XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В настоящее время, несмотря на кризис, молочная промышленность является одной из важнейших среди перерабатывающих отраслей. Тысячелетиями молоко и молочные продукты были постоянной пищей человека, но промышленное производство с его машинами и механизмами, множеством рабочих долго не вторгалось в эту область – уж очень деликатными продуктами были молоко и его производные (сливки, сметана, творог, сыр).В настоящее время молочная промышленность России объединяет более 2230 предприятий, в том числе более 900 молочных заводов, около 600 сыродельных заводов, 592 маслозавода, более 100 заводов по производству сухого молока и заменителя цельного молока.Анализ современного состояния и тенденций развития пищевых и перерабаты­вающих отраслей АПК России свидетельствует о том, что технический уровень про­изводств нельзя признать удовлетворительным.

Лишь 19 % активной части производственных фондов предприятий соответствуют мировому уровню, около 25 % подлежат модернизации, а 42 % – замене.

Потребность в важнейших видах оборудования для предприятий удовлетворяет­ся в последние годы только на 60.. .70 %. Это является следствием того, что перера­батывающая промышленность была вынуждена в течение длительного времени закупать оборудование за рубежом. В результате этого на предприятиях почти треть (27 %) всего парка технологического оборудования составляет импортная техника.

Производительность труда на российских предприятиях, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, в 2...3 раза ниже, чем на аналогичных предприятиях развитых стран; более 50 % трудоемких операций на отечественных предприятиях выполняют вручную. Лишь 8 % действующего оборудования работает в режиме ав­томатических линий [1]

Одной из основных задач, стоящей перед пищевой промышленностью и пище­вым машиностроением, является создание высокоэффективного технологического оборудования, которое на основе использования прогрессивной технологии значи­тельно повышает производительность труда, сокращает негативное воздействие на окружающую среду и способствует экономии исходного сырья, топливно-энергетических и материальных ресурсов[2].

Производство молока включает следующие этапы[3]:

Приемка, оценка качества и очистка молока

Охлаждение и резервирование

Нормализация по содержанию жира и подогрев

Гомогенизация

Пастеризация

Охлаждение

Фасовка, упаковка и хранение

Предварительно нами был проведен патентный поиск современных машин и аппаратов, и на его основании был осуществлен выбор специфического оборудования для гомогенизации молока. Предложены элементы модернизации гомогенизирующей головки[4].

Степень гомогенизации зависит от таких факторов, как разница давления до и после прохода жидкости через микрощель, силы столкновения жидкости о стенку, а также наличия или отсутствия чего-либо, препятствующего течению жидкости.

Для увеличения выхода гомогенизированного продукта, к примеру, в два раза, при использовании традиционных одноклапанных гомогенизаторов, диаметр клапана должен быть увеличен вдвое, чтобы увеличить длину окружности, и, следовательно, длину микрощели.

При увеличении диаметра клапана вдвое площадь клапана становится больше в 4 раза. Из этого следует, что для сохранения величины силы действующей на клапан необходимо увеличение давления в 4 раза. Следовательно, при увеличении диаметра клапана, клапан подвергается резкому увеличению действующей на него силы. Это в свою очередь влечет за собой необходимость усиления каждого компонента системы для выдерживания такого усилия. Как результат, растет стоимость оборудования. Поэтому, на практике, не безопасно и не целесообразно неограниченно увеличивать давление жидкости.

Вследствие этого, чтобы увеличить производительность гомогенизации при использовании такого типа гомогенизатора необходимо увеличить число гомогенизаторов. Однако это вызывает рост затрат как на оборудование, так и на используемые энергетические ресурсы, что делает невозможным повышение эффективности процесса.

Более того, в гомогенизаторах такого типа вытекание гомогенизированной жидкости после столкновения со стенкой осуществляется однонаправленным потоком. В результате разбрызгивания жидкости в разных направлениях после столкновения со стенкой, часть жидкости, движущаяся в направлениях, отличающихся от направления вытекающей жидкости, изменяет свое направление после столкновения с другой стенкой на направление вытекающей жидкости. Эта порция гомогенизированной жидкости, меняющая свое направление сталкивается с другой порцией, вышедшей из щели, а также и с другими порциями столкнувшимися со стенками и, таким образом, ухудшает процесс гомогенизации.

В свете таких недостатков современного гомогенизации, требуется усовершенствование для создания гомогенизатора с большей пропускной способностью и более высокой эффективностью.

Гомогенизатор, представленный в настоящем изобретении (рисунок 1), включает в себя опорное седло клапана, сжимающее седло клапана и один или несколько цилиндрических клапанов.

Рисунок 1 – Многощелевая гомогенизирующая головка

Опорное седло клапана установлено на впускном конце гомогенизационного цилиндра, и имеет отверстие для прохода жидкости подлежащей гомогенизации, которая подается под давлением к центральному пространству седла. На другом конце цилиндра установлено сжимающее седло клапана. Цилиндрические клапана расположены между опорным и сжимающим седлами. Каждый из этих клапанов имеет центральное отверстие для прохода жидкости подлежащей гомогенизации.

