Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1 Состав и свойства молока 13
1.2.Переработка молока в современных условиях 14
1.3.Механизмы инфицирования молочных продуктов патогенными микроорганизмами 15
1.4. Уничтожение микроорганизмов физическими средствами 17
1.4.1. Уничтожение микроорганизмов нагреванием 17
1.4.2. Уничтожение бактерий в молоке облучением 19
1.4.3. Влияние звуковой энергии, электричества и давления 19
1.4.4. Прочие способы удаления микроорганизмов 20
1.4.5. Экспресс-метод определения бактериальной обсемененности
1.5. Перемешивание 23
1.6. Краткий обзор конструкций центробежных насосов 25
1.7.Краткий анализ работ по исследованию насосов и микробиологическим анализам молока 32
1.8. Постановка вопроса и задачи исследования 37
2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЛОПАСТНОГО КОЛЕСА МОЛОЧНОГО НАСОСА 39
2.1. Анализ работы молочного насоса с прямолинейной формой лопасти 39
2.2. Обоснование конструкции усовершенствованного молочного насоса 40
2.3.Устройство и принцип работы молочного насоса многоцелевого назначения
2.4.Изменение полной удельной энергии жидкости в рабочем колесе 45
2.5.Подача молочного насоса многоцелевого назначения и его напорная характеристика 50
2.6.Действительная (фактическая) напорная характеристика 53
2.7.0пределение выходных углов 54
2.8.0боснование энергетически рациональных значений коэффициента полезного действия молочного насоса в режиме смесителя 56
3.ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 60
3.1 . Задачи и программа экспериментальных исследований 60
3.2.Измерительная аппаратура, приборы и устройства 61
3.2.1 .Пилотная установка для проведения экспериментальных исследований 61
3.3.Методика параметрических испытаний 62
3.4.Оценка стабильности водно-масляной эмульсии 65
3.5.Особенности взятия проб на микробиологические
исследования 66
З.б.Методы определения показателей качества молока 67
4.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МОЛОЧНОГО НАСОСА 70
4.1. Совместное влияние наружного диаметра, высоты лопасти и зазора между передней стенкой и покрывающим диском на показатели работы молочного насоса с криволинейными лопастями 70
4.2.Разработка молочного насоса с прямолинейной формой лопасти 76
4.2.1.Влияние формы лопасти молочного насоса на его
напорную и энергетические характеристики 76
4.2.2.Влияние угла установки лопастей и диаметра рабочего колеса на показатели работы молочного насоса 78
4.3.Разработка молочного насоса многоцелевого назначения 83
4.3.1.Влияние профиля лопастей и диаметра покрывающего диска на рабочие характеристики насоса 83
4.3.2.Совместное влияние диаметров основного и покрывающего дисков, угла установки и высоты лопатки на количественные характеристики молочного насоса 86
4.3.3.Влияние угла установки неподвижных лопаток на гидравлические показатели молочного насоса 91
4.3.4.Влияние числа лопастей, высоты и количества неподвижных лопаток на характер протекания жидкости 93
4.3.5.Влияние на номинальные показатели молочного насоса внутреннего диаметра дополнительных лопастей 102
4.3.6.Совместное влияние углов установки лопастей и неподвижных лопаток 105
4.3.7.Совместное влияние закрытой и открытой частей межлопастного канала и длины неподвижной лопатки на показатели работы молочного насоса многоцелевого назначения 111
5.ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЦИДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЛОЧНОГО НАСОСА НА МОЛОКО И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ В РЕЖИМЕ СМЕСИТЕЛЯ 124
5.1 .Микробиологические исследования 124
5.1.1 .Исследование молочного насоса в заводском исполнении 124
5.1.2.Влияние количества лопаток на внутренних торцевых поверхностях корпуса 127
5.1.3.Влияние ширины лопаток 132
5.1 АВлияние угла установки неподвижных лопаток 13 7
5.1.5.Сводный график полей исследуемых насосов 142
5.2.Бактерицидное действие насоса на молоко 144
5.3.Совместное влияние на бактериальный фон конструктивных и технологических параметров 147
5.4.Влияние конструктивных и технологических факторов на стабильность водно-масляной эмульсии 149
5.5.Исследование получения пастообразных белковых продуктов 157
5.6.Рациональная схема молочного насоса многоцелевого назначения 164
6.ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СХЕМ МОЛОЧНОГО НАСОСА 167
6.1 .Молочный насос с прямолинейной формой лопасти 167
6.2.Молочный насос многоцелевого назначения 172
6.2.1 .Установка получения пастообразных продуктов СУ-Т-400 172
6.2.2. Смеситель порционной загрузки СП-400 175
6.2.3. Смеситель непрерывной загрузки СН-900 179
6.2.4. Установка непрерывного смешивания СН-1500 182
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 187
ЛИТЕРАТУРА 189
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Состав и свойства молока
- Анализ работы молочного насоса с прямолинейной формой лопасти
- Задачи и программа экспериментальных исследований
