Для сдачи тестов, рубежного контроля, а также закрепления материала используйте браузеры MS Internet Explorer, Mozilla Firefox, Chromium
    Главная страница электронного учебника
    Содержание дисциплины

    Механизация доения коров
    Содержание дисциплины

    Механизация первичной обработки молока

    Учебная тема
    Механизация первичной обработки молока

    1. Основы технологии первичной обработки молока. Свойства и ГОСТ на молоко.

    2. Охладители молока и и принцип их работы.

    3. Тепловой баланс процесса охлаждения и расчет охладителей.

    4. Пастеризаторы молока, их классификация и принцип работы.

    5. Расчет пастеризаторов.

    6. Расчет регенеративных теплообменников.

    7. Типы сепараторов и принцип их работы.

    8. Основы теории и расчет сепараторов.

    9. Технологические расчеты линии первичной обработки молока.

    10.      Контрольные вопросы.

    11.      Дополнительная литература.

     

    1.  Основы технологии первичной обработки молока. Свойства и ГОСТ на молоко

    Качество молока и молочных продуктов во многом зависит от своевременности их обработки и переработки, так как молоко является скоропортящимся продуктом.

    В целях сохранения молока в свежем виде в период доставки потребителям его подвергают первичной обработке непосредственно на фермах. Эта обработка включает следующие технологические операции: фильтрование, охлаждение, хранение, учет. В некоторых случаях к ним добавляются пастеризация, сепарирование и нормализация. Последние операции больше относятся не к обработке, а к переработке.

    Технологические операции по переработке молока имеют целью изменить его исходные свойства и получить питьевое молоко, сливки, творог, масло, сыр и др. продукты. Переработку молока осуществляют на некоторых молочнотоварных фермах, обычно расположенных вблизи городов и поставляющих молочную продукцию непосредственно в торговую сеть, а также на предприятия молочной промышленности.

    В нашей стране более половины произведенного молока перерабатывается на масло, 35% – на питьевое молоко и кисломолочные продукты, из остальной части вырабатывают сыры, брынзу, мороженое, сгущенное консервированное и сухое молоко, сливки и др. Переработка молока осуществляется на специальных технологических линиях.

    Почему молоко является скоропортящимся продуктом?

    При доении в него попадают бактерии, вызывающие закисание. Источником бактериального загрязнения могут быть плохо вымытое вымя животного, плохо промытые детали, соприкасающиеся с молоком, и воздух коровника, засасываемый пульсатором и коллектором доильного аппарата. Свежевыдоенное молоко обладает бактерицидными свойствами, которые сохраняются определенное время. Понижая температуру молока, увеличиваем срок действия его бактерицидных свойств. У свежего неохлажденного молока при  t = 30оС бактерицидная фаза равна 3 часам, при снижении температуры до 16оС – 76 ч, до 10-13оС – 36 ч, до 4-5оС жизнедеятельность бактерий практически прекращается.

    Свежевыдоенное молоко показывает кислую реакцию. Кислотность молока выражается в градусах Тернера (о Т), которые показывают количество миллилитров децинормального раствора щелочи (КОН или  NaOH), идущей на нейтрализацию 100 мл молока. Метод определения кислотности определен ГОСТ 3624-47. Кислотность свежевыдоенного молока находится в пределах 16-18оТ.

    Химический состав молока не постоянен и зависит от породы, возраста, периода лактации, условий кормления и качества кормов. В состав молока входят более ста различных веществ. В нем различают две основные части: воду – в среднем 87,5 % и сухое вещество – 12,5 %. Последнее состоит из молочного сахара – 4,5...4,8 %, жира – 2,9...5,1 %, белка – 2,7...3,7 %, минеральных и органических кислот – около 0,75 % и золы – 0,6...0,8 %.

    В зависимости от физико-химических и микробиологических свойств молоко делят на два сорта и на несортовое, согласно ГОСТ 13264-70 (см. табл.).

    Несортовое молоко и молоко  II сорта с кислотностью выше 19оТ направляется на переработку в творог и другие кисломолочные продукты. Молоко, поступающее в торговую сеть, согласно ГОСТ 13267-67, делится на цельное, нормализованное, восстановленное, витаминизированное (жирность 3,2 %), а также повышенной жирности и топленое (жирность 6 %), белковое (жирность 2,5%). Плотность его должна быть ниже 1,027 г/см 3.


    Таблица

    Требования к молоку по ГОСТ 13264-70

    Показатели

    I сорт

    II сорт

    Несортовое

    Плотность не менее, г/см3

    1,027

    1,027

    1,027

    Кислотность,  0Т

    16...18

    19...20

    не более 21

    Степень чистоты по эталону (не ниже группы)

    1

    2

    2

    Бактериальная загрязненность по редуктазной пробе (не ниже класса)

     

    1

     

    2

     

    3

     

    Температура при приемке, 0С

    Не выше 10

    не учитывается

    Внешний вид

    Однородная жидкость без осадка и хлопьев

    Запах и вкус

    Свойственные свежему сырому молоку без посторонних привкусов. Допускается слабовыраженный кормовой привкус

    Цвет

    От белого до светло-желтого

     

    Технологическая схема первичной обработки молока и комплект оборудования для ее реализации зависят от способа доения и типа доильных установок, размера и планирования ферм, способа и кратности реализации молока в течение суток, удаленности ферм от молочных заводов и др.

