CC BY
16
Key words: primary milk processing, separator-milk clarifier, performance, fat ball, inter-plate space.
References:
1. Zuyev, B. G. To the question about development of separation and separators for milk / B. G. Zuyev // Molochnaya promyshlennost. - 2010. - No. 3. - P. 55-57.
2. Krasnov, I. N. The technology and equipment of separation of milk in private farms / I. N. Kras-nov, V. M. Filin, A. Yu. Krasnova. - M: DeLi print, 2010. - 96 p.
3. Lipatov, N. N. Separation in the dairy industry / N. N. Lipatov. - M.: Food industry, 1971. - 400 p.
4. Pat. 148105 RF, IPC B04B 1/08, (2006.01). Separator-milk clarifier / A. V. Yashin, A. A. Romanov, A. V. Savvin, et al. - No. 2014120031; Appl. 19.05.2014; publ. 27.11.2014, bull. No. 33. - 2. p.
5. Pat. 2366166 RF, IPC 01J AND 15/00, (2006.01). A device for producing butter / A.V.Yashin, V.S. Parfyonov, V. N. Strigin. - No 2008113909/13; Appl. 08.04.2008; publ. 10.09.2009, bull. No. 25. - 4 p.
6. Pat. 61506 RF, IPC 01J AND 15/00, (2006.01). Butter churn of periodic action / A. V. Yashin, V. S. Parfyonov. No 2006143958/22; Appl. 11.12.2006; publ. 10.03.2007, bull. No. 7. - 2 p.
7. Savvin, A. V. Cream-separator / A. V. Savvin, S. I. Shcherbakov, A. V. Yashin // Contribution of young scientists in innovative development of agrarian and industrial complex of Russia: proceedings of All-Russian scientific-practical conference. - Penza: EPD PSAA, 2013. - P. 180-181.
8. Strigin, V. N. The construction of butter churn of periodic action for farms / V. N. Strigin, S. V. Parfyonov, A. V. Yashin, S. V. Strigin. // Tekhnka v selskom khozyaistve. - 2010. - No. 1.- P.8-10.
9. Chebotarev, E. A. Separation of milk and raw milk: the history, theory and practice / E. A. Chebo-tarev. - Stavropol: publishing house SKFU, 2012. - 299 p.
10. Yashin, A. V. To the question about determination of a required power of butter churn // V. A. Yashin, V. S. Parfyonov // Agricultural research magazine. - 2007. - No. 6. - P. 70-72.
11. Yashin, A. V. Butter churn for farms / V. A. Yashin, V. S. Parf 2007. - No. 3. - 18 p.
12. Yashin, A. V. Reasoning for the minimum size of fat ball produced during the separation of milk / A. V. Yashin, A. A. Romanova // Niva Povolzhya. - 2015. - № 4(37). - P. 104-109.
13. Yashin, A. V. Profiling of the blades of plate-fixer in cream-separator / A.V. Yashin, A. V. Savvin // Niva Povolzhya. - 2014. - № 3(32). - P. 84-88.
14. Yashin, A. V. Separator-milk clarifier with two-section drum / V.A. Yashin, V.S. Parfyonov, A.A. Romanova // Niva Povolzhya. - 2015. - № 4(37). - P. 100-104.
15. Yashin, A. V. Theoretical evaluation of the performance of the separator-cream with paddle plate-fixer and reasoning for kinematic and technological parameters / A.V. Yashin, A. V. Savvin // Education, science, practice: innovation aspect: a compilation of international scientific-practical conference devoted to day of Russian science. Vol. II. - Penza: EPD PSAA, 2015. - P. 141-145.
