Обоснование параметров и режимов работы системы мойки молокопровода доильных установок для доения коров в стойлах

 

43

Однако данные оболочки не обладают достаточной прочностью. В результате теплового движения возможно взаимное проникновение гидратных слоев жировых шариков с образованием крупных конгломератов. При машинном доении неизбежны различного рода механические воздействия, в результате чего происходит повышение энергии движения, и жировые шарики с гидрофобизированной поверхностью, смешиваясь в значительной степени со стабилизирующей их белково-гидратной оболочкой, легко оседают на поверхности оборудования.

Процесс загрязнений поверхности протекает поэтапно [38, 43]. При движении молока и воздуха по молокопроводу образуется воздушно-молочная эмульсия и возникают сильно развитые поверхности раздела фаз плазма-жировые шарики и плазма-воздух, что вызывает перераспределение концентрации белково-липоидной оболочки в пограничных слоях контактирующих фаз. При столкновении частиц происходит разрушение защитного слоя вокруг жировых шариков, они становятся более гидрофобными и притягиваются поверхностью воздушного пузырька. Жидкая фракция жира на поверхности воздушного пузырька, да и сами жировые шарики, лишившись защитной гидрофильно-липоидной оболочки, активно способствуют зарождению и росту определенной части кристаллов жира, как на этих поверхностях, так и на стенках молокопровода. На последнем этапе соли кальция, входящие в состав молока, создают армирующий скелет высокой прочности и прочно закрепляют загрязнения на поверхности оборудования, образуя твёрдые отложения в виде молочного камня.

В зависимости от физико-химических процессов формирования загрязнений и их связей с очищаемой поверхностью Г.П. Дегтерев разделяет все загрязнения, встречающиеся на молочном оборудовании на три группы [43] (рис. 2.1):

1) адгезионные (в виде остатков молока и устойчивых частиц молочного жира);

 

44

2. поверхностно-адсорбционно связанные (в виде макрочастиц, жира и гелеобразных отложений);
3. прочно (глубинно) связанные (в виде «молочного камня»).

Классификация загрязнений, образующихся на поверхности молочного оборудования

а) б) в)

а — адгезионно связанные; б - поверхностно-адсорбционно связанные; в - прочно (глубинно) связанные; 1 — поверхность оборудования; 2 - жировые шарики; 3 - молочные тельца; 4 — липоидная оболочка; 5 - макрозерна масла; 6 - молочный камень

Рис. 2.1. СВ. Харьков [115] представил общую структуру пленки молочных загрязнений в виде следующей модели (рис. 2.2).

Модель структуры пленки молочных загрязнений по СВ. Харькову

1 - жировые шарики; 2 - частички казеина; 3 — молочная плазма

Рис. 2.2. К поверхности оборудования за счет сил адгезии примыкают жировые шарики и масленичные зерна с поврежденной оболочкой. Растеканию мо-

 

45

лочного жира препятствует смачивание поверхности молочной плазмой, содержащей частички казеина, молекулы лактозы и другие составные части молока.

П.Н. Белянин и В.М. Данилов [24] отмечают, что в процессе очистки можно выделить три стадии:

• отделение частиц загрязнений от поверхности молокопровода;
• перевод этих частиц в моющий раствор;
• удержание взвешенных частиц в моющем растворе до его слива без повторного осаждения на поверхность.

Однако данное представление не учитывает необходимость разрушения довольно сильных связей между соседними жировыми шариками, особенно в загрязнениях в виде подсохших поверхностных плёнок.

Наиболее полно механизм очистки загрязнений отражен в исследованиях Г.П. Дегтерева. Так, процесс удаления адгезионно связанных загрязнений он разделяет ещё на два этапа: уменьшение толщины слоя и удаление тонкого пристенного граничного слоя.

При удалении загрязнений с поверхности молокопровода в первую очередь происходит взаимное проникновение и смешивание дисперсионной среды молочной плёнки и моющей жидкости, что обусловлено их химической однородностью.

В результате движения моющей жидкости происходит удаление адге-зионых загрязнений, так как в этом случае нет действительного прилипания, а имеет место лишь тесное соприкосновение загрязнений с поверхностью, либо с загрязнениями другого вида. В данном случае силы аутогезии (силы связи внутри загрязнений) превышают силы адгезии (связь между загрязнениями и поверхностью).