    При доении коров в молокопровод (установки АДМ-8, УДА-8, УДА-16, УДБ-8) первичная обработка молока осуществляется в потоке в процессе доения. При доении коров во фляги (установки АДМ-100А, ДАС-2Б и др.) первичную обработку молока производят после окончания доения.

    Основное назначение любой технологической линии первичной обработки – получение цельного (натурального) и питьевого молока.

    Технологическая линия получения цельного молока предусматривает выполнение следующих операций: доение – учет – очистка – охлаждение – хранение – отправка (см. схему).

     

     

    Схема первичной обработки цельного молока

    1 – молокоприемник-воздухоотделитель; 2 – счетчик молока; 3 – молочный насос;  4 – фильтр;  5 – пластинчатый охладитель; 6 – холодильная установка;

    7 – ванна для хранения молока; 8 – цистерна для перевозки молока.

     

    Технологическая линия получения питьевого молока предусматривает прием молока с кислотностью не выше 190Т, сортирование молока, учет, очистку, нормализацию по содержанию жира, пастеризацию, охлаждение, розлив, выдачу.

    Учет молока производится групповыми счетчиками молока (при доении в молокопровод) и индивидуальными (при доении в ведра).

    Очистка молока от механических примесей (остатки подстилки, частицы корма, волос и т.п.) производится путем пропускания через ватный или лавсановый фильтр, или на центробежных молокоочистителях. Фильтрация может осуществляться под действием гидростатического столба жидкости и под давлением (0,1...0,2 МПа).

    Нормализация молока по содержанию жира предусматривает получение продукта с заданной жирностью. Она может осуществляться:

    – смешиванием молока повышенной жирности с маложирным молоком;

    – добавлением к жирному (более 3,2%) молоку обезжиренного молока или обрата;

    – сепарированием жирного молока путем отбора части сливок;

    - добавлением к маложирному молоку сливок.

    На фермах нормализация производится путем сепарирования или добавлением сливок.

    Количество сливок, которое нужно удалить из жирного молока, определяется из баланса жира в молоке до разделения и молоке и сливках после разделения

    .

    Кроме того, справедливо равенство

    ,

    где

     – масса молока до разделения, после разделения и сливок, соответственно;

     – жирность молока до разделения, после разделения и сливок, соответственно.

    Подставляя значение  в первое уравнение, получим

    .

    Если жирность нормализованного молока должна быть 2,5%, то формула перепишется:

    .

    Количество сливок, которое нужно добавить маложирному молоку, определяется аналогично по формуле:

    ,

    где

     – масса и жирность исходного молока;

     – жирность нормализованного молока.

    Если жирность нормализованного молока должна быть 3,2%, то количество сливок для добавления в маложирное молоко будет

    .

    2.  Охладители молока и принцип их работы

    Как отмечалось, молоко является скоропортящимся продуктом, поэтому охлаждение его является обязательной операцией при первичной обработке. Охлаждение молока можно осуществить только при помощи соответствующих установок, в которых в качестве охлаждающего агента используется искусственно охлажденная вода или вода артезианских скважин. Охлаждение воды производится холодильными машинами, в которых хладагентом являются аммиак или хладон (фреон). Хладагент циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая фазовые превращения, испаряясь и забирая тепло у охлаждаемой воды и конденсируясь и отдавая тепло окружающему воздуху или проточной воде. Энергию для осуществления фазовых переходов хладагент получает от компрессора, который сжимает газообразный хладагент до давления конденсации. В холодильной машине, кроме того, имеются ресивер для жидкого хладагента, фильтр, теплообменник, регулирующая и контрольная аппаратура (терморегулирующий вентиль, термореле, реле давления, манометры) и трубопроводы, соединяющие отдельные агрегаты в единую замкнутую систему.

    В настоящее время наша промышленность, согласно системе машин, выпускает аккумуляционно-охлаждающие установки нового типа серии АВ, которые предназначены для охлаждения воды, используемой в проточных или емкостных охладителях молока. Их типоразмерный ряд: АВ-3; АВ-6; АВ-12 и АВ-30, где цифра указывает их хладопроизводительность в тыс.ккал/ кг (1 ккал – 4,18 кДж). Все эти установки выполнены по унифицированной конструктивно-технологической схеме.

    На фермах широкое распространение получили холодильные установки типа МХУ (МХУ-8С; МХУ-8П и МХУ-!"), которые также предназначены для охлаждения воды, используемой в охладителях молока ТО-2, ТОВ-2, АДМ-13 и др. Эти установки включают те же узлы, что и установки серии АВ.

    Охладители молока можно классифицировать по следующим показателям:

    1. По характеру соприкосновения с окружающим воздухом - открытые (оросительные) и закрытые (проточные).

    2. По профилю рабочей поверхности - трубчатые и пластинчатые.

    3. По числу секций - одно- и многосекционные.

    4. По форме – плоские и круглые.