УДК 637.022
СЕПАРАТОР-СЛИВКООТДЕЛИТЕЛЬ С КОНИЧЕСКИМИ ПИТАЮЩИМИ КАНАЛАМИ
А. В. Яшин, канд. техн. наук, доцент; А. А. Романова, инженер; А. В. Савин*, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, Россия, e-mail: Jashin1982@mail.ru; *ОАО Птицефабрика «Васильевская», Россия
Основной продукцией молочного скотоводства сельскохозяйственных предприятий является цельное молоко, которое, как и его составляющие (сливки и обезжиренное молоко), являются сырьем для производства различных молочных и иных продуктов питания. В большинстве линий первичной обработки и переработки молока применяется оборудование для разделения молока на фракции - сепараторы-сливкоотделители. Анализ их конструкций позволяет считать одним из главных недостатков данных сепараторов неравномерное заполнение межтарелочных пространств молоком, что является основной причиной снижения их производительности. Авторами предложена новая конструкция сепаратора-сливкоотделителя с коническими питающими каналами, позволяющая увеличить производительность за счет более полного и равномерного заполнения молоком межтарелочных пространств по высоте пакета тарелок барабана при минимально допустимых потерях молочного жира в обезжиренное молоко.
Ключевые слова: молоко, сливки, сепаратор-сливкоотделитель, конический питающий канал, обезжиренное молоко, межтарелочные пространства.
Введение. Одним из пунктов Госпрограммы РФ «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйст-
венной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» [1] является техническая и технологическая модернизация АПК,
Нива Поволжья № 4 (41) ноябрь 2016 131
без которой, при использующемся оборудовании, невозможно в полной мере обеспечить импортозамещение конкурентоспособной продукцией и повысить экономическую безопасность страны. Вопрос повышения разделяющей способности и совершенствования молочных сепараторов является актуальным с 1859 года, когда немецкий профессор Фукс предложил первую конструкцию центрифуги, а начало теоретическому описанию работы подобных устройств положил голландский ученый Христиан Гюйгенс [7]. Поэтому совершенствование существующих технологических процессов [9, 10, 15] и разработка технических средств для разделения молока на фракции [5, 6, 13, 14] с учетом обеспечения более равномерного заполнения межтарелочных пространств молоком с целью повышения производительности сепараторов является актуальным и имеет важное народнохозяйственное значение.
Результаты исследований.
Все серийно выпускаемые сепараторы-сливкоотделители работают по классической схеме, когда молоко в пакет тарелок подается снизу вверх по вертикальным питающим каналам, образованным отверстиями в тарелках [2-4, 7]. На заполнение пакета тарелок оказывают влияние различные сопротивления, приводящие к снижению подачи молока на вышележащие тарелки и производительности их отдельных межтарелочных пространств, в результате чего нижние тарелки работают в более жестком режиме, чем верхние [8]. При этом межтарелочные пространства имеют определенную величину и образованы шипиками на конической части тарелок. Одинаковая высота шипиков и толщина тарелок способствуют равномерному расположению тарелок по высоте их пакета. Образованный пакетом тарелок при совмещении отверстий на их конической образующей питающий канал служит для подвода и распределения молока по межтарелочным пространствам барабана. Высота питающего канала определяется количеством тарелок:
Кк К, (1)
где - межтарелочный зазор по вертикали в сепарационной секции барабана, м;
km - количество тарелок в сепарационной секции барабана, шт.
Зависимость количества тарелок и межтарелочных пространств можно определить равенством
k k 1, (2)
ш мп V '
где kмn - количество межтарелочных пространств в сепарационной секции барабана, шт.