Основная часть загрязнений представлена второй группой по классификации Г.П. Дегтерева [43] - поверхностно-адсорбционно связанные. Эти загрязнения образуются в результате физико-механического воздействия на молоко при доении и транспортировке. Их макромолекулярный слой, содер-

 

46

жащий нестабильный молочный жир, активно адсорбируется поверхностью и не удаляется водой. Особенностью загрязнений этого вида является то, что силы аутогезии в данном случае ниже адгезионных, и они увеличиваются по мере приближения к поверхности. Для удаления второй группы загрязнений необходимы горячие моющие растворы с поверхностно-активными веществами (ПАВ). При удалении высокой молочной плёнки, состоящей из молочного жира, а также белковых соединений, на первом этапе происходит смачивание моющей жидкостью поверхности оборудования и молочного жира, при этом на них налипают молекулы ПАВ, уменьшающие межфазное натяжение на границах моющий раствор - загрязнение, моющий раствор — очищаемая поверхность. Вследствие этого, кинетической энергии потока моющей жидкости становится достаточно для преодоления этих сил сцепления, и слой жира под действием механического воздействия в некоторых местах сдвигается, образуя жировые сегменты, которые затем переходят в шарообразные капельки, удерживаемые на поверхности силами адгезии.

Схема отделения жирового шарика загрязнений от поверхности молокопровода при его мойке

а) б)

1 - жировой шарик; 2 - поверхность оборудования; 3 - моющий раствор

Рис. 2.3.

 

47

Наиболее трудноудалимыми являются прочно (глубинно) связанные загрязнения в виде молочного камня. Удалить их можно путём химического разрушения агрессивными средами (обычно растворами кислот), либо способом механической очистки с применением высокоэффективных моющих и моюще-дезинфицирующих средств.

В пленке загрязнений, содержащей жир, белок, бактерии и другие вещества, можно выделить пристенный и основной слои загрязнений. Толщина пристенного слоя, определяемая размерами конгломератов, которые образуют жировые шарики между собой, может достигать 400 мкм [115].

С целью определения условий разрушения и удаления пристенного слоя молочного жира необходимо рассмотреть силы, обуславливающие его прочность.

Прочность пристенного слоя характеризуется силами сцепления жировых частиц между собой и силами прилипания их к поверхности оборудования.

На рис. 2.3 представлена схема отделения жирового шарика пристенного слоя загрязнений от поверхности оборудования, предложенная В.И. Бере-зуцким [26].

По Б.А. Доронину [46] условие, при котором произойдёт отделение жировой частицы от поверхности молокопровода под действием энергии потока моющего раствора, имеет вид

FAa>G,.₃(l + cos9)Af, (2.1)

где F - касательная сила трения, действующая на шарик со стороны потока жидкости, Н; Аа - путь сдвига жирового шарика, м;

Gi-з - межфазная энергия на границе «молочный жир — моющий раствор», Дж/м²; Э    - краевой угол смачивания (между вектором Gio по касательной к жировому шарику и поверхностью молочного оборудования), град.;

 

48

Af — приращение площади контакта жирового шарика с поверхностью молочного оборудования на пути сдвига Аа, м². Уменьшить энергию сцепления жировых шариков с очищаемой поверхностью можно за счет снижения межфазного натяжения на границе моющий раствор - молочный жир Gm и увеличения краевого угла смачивания 0.

Тогда по [46] скорость потока, необходимая для удаления пленки загрязнений в области квадратичных сопротивлений шероховатых поверхностей труб, должна быть

_{^{W lg}S> ⁽²'²⁾}

^8(7,..,(1 +cos 9)Af'

V>

0,25pf₃Aa

где р — плотность моющего раствора, кг/м ;

із — площадь трения моющего раствора о жировой шарик на стенке поверхности молокопровода, м²; Аг - относительная шероховатость поверхности молокопровода, Ar = A/d; d и А - внутренний диаметр и высота выступов поверхности молокопровода, м. Однако Б.А. Доронин в своих исследованиях пренебрег силами взаимодействия жировых шариков между собой, а их влияние существенно.

В.И. Березуцким предложено учитывать данные силы в виде коэффициента а [26], пределы варьирования которого определялись в процессе экспериментальных исследований.

Тогда скорость отрыва частиц загрязнений определяется условием

_{°'^!|g0- ⁽²-³⁾}

^8a,.₃(l + cos0)Af"

V>ct

0,25pf₃Aa

Общая энергия жировых шариков находится по зависимости [115]:

W₀ = W_fl + W_M, (2.4)

где W_u - энергия притяжения Ван-дер-Ваальса - Лондона или энергия дисперсии, Дж;

 

49

АУ_Эл - энергия электрического отталкивания, Дж.

Энергия дисперсии определяется по формуле Гамакера [115]:

W_a = -А_г 

241. 

