ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Сущность процесса разделения (сепарирования) молока, как и любой гетерогенной системы, заключается в осаждении дисперсной фазы в поле действия гравитационных и центробежных сил.

При сепарировании молоко разделяется на две фракции различной плотности: высокожирную (сливки) и низкожирную (обезжиренное молоко).

По назначению различают сепараторы-молокоочистители, сепараторы-сливкоотделители, сепараторы для получения высокожирных сливок и универсальные со сменными барабанами.

По способу подачи молока и отвода продуктов сепарирования аппараты бывают открытые, полузакрытые и закрытые.

В открытых сепараторах производительностью до 0,3 кг/с подача молока, отвод сливок и обезжиренного молока происходят в соприкосновении с воздухом. В этом случае образуется молочная пена, ухудшающая условия эксплуатации сепараторов. В полузакрытых сепараторах производительностью 0,5... 1 кг/с молоко подается открытым способом, а отвод продуктов — закрытым под напором. В закрытых (герметических) сепараторах производительностью свыше 1 кг/с подача молока и отвод продуктов сепарирования происходят без доступа воздуха под давлением по трубам.

По способу удаления из барабана механических примесей и белкового сгустка сепараторы могут быть с ручной выгрузкой осадка (остановка сепаратора, разборка и очистка барабана), с периодической выгрузкой через окна в корпусе барабана (саморазгружающиеся) и с непрерывной выгрузкой осадка через сопла по периферии корпуса барабана (творожные).

В зависимости от типа привода сепараторы могут быть с ручным и электроприводом. Передача вращения от электродвигателя к барабану у сепараторов второй группы осуществляется с помощью винтовой пары или ременной передачи. Барабаны сепараторов небольшой производительности устанавливают непосредственно на валу двигателя.

Один из основных технологических параметров, характеризующих работу сепараторов, — температура сепарируемого или очищаемого продукта.

Молоко, направляемое на сепарирование или очистку, должно иметь температуру 40...45 °С. Высокотемпературное сепарирование проводят при температуре 60...85 "С, при сепарировании холодного молока продукт имеет температуру 4... 10 "С.

Основными узлами сепаратора любого типа (рис. 2.5) являются станина, состоящая из корпуса и чаши, барабан, приемно-вы-водное устройство и приводной механизм, включающий в себя вертикальный вал (веретено) и горизонтальный вал с зубчатым колесом.

В корпусе станины размещен приводной механизм, на вертикальном валу которого установлен барабан. Чаша станины закрыта крышкой, служащей для размещения приемно-выводного устройства. У саморазгружающихся и сопловых сепараторов имеется приемник осадка или сгущенной фракции (например, творожного сгустка). Электродвигатель фланцевого исполнения расположен сбоку от станины, и его вал соединяется с приводным механизмом через разгонную центробежную фрикционную муфту.

В зависимости от технологического назначения барабаны сепараторов различаются конструктивным исполнением

Барабан сепаратора-сливкоотделителя открытого типа с ручной выгрузкой осадка состоит из основания, уплотнительного кольца, тарелкодержателя, пакета тарелок, разделительной тарелки, корпуса и стяжной гайки. Основание барабана имеет сложную форму и представляет собой днище с центральной трубкой. В трубке имеется три прямоугольных канала для прохода молока в тарелкодержатель. Верхняя часть трубки имеет резьбу для крепления стяжной гайки. На ободе основания сделан вырез под фиксатор корпуса, а на конической части основания — выступ для фиксации тарелкодержателя с пакетом тарелок. В центре основания имеется продолговатый выступ, обеспечивающий надежное зацепление барабана с вертикальным валом сепаратора.

Пакет из 48...56 тарелок служит для образования межтарелочного пространства, в котором происходит разделение молока на сливки и обезжиренное молоко.

