влияние бактериальной обсемененности на качество молока отмечается в опубликованных рабо-
тах отечественных и зарубежных исследователей [3-7]. Очевидной является проблема бактериальной загрязненности молока-сырья, причины которой кроются в ухудшении экологической обстановки. Молоко, получаемое от коровы, в настоящее время часто уже является загрязненным. В этом случае встает вопрос применения технологий, позволяющих сохранить качество заготавливаемого молока, повысить его путем снижения начальной бактериальной обсемененности.
Согласно исследованиям Г.П. Дегтерева [8], С.В. Харькова [9] и других ученых, сохранение исходных свойств молока возможно только при числе микроорганизмов менее
200 тыс. в 1 см3; при содержании в 1 см3 молока свыше 1 млн микроорганизмов происходит необратимое ухудшение качества молока.
Значительное влияние на бактериальную обсемененность молока оказывает санитарное состояние доильного оборудования и его своевременное охлаждение [5]. Если санитарное состояние доильного оборудования неудовлетворительное, то дальнейшее охлаждение обсемененного молока не даст ожидаемых результатов. Поэтому нами была проанализирована наиболее важная операция по уходу за доильным оборудованием - промывка. В случае недостаточной промывки доильного оборудования бактериальная об-семененность молока, по мере продвижения его по доильной установке, будет стремительно расти, и молоко окажется зараженным. Промывка доильного оборудования должна обеспечивать удаление белково-жи-ровой пленки с поверхности, контактирующей с молоком. Наиболее эффективно это выполняется механическими очистителями.
В предыдущих работах нами рассматривались существующие устройства для очистки молокопроводов, такие, как поролоновый пыж и «двукомплексная система механической очистки трубопроводов» [10], а также разработанное нами устройство для очистки молокопроводов с пневмоприводном и электроприводом [10-14].
По традиционной технологии используются пробки, которые увлекаются силой вакуума и счищают белково-жировые отложения со стенок молокопровода. Однако они обладают низким ресурсом из-за высокого трения при линейном движении, и результат достигается только за 5-6 проходов. Чтобы повысить эффективность, в предыдущих работах [15] предлагалось для очистки моло-копровода использовать устройство очист-ки с активными рабочими органами (рис. 1), которое работает следующим образом: вакуум давит на приводной элемент (1), увлекая его за собой, и приводит его во вращательное движение, он, в свою очередь, через соединительное звено (2) передает это вращательное движение чистящим элементам (3).
Мкр 1 | Л
—? м £ М У
: : : : : :
7 к
и 2 1 3,
Рис. 1. Устройство очистки молокопровода (Пат. №100361 Ш РФ МПК A01J 7/0):
1 - приводной элемент; 2 - соединительное звено;
3 - устройство очистки
В этом случае моющий раствор нужен только для «смазывающего» эффекта; раствор будет вращаться вместе с пыжом, совершая винтовое движение и эффективно очищая внутреннюю поверхность молоко-провода. Данная конструкция показала повышение качества и скорости очистки, однако она не позволяет достичь стабильности результата из-за высокого влияния стабильности вакуума и уровня загрязненности на скорость вращения. Для устранения этого недостатка было предложено несколько устройств с активным рабочим органом, выполненных с электроприводом [15].
В настоящее время данное устройство модернизировано и способно не только проводить очистку молокопровода, но и контролировать качество выполняемых операций. Общий вид и принципиальная схема предлагаемого устройства представлены на рисунках 2 и 3. Устройство вставляется в молоко-провод, частично (на 20-25%) заполненный моющим раствором, включается в работу кнопкой управления 9, при этом крутящий момент от приводного элемента 4 передается через вращающуюся ось 8 на очиститель 1 и вентилятор 7.