- Совместное влияние наружного диаметра, высоты лопасти и зазора между передней стенкой и покрывающим диском на показатели работы молочного насоса с криволинейными лопастями
- .Микробиологические исследования
Введение к работе
Основными направлениями государственной агропромышленной политики до 2010 г. предусмотрено, за счет собственного производства полностью обеспечить внутренние потребности в продовольственном и фуражном зерне, мясе птицы, яйцах, молоке, молокопродуктах, овощах и картофеле [52]. В молочной промышленности основной причиной снижения производства является сокращение получения молока на сельскохозяйственных предприятиях и уменьшения поступления его на промышленную переработку. Производство молока и молочных продуктов на душу населения в 2000 г. составило 216 кг, т. е. сократилось за десять лет на 160 кг (42,5%), потребление сократилось на 173 кг и составило 213 кг при рекомендуемой норме 390 кг. В Приволжском федеральном округе объем потребления составил 251 кг ( в Кировской области 262кг), что выше общероссийского. Доля импорта в потреблении молока и молочных продуктов за последние пять лет - 15%.
Уменьшение ресурсов молока объясняется также и сокращением численности коров, снижением их продуктивности. Поголовье коров во всех категориях хозяйств за 10 лет уменьшилось на 7,8 млн. голов или на 38%. Надой молока на одну корову снизился с 2781 до 2363кг или на 15%. Производства молока во всех категориях хозяйств сократилось с 55,7 млн. т в 1990 г. до 31,9 млн. т в 2000 г., или на 43%. Аналогичная ситуация имеет место и в Приволжском федеральном округе, хотя в Кировской области в 2001 году получили рекордный надой на одну корову - 2870 кг, а в текущем году есть все предпосылки перейти 3-х тысячный рубеж.
Большую часть молока в эти годы сельхозпроизводители использовали на внутрихозяйственные цели, реализовали населению, перерабатывали в цехах малой мощности. В настоящее время насчитывается более 700 мини-заводов и цехов малой мощности, на которых перерабатывается до 16% производимого в стране молока.
Комплексная обработка молочного сырья непосредственно в хозяйствах, его производящих, - один из путей изыскания дополнительных пищевых ресурсов, так необходимых стране при существующем дефиците белка животного происхождения, составляющем более одного миллиона тонн. Такой путь основан на снижении потерь этого ценнейшего продукта питания благодаря повышению качества молока, сокращению времени от момента его получения до переработки.
Время показало, что большинство из малых молочных цехов и мини-заводов, созданных в период реформ, оказались не только не рентабельными, но и вредными для тех же товаропроизводителей. Нет условий для глубокой комплексной переработки сырья, увеличились потери.
В то же время, массовый поток импортных продуктов заставил вновь испеченных монополистов (крупные молочные заводы и комбинаты) заняться совершенствованием выпускаемого ассортимента продуктов, упаковки и главное - качества. В связи с этим повысились требования к качеству сырья.
В результате изменений, происшедших в последнее время, появились малые цехи и, в основном, на базе бывших молокосборных пунктов стали возрождаться районные молочные заводы. Именно районные молочные заводы производительностью до 30 тонн молока в смену являются наиболее перспективными в ближайшие годы. В тоже время, в связи с повышенным спросом к качеству сырья и с уменьшением притока импортных молочных продуктов после кризиса 1998 года, впервые остро появился спрос на сырое молоко, как товар. Возникла необходимость создания качественно нового молокосборного пункта различной производительности. В этих пунктах молоко принимают от хозяйств, фермеров, индивидуальных сдатчиков, оценивают его качество, сортируют, очищают, охлаждают и комплектуют партии для вывоза на завод. Такое разнообразие задач, связанных с обработкой молока, кроме прочего, вызвано необходимостью обеспечения качественным сырьем некоторых специальных производств, таких, как продукты детского питания, элитное сыроварение и другие. В то же время, по результатам санитарно - химических исследований, органами Госсанэпидемнадзора установлено, что около 6% сдаваемого молока не соответствует гигиеническим нормативам, а для производства продуктов детского питания эта цифра достигает 8%. Удельный же вес молока, не отвечающего нормативам по микробиологическим показателям, составляет более 13%, поэтому так важно создать и внедрить технологию получения экологически чистого сырья для получения качественных продуктов. Подтверждением этого, например, служит решение правительства Республики Башкортостан изготовить 110 автомолоковозов на базе автомобиля ГАЗ 3302 (ГАЗель) для сбора молока от частного сектора, изготовление нескольких молокосборных пунктов производительностью от 10 до 25 тонн в смену, как стационарных, так и передвижных, на базе автомобиля "КамАЗ 53212".