    5. По воздействию на теплообменные среды – напорные, вакуумные и гравитационные.

    6. По относительному направлению теплообменных сред – прямоточные, противоточные и с перекрестным движением.

    Наибольшее распространение в колхозах и совхозах получили охладители закрытые проточные с противоточным движением молока и охладителя (автоматизированная очистительно-охладительная установка ООУ-МУ4 и ООТ-МУ4, прежний выпуск - ООМ-1000А, очиститель-охладитель ОМ-1), а также емкостные охладители (танки-охладители ТО-2; ТОМ-2А; ТОВ-2 и др.) (Плакаты).

    Теплообмен между теплообменными средами в пластинчатых охладителях происходит через стенки, интенсивность которого зависит от разности температур охлаждающейся и охлаждаемой сред и коэффициента теплопередачи. Характер изменения температуры теплообменных сред можно представить графически для наглядности.

    Теплообмен в обеих схемах происходит по экспоненциальному закону, однако в прямоточных охладителях интенсивность теплообмена в начале процесса велика, а к концу резко уменьшается из-за уменьшения градиента температур. В противоточных охладителях градиент  температур в течение всего процесса изменяется в значительно  меньшей степени, поэтому интенсивность теплообмена также более равномерная. Однако в последнем случае возможно получить температуру молока близкую к начальной температуре хладагента, чего нельзя получить в первом случае. Поэтому и КПД этого типа агрегатов  более высок.

    3.  Тепловой баланс процесса охлаждения и расчет охладителей

    Тепловой поток, отбираемый хладоносителем от молока, определяется по формуле:

     ,                                   (1)

    где

    Qм – подача молока,  кг/с;

    см –теплоемкость молока, Дж/ кг·град;

     – начальная и конечная температуры молока, соответственно.

    Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, то это же количество теплоты приобретает хладагент

    ,                                     (2)

    где

    Qх – подача хладагента,  кг/с;

    сх – его теплоемкость, Дж/ кг.град;

     – конечная и начальная температуры хладагента, соответственно.

    Процесс охлаждения в пластинчатых охладителях идет непрерывно, т.е. подача молока и хладагента осуществляется непрерывно. Но в зависимости от температурного режима охлаждающей жидкости требуется больше, чем охлаждаемой. Отношение расхода хладагента к расходу охлаждаемой жидкости называют коэффициентом кратности расхода хладагента

                                                          (3)

    или                                          .

    Подставив (3) в уравнение (2) и приравняв (1) и (2), можно определить коэффициент кратности

    .                                        (4)

    Практикой установлено, что значение Kk для водяных секций охладителей находится в пределах 2,5...3, для рассольных – 1,5...2,5.

    Если охладитель двухсекционный (водяной и рассольный), то общий поток тепла от молока к хладагентам

    ,

    где

     – поток тепла, получаемого водой, Вт;

    – поток тепла, получаемого рассолом, Вт.

    Эти потоки определяются аналогично зависимости (2).

    Поток тепла, проходящий через стенки охладителя, можно выразить уравнением Ньютона

      Вт,                                       (5)

    где

    k – коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/м2·град;

    F – общая теплообменная поверхность;

    Δtcp – средний градиент температур между теплообменными средами.

    Приравняв (1) и (5), можно определить общую теплообменную поверхность

    , м2.

    Средний градиент температур или температурный напор определяется как среднее логарифмическое

    ,

    где  и  - максимальный и минимальный температурные напоры между теплообменными жидкостями, обычно как для прямотока, так и для противотока максимальный температурный напор наблюдается в начале охлаждения молока, а минимальный – в конце. В противоточных охладителях средний температурный напор всегда выше, чем в прямоточных.

    Если , то средний температурный напор можно определить как среднее арифметическое с погрешностью в большую сторону, не превышающей 3 %.

    .

    Коэффициент теплопередачи зависит от многих факторов (температуры теплообменных жидкостей, конструкции теплообменника, условия течения жидкостей и т.п.) и в каждом конкретном случае определяется экспериментально. Имеется ряд экспериментальных зависимостей для его определения.

    Ориентировочно можно принять, что при передаче от воды к воде

    k  » 1000 ккал/м2.ч.град = 4,18 МДж /м2.ч.град.

    Число рабочих пластин в секции (теплообменных поверхностей)

    ,

    где  - площадь рабочей поверхности одной пластины.

    Чтобы молоко успело охладиться до заданной температуры, оно должно находиться в охладителе определенное время  t. За это время оно отдает количество тепла, определяемого формулой Ньютона:

     Дж .                                   (6)

    Это же количество тепла можно представить как необходимое для охлаждения молока, находящегося одновременно в охладителе (количество каналов для молока Zпл / 2)

     ,                                  (7)

    где

     – толщина зазора, по которому протекает молоко в охладителе;

     – рабочая площадь пластины

    ,

    где

    b –- ширина пластины;

    h – высота пластины.

    Приравняв формулы (6) и (7), определим время нахождения молока в охладителе

    .                                  (8)

    Это же время можно определить по скорости движения молока в охладителе

    .                                                        (9)

    Приравняв (8) и (9), определим скорость движения молока в охладителе

    .