Рис. 2.14. Сепаратор-молокоочиститель полузакрытого типа с ручной выгрузкой

1 — корпус станины; 2 —тормоз; 3 — приемно-выводное устройство; 4— крышка сепаратора;5—чаша станины; 6—стопор барабана; 7—барабан; 8—вертикальный вал (веретено);9— зубчатое колесо горизонтального вала

Зазор межтарелочного пространства создается тремя шипами высотой 0,4 мм, расположенными на внешней стороне каждой тарелки. Последняя тарелка имеет шипы с обеих сторон, что позволяет образовать зазор не только с соседней тарелкой, но и с основанием барабана. В каждой тарелке по три отверстия; при сборке тарелок в пакет формируются вертикальные каналы, через которые молоко распределяется в межтарелочном пространстве.

На верхней поверхности разделительной тарелки выполнены три ребра, обеспечивающие необходимый зазор между внутренней поверхностью корпуса барабана и разделительной тарелкой. В верхней цилиндрической части разделительной тарелки есть отверстие для отвода сливок.

Корпус барабана имеет коническую форму с некоторым расширением в основании, которое образует грязевое пространство. В нижней части корпуса с наружной стороны расположен фиксатор, входящий при сборке в вырез основания барабана.

Рис 2.15. Технологические схемы барабанов сепараторов различных типов:

а —барабан сепаратора-разделителя (сливкоотделителя); 6—барабан сепаратора-осветлителя (молокоочистителя); в —барабан соплового сепаратора (творожного); г —барабан сепаратора с периодической выгрузкой осадка; 1 — тарельчатые вставки; 2 — осадок (сепараторная слизь); 3 — тяжелая фракция (обезжиренное молоко); 4 — легкая фракция (сливки); 5 — осветленная жидкость (чистое молоко); б —творожная сыворотка; 7—приемник творога; 8— творожный сгусток; 9— сопло; 10— напорный диск сливок; 11 — напорный диск обезжиренного молока; 12 — разгрузочные окна; 13 — подвижное днище (поршень); 14 — клапан управления движением поршня; 75—приемник осадка

В верхней части шейки корпуса имеются два щелевых выходных канала для отвода обезжиренного молока, отверстие для выхода сливок и регулировочный винт, представляющий собой втулку с резьбой.

Количественное соотношение между сливками и обезжиренным молоком в сепараторах может изменяться в весьма широких пределах —от 1: 3 до 1 : 12. При этом необходимое соотношение достигается с помощью регулировочных устройств, принцип действия которых основан либо на изменении скорости истечения сливок или обезжиренного молока путем изменения напора, либо на изменении сечения выходного отверстия. При первом способе регулировочный винт с отверстием неизменного сечения ввертывают внутрь. Скорость истечения сливок снижается, так как центробежная сила по мере приближения винта к оси вращения уменьшается, а с ней уменьшается и напор. Сливок при этом будет выходить меньше, но они будут более вязкими и содержать больше жира.

Второй способ регулирования жирности сливок реализован в полузакрытых сепараторах-сливкоотделителях. Отличительной особенностью барабана сепаратора такого типа является конструкция разделительной тарелки, в верхней части которой размещены две напорные камеры. В одной камере находится напорный диск сливок приемно-выводного устройства сепаратора. В камере, расположенной в горловине крышки барабана, размещен напорный диск обезжиренного молока. В таких сепараторах соотношение количества сливок и обезжиренного молока регулируется вентилями (дросселями), установленными на патрубках приемно-выводного устройства.

Более сложное устройство имеют барабаны сепараторов с периодической выгрузкой сепараторной слизи (осадка). В основании барабана расположено подвижное днище (поршень). Уплотнение между основанием, а также крышкой барабана и поршнем обеспечивают уплотнительные кольца. На уровне стыка между поршнем и крышкой барабана размещены окна для выгрузки осадка. В верхнем положении поршня окна закрыты, при его опускании осадок выгружается через окна в приемник.

