Машини для сепарування молока та молочних продуктів

4. Машини для сепарування молока та молочних продуктів

Швидке отримання молочних вершків та очищення молока від механічних домішок і нормалізацію його за жирністю здійснюють на відцентрових сепараторах. За призначенням сепаратори поділяють на вершковідокремлювачі, очисники, нормалізатори, гомогенізатори та універсальні сепаратори і центрифуги (для виділення білкового згустку). Найширше застосовують вершковідокремлювачі, очисники і нормалізатори.

За конструкцією барабана розрізняють безтарілчасті і тарілчасті сепаратори, за конструкцією пристроїв для підведення молока і відведення фракцій — відкриті, напівзакриті (напівгерметичні) і закриті (герметичні).

Принципові схеми барабанів, які використовують у сепараторах для розділення молочних продуктів.

Безтарілчасті сепаратори (центрифуги) застосовують для зневоднення сирного зерна при виробництві сиру та казеїну.

Продукт, який подається в безтарілчастий барабан, починає обертатися разом із барабаном. Відцентрові сили діють на кожну часточку продукту і створюють тиск, який збільшується в радіальному напрямку. Цей тиск у тисячі разів більший від гідростатичного тиску і гравітаційних сил. Тому вільна поверхня продукту, що сепарується, є циліндричною. Важка фракція (осад) концентрується на внутрішній стінці барабана, легка — біля вільної поверхні продукту. Ширина кришки 2 визначає максимальну товщину шару продукту, що може оброблятися в центрифузі. Оскільки вплив сили тяжіння в барабані незначний, його можна обертати навколо довільно розміщеної осі в просторі. Це спрощує конструкцію машини, пристроїв для вивантаження фільтрату і осаду із барабана.

Конструктивна схема тарілчастого барабана дещо складніша. Молоко подають у порожнистий вал 6, на тарілкотрамачі 5 якого розміщено пакет конічних тарілок 3 з отворами на робочих поверхнях. З порожнистого вала молоко потрапляє в канали, що утворюються завдяки отворам у пакеті тарілок, і розділяється у міжтарілковому просторі на легку фракцію (вершки) та знежирене молоко. Вершки витискаються важчою фракцією до осі обертання і по щілинах, що є у з'єднаннях тарілок з тарілкотримачем, рухаються вгору до вихідного отвору для вершків з регулювальним гвинтом 7. Знежирене молоко створюваним відцентровими силами тиском витискується до периферії барабана і звідти рухається в просторі між кришкою 2 і пакетом тарілок до вихідного отвору. Часточки бруду, які зазвичай мають густину більшу, ніж густина знежиреного молока, осідають на стінках кожуха. Барабан очисного сепаратора відрізняється конструкцією тарілок, які зроблені без отворів на бічній поверхні. Молоко підводиться на периферію тарілок, звідки видаляється бруд, що осів на стінках барабана.

Частота обертання барабанів сучасних сепараторів становить 6000...9000 хв^-1, продуктивність по молоку — 0,25...3,50 л/с. Кількість тарілок — 40...120. Відстань між тарілками у сепараторах-вершковідокремлювачах дорівнює 0,35...0,50 мм, у сепараторах-очисниках — 1...2 мм. Вона фіксується спеціально передбаченими виступами 8, що є на поверхні тарілок. Кут нахилу твірних конусів тарілок до більшої основи a = 50...60°.

На продуктивність і металомісткість тарілчастого сепаратора найбільше впливають частота обертання барабана, великий і малий радіуси тарілок та їх кількість.

4.1 Сепаратор

Молоко та інші рідкі продукти розділяються на фракції під дією відцентрових сил, які виникають під час обертання барабана сепаратора.

Розрахунок барабана сепаратора. В основу технологічного розрахунку відцентрових сепараторів покладено формулу Стокса для швидкості осадження дисперсної фази при ламінарному русі рідини у відцентровому полі.

Швидкість руху часточки, м/с,

де ω — кутова швидкість барабана, рад/с; r — відстань від часточки до осі обертання, м; d — діаметр часточки, м; р₁, р₂ — густина відповідно суцільної і дисперсної фаз, кг/м³; μ — динамічна в'язкість рідини, Па^.с.

Тривалість осадження дисперсної фази в безтарілчастому барабані центрифуги циліндричної форми, с

де R_max — максимальний радіус внутрішньої поверхні барабана, м; R₀ — радіус вільної поверхні рідини, м.