Высокая стоимость выращивания молодняка крупного рогатого скота, а также других видов сельскохозяйственных животных связана с тем, что в процессе кормления расходуется значительное количество молока. За счет переориентации ценного сырья с кормовых на пищевые цели перерабатывающая промышленность России способна получать дополнительно 15...20 % молока, а производители - повысить доходность и рентабельность молочного скотоводства. Массовое потребление заменителей цельного молока (ЗЦМ) закончилось в начале 90-х годов, когда цена 1 л заменителей значительно превышала цену обычного цельного молока. В настоящее время использовать на эти цели заменитель молока в 2-3 раза выгоднее, чем цельное молоко. Однако потребность животноводства в них обеспечивается не более чем на 20%. Причина недостаточного производства ЗЦМ - дефицит главного компонента - сухого обезжиренного молока, содержание которого в составе заменителей составляет 60...80 %, а также отсутствие соответствующего оборудования. Применение соевого молока позволяет на 15...20 % повысить товарность цельного молока и на 10... 15 % снизить себестоимость животноводческой продукции [42].
Несмотря на широкое распространение молочных насосов лопастного типа, рабочий процесс в них изучен недостаточно и требует совершенствования, направленного на упрощение конструкции и расширения сферы их применения. В конструкции традиционно применяемых молочных насосов (Г2-АПА, Г2-ОПБ и др.), выпускаемых отечественной промышленностью, не внесено существенных изменений, хотя цены на них за последние пять лет резко возросли.
Целью настоящей работы является повышение эффективности работы молочного насоса за счет расширения его функциональных возможностей путем совершенствования конструктивно-технологической схемы и рабочих органов на основе изучения закономерностей его работы, выявление влияния конструктивных факторов на характеристики насоса.
Объект исследования - молочный насос, предназначенный для работы в линиях транспортировки цельного молока, приготовления его заменителей и белковых паст.
Научную новизну составляют: -теоретическое обоснование и разработка конструктивно-технологической схемы молочного насоса многоцелевого назначения, а также конструктивно- режимные параметры его при использовании в линиях транспортировки, приготовления заменителей цельного молока и молочных смесей (свидетельства на полезные модели № 14108, 14257); -аналитическое обоснование возможности и энергетической целесообразности многоцелевого использования молочного насоса; -теоретические зависимости для определения фактических частоты вращения потока жидкости в рабочем колесе и его выходных углов; -результаты экспериментальных исследований рабочего процесса молочного насоса с прямолинейной формой лопастей и молочного насоса многоцелевого назначения; математические модели для определения оптимальных конструктивно-технологические параметров молочного насоса и его энергетических характеристик.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанных конструкций молочных насосов в технологических линиях транспортировки молока и производства его заменителей.
Результаты исследований были использованы при изготовлении молочных насосов (128 шт.), смесителей (43 шт.), установок для приготовления смеси мороженого (22 шт.), установок для получения пастообразных продуктов (7 шт.), установок для получения детских молочных продуктов (2 шт.). Прибыль от реализации технических средств, содержащих результаты исследований, составила 2 633 500 рублей в ценах 2002 года.
Работа выполнена на кафедре технологического и энергетического оборудования Вятской государственной сельскохозяйственной академии и в ОАО «ОСКОН» г. Глазов в соответствии с республиканской целевой научно-технической программой «Разработать научные основы высокоэффективных ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий...» (номер государственной регистрации темы во ВНИИ Центре 01.200.2 06474").