Рис.2.16. Барабан сепаратора-сливкоотделителя с периодической выгрузкой осадка:

1 — основание барабана; 2 — подвижное днище (поршень); 3, 5 — уплотнительные кольца; 4 —окно для выгрузки осадка; 6— затяжное кольцо; 7— крышка барабана; 8— клапан разгрузки;9— жиклер; 10— распределительное кольцо буферной воды

Принцип работы барабана сепаратора-сливкоотделителя с периодической выгрузкой осадка основан на создании определенного перепада давления между молоком в барабане и жидкостью (буферной водой) под подвижным днищем (поршнем). Разгрузкой управляют с помощью гидравлической системы в ручном и автоматическом режимах. Основные элементы системы — гидроузел и пульт управления.

Гидравлическая система управления разгрузкой сепаратора

Рис. 2.17. Схема подключения гидроузла саморазгружающегося сепаратора:

1 — фильтр; 2, 6—вентили ручного управления; 3 — электромагнитный вентиль подачи размывочной воды; 4 — трехходовой кран режимов работы; 5— электромагнитный вентиль подачи буферной воды; 7, 9 — манометры; 8— редуктор давления; РВ — реле времени

В состав гидроузла входят фильтр, редуктор для регулирования давления воды в системе разгрузки барабана (буферной воды), манометры, электромагнитный вентиль для подачи размывочной воды в приемник осадка, ручные вентили для управления работой сепаратора вручную, а также трехходовой кран для подпитки водой полости под подвижным днищем (поршнем) барабана в закрытом положении.

Пульт управления включает в себя три реле времени, кнопки включения пульта и ручной разгрузки, сигнальные лампы и предохранители. Программное реле времени служит для установки интервала между разгрузками (30... 100 мин), а также управления работой двух других реле. Одно из них необходимо для управления работой электромагнитным вентилем подачи размывочной воды, второе —для регулирования времени разгрузки (0,2...0,5 с) барабана сепаратора.

Приемно-выводные устройства сепараторов предназначены для ввода молока в сепаратор и отвода продуктов сепарирования.

У сепараторов открытого типа приемно-выводное устройство представляет собой чашеобразную емкость, надеваемую на станину сепаратора.

Емкость состоит из приемной поплавковой камеры и двух распределительных камер с рожками для сливок и обезжиренного молока. Приемная поплавковая камера обеспечивает равномерную подачу молока, поступающего из емкости для хранения. Поплавковая камера имеет в центре трубку с калиброванным отверстием, его диаметр обеспечивает номинальную производительность сепаратора при определенном уровне молока, который поддерживается с помощью поплавка. При недостаточном уровне молока поплавок опускается и открывает доступ молока из емкости в камеру. При превышении номинального уровня поплавок закрывает сливное отверстие емкости с молоком, и уровень в камере понижается.

Рис.2.18.Сепаратор-сливкоотделитель открытого типа:

1 — чаша станины; 2 — распределительная камера обезжиренного молока; 3 — распределительная камера сливок; 4 — приемная поплавковая камера; 5— поплавок; б —днище чашеобразной емкости; 7—кран; с?—трубка поплавковой камеры; 9 — винт регулировки жирности сливок; 10— пробка заливки масла; 11 — кнопка пульсатора; 12 — смотровое окно уровня масла; 13 — пробка слива масла; 14— винт регулировки барабана по высоте

Элементы чашеобразной емкости сепаратора открытого типа изготовлены из листового металла (обычно луженого или нержавеющего стального листа), у сепараторов небольшой производительности — из полимерных материалов.

Для того чтобы обеспечить попадание вытекающих из отверстий в барабане сливок и обезжиренного молока в соответствующие распределительные камеры, вертикальные валы сепараторов открытого типа можно регулировать по высоте специальным винтом, расположенным под нижней опорой вертикального вала сепаратора. Вместе с валом опускается или поднимается барабан.

У сепаратора малой производительности с электроприводом эта регулировка связана с подъемом или опусканием двигателя вместе с барабаном с помощью винта в днище корпуса сепаратора. Полузакрытые сепараторы имеют более сложную конструкцию приемно-выводного устройства, которое состоит из одного (для молокоочистителей) или двух (для сливкоотделителей) напорных дисков.