Рис. 2. Общий вид устройства
боздушно-жидкостный поток
Рис. 3. Устройство для очистки и контроля чистоты молочных линий: 1 - очиститель;
2 - внутренние продольные каналы; 3 - отбойник; 4 - приводной элемент; 5 - направляющие;
6 - источник питания; 7 - вентилятор; 8 - ось;
9 - кнопка управления; 10 - светодиодная лампа;
11 - фотодатчик; 12 - молокопровод
За счет силы тяги, создаваемой вентилятором 7, устройство начинает поступательно двигаться внутри молокопровода, опираясь на его стенки направляющими 5. Вращающийся очиститель 1 очищает стенки молоко-провода от белково-жировых отложений, при этом промывочная жидкость, находящаяся в молокопроводе, закручивается, смачивая его стенки, и проходит вместе с воздушным потоком по внутренним продольным каналам 2 и капиллярам вращающегося очистителя 1, выполненного из пористого материала, направляясь через отбойник 3, преимущественно конической формы, жестко прикрепленный к приводному элементу 4 и расположенный между ним и очистителем, по кольцевому зазору между трубопроводом и приводным элементом 4 далее в трубопровод. На источнике питания смонтирована светодиодная лампа 10 и фото датчик 11, которая включается кнопкой управления 9 непосредственно вместе со всеми составляющими устройства. При движении смонтированный фото датчик 11 через определенное время отправляет и принимает сигнал, отраженный от поверхности молокопровода и обрабатывает информацию. Информация передается на пульт управления по результатам которого оператор доения оперативно решает вопрос о продолжении или окончании данной стадии промывки. Датчик предназначен для контроля качества промывки внут-
ренних поверхностей молокопроводных систем. Его основными элементами являются пластины, смонтированные на источнике питания и приёмник света. Эффект достигается благодаря источнику света (светодиодная лампа), который выдает сигнал (свет) и пропускает его через пластины, а приёмник света (фото датчик) принимает сигнал (свет), пройденный через пластины. По окончании работы устройство вынимается из молоко-провода и подключается источником питания 6 к зарядному устройству.
Теоретически данное устройство может быть рассчитано на основе теории осевых вентиляторов и винтовых двигателей, создающих воздушный поток вращающимся винтом, а также теории электродвигателя. В рассматриваемом нами случае решается задача, когда приводной элемент и вентилятор заставляют вращаться рабочий орган устройства («пыж»). При этом «пыж» под действием перепада давлений и за счет силы тяги вентилятора совершает поступательное и вращательное движение по трубопроводу. Приводной элемент служит для стабилизации вращательного движения рабочего органа. В этом случае моющий раствор нужен только для «смазывающего» эффекта, который будет вращаться вместе с пыжом.
Для обеспечения поступательного движения устройства необходимо, чтобы усилие R, создаваемое вентилятором и вакуумом, было больше сил трения 1тр, воздействующих на него: Я > 1тр.
В данном случае силы, препятствующие движению устройства, можно разделить на 3 составляющих:
а) сила трения механического очистителя
1 :
1 трм:
Ртрм =/мК
где /м - коэффициент трения скольжения механического очистителя о стенку молоко-провода; N - нормальная реакция опоры, т.е. сила, с которой механический очиститель давит на стенку молокопровода, Н.
б) сила трения направляющих колес 1трк:
Ртрк /к ^пр ,
где /к - коэффициент трения скольжения колеса о стенку молокопровода; Nпр - сила, с
которой пружина прижимает колесо к стенке молокопровода, Н.
в) сопротивление жидкости.
Движение жидкости в молокопроводе имеет ламинарный характер, поэтому гидравлическое сопротивление жидкости можно определить по формуле:
X = р -V2 • Б
где р - плотность среды, кг/м3; V - скорость движения жидкости, м/с; £ - характерная для данного тела площадь, м2; Сх - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления, зависит от формы тела, его положения относительно направления движения и подобия критериев.
В качестве силы, способствующей движению устройства, выступает результирующая сила тяги, создаваемой вентилятором устройства и вакуумом:
К = -^вен + -^вак •
Приводной элемент представляет собой рабочее колесо вентилятора (турбины), поэтому его расчет целесообразно вести на основе теории осевых вентиляторов, основы которой были заложены Н.Е. Жуковским, который предположил, что обтекание замкнутой кольцевой решетки профилей вентилятора, расположенной на поверхности цилиндра, цилиндрическим потоком происходит так же, как обтекание соответствующей ей бесконечной плоской решетки плоскопараллельным потоком.