Продуктивність центрифуги, кг/год,

де Н — висота барабана, м.

З виразу при заданій продуктивності центрифуги визначають висоту барабана, м,

Продуктивність тарілчастого сепаратора, кг/год,

де β = 0,4...0,6 — технологічний КПД; п — частота обертання сепаратора, хв.^-1; d = (2...3)10^-6 — граничний найменший діаметр жирової кульки, яка вилучатиметься при сепаруванні, м; z — кількість тарілок, шт.; t = 35...40 — температура сепарування молока, °С; R_max, R_min — найбільший і найменший радіуси тарілки, м (R_min = 0,015...0,030; R_max =(2,6...4,5) R_min); a = 40...60 — кут нахилу твірної тарілки, град.

При проектуванні сепаратора відкритого типу з подачею молока самопливом найменший радіус тарілки R_min визначають за даними розрахунку живильного патрубка.

Кількість тарілок сепаратора-вершковідокремлювача при заданій продуктивності, шт.,

Кількість тарілок сепаратора-очисника, шт.,

Висота тарілки, м,

Висота барабана сепаратора, м,

де δ — зазор між тарілками, мм (для сепаратора-вершковідокремлювача — 0,35...0,50, для сепаратора-очисника — 1,00...1,50); δ₁ = 0,5 — товщина тарілки, мм.

Об'єм грязьової камери, м³,

де τ — тривалість сепарування, год (для сепаратора-вершковідокремлювача — 2,0...2,5; для очисника — 3,5...4,0). Внутрішній радіус барабана, м,

Зовнішній радіус барабана R - (1,05...1,08) R_B, м. Радіус центрів отворів R₀ = 1,3 Д_тіп. Діаметр отворів у тарілках, м,

де v_м = 1,2...1,8 — швидкість руху молока в барабані, м/с; z₀ = 3...4 — кількість отворів, шт.

Потужність, потрібна для розгону барабана сепаратора під час його пуску, кВт,

де J — момент інерції барабана, кг/м²:

де γ = 0,6 — коефіцієнт, який враховує пустоти в барабані; р_с = 7850 — щільність сталі, кг/м³; τ_р = 250...300 — тривалість розгону сепаратора, с.

Потужність, яка витрачається на придання швидкості продукту і подолання гідравлічного опору при усталеному режимі роботи сепаратора, кВт,

де k = 0,7 — коефіцієнт, який ураховує відставання продукту від барабана; η_г = 0,8 — гідравлічний ККД сепаратора.

Електродвигун підбирають за більшою потужністю з урахуванням втрат у приводі барабана. Пускову потужність можна дещо зменшувати збільшенням часу розгону.

Розрахунок молокоприймача. В сепараторах відкритого типу застосовують молокоприймачі відкритого типу.

Місткість молокоприймача, м³,

де Q - продуктивність сепаратора, кг/год; τ =15...25 - тривалість перебування молока в молокоприймачі, с; р = 1020 — густина молока, кг/м³.

Діаметр D_M і висоту Н молокоприймача визначають із формули

У розрахунках рекомендується брати Н = 0,5D_M, тоді

Мінімальна висота молока в молокоприймачі, м,

Діаметр отвору для виходу молока із молокоприймача, м,

де g— прискорення вільного падіння, м/с²; μ = 0,78 — коефіцієнт витрати молока із молокоприймача.

Розрахунок поплавкової камери. Розміри поплавка визначають із рівняння його рівноваги:

або

де т — маса поплавка, кг; Р_с — результуючий тиск молока в молокоприймачі, Па; Р — піднімальна сила поплавка, Н; S — площа поверхні поплавка, м²; δ = 0,6 — товщина стінок поплавка, мм; р_п = 7860 — щільність матеріалу поплавка, кг/м³; р_м = 1020 — густина молока, кг/м³; Н_тях — максимальна висота молока в молокоприймачі, м; V_п — об'єм поплавка, м³; φ = 0,75...0,80 — коефіцієнт занурювання поплавка.

Площа поверхні поплавка, м²,

де D_п — діаметр поплавка, м; h_п — висота поплавка, м.

Якщо  = 0,25, то площа поплавка S = 0,75.

Конструктивно об'єм поплавка становить

тоді

Діаметр поплавкової камери, мм,

Висоту поплавкової камери беруть із розрахунку h = 2h_п.

Діаметр патрубка поплавкової камери, в якій Н_miп заміняють на Н₁, де H₁ = l +h₁ — висота напору молока, м.