Напорный диск выполнен в виде двух плоских кружков, между которыми расположено несколько спиральных каналов для жидкости. С помощью концентрично расположенных патрубков каналы дисков соединены с отводными трубками, на концах которых находятся регулировочные вентили-дроссели.

По оси приемно-выводного устройства установлена центральная трубка, по которой молоко поступает в барабан. Трубка может быть соединена непосредственно с трубопроводом подачи молока или с поплавковой камерой, регулирующей подачу молока в сепаратор.

С помощью регулировочных вентилей можно изменять жирность получаемых сливок. Интенсивность потока сливок измеряется ротаметром-сливкомером, представляющим собой корпус с находящимся в нем поплавком. На поплавке установлен шток, который входит в стеклянную градуированную трубку. Чем интенсивнее движение потока сливок, тем выше поднимается поплавок. По положению головки штока относительно шкалы трубки оценивается расход сливок за единицу времени.

При работе сепаратора поступающее в барабан молоко вытесняет продукты сепарирования в напорные камеры. Вращаясь вместе с этими камерами, сливки, обезжиренное или очищенное цельное молоко захватываются спиральными каналами неподвижных дисков. При этом скоростной напор вращающейся жидкости переходит в напор статический, в результате чего в каналах дисков давление продуктов сепарирования поднимается до 250...300 кПа. С помощью этого давления сливки и обезжиренное молоко перемещаются по трубопроводам в теплообменные аппараты или емкости для хранения. Таким образом, сепаратор выполняет функции насоса.

В герметичном сепараторе молоко на сепарирование подается в барабан снизу, через полый вертикальный вал, который нижним концом выходит под станину. На конце вала закреплены диски насосного устройства, которые, вращаясь вместе с валом, играют роль напорного колеса и нагнетают молоко в барабан. Молоко попадает под тарелкодержатель, а затем по вертикальным каналам, образованным отверстиями в тарелках, распределяется по их пакету. Сливки в таком барабане собираются в центральной трубке тарелкодержателя и выводятся из барабана под давлением, создаваемым на входе сепаратора напорным устройством. Обезжиренное молоко, пройдя между разделительной тарелкой и крышкой барабана, попадает в камеру напорного диска и выводится из сепаратора.

Рис.2.19.Приемно-выводное устройство полузакрытого сепаратора-сливкоотделителя:

Герметические сепараторы обеспечивают наиболее полное выделение жировой фазы из молока, так как в процессе работы их барабана отсутствуют вспенивание и образование воздушных пузырьков, нарушающих разделение молока.

В современных сепараторах-сливкоотделителях в обезжиренное молоко попадают жировые шарики, размер которых составляет меньше 0,1 мкм, при этом в обезжиренном молоке остается 0,02...0,05 % жира

При производстве многих молочных продуктов в качестве сырья используют молоко определенной жирности, например с содержанием жира 3,2 или 3,5 %. Такое молоко называют нормализованным, а процесс приведения молока к стандартной жирности — нормализацией. Простейший способ нормализации молока заключается в добавлении к нему в определенной пропорции обезжиренного молока или сливок и смешивании их в емкости. Более удобным является способ нормализации молока в потоке, который осуществляется с помощью сепараторов-сливкоотделителей, оборудованных приспособлением для нормализации, которое установлено на приемно-выводном устройстве сепаратора.

Трубопровод выхода сливок соединен патрубком с трубопроводом отвода обезжиренного молока. На выходе сливок установлен дроссель. В процессе нормализации молока часть сливок по патрубку направляется к выходу из сепаратора и, смешиваясь с обезжиренным молоком, образует нормализованную смесь. Избыток сливок выходит через трубопровод. При полностью открытом дросселе сепаратор работает как сливкоотделитель. Ручка дросселя имеет форму колпачка, закрывающего цилиндрическую часть корпуса дросселя, на котором нанесена шкала. С помощью этой шкалы приспособление для нормализации устанавливают на заданную жирность молока. Точность нормализации молока по содержанию жира с помощью такого приспособления ± 0,2 %.