    Производительность охладителя

     кг/с,      (10)

    поскольку hb = fпл.

    Пользуясь приведенными формулами, по заданной производительности можно определить параметры охладителя.

    Уравнение (10) можно было получить из (1) и (5).

    Если охладитель многосекционный (водяные секции, рассольные), расчет производится для каждой секции отдельно. При этом конечная температура предыдущей секции является начальной для последующей.

     

    4.  Пастеризаторы молока, их классификация и принцип работы

    С целью уничтожения находящихся в молоке бактерий его подвергают нагреванию до определенной температуры. Факт обеззараживания различных материалов, в том числе продуктов, путем их нагревания установил выдающийся французский ученый Луи Пастер. По его имени этот процесс назван пастеризацией, а аппараты, в которых осуществляется этот процесс, - пастеризаторами.

    По мере развития науки и техники уничтожение вредных бактерий стали осуществлять не только нагреванием, но и другими физическими методами, однако процесс обеззараживания все равно называется пастеризацией.

    Пастеризаторы молока подразделяются по способу обработки на термические, в которых молоко нагревается ниже температуры кипения, и холодные, в которых уничтожение бактерий осуществляется различными физическими воздействиями – облучением ультрафиолетовыми или инфракрасными лучами, радиацией, обработкой ультразвуком и т.п.; по источнику энергии – на паровые, электрические с индукционным нагревом, излучательные; по характеру выполнения процесса – непрерывного и периодического действия; по конструктивному выполнению – пластинчатые, трубчатые, центробежные с вытеснительным барабаном, емкостные с рубашкой и мешалкой; по числу секций – одно-, двух-, многосекционные или комбинированные; по направлению жидкости и теплоносителя – прямоточные и противоточные.

    Наибольшее распространение при обработке молока получили термические пастеризаторы. При этом по режиму работы они подразделяются на три типа:

    1. Аппараты длительной пастеризации молока, в которых нагрев осуществляется до 63...65оС  с выдержкой при этой температуре в течение         30 минут.

    2. Аппараты кратковременной пастеризации, в которых нагревание молока производится в тонком слое до температуры 76 ± 2оС с выдержкой в течение 20 секунд.

    3. Аппараты мгновенной пастеризации, в которых молоко в течение нескольких секунд нагревается до температуры 85...87оС без его дальнейшей выдержки.

    Холодная пастеризация сводится в основном к ультрафиолетовому облучению непрерывно движущегося тонкого слоя молока или воздействию на него колебаний звуковой частоты (8...10 . 103 Гц) магнитострикционными вибраторами. В последнем случае желательна выдержка молока в этом режиме около 1 с.

    Аппараты длительной пастеризации применяют для подогрева молока перед сепарированием или его сквашиванием. Длительная пастеризация оказывает наибольшее воздействие на физико-механические свойства молока, но обеспечивает надежное уничтожение всех видов микроорганизмов за исключением термостойких бактерий. Длительная пастеризация молока осуществляется в ваннах длительной пастеризации  ВДП-300; Г6-ОПБ-300; Г6-ОПБ-600; Г6-ОПБ-1000 (плакаты). Все ванны одинаковы по устройству и имеют водяную рубашку вокруг рабочей емкости и мешалку с приводом.

    Кратковременная пастеризация осуществляется на пластинчатых пастеризационно-охладительных установках ОПФ-1; ОПУ-3М; ОП2-У5 (плакаты). Все они работают в автоматическом режиме и включают пластинчатый пастеризатор, выдерживатель, регенератор, охладитель и молокоочиститель.

    Мгновенная пастеризация молока осуществляется на аппаратах с вытеснительным барабаном ОПД-1М, П-12. Молоко в них проходит в зазоре между стенками вытеснительного барабана и неподвижного резервуара, имеющего параболоидную форму. Внутрь барабана и снаружи резервуара пускается пар. Барабан приводится во вращение от электродвигателя.

    Ко всем пастеризаторам предъявляются следующие требования: полное уничтожение микробов всех форм; обработка не должна ухудшать свойств молока; простота устройства и эксплуатации; поверхности, соприкасающиеся с молоком, должны быть стойкими к химическому воздействию молока и моющих жидкостей.

     

    5.  Расчет пастеризаторов

    Основы теории пастеризации молока разработал советский ученый  Г.А. Кук. Теория основывается на том, что гибельно на микроорганизмы действуют два фактора: температура нагрева и длительность выдержки при ней. При этом, чем выше температура, тем меньше нужна выдержка.

    Существует верхний порог температуры, до которого не происходит изменения физико-механических свойств молока. В связи с этим необходимо строго придерживаться границ между нижним и верхним пределами температур, чтобы обеспечить пастеризацию и не ухудшить качество молока.

    Эти границы можно представить в виде диаграммы, из которой видно, что температура нагрева молока и длительность выдержки должны находиться в нейтральной зоне. При этом длительность   выдержки   является

    функцией температуры

    .

    Для молока Г.А. Кук установил эту зависимость

    .