^Вен = (Ж//3,
где ^вен - тяговое усилие, создаваемое вентилятором, кг; N - мощность двигателя, л. с.; Б - диаметр вентилятора, м; а - коэффициент, характеризующий аэродинамическое качество несущего винта.
Силу тяги устройства вакуумом можно определить по формуле:
^вак (Ратм Рв ак) ' ^уст ,
где (ратм — Рв ак) - разница давлений до и после устройства; 5уст - площадь поперечного сечения механического очистителя.
^вак (Ратм Рвак) ' ^труб
(Ратм Рвак) ' ТС ' Т
где г - радиус молокопровода, мм.
Так как поверхность механического очистителя плотно прилегает к стенкам молоко-провода, то площадь поперечного сечения механического очистителя 5уст можно приравнять к площади поперечного сечения мо-локопровода.
С учетом всех этих выражений критерий движения устройства примет вид:
( Рат м — Р ва к) ■ ■ Г2 + ( аЛШ ) 3 > /к^пр+Сх--2-р-У2-5.
Соответственно, минимальная мощность двигателя определяется по формуле:
N >
(/м-М+ /к'Мпр+Сх~-р-У2-Б)2
4
(аф)з ,2
(Ратм Рвак!) ■ ^ ■ Г •
Таким образом, получено уравнение минимальной мощности двигателя для вращательного движения рабочего органа устройства, которое прямо пропорционально зависит от материала рабочего органа и направляющих колес, силы их прижатия к стенкам молокопровода, разряжения в молокопрово-де и обратно пропорционально аэродинамическим параметрам винта.
В результате анализа действующих на устройство сил была получена теоретическая зависимость минимальной мощности электропривода для устройств данного типа. Разработанная конструкция позволяет сократить более чем на 300 часов в год продолжительность промывки по сравнению с серийной мойкой, что позволяет снизить годовые за-тр аты на мойку и повысить производительность оператора мойки на 17%. Источниками годового экономического эффекта являются сокращение удельных производственно-эксплуатационных затрат при использовании нового варианта системы мойки на 12,8% за счет уменьшения затрат на электроэнергию, воду и моющие средства, а также увеличение на 5% количества молока, сдаваемого первым и высшим сортом [10,13].
Литература:
1. Санитария производства молока. М., 1976. 312 с.
2. ГОСТ Р 52054-2003. Молоко натуральное коровье-сырье. Технические условия. М., 2003.
3. Промышленная чистота машин. М., 1982.
4. Моющедезинфицирующие средства и качество продукции // Молочная промышленность. 1996. №6.
5. Санитарно-гигиеническое качество заготавливаемого молока и пути его улучшения // Улучшение качества молока и молочных продуктов. М., 1980.
6. Жмырко A. Обоснование параметров и режимов работы системы мойки молокопровода доильных установок для доения коров: дис. к. т. н. Зерноград, 2005.
7. Reincmann D.J. System Design and Performance Testing for Cleaning Milking Systems. New York, 1995.
8. Дегтярев Г.П. Интенсификация технологических процессов очистки доильно-молочного оборудования при ТО и ремонте: автореф. дис. к. т. н. М., 1988.
9. Харьков С. Обоснование режима промывки доильной установки унифицированного ряда и разработка технических средств: дис. к. т. н. РнД., 1983.
10. Матвеев В.Ю. Повышение эффективности промывки доильных установок на основе пневмомеханического интенсификатора: дис. к. т. н. М., 2011. 141 с.
11. Кирсанов В. Энергоэфективная система промывки молокопроводов доильных установок // Техника и оборудование для села. 2011. №6. С. 20-21.
12. Кирсанов В.В. Теоретические основы промывки молокопроводов доильных установок // С.-х. машины и технологии. 2012. №6. С. 48.
13. Кирсанов В.В. Технология промывки молокопроводов // Вестник БурГСХА. 2016. №2(43). С. 86-91.
14. Матвеев В.Ю. Меры санитарной обработки молочных линий // Вестник НГИЭИ. 2017. №3(70). С. 32-40.