В местах, где клапаны прилегают друг к другу и к седлам имеются микрощели. Жидкость под высоким давлением подается через центральные отверстия в опорном седле и клапанах выпускается через разнесенные микрощели расположенные во множестве мест.

Снаружи микрощелей имеются кольцевидной формы полости образованные выемками в гомогенизационном цилиндре либо во внешних стенках клапанов. Стенки этих полостей на внутренней поверхности гомогенизационного цилиндра служат в качестве стенок для столкновения жидкости выходящей из разнесенных микрощелей.

По обе стороны стенок в диаметральном направлении, по окружности расположены несколько выпускных отверстий. Эти отверстия образованы путем сверления гомогенизационного цилиндра и ведут к выпускной полости расположенной между гомогенизационным цилиндром и корпусом.

Благодаря такому расположению выпускных отверстий, порции жидкости, разбрызганные в результате столкновения со стенкой не пересекаются друг с другом и выходят по обе стороны через выпускные отверстия.

Таким образом, увеличивается количество выпускных отверстий клапанов и гомогенизированная жидкость, во-первых, истекает плавно, а во-вторых не нарушает процесс выпуска и столкновения со стенкой других порций.

Более того, ширины разнесенных кольцевых микрощелей образованных клапанами различны. Одна кольцевая микрощель узкая, другая – широкая. Щели либо разделены пространством в виде кольцевого желоба на одной или обеих прилегающих поверхностях клапанов, либо соединены непосредственно друг с другом. В обоих случаях внешняя кольцевая щель широкая. Таким образом жидкость, подлежащая гомогенизации, выпускаемая из центра микрощели наружу, гомогенизируется под высоким давлением вследствие воздействия высокого сопротивления по мере ее прохождения через узкую микрощель расположенную на внутренней периферии и затем через наружную широкую микрощель, что позволяет еще более повысить эффективность гомогенизации этим изобретением.

Проведённый нами анализ показал, что имеются негативные факторы, влияющие на непосредственное достоинство данной конструкции, а именно на столкновение порций жидкости со стенкой. Когда часть жидкости ударяется, то она распределяется на все 360 градусов от точки столкновения. Отверстия же расположены в верхней и нижней части. То есть некоторое количество жидкости направляется не в отверстия, а вдоль стенки, тем самым препятствуя столкновениям других порций. Просверлить дополнительные отверстия по данной траектории не представляется возможным, так как в этом случае определённая часть и вовсе не будет сталкиваться со стенкой. В связи с этими недостатками мною предлагаются несколько решений.

Первый вариант (рисунок 2) состоит в следующем. Между отверстиями в цилиндре, в продольном направлении и на всю ширину отверстия, сделать поверхность рифлёной. Это позволит дополнительно диспергировать жидкость, а также будет направлять продукт в необходимом нам направлении.

Рисунок 2– Рифлёный гомогенизирующий цилиндр

Второй способ (рисунок 3) более трудоёмок, но и более эффективен. Суть его заключается в наличии пирамидального препятствия в месте столкновения со стенкой. Это позволяет направлять поток жидкости в отверстия с большей точностью и скоростью.

Рисунок 3 – Гомогенизирующий цилиндр

с пирамидальным препятствием

Третий способ видится нам наиболее перспективным. В его основе лежит принцип пропускания жидкости не через круговую щель, а через чередующиеся отверстия, расположенные на клапане (рисунок 4). Гомогенизируемая жидкость соударяется со стенкой не по всей окружности, а только в определённых местах. Это позволяет добавить отверстия в цилиндре, что решает проблему вывода жидкости в выпускную полость. Тем самым устраняется недостаток. При этом седло и клапан можно изготавливать в двух вариантах.

Рисунок 4 – Варианты изготовления пары седло-клапан:

1 – с плотной посадкой; 2 – с резьбовым соединением

Первый основан на плотном прилегании на концах клапана к седлу. Это даёт возможность осуществления многоступенчатой гомогенизации путём добавления дополнительных пар клапан-седло. Сложность заключается в том, что изготовление подобных деталей потребует высокой точности.

Второй вариант менее сложен в изготовлении, так как использует резьбовое соединение седла и клапана. Однако при таком варианте возможна лишь одноступенчатая гомогенизация.

В обоих случаях давление регулируется прижимным устройством.

Список литературы

1. Машины и аппараты пищевых производств : учебник для вузов : в 3 кн. Кн. 1 /М38 СТ. Антипов [и др.]; под ред. акад. РАСХН В.Н. Панфилова,— М.: Высш. Шк.. 2001.

2. Крусь Г.Н., Храмцов А.Г., Волокитина З.В., Карпычев С.В. "Технология молока и молочных продуктов".М.:"КолосС", 2004г.

3. Бредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. "Технология и техника переработки молока". М.: "КолосС", 2003г.

4. Bylund G. Dairy processing handbook. Cornell University, USA.: Tetra Pak Processing Systems AB, 2009, 452 p.

Код для цитирования: Скопировать