    В процессе нагревания молока до требуемой температуры уже происходит его частная пастеризация. Поэтому необходимо знать суммарный эффект пастеризации, учитывающий как время нагревания до заданной температуры, так и выдержку при ней. Г.А. Кук предложил эффективность пастеризации оценивать отношением суммарного времени τф воздействия на молоко различных температур к времени воздействия τп определенной температуры, при которой происходит полная пастеризация продукта. Это отношение Кук назвал критерием Пастера

    .

    Критерий Pа = 1 в том случае, если

    ,

    т.е. фактическое суммарное время воздействия различных температур равно расчетному.

    В пастеризаторах длительного и кратковременного воздействия на молоко в качестве источника тепла используется горячая вода, в пастеризаторах мгновенного действия – насыщенный пар. Для любого типа пастеризаторов их тепловая производительность

     ,                      (11)

    где для водяных пастеризаторов

    и для паровых

    поскольку температура конденсации пара – постоянная величина и в начале и в конце аппарата.

    Откуда полная теплообменная площадь пастеризатора

     м2

    или для паровых пастеризаторов

     м2,

    где для парового пастеризатора  k » 2500 ккал/м2.град = 105 МДж/м2.ч.град.

    Количество пластин в секции пластинчатого пастеризатора

    ,

    где fпл – рабочая поверхность одной пластины.

    Расход горячей воды или пара на пастеризацию (нагрев) молока определяется из условия теплового баланса

     кг/с,

    где

    i1 – теплосодержание горячей воды или пара, Дж/ кг;

    i2 – теплосодержание отработавшей воды или конденсата, Дж/ кг;

    η – тепловой КПД пастеризатора.

    В пастеризаторах мгновенного действия с вытеснительным барабаном молоко под действием составляющей центробежной силы поднимается снизу вверх по параболоидной поверхности барабана. В верхней части барабана имеются лопасти, под действием которых молоко нагнетается в трубопровод. Напор, развиваемый лопастями

      м,

    где J – окружная скорость лопастей барабана.

    Развиваемый напор может расходоваться на преодоление гидравлических сопротивлений молокопровода и геодезический подъем молока. Если учесть, что

    ,

    где r – радиус лопастей барабана, потребную частоту вращения барабана для преодоления гидравлического сопротивления, равного Н, можно определить по формуле

     с-1.

    Суммарная мощность на привод пастеризатора определится

    N = Nбар + Nсопр,

    где Nсопр –  мощность на преодоление гидравлического сопротивления, Н

    Nсопр = g Qм Н    Вт,

    мощность на привод барабана

    Nбар = P J   Вт,

    где Р – окружное усилие на привод барабана, при установившемся движении предопределяется силами трения в подшипниках.

    Обычно мощность на преодоление сил трения в подшипниках учитывается коэффициентом полезного действия.

    Тогда  .

    6.  Расчет регенеративных теплообменников

    После пастеризации молоко охлаждают до температуры, обеспечивающей его сохранность (5...80С). Чтобы снизить расход холода, на первой ступени его охлаждают молоком, поступающим на пастеризацию. При этом одновременно снижается расход теплоты на пастеризацию, поскольку в пастеризатор поступает молоко уже предварительно подогретое. Процесс предварительного подогрева исходной жидкости теплотой охлаждаемой жидкости называется регенерацией теплоты.

    Количество теплоты, полученной молоком, идущим на пастеризацию,

    .

    Количество теплоты, необходимой для пастеризации молока, определяется уравнением (11).

    Отношение количества теплоты, полученной в регенераторе, к количеству теплоты, потребной для пастеризации, называется коэффициентом регенерации

    .

    Поскольку расход молока, идущего на пастеризацию и охлаждаемого после пастеризатора, одинаков, в противоточном регенеративном теплообменнике температурный напор постоянен (см. график) на всем пути движения молока

    .

    Откуда   .

    Подставим это значение в коэффициент регенерации

    ,

    откуда

    .

    Площадь теплообменной поверхности регенератора определяется по ранее приведенным формулам, исходя из уравнения баланса теплоты

    .

    Подставляя значение Δtcp

    .

    Анализ формулы показывает, что с увеличением коэффициента регенерации площадь теплообменной поверхности увеличивается по гиперболе.

     

    Пастеризационные установки, как правило, снабжены теплообменниками, в которых, кроме пастеризации молока, т.е. доведения его до нужной температуры с последующей выдержкой, предусмотрены регенерация теплоты в одной-двух секциях и охлаждение молока в двух секциях водой и рассолом или ледяной водой. Для расчета таких многосекционных теплообменных устройств строят график изменения температуры в каждой секции и расчет по вышеприведенным формулам также производят для каждой секции.

    7.  Типы сепараторов и принцип их работы

    Операциями первичной обработки молока являются очистка от посторонних примесей и отделение сливок от молока.

    Молоко, как известно, представляет смесь жира плотностью 877...961 кг/м3 и плазмы (белки, вода, минеральные вещества) плотностью 1006...1036 кг/м3. Такую дисперсную смесь, включающую также посторонние твердые включения различной плотности, можно разделить двумя способами:

    1) отстоем в поле земного тяготения: более тяжелые составляющие с течением времени осядут, более легкие всплывут;

    2) сепарированием на механических центрифугах в поле центробежных сил: более тяжелые составляющие смеси перемещаются к периферии вращающегося ротора, более легкие – вытесняются ими к центру.