В зависимости от технологического назначения большинство сепараторов в своем устройстве имеет особенности.

Так, в сепараторах для высокожирных сливок увеличены расстояния между тарелками (до 0,6 мм), а также между тарелками и тарелкодержателем. Приемник высокожирных сливок (жирностью 82...85 %) и патрубок для их отвода имеют больший уклон. Подача сепарируемых сливок (жирностью 30...40 %) в сепаратор регулируется с помощью крана. Настройка сепаратора на получение высокожирных сливок для различных видов сливочного масла производится изменением количества сливок и давления на выходе пахты (по манометру с помощью регулирующего поршня). Регулирующий поршень находится в приемно- отводящем устройстве сепаратора, и при его перемещении с помощью рукоятки изменяется проходное сечение отверстия для выхода пахты.

Рис.2.20. Приспособление к сепаратору-сливкоотделителю для нормализации молока по жирности:

1 —трубопровод обезжиренного молока; 2—соединительный патрубок; 3 — трубопровод для сливок; 4 — регулировочный дроссель

Изменение производительности сепаратора осуществляется как с помощью крана подачи сливок, так и путем установки в барабан требуемой сменной шайбы (перед сборкой барабана).

Сепараторы-молокоочистители также имеют свои особенности. В барабанах значительно меньше тарелок, чем в барабанах сепараторов-сливкоотделителей. Расстояние между тарелками составляет 1...2мм. Тарелки не имеют отверстий, а канал между ними и тарелкодержателем увеличен. Вместо шипиков на тарелках приварены планочки. В барабане нет верхней разделительной тарелки, а грязевое пространство увеличено.

В сепараторе-молокоочистителе открытого типа диаметр молочной трубки поплавковой камеры увеличен, что позволяет повысить его производительность при тех же размерах сепаратора почти в два раза по сравнению с сепаратором-сливкоотделителем. Для отвода очищенного молока имеется только одна распределительная камера с рожком.

В сепараторах-молокоочистителях полузакрытого типа для отвода очищенного молока имеется одна напорная камера вместо двух у сепаратора-сливкоотделителя.

Приводной механизм сепаратора служит для передачи вращения от электропривода к барабану и в большинстве случаев — для повышения частоты вращения барабана. Исключением является привод электросепараторов производительностью до 100 л/ч. В таких сепараторах электродвигатель расположен вертикально и его выступающий вал с помощью шпонки непосредственно соединяется с основанием барабана. Эти сепараторы оснащаются коллекторными высокооборотными электродвигателями однофазного тока напряжением 220 В.

Поскольку сепараторы в качестве привода оснащены асинхронными электродвигателями промышленной частоты 50 Гц с частотой вращения не более 50 с^-1, к приводному механизму, который обеспечивает вращение барабана сепаратора с частотой 80... 120 с¹, предъявляют особые требования.

Электродвигатель приводит во вращение ведущую часть муфты, колодки которой под действием центробежной силы прижимаются к внутренней цилиндрической части полумуфты, жестко установленной на горизонтальном валу привода. На этом же валу закреплено зубчатое колесо для передачи вращения от горизонтального вала сепаратора к вертикальному. Последний имеет мно-гозаходную винтовую нарезку, входящую в зацепление с зубчатым колесом.

Движение в зубчатой паре привода сепаратора осуществляется по принципу винтовой пары, в которой вертикальный вал является винтом, а колесо — сектором. При движении винтовая нарезка вертикального вала с большой скоростью (до 25 м/с) скользит по зубьям колеса, поэтому для уменьшения их износа винтовую пару изготовляют из материалов с малым коэффициентом трения и хорошей износостойкостью. Не менее важное значение имеют точность изготовления и чистота обработки поверхностей зацепления.

Рис. 2.21. Схема приводного механизма сепаратора:

1 — электродвигатель; 2—ведущая часть центробежной разгонной муфты; 3 — ведомая часть муфты; 4 — горизонтальный вал; 5— зубчатое колесо; 6— упругая горловая опора; 7—барабан; 8— вертикальный вал

Винтовая передача приводного механизма сепаратора в процессе работы должна обязательно смазываться, для чего в картере станины сепаратора имеются пробки для заливки и слива смазки.