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Вятской ГСХА (2000...2002 гг.); II Международной научно-практической конференции «Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России» (г. Киров, 2000 г.); X Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (г. Переславль-Залесский, 2000 г.); IV Международной
11 конференции «Молоко, молочные продукты и продукты со смешанным сырьевым составом. Технологии, оборудование, методы контроля» (г.Москва, 2001 г.); Международной конференции «Развитие индустрии детского питания на молочной основе в XXI веке (г.Москва, 2001г.); научно-практической конференции «Актуальные проблемы отечественного маслоделия и сыроделия» (г.Углич, 2001 г.). Оборудование на базе разработанных схем молочных насосов экспонировалось на международных выставках и неоднократно награждалось дипломами: IX Международная выставка «Агро-99»-диплом II степени за установку для приготовления смеси для мороженого (г. Уфа, 1999 г.); V Международная выставка «Агропродмаш-2000»-диплом за разработку и внедрение установки пастообразных продуктов (г. Москва, 2000 г.); XI Международная специализированная выставка «Агро-2001»-диплом I степени за освоение производства установок для приготовления пастообразующих продуктов и адаптированных смесей (г. Уфа, 2001 г.); VI Международная выставка «Агропродмаш-2001»- диплом за разработку и внедрение установки для выработки твердых сыров (г. Москва, 2001 г.); IX Международная специализированная торгово-промышленная выставка «Мороженое. Замороженные продукты. Индустрия холода-2002» - диплом за высокое качество технологического оборудования (г.Москва, 2002 г.). На защиту выносятся следующие положения: -теоретические предпосылки расширения функциональных возможностей молочного насоса на основе анализа движения жидкости в его рабочем колесе; -аналитические зависимости, определяющие фактическую частоту вращения потока в лопастном колесе, угол выхода его с лопастей и минимальный коэффициент полезного действия, определяющий энергетическую целесообразность применения молочного насоса многоцелевого назначения в качестве смесителя; -конструктивно-технологические схемы молочного насоса с прямолинейной формой лопасти, молочного насоса многоцелевого назначения и линий приготовления заменителей цельного молока, молочных смесей на его основе; -параметрические испытания моделей молочного насоса и микробиологические исследования молока, прошедшего через молочный насос многоцелевого назначения; -математические модели рабочего процесса и оптимизация конструктивно-технологических параметров молочного насоса, определяющих его рабочий процесс; -практическое применение результатов выполненных исследований и их эффективность.
По основным положениям диссертации опубликовано 13 научных работ, получены два свидетельства на полезные модели.
Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 222 страницах машинописного текста, включая список литературы,,72 рисунков, 58 таблиц.
Состав и свойства молока
С химико-физических позиций молоко представляет собой полидисперсную смесь, в которой жир находится в эмульгированной форме, а белки присутствуют в коллоидно-дисперсном состоянии в водном растворе остальных составных частей молока. Основные составные части молока представлены на рисунке 1.1.
В настоящее время известно свыше 200 различных компонентов молока [12]. Составные части молока показаны на диаграмме, из которой видно, что вода составляет 86...88%; молочный жир - 3,0...4,5%; сухой обезжиренный остаток - остальное. Молочный жир находится в виде несмешивающейся эмульсии жира в водной фазе молочной плазмы. Из-за сил поверхностного натяжения внутри этой системы жировые частицы имеют форму тонко диспергированных сфер, стабилизированных двухслойной белковой оболочкой. Внутренний слой оболочки сравнительно прочен и может быть разрушен при замораживании, механическом воздействии или действии химических веществ.
Анализ работы молочного насоса с прямолинейной формой лопасти
При вращении рабочего колеса центробежного насоса жидкость, находящаяся между лопатками, благодаря развиваемой центробежной силе выбрасывается через спиральную камеру в напорный трубопровод. Уходящая жидкость освобождает занимаемое ею пространство в каналах на внутренней окружности рабочего колеса, поэтому у входа в рабочее колесо образуется вакуум, а на периферии - избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в приемном резервуаре и пониженного давления на входе в рабочее колесо жидкость по всасывающему водопроводу поступает в межлопаточные каналы рабочего колеса.
При работе насоса разность давлений в приемном резервуаре и в корпусе насоса должна быть достаточной, чтобы преодолеть давление столба жидкости и гидравлические сопротивления во всасывающем трубопроводе, поэтому расчет и проектирование всасывающей линии представляют собой одну из самых ответственных задач при проектировании насосной установки.
Задачи и программа экспериментальных исследований
Основными задачами экспериментальных исследований являлись получение информации о закономерностях работы молочного насоса многоцелевого назначения в различных режимах, влиянии его основных конструктивных параметров на его гидравлические и бактерицидные показатели.
Экспериментальные исследования для решения указанных задач проводились в несколько этапов с использованием однофакторных и многофакторных активных экспериментов. Программой активного эксперимента предусматривалось определение оптимальных конструктивных и технологических параметров, а также построение соответствующих математических моделей. Для этого применяли полный факторный эксперимент, обладающей ортогональной матрицей планирования, почти ротатабельные трехуровневые планы на кубе, предложенные Боксом и Бенкиным [13]. Процесс нахождения модели (идентификации) состоял из: планирования эксперимента; проведения эксперимента; получения математической модели объекта с проверкой статистической значимости выборочных коэффициентов регрессии; проверки адекватности математического описания.