    Для отделения механических включений применяются различные фильтры, через которые под давлением пропускается молоко.

    Способ естественного отстоя малопроизводителен. При этом нет четкой границы разделения компонентов смеси.

    Разделение в поле центробежных сил интенсифицирует процесс. При этом появляется возможность регулирования качества разделения путем изменения силового поля. В связи с этим механическое разделение молока получило преимущественное применение при его обработке .

    Сепараторы по своему назначению подразделяются на сливкоотделители, очистители, нормализаторы и универсальные агрегаты. По конструктивным особенностям они могут быть открытыми, полузакрытыми и герметичными.

    В открытых сепараторах поступление молока и отвод продуктов сепарации осуществляется в соприкосновении с окружающим воздухом. Подача их небольшая и не превышает 0,3 кг/с.

    В полузакрытых сепараторах подвод молока осуществляется в соприкосновении с воздухом, а отвод – без соприкосновения. Подача 0,5...1,0 кг/с.

    Герметические сепараторы отличаются тем, что подача молока и отвод продуктов сепарации происходят без доступа воздуха под давлением. Применяются они в пастеризационно-охладительных установках. Подача превышает 1 кг/с.

    Принцип работы очистителей сепараторов основан на следующем.

    Молоко поступает в центральную часть барабана сепаратора и растекается тонким слоем по межтарелочным пространствам от оси барабана к периферии. Тяжелые составные части молока (плотность сахаров – 1,6, белков – 1,39, солей – 2,85, сомо – 1,6, воды – 1 г/см3, под действием центробежной силы устремляются к периферии барабана. Жир молока, как более легкая составная часть (0,92 г/см3), вытесняется к центру барабана и по отверстиям в тарелках удаляется из сепаратора. Обезжиренное молоко из периферийной части сепаратора выводится через другое отверстие.

    Регулированием сечения выходного отверстия обезжиренного молока регулируют его остаточную жирность и жирность сливок.

    Очистители молока отличаются только тем, что в тарелках нет отверстий для удаления сливок, а примеси собираются в специальных сборниках, которые периодически очищаются.

    Качество и эффективность сепарирования зависят от следующих факторов:

    1. Чистоты и свежести молока. Чем ниже кислотность и загрязненность, тем дольше может работать сепаратор без остановок для промывки. Предельная кислотность молока – 220Т.

    2. Крупности жировых шариков. Чем крупнее шарики, тем быстрее происходит сепарирование.

    3. Жирности молока и сливок. С увеличением жирности молока подача его должна быть уменьшена. Максимальная жирность сливок ограничивается 30...35%, при этом остаточная жирность обезжиренного молока не превышает 0,05%.

    4. Частоты вращения барабана.

    5. Температуры молока. Оптимальная температура молока 45...500С.

    На молочнотоварных фермах применяют сепараторы открытого (СОМ-3-1000М; 5-ОСБ) и полузакрытого (ОМА-3М) типов. На молокоприемных пунктах используются и другие типы сепараторов.

     

    8.  Основы теории и расчет сепараторов

    Основы теории и расчет сепараторов разработали советские ученые Г.А. Кук, Г.И. Бремер, Н.Я. Лукьянов и др.

    Физическая сущность процесса сепарирования молока, так же как и любого центрифугального разделения жидкостных систем, основана на осаждении дисперсной фазы под действием центробежной силы.

    Дисперсную фазу молока составляет плазма, а дисперсной является молочный жир в виде мельчайших шариков (диаметр 0,01…0,1 мм). Поэтому к движению дисперсных частиц  в молоке применим с допущениями закон Стокса.

    Как известно, закон Стокса определяет силу сопротивления, которую испытывает твердый шарик при медленном движении в неограниченной вязкой жидкости. Он выражается формулой

    W = π·μ·r·ύ,

    где

    μ – коэффициент вязкости жидкости, н·с/м2;

    r – радиус шарика, м;

     – cкорость движения шарика м/с.

    Запишем Закон Стокса в следующем виде

    ,                                       (1)

    где

    R – радиус частицы от оси вращения или радиус кольца жидкости, м;

    t – продолжительность процесса, с.

    В общем виде скорость движения жирового шарика к центру барабана будет

    ,

    с другой стороны на жировой шарик при сепарировании действует центробежная сила, величину которой можно определить по формуле

                                 (2)

    где

    ρп , ρж – плотность соответственно плазмы и молочного жира, г/см3;

     – угловая скорость вращения барабана, с-1.

    Следовательно,  в центробежном поле дисперсная частица (жировой шарик) будет двигаться только при условии, когда FW.

    Приравняем  правые части уравнений (1) и (2):

     =

    Сокращая и преобразуя данное равенство, получим скорость движения жирового шарика в центробежном поле

                                    (3)

    Заменяя в уравнении (3) радиус (r) на диаметр (d), получаем на основании Закона Стокса формулу для определения скорости всплытия (выделения) жировых шариков из плазмы молока при сепарировании

    ,    м/с.

