CC BY
2УДК 637.131.2 UBSITG
DOI: 10.31279/2222-9345-2022-11-47-4-8 Дата поступления статьи в редакцию: 11.10.2022 г.
Д. И. Грицай, А. Г. Немцев, В. В. Одноприенко, Р. А. Базаров
Gritsai D. I., Nemtsev A. G., Odnoprienko V. V., Bazarov R. A.
УСТРОЙСТВО ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ОЧИСТКИ МОЛОКА
TWO-STAGE MILK PURIFICATION DEVICE
Предложена разработка устройства двухступенчатой очистки молока и пищевых жидкостей. Устройство относится к сельскому хозяйству, в частности к цедильным и фильтровальным приспособлениям для очистки молока, и может быть использовано в молочном производстве.
Представлено подробное описание конструкции устройства и принцип его работы. Рассмотрены возможные режимы работы устройства.
Авторским коллективом представлены результаты анализа режима работы и математическое описание исследований по обоснованию конструктивных параметров разработанного устройства двухступенчатой очистки молока и пищевых жидкостей, обеспечивающего очистку молока и пищевых жидкостей от крупных механических включений. Получены уравнения для определения необходимого ускорения для удаления крупных механических включений в цилиндрический отстойник устройства. Показано, что выведенные уравнения справедливы и могут применяться для дальнейшей разработки устройства двухступенчатой очистки молока и пищевых продуктов.
Устройство может быть использовано как в составе доильных установок, так и в различных линиях первичной обработки молока.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению эффективности процесса очистки молока при одновременном сохранении качественных и технологических свойств исходного продукта, а также к снижению материальных затрат.
Ключевые слова: очистка, устройство, принцип работы, режим работы, фильтр молочный, качество молока, первичная обработка, доильная установка.
The article proposes the development of a device for two-stage purification of milk and food liquids. The invention relates to agriculture, in particular to filtering and filtering devices for milk purification and can be used in dairy production.
A detailed description of the design of the device and the principle of its operation are presented. The possible operating modes of the device are considered.
The team of authors presents the results of the analysis of the operating mode and a mathematical description of studies to justify the design parameters of the developed device for two-stage purification of milk and food liquids, which cleans milk and food liquids from large mechanical impurities. Equations are obtained to determine the necessary acceleration to remove large mechanical inclusions in the cylindrical sump of the device. It is shown that the derived equations are valid and can be used for further development of a device for two-stage purification of milk and food products.
The device can be used both as a part of milking machines and in various lines of primary milk processing.
The technical result that can be achieved with the help of the present invention is to increase the efficiency of the milk purification process while maintaining the quality and technological properties of the original product, as well as to reduce material costs.
Key words: cleaning, device, operating principle, operating mode, milk filter, milk quality, primary processing, milking machine.
Грицай Дмитрий Иванович -
кандидат технических наук, доцент, заведующий
кафедрой машин и технологий АПК
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
РИНЦ SPIN-код: 4267-4394
Тел.: 8-918-874-06-56
E-mail: gritcay_kirill@mail.ru
Немцев Алексей Геннадьевич -
аспирант кафедры машин и технологий АПК
ФГБОУ ВО «Ставропольский аграрный университет»
г. Ставрополь
РИНЦ SPIN-код: 9198-9920
Тел.: 8-961-442-90-71
E-mail: nemtsev.lesha@mail.ru
Одноприенко Владимир Викторович -
магистрант инженерно-технологического факультета
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-968-276-01-39
E-mail: vladimir.odnoprienko@gmail.com
Базаров Роман Алексеевич -
преподаватель учебно-методического отдела факультета среднего профессионально образования
Gritsai Dmitry Ivanovich -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Head of the Department of Machines and Technologies
of the Agroindustrial Complex
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University»
Stavropol
RSCI SPIN-code: 4267-4394 Tel.:8-918-874-06-56 E-mail: gritcay_kirill@mail.ru
Nemtsev Alexsey Gennadievich -
postgraduate student of the Department of Machines and Technologies of the Agroindustrial Complex FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
RSCI SPIN-code: 9198-9920 Tel.: 8-961-442-90-71 E-mail: nemtsev.lesha@mail.ru
Odnoprienko Vladimir Viktorovich -
master's student of the Department of Machines and Technologies of the Agroindustrial Complex FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-968-276-01-39
E-mail: vladimir.odnoprienko@gmail.com
Bazarov Roman Alekseevich -
teacher of the educational and methodological department of the Faculty of Secondary Vocational Education
в
№ 3(47), 2022
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-349-77-93
E-mail: roman.bazarov.2014@mail.ru
Агроинженерия
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-928-349-77-93
E-mail: roman.bazarov.2014@mail.ru
5
Несмотря на беспрецедентные меры поддержки государством сельхозтоваропроизводителей в рамках Приоритетного национального проекта «Развитие АПК», самыми проблемными остаются молочное скотоводство и молочная отрасль в целом. Одной из наиболее значимых причин такого положения является низкий уровень качественных показателей получаемого молока. Основным поставщиком такого молока являются личные подсобные и небольшие фермерские хозяйства, товарность молока ниже 34 и 70 % [1].