Следовательно, зависимость (1) с учетом (2) примет вид
Кк kмn 1 . (3)
Вопрос равномерности заполнения межтарелочных пространств изучался неоднократно, но единого мнения по этому вопросу нет. Видимо, поэтому при теоретическом определении производительности сепаратора рекомендуется применять коэффициент, учитывающий степень использования рабочего объема барабана, который принимается равным от 0,5 до 0,7 [2]. Исследования ряда авторов указывают на то [3, 8], что равномерность заполнения межтарелочных пространств молоком зависит от способа подачи молока в межтарелочные пространства, соотношения сопротивлений в питающих каналах и шламовом пространстве. При классической схеме подачи молока в межтарелочные пространства определяющим равномерность их загрузки является величина сопротивлений соответственно в питающих каналах и шламовом пространстве. Объем шламового пространства является величиной стандартной, служащей для накопления шлама (сепараторной слизи), и влияет на продолжительность безостановочной работы сепараторов, или на время между выгрузками. При неизменных конструктивных параметрах шламового пространства питающий канал оказывает наибольшее влияние на равномерность заполнения межтарелочных пространств молоком. Установлено, что для сепараторов, имеющих сепарационную секцию, у которых для подвода молока к пакету тарелок используются вертикальные цилиндрические питающие каналы, характерна неравномерность заполнения межтарелочных пространств молоком, что объясняется наличием путевого расхода молока при движении от нижней тарелки к верхней. Таким образом, при неизменной площади живого сечения потока молока наблюдается снижение его расхода по пути движения по питающему каналу, так как часть молока последовательно отводится в межтарелочные пространства, приводящее к тому, что нижние тарелки сепарационной секции работают в более жестком режиме, чем верхние.
Следовательно, для обеспечения равномерного заполнения межтарелочных пространств молоком целесообразно выполнение вертикальных питающих каналов
а)
б)
в)
Рис. 1. Схема вертикального питающего канала: а) - сходящегося; б) - цилиндрического; в) - расходящегося; ■ межтарелочный зазор по вертикали в сепарационной секции барабана; Б1 - площадь отверстия на входе в питающий канал; Б2 - площадь отверстия на выходе из питающего канала
переменной площади поперечного сечения по высоте [11].
Рассмотрим питающий канал (рис. 1), выполненный сходящимся, цилиндрическим и расходящимся. При этом примем постоянными площадь отверстия на входе в питающий канал S1 const и напор H1 const.
При этом для площади отверстия на выходе из питающего канала справедливо следующее неравенство
(4)
S2 > S > S
2 расх 2 ц 2
где S2
S,
S,
-площади отвер-
стии на выходе соответственно из сходящегося, цилиндрического и расходящегося питающих каналов, м2.
Тогда на основании уравнения Бернул-ли [11] для рассматриваемых питающих каналов справедливо следующее неравенство:
(5)
> 2 > 2
: 2 ц 2 расх
где
- соответственно
средняя скорость потока молока в живом сечении площадью 52 для сходящегося, цилиндрического и расходящегося питающего канала, м/с.
Из неравенства (5) следует, что для создания больших скоростей потока молока на выходе из питающего канала необходимо использование сходящегося питающего канала. Однако увеличение скорости потока молока по вертикальным питающим каналам может негативно сказаться на обеспечении условия разделения молока на фракции, меньшей подаче молока к верхним межтарелочным пространствам, а
для получения равномерного заполнения межтарелочных пространств молоком необходимо соблюдение возможности обеспечения необходимой подачи молока ко всем питающим каналам, чтобы каждое межтарелочное пространство, независимо от его положения в пакете тарелок, работало в одинаковом режиме.
С учетом уравнения неразрывности потока молока при движении по питающему каналу, а также неравенств (4) и (5) и результатов исследований примем справедливым следующее неравенство:
Q > Q > Q ,
расх -^ц s-s сх '
(6)
где Qcx, 0Ч, драсх - соответственно расход
молока для сходящегося, цилиндрического и расходящегося питающего канала, м3/с.
Таким образом, для увеличения расхода молока верхними межтарелочными пространствами, а следовательно, повышения производительности сепаратора и обеспечения равномерной подачи молока в межтарелочные пространства целесообразно выполнение вертикальных питающих каналов сепарационной секции расходящимися от нижней тарелки к верхней.
На основании теоретического анализа работы питающих каналов различного конструктивного исполнения коллективом авторов была предложена конструкция сепаратора-сливкоотделителя [6], состоящая из корпуса с электроприводом 1 (рис. 2), при-емно-выпускного устройства 6 и барабана 2. Приемно-выпускное устройство 6 имеет кран 5, приемник молока 4, поплавок 3, поплавковую камеру 7, отвод сливок 8 и отвод обезжиренного молока 9.