    Скорость выделения жировых шариков из плазмы молока при отстое будет

    ,    м/с,

    где g – ускорение свободного падения.

    В спокойно стоящем молоке жировые шарики, как менее плотные, всплывают на поверхность. Окружающая их плазма оказывает сопротивление всплытию.

    Сравним центробежную силу Iц с силой земного тяготения Iт

    Iц = т·; .

    Разделим первое на второе

    .

    Полученную величину Г.И. Бремер назвал фактором разделения. Этот фактор показывает, во сколько раз действие центробежной силы эффективнее силы тяжести. Чем больше фактор разделения, тем выше разделяющая способность сепаратора. Фактор разделения целесообразнее увеличивать за счет угловой скорости барабана сепаратора, так как она входит в формулу в квадрате.

    Для примера определим фактор разделения при n = 8000 мин-1 и R = 0,1м.

    В молочной промышленности используют сепараторы с фактором разделения 600...1200.

    Скорость выделения жировых шариков можно повысить также нагреванием молока. Если при этом плотность плазмы и жировых шариков уменьшаются пропорционально и незначительно, то вязкость плазмы уменьшается существенно. Экспериментально установлено, что отношение разности плотности плазмы и жира к вязкости плазмы изменяется прямо пропорционально температуре в диапазоне  t = 15...180С и выражается зависимостью

    .

    Рассмотрим движение молока в межтарелочном пространстве барабана сепаратора.

    Молоко попадает в межтарелочное пространство через отверстия в тарелках. Там оно распределяется тонким слоем. На находящиеся в нем жировые шарики действует центробежная сила и гидростатическая. Под действием центробежной силы шарики вместе  с потоком молока участвуют в

    переносном движении Jп, направленном параллельно образующей тарелки. Под действием гидравлической силы шарики всплывают в потоке молока со скоростью  Jс, направленной перпендикулярно оси вращения.

    Переносная скорость определяется, исходя из подачи молока и поперечного сечения межтарелочного пространства

    ,

    где

    Qм – производительность сепаратора, м3/с;

    R – радиус расположения жирового шарика, м;

    h – расстояние между тарелками по вертикали, м;

    s – толщина слоя сливок, м;

    α – угол конуса тарелок;

    z – количество межтарелочных пространств в барабане.

    Скорость движения шариков под действием гидростатической силы определяется уравнением

     

    ,                (4)

    где d – диаметр жировых шариков.

    Абсолютная скорость движения жировых шариков будет равна геометрической сумме скоростей

     

    .

    По мере удаления жирового шарика от оси вращения переносная скорость его уменьшается, так как увеличивается кольцевая площадь поперечного сечения потока молока. Радиальная скорость υc, наоборот, будет увеличиваться, так как увеличивается радиус вращения R. Все это приводит к изменению величины и направления абсолютной скорости движения жирового шарика. Вследствие этого они осаждаются на верхних поверхностях тарелок и продвигаются к оси вращения.

    Жировые шарики имеют размеры, отличающиеся в 10 раз (1...10 мкм). Как следует из формулы, скорость их радиального, а, следовательно, и абсоютного движения будет различной. Наиболее крупные шарики быстро почти у входа в межтарелочное пространство достигнут поверхности нижней тарелки и начнут продвижение к оси барабана (траектория  I). Наиболее мелкие

    достигнут нижней тарелки у ее периферии (траектория IV). Ну, а некоторые из них вообще не успеют отделиться в межтарелочном пространстве и будут унесены потоком обезжиренного молока (траектория  V).

    Определим производительность сепаратора. Рассмотрим путь движения жирового шарика в межтарелочном пространстве.

    Предположим, что жировой шарик определенного диаметра начнет отделяться от потока молока на радиусе R. Тогда, чтобы достичь поверхности потока сливок, если движение началось от нижней поверхности верхней тарелки, он должен пройти путь

     

    где t – время движения.

    За это же время он вместе с потоком молока пройдет путь вдоль тарелки

    где Н – высота тарелки от края входного отверстия до основания тарелки.

    Откуда

    или

    .

    Подставим значения переносной  и относительной  скоростей

    откуда

    ,

    т.е. производительность сепаратора не зависит от зазора между тарелками и угла их конуса.

    9.  Технологические расчеты линии первичной обработки молока

    Линия первичной обработки молока рассчитывается, исходя из производительности линии доения коров. Производительность отдельных аппаратов выбирается в соответствии с потребностью по системе машин. Количество, как правило, берется по одному данного назначения аппарату, за исключением емкостей, количество которых рассчитывается по величине удоя от стада коров и графика перевозки молока на перерабатывающий завод.

    Технологический расчет в данном случае сводится к определению продолжительности работы каждого из аппаратов для переработки заданного количества продукции и определению расхода воды, пара, электроэнергии и т.п.

    Продолжительность работы сепаратора-очистителя до остановки для очистки от скопившихся примесей

     с,

    где

    Vr – объем грязевой камеры очистителя, равный  ,

    а

    Rmax и Rmin – максимальный и минимальный радиусы грязевой камеры очистителя, соответственно, м;

    Hт – высота пакета тарелок;

    Р – процент загрязнения молока, в том числе и сепараторной слизью;

    Q0 – производительность очистителя, л/с.