Основным фактором для повышения качества, а следовательно, и товарности молока является удаление из него всевозможных механических примесей, из которых в молоко попадают различные, в том числе и патогенные, микроорганизмы [2].
Необходимо отметить, что при центробежной очистке с использованием сепараторов из молока выделяются только те частички «загрязнений, плотность которых выше плотности плазмы. Так, для примера, если животные содержатся на подстилке из торфа, то фильтры задерживают мелкие частицы торфа, попавшие в молоко, чего нельзя достичь с помощью очистителей центробежного типа. Следовательно, способность фильтра задерживать механические частицы определенного размера независимо от их плотности является их важным преимуществом перед сепараторами-очи-стителями»[3].
В Ставропольском ГАУ разработано устройство двухступенчатой очистки пищевых жидкостей, отличительной особенностью которого является процесс двухступенчатой очистки молока (рис. 1).
Молоко или пищевые жидкости насосом подаются через наклонно расположенный входной патрубок 2, размещенный на крышке 10 (смещен от ее центра), позволяющий в щадящем режиме подавать молоко на конический распределитель 5, исключая обратный ток молока и его взбивание. Далее молоко устремляется по направляющим 6 к коническому фильтрующему элементу грубой очистки 9, который задерживает крупные частицы загрязнений (1-я ступень очистки), а затем сквозь решетку 8 попадает на фильтрующий элемент тонкой очистки 7, где оно очищается окончательно (2-я ступень очистки) и выводится через выходной патрубок 3. Крупные частицы загрязнений за счет создания движения направляющими 6 конического распределителя 5 по коническому фильтрующему элементу грубой очистки 9 продвигаются и оседают в цилиндрическом отстойнике 12. Крышка 10 прижимает уплот-
нительным кольцом 11 фильтрующий элемент тонкой очистки 7 через конический фильтрующий элемент грубой очистки 9, который в свою очередь прижимает решетку 8, установленную на фиксирующем адаптере 4.
Рисунок 1 - Фильтр двухступенчатой
очистки молока:
1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 - выходной патрубок; 4 - адаптер; 5 - конический распределитель; 6 - направляющая; 7 - элемент тонкой очистки, 8 - прижимная решетка;
9 - фильтрующий элемент грубой очистки;
10 - крышка; 11 - уплотнительное кольцо;
12 - цилиндрический отстойник; 13 - клапанный блок двухстороннего действия; 14 - поворотный рычаг; 15 - крышка нижняя; 16 - грязеотводящий патрубок; 17 - пружина
«Для удаления загрязнений из цилиндрического отстойника 12 поворотный рычаг 14 проворачивают по часовой стрелке и устанавливают в горизонтальное положение (рис. 2), что обеспечивает перемещение клапанного блока двухстороннего действия 13 в нижнее положение. Верхняя часть цилиндрического отстойника 12 закрывается крышкой 15 и не контактирует с молоком или пищевой жидкостью, находящейся в цилиндрическом корпусе 1, в связи с этим молоко перестает контактировать с загрязнениями. Одновременно с закрытием верхней части цилиндрического отстойника 12 нижняя его часть открывается кла-
панным блоком двухстороннего действия 13, что обеспечивает выход загрязнений через гря-зеотводящий патрубок 16 в сборную емкость или канализацию. При возвращении поворотного рычага 14 в исходное положение пружина 17 поднимает клапанный блок двухстороннего действия 13 в верхнее положение. Верхняя часть цилиндрического отстойника 12 открывается, что способствует повторному накоплению загрязнений. Нижняя часть цилиндрического отстойника 12 закрывается, что препятствует прохождению молока» [4].