2
2
2
Нива Поволжья № 4 (41) ноябрь 2016 133
Рис. 2. Конструктивная схема сепаратора-сливкоотделителя по патенту РФ на изобретение № 2537863: 1 - корпус с электроприводом; 2 - барабан; 3 - поплавок; 4 - приемник молока; 5 - кран;
6 - приемно-выпускное устройство, 7 - поплавковая камера; 8 - отвод сливок;
9 - отвод обезжиренного молока
Барабан 2 (рис. 2) выполнен из основания 13 (рис. 3), на котором размещен та-релкодержатель 6 с пакетом тарелок 12 и
разделительная тарелка 10 с регулировочным винтом 7, фиксированные крышкой 9 с уплотнительным кольцом 14 и закрепленные гайкой 8, так, что четные тарелки 1 выполнены гладкими, а нечетные 2 имеют шипики 3 для образования межтарелочного пространства 11, и при этом каждая тарелка имеет по три отверстия 4 на конической поверхности, образующие при сборке в пакет тарелок 12 вертикальные подводящие каналы 5, выполненные расширяющимися от основания 13 к крышке 9 с конусностью 1:2...2:1, в результате последовательного увеличения диаметров отверстий 4 тарелок 1 и 2.
Сепаратор-сливкоотделитель работает следующим образом. При передаче вращения от электропривода 1 (рис. 2) барабану 2 и достижении им номинальных оборотов открывается кран 5 приемника молока 4. Молоко поступает в поплавковую камеру 7, откуда через каналы тарелкодер-жателя 6 (рис. 3) барабана 2 (рис. 2) попадает в вертикальные подводящие каналы 5 (рис. 3), выполненные расширяющимися от основания 13 к крышке 9 и равномерно распределяется в межтарелочных пространствах 11 по высоте пакета тарелок 12, где разделяется на сливки и обезжиренное молоко. При этом обезжиренное
молоко
7 I
Рис. 3. Барабан сепаратора-молокоочистителя по патенту РФ на изобретение № 2537863: 1 - четные гладкие тарелки; 2 - нечетные тарелки с шипиками; 3 - шипики; 4 - отверстия на конической части тарелки; 5 - вертикальные конические подводящие каналы; 6 - тарелкодержатель; 7 - регулировочный винт; 8 - гайка; 9 - крышка; 10 - разделительная тарелка; 11 - межтарелочное пространство; 12 - пакет тарелок; 13 - основание; 14 - уплотнительное кольцо
молоко отходит к периферии барабана 2 (рис. 2), как более тяжелая фракция, а жировые шарики, как более легкая фракция, стремятся к оси барабана 2. Затем обезжиренное молоко и сливки выводятся из барабана 2 через соответствующие отверстия отвода сливок 8 и отвода обезжиренного молока 9. Выполнение вертикальных подводящих каналов 5 (рис. 3) расширяющимися от основания 13 к крышке 9 с конусностью 1:2.2:1 способствует повышению производительности и качества разделения молока на сливки и обезжиренное молоко за счет более равномерного рас-
пределения молока в межтарелочных пространствах 11 по высоте пакета тарелок 12, а следовательно, установлению одинакового расхода молока каждым межтарелочным пространством 11 и оптимального режима разделения.
Вывод. Разработанная конструкция сепаратора-сливкоотделителя с коническими питающими каналами позволит обеспечить равномерное распределение молока в межтарелочных пространствах по высоте пакета тарелок барабана и повысить производительность не менее чем на 10 % при потерях молочного жира менее 0,05 %.
Литература
1. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы. - М.: ФГБНУ «Росин-формагротех», 2012. - 204 с.