    При доении во фляги учет молока производят взвешиванием на весах СМИ-250; СМИ-500; СМИР-500Р, имеющих ванны вместимостью 250 и 500 л.

    Производительность взвешивания можно определить по выражению

      кг/с,

    где

    Vp – емкость резервуара весов, м3 ;

    ρм – плотность молока,  кг/м3м = 1030...1040 кг/м3);

    Тц – продолжительность цикла взвешивания, с

    Тц = Тз + Твз + Твыг,

    где

    Тз  – продолжительность заливки емкости весов, с;

    Твз – продолжительность непосредственного взвешивания, с.

    Твыг – продолжительность  откачивания   (выгрузки)   молока  из  емкости, с.

    Зная коэффициент кратности расхода хладагента, можно определить количество хладоносителя, потребного для охлаждения всего удоя молока

     кг,

    где Tox – продолжительность работы поточной линии, ч.

    Часовая или суточная потребность в холоде определяется по известной формуле

     кДж/ч (сут),

    где  – часовая (суточная) подача молока,  кг/ч (сут).

    Здесь необходимо учесть еще потребность в холоде для поддержания заданной температуры молока в процессе его хранения. Для этого обычно требуется до 15% от расхода холода на охлаждение молока.

    Пар в молочном отделении фермы расходуется на пастеризацию молока Qпп; пропаривание фляг Qфп, стерилизацию труб и оборудования Qсп, отопление молочной Qотп, подогрев воды Qвп:

    Qп = Qпп + Qфп + Qсп + Qотп + Qвп.

    Количество пара на пастеризацию молока

     кг/сут,

    где

    Qм – подача молока,  кг/с;

    См – теплоемкость молока, кДж/кг.град;

    tкм и tнм – конечная и начальная температуры молока, соответственно;

    i1 – теплосодержание пара, кДж/ кг;

    i2 – теплосодержание конденсата, кДж/ кг;

    ηп – тепловой КПД пастеризатора;

    Тп – продолжительность работы пастеризатора в сутки.

    Расход пара на пропаривание фляг

        кг/сут,

    где

    qф – расход пара на пропаривание одной фляги,  кг (0,2  кг);

    пф – количество пропариваемых фляг в сутки.

    Расход пара на стерилизацию труб и оборудования обычно принимается равным 25  кг на одну стерилизацию. Стерилизация производится после каждой дойки.

    Расход пара на отопление молочной

     кг/сут,

    где

    qот –  расход пара на отопление 1 м3 здания  в час (0,5...0,75  кг/м3.ч);

    Vп – объем помещения молочной, м3.

    Расход пара на подогрев воды

    ,

    где

    Qвi суточный расход горячей воды на различные технологические цели;

    ti – требуемая температура воды для  i-той цели;

    tх – температура воды из водопровода;

    tп – теплосодержание пара, для насыщенного пара при атмосферном давлении in = 2,7 МДж/кг = 2700 кДж/кг;

    Св – теплоемкость воды, Св  = 4,18 кДж/ кг.град.

    Расход горячей воды для различных технологических целей определяется следующим образом.

    На мойку фляг

       кг/сут,

    где вф – расход горячей ( tф = 500С) воды на одну флягу (14 кг).

    На мойку молочной системы

       кг/сут,

    где

    вс – расход горячей (tc = 500С) воды на одну мойку системы в расчете на одну дойную корову (15 кг);

    – количество дойных коров, обслуживаемых установкой:

    кр – кратность доения в сутки.

    На подмывание вымени

      кг/сут,

    где  – расход горячей (tв = 450С) воды на подмывание одного вымени (5 кг).

    На мойку в душевой

       кг/сут,

    где

     – расход горячей (tд = 400) воды на одного человека (50 кг);

    – количество людей, обслуживаемых душевой в сутки.

     

    Контрольные вопросы.

    1.  В чем заключаются основы технологии первичной обработки молока?

    2.  От каких параметров зависит эффект пастеризации молока?

    3.  Что такое регенеративный теплообменник и как определить его общую теплообменную поверхность?

    4.  По какому принципу подразделяются термические пастеризаторы молока и как определить полную теплообменную площадь пастеризатора?

    5.  По какому принципу классифицируются охладители молока и как опреде­лить их производительность?

    6.  От каких величин зависит площадь рабочей поверхности пластинчатого охладителя и как она определяется?

    7.  В чем заключается физическая сущность процесса сепарирования молока?

    8.  Что такое фактор разделения молока и как он определяется?

    9.  От каких параметров зависит производительность сепаратора и как она определяется?

    10. Как рассчитать технологическую линию первичной обработки молока?

    Дополнительная литература

    1.  Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. -Л.: Агропромиздат, 1985.

    2.  Бабкин В.П. Механизация доения коров и первичной обработки молока. -М.: Агропромиздат, 1986.

    3.  Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1981-1990 г. -М.: ЦНИИТЭИ, 1981, ч. II, Животноводство.

    - Содержание дисциплины

    Механизация доения коров

    Закрепление материала
    Тестирование материала
    Содержание дисциплины

    Механизация процессов в овцеводстве