Рисунок 2 - Цилиндрический отстойник
Таким образом, «происходит очищение конического фильтрующего элемента грубой очистки 9 от загрязнений при работе устройства двухступенчатой очистки молока и пи-
щевых жидкостей. Наличие первой ступени очитки молока от крупных механических включений с постоянным их отводом и сбором в цилиндрический отстойник 12 снижает нагрузку на фильтрующий элемент тонкой очистки 7 и способствует получению молока высших сортов по чистоте, потому что крупные механические включения постоянно отводятся в цилиндрический отстойник 12, не подвергаются воздействию последующего потока молока или пищевых жидкостей и не размываются, чем предотвращается попадание микроорганизмов, содержащихся в них» [5].
Выполнен анализ режима работы «Незагруженной фильтрации» и математическое описание движения частиц по коническому распределителю (с определением скорости, необходимой для отделения от потока жидкости частиц загрязнений).
Режим «Незагруженной фильтрации» - когда фильтр 7 пропускает поступающий объем жидкости со скоростью, не допускающей наполнения камер фильтрующей зоны. Этот режим доступен только при подаче жидкости малым напором, с удельным объемом поступления ниже Утш.
Считаем, что подлежащие тонкой очистке частицы загрязнений движутся со скоростью и направлением основного потока жидкости, то есть равнозначные объемы частиц и жидкости эквивалентны.
Для тела (в нашем случае частиц загрязнений) (рис. 3), расположенного на наклонной плоскости продавливающего конуса, целесообразно выбирать оси координат таким образом, чтобы ось Ох располагалась вдоль, а ось Оу - перпендикулярно наклонной плоскости.
а б
Рисунок 3 - Продавливающий конус (а) и проекция сил (б) на движение частиц загрязнений
по винту продавливающего конуса
Тогда для проекции сил на оси координат получим следующие выражения:
= ^еова, ¥у = mgx = mgsinа, mgy
N = о, N =
^мпа, = -mgcosа,
Д
К
трх
К К
± тр, ± тру
о,
где ¥тр - сила трения;
ц - коэф. сопротивления движению; m - масса частицы; а - угол наклона плоскости; N - сила реакции опоры.
в
№ 3(47), 2022
V = V + at,
или
ю =
Vnr + Vi
кх
где
Vkx = (V + a(t))cosa;
V0x = Vicosa.
Тогда центростремительное ускорение примет следующую форму:
(a4í> =
№ R,- '
где
Агроинженерия
7
Тогда для движения по наклонной плоскости конического распределителя элементарного объема массы считаем
^тр = ^mgcosa, та = mgsina - ^тр. В нашем случаем считаем данное уравнение одинаковым как для движения потока жидкости, так и для движения тела относительно потока жидкости. Тогда
та = mgsina - ^mgcosa.
Путем преобразований получим
а = gsina - цgcosa,
V- Щ а = -
г ,
V = V + аГ,
где а - ускорение движения частицы загрязнений;
V - скорость движения частицы; I - время.
Тогда в каждый момент времени ti модуль скорости при равноускоренном движении
Д - радиус расположения элементарного объема оси систем. При условии равномерности найдем Д): 4 витка на распределяющем конусе диаметрами от йх до й?4:
Тогда
(R)
<Яц>
{d)=-(d)
di + dA
2
d± + d4
4 m(Vx2)
+ й4
Тогда любая твердая частица будет сдвигаться под действием центробежной силы в направлении конического фильтра 9.
maR =
4 m(Vx2) d-, + dA
V-mg,
где
(Vix= VjCosa lviv = Vi sina. В таком случае элементарный объем затрат на прохождение полного пути по направляющим винтам продавливающего конуса (до конца зоны тонкой фильтрации)
h
w-<v ■
где h - высота конического распределителя.