2. Краснов, И. Н. Технология и техника сепарирования молока в личных подсобных и фермерских хозяйствах / И. Н. Краснов, В. М. Филин, А. Ю. Краснова. - М.: ДеЛи принт, 2010. - 96 с.
3. Липатов, Н. Н. Сепарирование в молочной промышленности / Н. Н. Липатов. - М.: Пищевая промышленность, 1971. - 400с.
4. Мачнев, А. В. Технологии и средства механизации сельского хозяйства: учебное пособие / А. В. Мачнев, Н. П. Ларюшин, Н. И. Стружкин и др. - Пенза: РИО ПГСХА, 2016. - 254 с.
5. Пат. 148105 РФ, МПК В04В 1/08, (2006.01). Сепаратор-молокоочиститель / А. В. Яшин, А. А. Романова, А. В. Саввин и др. - № 2014120031; заявл. 19.05.2014; опубл. 27.11.2014, Бюл. № 33. -2 с.
6. Пат. 2537863 РФ, МПК А0и 11/10, В04В 1/08, (2006.01). Сепаратор-сливкоотделитель /
A. В. Яшин, С. И. Щербаков, А. В. Саввин и др. - № 2013130752/05; заявл. 04.07.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. - 6 с.
7. Чеботарев, Е. А. Сепарирование молока и молочного сырья: История, теория, практика / Е. А. Чеботарев. - Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2012. - 299 с.
8. Яшин, А. В. К вопросу о совершенствовании способа загрузки межтарелочных пространств молочных сепараторов / А. В. Яшин, В. С. Парфенов, А. В. Саввин, А. А. Романова, В. Н. Стригин // Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2014. - С. 233-235.
9. Яшин, А. В. К вопросу определения потребной мощности маслоизготовителя // А. В. Яшин,
B. С. Парфенов // Аграрный научный журнал. - 2007. - № 6. - С. 70-72.
10. Яшин, А. В. Маслоизготовитель для фермерских хозяйств / А. В. Яшин, В. С. Парфенов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 3. - С. 18.
11. Яшин, А. В. Обоснование конструктивных параметров питающих каналов сепарационной секции барабана сепаратора-молокоочистителя / А. В. Яшин, А. А. Романова // Вклад молодых ученых в аграрную наук: материалы Международной научно-практической конференции. - Ки-нель: РИЦ СГСХА, 2016. - С. 368-370.
12. Яшин, А. В. Обоснование минимального размера жирового шарика выделяемого при сепарировании молока / А. В. Яшин, А. А. Романова // Нива Поволжья. - 2015. - № 4(37). - С. 104-109.
13. Яшин, А. В. Сепаратор-молокоочиститель с двухсекционным барабаном / А. В. Яшин, В. С. Парфенов, А. А. Романова // Нива Поволжья. - 2015. - № 4(37). - С. 100-104.
14. Яшин, А. В. Сепаратор-сливкоотделитель для мелкотоварных хозяйств / А. В. Яшин, А. В. Саввин // Нива Поволжья. - 2014. - № 3(32). - С. 88-92.
15. Яшин, А. В. Снижение энергоемкости производства сливочного масла с обоснованием конструктивно-кинематических параметров маслоизготовителя: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.20.01 / А. В. Яшин. - Пенза, 2007. - 18 с.
Нива Поволжья № 4 (41) ноябрь 2016 135
UDK 637.022
CREAM SEPARATOR WITH CONICAL SUPPLY CHANNELS
A. V. Yashin, candidate of technical sciences, assistant professor; AA. Romanova, engineer;
A. V. Savin*, candidate of technical sciences
FSBEE HE Penza SAA. Russia, e-mail: Jashin1982@mail.ru;
*OAO Foultry factory "Vasilyevskaya", Russia
The main products from dairy cattle breeding agricultural enterprises is whole milk, and its components (cream and skim milk) are the raw materials for the production of various dairy and other food products. In most lines of primary milk processing there used the equipment for separating milk into fractions - cream separators. The analysis of their structures shows that one of the main disadvantages of these separators is uneven filling inter-plate spaces with milk, which is the main reason for the decline in their performance. The authors propose a new design of the cream-separator with cone supply channels, to increase performance due to more complete and uniform filling of milk of the inter-plate spaces according to the height of the package of plates of the drum with minimum acceptable losses of milk fat in the skim milk.