Для качественной оценки значимости влияния на целевую функцию действующего фактора использовали дисперсионный анализ - особый вид активного эксперимента, при котором фактор варьирует на строго фиксированных уровнях [13,36,44,46].
Совместное влияние наружного диаметра, высоты лопасти и зазора между передней стенкой и покрывающим диском на показатели работы молочного насоса с криволинейными лопастями
На показатели работы существенное влияние зазоры между корпусом и рабочим колесом. Практический интерес представляет установление величины этого влияния при одновременном изменении наружного диаметра и высоты лопасти рабочего колеса. Для установления степени влияние был реализован полный факторный эксперимент типа ПФЭ 23. В качестве функций отклика выбраны максимальные значения напора, подачи, полезной мощности и коэффициента полезного действия, а также номинальные значения напора, подачи, полезной мощности, соответствующие максимальному КПД. План и результаты опытов представлены в таблицах 4.1 и 4.2.
Обработка результатов параметрических испытаний молочного насоса выполнена для получения математических моделей неполного второго порядка для которых по формулам [44,46] рассчитаны оценки коэффициентов уравнений, статистическая значимость их и адекватность моделей.
Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3 и 4.4. Как видно из таблиц все математические модели с 5% уровнем значимости адекватно описывают опытные данные. Вклад факторов в целевую функцию не равнозначен в выбранном интервале варьирования.
На максимальное значение подачи статистически значимого влияния не оказывает величина зазора и коэффициент при взаимодействии диаметра и ширины лопасти. Остальные коэффициенты при членах уравнения высоко значимы. Номинальная подача также статистически значимо не зависит от величины зазора. Остальные факторы их взаимодействия статистически значимы.
Микробиологические исследования
Проведенный теоретический анализ позволил выявить, что на показатели работы молочного насоса влияют физические свойства молока и конструктивное исполнение всасывающей и нагнетательной линий. Физические свойства молока: плотность, температура, жирность, диаметр жировых шариков, вязкость определяют режим движения жидкости. Они взаимосвязаны, коррелируют друг с другом, при планировании экспериментов практически не поддаются независимому управлению и поддержанию на данном уровне, поэтому в исследованиях подлежат обязательному контролированию для организации корректных и удобных для расчетов выборок. Конструктивное исполнение всасывающей и нагнетательной линий однозначно определяет подачу лопастной машины. Основные факторы: диаметр и длина линий, наличие регулирующей и регистрирующей аппаратуры (вентили, расходомеры) определяют скорость и, и гидравлические сопротивления в линиях hw На нагнетательной линии они определяют подачу, а на всасывающей, кроме того, - величину давления рі на входе в насос.
На данном этапе, на наш взгляд, целесообразно при помощи молочного крана изменять сопротивление линии hw , чтобы выявить влияние давления р) на входе в насос на выходные показатели насоса.
При транспортировке молока с животноводческого предприятия на переработку обязательным является процесс перекачивания его из танка-охладителя в транспортирующую емкость (молоковоз), при этом нередко [27] молоко имеет низкое качество по показателю бактериальной обсемененности (второй класс и ниже). Нами была проверена гипотеза о возможности улучшения качества молока по данному показателю при механическом воздействии на него рабочих органов насоса непосредственно в процессе его работы.
В качестве контролируемых параметров в ходе исследований были выбраны внешние характеристики: давление на выходе, потребляемая мощность и температура молока на выходе из насоса, при этом исходное состояние молока оценивалось по второму классу, т.е. содержало до 4 млн. бактерий в 1 мл.
Начальная температура молока равнялась 8С, исходная плотность р=1027 кг/м3. Опыты проводили на серийном насосе Г2-ОПА (тип 36-1Ц 1,8-12) производства Бийского машиностроительного объединения «Восток». Лопастное колесо исследуемого насоса было выполнено разборным, состоящим из трех штампованных дисков: основного, покрывающего и лопастного. Результаты исследований молочного насоса представлены в таблице 5.1.
Данные таблицы 5.1. дают основание утверждать, что рабочее колесо насоса оказывает не только механическое воздействие на продукт (молоко), но и изменяет его физические и биологические свойства. В режиме максимальной пропускной способности (подачи) имеет место нагрев молока на 0,5С, при этом его класс и плотность не меняются. По мере снижения пропускной способности вследствие закрытия кранов на входе и на выходе плотность молока и его нагрев увеличиваются.