15. Пат. Устройство для очистки молокопроводов доильных установок / Кирсанов В.В. Опубл. 20.11.16
Literatura:
1. Sanitariya proizvodstva moloka. M., 1976. 312 s.
2. GOST R 52054-2003. Moloko natural'noe korov'e-sy-r'e. Tekhnicheskie usloviya. M., 2003.
3. Promyshlennaya chistota mashin. M., 1982.
4. Moyushchedezinficiruyushchie sredstva i kachestvo produkcii // Molochnaya promyshlennost'. 1996. №6.
5. Sanitarno-gigienicheskoe kachestvo zagotavlivaemogo moloka i puti ego uluchsheniya // Uluchshenie kachestva moloka i molochnyh produktov. M., 1980.
6. ZHmyrko A. Obosnovanie parametrov i rezhimov ra-boty sistemy mojki molokoprovoda doil'nyh ustanovok dlya doeniya korov: dis. k. t. n. Zernograd, 2005.
7. Reincmann D.J. System Design and Performance Testing for Cleaning Milking Systems. New York, 1995.
8. Degtyarev G.P. Intensifikaciya tekhnologicheskih pro-cessov ochistki doil'no-molochnogo oborudovaniya pri TO i remonte: avtoref. dis. k. t. n. M., 1988.
9. Har'kov S.V. Obosnovanie rezhima promyvki doil'noj ustanovki unificirovannogo ryada i razrabotka tekhnich-eskih sredstv: dis. k. t. n. RnD., 1983.
10. Matveev V. Povyshenie ehffektivnosti promyvki doi-l'nyh ustanovok na osnove pnevmomekhanicheskogo in-tensifikatora: dis. k. t. n. M., 2011. 141 s.
11. Kirsanov V. EHnergoehfektivnaya sistema promyvki molokoprovodov doil'nyh ustanovok // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2011. №6. S. 20-21.
12. Kirsanov V.V. Teoreticheskie osnovy promyvki mo-lokoprovodov doil'nyh ustanovok // S.-h. mashiny i tekh-nologii. 2012. №6. S. 48.
13. Kirsanov V.V. Tekhnologiya promyvki molokopro-vodov // Vestnik BurGSKHA. 2016. №2(43). S. 86-91.
14. Matveev V.YU. Mery sanitarnoj obrabotki molochnyh linij // Vestnik NGIEHI. 2017. №3(70). S. 32-40.
15. Pat. Ustrojstvo dlya ochistki molokoprovodov doil'nyh ustanovok / Kirsanov V.V. Opubl. 20.11.16
THE DAIRY LINES CLEANING QUALITY IMPROVING BY DIFFERENT MECHANICAL CLEANERS
WITH ACTIVE WORKING BODIES USING V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences, Federal research agroengineering centre VIM V.Y. Matveev, candidate of technical sciences M.M. Maslov, post-graduate student
GBOU VO Nizhny Novgorod state university of engineering-and-economics
Abstract. For milk production of the highest or first grade according to GOST R 52054-2003 "Raw cow's milk. Specifications" on dairy farms it is necessary to ensure an appropriate level of density, acidity, fat and protein content, as well as bacterial contamination that level is constantly change depending on various factors. According to the highgrade milk requirements, the number of microorganisms in submitted for processing milk should not exceed 300 thousand KOE/cm3. To reduce trade milk bacterial contamination, we had developed several designs of mechanical cleaners with active working bodies allow to reduce the time of washing and its quality to improve. The article considers the option of the active working body's drive from the fan. However, this type of engine using does not allow to obtain working body's stable operation. Therefore, as the engine was chosen the electric drive. The minimum po-wer theoretical justification is given. At the forces acting on the device analyzing, it was found that the device's movement is prevented by the friction force of the working body and guides, as well as the liquid hydraulic resistance. It should be considered that the device is driven not only by an electric motor, but also by in the milk pipeline discharging. Thus, the motor and power of electric engine's theoretical dependence was derived. The developed designs of mechanical cleaners using allow by working bodies of the rotational movement giving to improve the cleaning efficiency, and the photo sensor presence allows to control this quality in real time. Their using allows to reduce the washing operating costs by this and electricity and water's consumption operation time reducing. Keywords: washing automatic device, milking machines, milk pipe line, washing's contours, pipelines.