Key words: milk, cream, cream-separator, cone supply channel, skim milk, inter-plate spaces.
References:
1. The state program of development of agriculture and regulation of markets of agricultural products, raw materials and food for the period of 2013-2020. - M.: FSBSI "Rosinformagrotech", 2012. - 204 p
2. Krasnov, I. N. The technology and equipment of separation of milk in private farms / I. N. Kras-nov, V. M. Filin, A. Yu. Krasnova. - M: DeLi print, 2010. - 96 p.
3. Lipatov, N. N. Separation in the dairy industry / N. N. Lipatov. - M.: Food industry, 1971. - 400 p.
4. Machnev, A.V. Technology and mechanization of agriculture: a textbook / A. V. Machnev, N. P. Laryushin, N. I. Struzhkin et al. - Penza: EPD PSAA, 2016. - 254 p.
5. Pat. 148105 RF, IPC B04B 1/08, (2006.01). Separator-milk clarifier / A. V. Yashin, A. A. Romanov, A. V. Savvin et al. - No. 2014120031; Appl. 19.05.2014; publ. 27.11.2014, bull. No. 33. - 2 p.
6. Pat. 2537863 RF, IPC A01J 11/10, B04B 1/08, (2006.01). Cream-separator / A. A. Yashin, S. I. Shcherbakov, A. V. Savvin, et al. - No. 2013130752/05; Appl. 04.07.2013; publ. 10.01.2015, bull. No. 1. -6 p.
7. Chebotarev, E. A. Separation of milk and raw milk: History, theory and practice / E. A. Chebo-tarev. - Stavropol: publishing house of SCFU, 2012. - 299 p.
8. Yashin, A. V. On improving the method to fill inter-plate spaces in dairy separators / A.V. Yashin, V. S. Parfyonov, A. V. Savvin, A. A. Romanova, V. N. Strigin // Resource-saving technologies and technical means for crop and animal production: collection of articles of the International scientific-practical conference. - Penza: EPD PSAA, 2014. - P. 233-235.
9. Yashin, A. V. To the question about determination of required power of butter cnurn // A.V. Yashin, V. S. Parfyonov // Agricultural research journal. - 2007. - No. 6. - P. 70-72.
10. Yashin, A. V. Butter churn for farms / A.V. Yashin, V. S. Parfyonov // Mechanization and electrification of agriculture. - 2007. - No. 3. - 18 p.
11. Yashin, A. V. Reasoning design parameters of the supply channels of the separation drum section in the separator-milk clarifier / A. V. Yashin, A. A. Romanova // Contribution of young scientists in the agricultural sciences: materials of the International scientific-practical conference. - Kinel: EPD SSAA, 2016. - P. 368-370.
12. Yashin, A. V. Reasoning for the minimum size fat ball produced during the separation of milk / A. V. Yashin, A. A. Romanova // Niva Povolzhya. - 2015. - № 4(37). - P. 104-109.
13. Yashin, A. V. Separator-milk clarifier with two-piece drum / A.V. Yashin, V.S. Parfyonov, A. A. Romanova // Niva Povolzhya. - 2015. - № 4(37). - P. 100-104.
14. Yashin, A. V. Cream-separator for small-scale farms / A.V. Yashin, A. V. Savvin // Niva Povolzhya. - 2014. - № 3(32). - P. 88-92.
15. Yashin, A. V. Decrease in the intensity of production of butter with a substantiation of constructive-kinematic parametres of butter churn: author. dis. cand. tech. sciences: 05.20.01 / A. V. Yashin. -Penza, 2007. - 18 p.