2 h
<t>= < y¡ Ч
где ац = asina - центростремительное ускорение,
ав - ускорение выхода частицы из основного потока.
Таким образом, заявляемая конструкция двухступенчатой очистки молока и пищевых жидкостей позволит обеспечить следующие преимущества по сравнению с известными решениями:
- получение молока 1 группы чистоты за счет двухступенчатой очистки и постоянного сбора загрязнений в отстойник;
- сохранение технологических свойств молока за счет исключения структурных изменений его жировой фазы;
- высокая надежность и длительный срок службы при компактности и простоте конструкции устройства;
- легкое, безопасное и удобное обслуживание, не требующее специальной подготовки;
- легкая и быстрая замена отработавшего фильтрующего элемента без дополнительных приспособлений;
- универсальность использования за счет обеспечения монтируемости в различные системы фильтрации пищевых жидкостей и молока;
- высокая экономичность использования в связи с отсутствием затрат на ремонт элемента без дополнительных приспособлений.
<'ац1) - среднее центростремительное ускорение в каждой точке;
Литература
1. Амерханов Х. А. Состояние и развитие молочного скотоводства в Российской Федерации // Молочное и мясное скотоводство. 2017. № 1. С. 2-5.
2. Технологии и технические средства для производства молока и мяса крупного рогатого скота в личных подсобных и фермерских хозяйствах / Д. В. Иванов, И. В. Капустин, Г. Г. Шматко ; СтГАУ. Ставрополь : АГРУС, 2016. 180 с.
References
1. Amerkhanov H. A. State and development of dairy cattle breeding in the Russian Federation // Dairy and meat cattle breeding. 2017. № 1. P. 2-5.
2. Technologies and technical means for the production of milk and meat of cattle in private subsidiary and farms / D. V. Ivanov, I. V. Kapustin, G. G. Shmatko ; StGAU. Stavropol : AGRUS, 2016. 180 p.
3. Пат. 208286 U1 Российская Федерация МПК A01J 11/00, A01J 11/06. Устройство двухступенчатой очистки пищевых жидкостей / И. В. Капустин, Д. И. Грицай, Е. И. Капустина, Д. А. Сидельников, В. А. Алексеенко, А. Г. Немцев, Р. А. Базаров ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ. № 2021114983 ; заявл. 26.05.21 ; опубл. 13.12.21, Бюл. № 35.
4. Молоко: состояние и проблемы производства : монография / В. И. Трухачев, И. В. Капустин, Н. З. Злыднев, Е. И. Капустина. СПб. : Издательство «Лань», 2018. 300 с.
5. Пат. RU 2654603C1 Российская Федерация МПК A01J11/06. Устройство двухступенчатой очистки пищевых жидкостей, преимущественно молока / И. В. Капустин, Д. И. Грицай, Д. В. Иванов, О. И. Детисто-ва, Д. А. Сидельников, В. И. Кузьминов, Е. К. Грабовенко ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ. № 2017141716 ; заявл. 29.11.17 ; опубл. 21.05.18, Бюл. № 15.
3. Patent 208286 U1 Russian Federation IPC A01J 11/00, A01J 11/06. The device of two-stage purification of food liquids / I. V. Kapus-tin, D. I. Gritsai, E. I. Kapustina, D. A. Sidel-nikov, V. A. Alekseenko, A. G. Nemtsev, R. A. Bazarov ; applicant and patent holder of the Stavropol State Agrarian University. № 2021114983 ; announced 26.05.21 ; published 13.12.21, Bulletin № 35.
4. Milk: the state and problems of production : monograph / V. I. Trukhachev, I. V. Kapustin, N. Z. Zlydnev, E. I. Kapustina. SPb. : Publishing House «Lan», 2018. 300 p.
5. Patent RU 2654603C1 Russian Federation IPC A01J11/06. The device of two-stage purification of food liquids, mainly milk /
I. V. Kapustin, D. I. Gritsai, D. V. Ivanov, O. I. Detistova, D. A. Sidelnikov, V. I. Kuz-minov, E. K. Grabovenko ; applicant and patent holder of the Stavropol State Agrarian University. № 2017141716 ; announced
II.29.17 ; published on 05.21.18, Bulletin № 15.