Важно отметить, что зубчатая пара привода сепаратора передает вращение в двух направлениях: от электродвигателя к барабану в процессе его разгона и работы, а также от барабана, обладающего большой инерцией, к электродвигателю при выключении сепаратора. Объясняется это многозаходной (И...17 заходов) конструкцией винта и большим углом наклона его зуба. Передаточное отношение у винтовых пар сепараторов находится в пределах 3...6.

Одной из важнейших особенностей приводного механизма сепараторов является наличие так называемой упругой горловой опоры, т. е. установка верхнего подшипника вертикального вала с возможностью некоторой свободы перемещения в горизонтальной плоскости. Для этого между верхним подшипником, расположенным под основанием барабана, и его гнездом в станине сепаратора вводят упругий элемент. У малых сепараторов это может быть резиновая втулка. У более производительных — группа радиально расположенных пружин сжатия (обычно шесть под углом 60° друг к другу).

Неточности изготовления и взаимного расположения деталей барабана при сборке приводят к некоторому смещению оси вертикального вала, вращающегося в подшипниках, относительно оси вращения барабана. Возникновение в этом случае центробежной силы отрицательно влияет на работу сепаратора. Наличие упругого элемента в горловой опоре позволяет барабану в определенных пределах самобалансироваться (барабан наклоняет вертикальный вал таким образом, чтобы центр его тяжести совпадал с геометрической осью вращения барабана).

Для амортизации вертикальных колебаний барабана вертикальный вал сепаратора опирается на пружину, расположенную под нижним подшипником.

У сепараторов большой производительности вертикальные колебания барабана воспринимаются группой пружин, установленных в горловой опоре вертикального вала параллельно его оси. Сепараторы производительностью до 1000 л/ч таких пружин не имеют, так как масса их барабанов сравнительно невелика. Вместе с этим небольшие колебания вертикального вала могут привести к заклиниванию нижнего подшипника, и для того чтобы этого избежать, подшипник выполняют сферическим.

Частоту вращения барабана сепаратора контролируют с помощью стрелочного тахометра и специального устройства — пульсатора. Особенность его работы заключается в том, что при нажатии кнопки пульсатора рукой при каждом обороте эксцентрикового вала ощущается один толчок. Эксцентриковый вал через червячную пару соединен с шестерней, служащей для привода тахометра и пульсатора и установленной на горизонтальном валу механизма привода сепаратора. В инструкции к сепаратору указано число толчков в минуту, которое должен иметь пульсатор при номинальной частоте вращения барабана. Тахометр показывает частоту вращения горизонтального вала привода сепаратора, значение которой также указано в инструкции.

Барабаны сепараторов обладают большой кинетической энергией, и при отключении двигателя сепаратор продолжает вращаться в течение довольно длительного времени. У высокопроизводительных сепараторов время падения оборотов до нуля занимает несколько десятков минут. Так как после окончания цикла работы сепараторы необходимо разобрать, очистить от осадка и промыть (за исключением саморазгружающихся с циркуляционной мойкой), с целью экономии времени обслуживающего персонала сепараторы оборудуют специальными тормозными устройствами. Такое устройство представляет собой две колодки с накладками из фрикционного материала. Через подпружиненный стержень они соединены с ручкой и расположены в чаше сепаратора под углом 180° друг к другу. В таком тормозном устройстве колодки воздействуют на наружную стенку барабана.

В некоторых конструкциях привода, в том числе у саморазгружающихся сепараторов, тормоз устанавливают в корпусе разгонной центробежной муфты. В этом случае колодка тормоза прижимается к наружной поверхности чаши муфты, жестко соединенной с горизонтальным валом привода.

У сепараторов средней производительности в чаше станины имеются стопорные болты для фиксации барабана при его чистке и мойке. Для этого при заворачивании они входят в гнездо корпуса барабана.