(2.5)

где Аг - константа Гамакера, Дж; с!_ж - диаметр жирового шарика, м;

1_Ж - расстояние между поверхностями жировых шариков, м. Константа Гамакера может быть рассчитана по выражению

А_г = 1 БлсІжУтіпПооЗІп^а), (2.6)

где Ymin - критический градиент сдвига, при котором происходит разделение пар шарообразных частиц; ho, - кажущаяся вязкость при высоких градиентах сдвига;

о

а - критический угол (а=30 ) между линией, соединяющей центры частиц и направлением усилий сдвига в момент разделения пары частиц.

Энергия взаимодействия как функция расстояния, рассчитанная

для жировых шариков молока различного диаметра:

1-3 мкм; 2-0,7 мкм; 3-0,3 мкм

Є, Ю'³им

Рис. 2.4. Для  расчета электрической  энергии   отталкивания  Б.Ф.  Дерягин и Л.Д. Ландау [115] предложили приближенное уравнение

W_M=7cee₀d,i|/²ln(l + e*-), (2.7)

 

50

где   х ~~ распределение ионов в диффузионном двойном электрическом слое (величина, обратная радиусу ионного облака), 1/мкм;

\\) - поверхностный потенциал частицы, мВ;

с - относительная электрическая постоянная, Ф/м.

Суммарную энергию взаимодействия лучше определять по диаграмме W₀=f(l)(pHC.2.4)[115].

Следовательно, условие, при котором произойдёт отделение жировой частицы от поверхности молокопровода под действием энергии потока моющего раствора, можно представить в виде

FAa > 0,.3(1 + cos0)Af + W₀. (2.8)

Не умаляя значения физико-химических факторов, обусловленных активностью моющей среды, многие исследователи [22, 24, 26, 27, 46] склоны считать процесс механического воздействия одним из основных условий, определяющих эффективность очистки.

Таким образом, для определения условий удаления молочных загрязнений необходимо рассмотреть процесс воздействия потока моющей жидкости на отдельные частицы молочного жира при заданных значениях скорости движения моющей жидкости, её концентрации и температуры.

В исследованиях СВ. Харькова [115] рассмотрена модель установившегося движения жидкости в трубах, имеющая турбулентное ядро и пограничный слой, который может иметь непосредственно у стенки вязкий ламинарный подслой (рис. 2.5).

Согласно [115] пограничный слой имеет ламинарные области течения до

R  =-^- = 10⁶, (2.9)

^vp

где V_p - средняя скорость движения потока, м/с;

D - внутренний диаметр молокопровода, м;

v_p - кинематическая вязкость слоя загрязнений, м²/с.

 

51

Толщина ламинарного подслоя определяется по формуле [115]:

я       ^30ур "   v_pVT

где 8_л.п. - толщина ламинарного подслоя, м; X - коэффициент гидравлического трения:

0,3164

0,25

R

Х = - 

(2.10)

(2.11)

Распределение сил, действующих на жировую частицу загрязнений со стороны потока моющего раствора в ламинарном подслое

V 

р тяу 

4  '   ' >

7 
7 
7 7

' 7      *       .

 

и 

Ф 

/ -    7

/       ' 7 

АЛЛ    

Vp_max - максимальная скорость движения потока в молокопроводе; V_p - средняя по живому сечению скорость; Un> - скорость на границе ламинарного подслоя; и_л п — скорость потока в пределах ламинарного подслоя; F_n - подъемная сила; F_Tp - сила касательного трения; F^ - сила лобового давления; F_0Tp - сила отрыва; 5_ЛП - толщина ламинарного подслоя; D — диаметр молоко-провода; А1_ж — элементарное перемещение частицы под действием силы отрыва; Д8_ж.р - приращение площади контакта молочный жир — моющий раствор при перемещении частицы

Рис. 2.5.

 

52

При рассмотрении процесса удаления остаточных загрязнений принимаем, что жировые частички имеют форму шара, удерживаются на гладкой поверхности силами адгезии и взаимодействуют между собой силами адгезии.

Отдельная жировая частица, лежащая на поверхности молокопровода, испытывает со стороны потока моющей жидкости силовое воздействие. На нее действуют: подъемная сила F_n, представляющая собой вертикальную составляющую главного вектора гидродинамического воздействия жидкости на частицу, сила лобового давления F^, которая является составляющей того же вектора воздействия жидкости на частицу, совпадающая с направлением вектора скорости потока, сила касательного трения F_Tp, обусловленная вязкостью жидкости.

Результирующее воздействие всех вышеперечисленных сил принимается за силу отрыва частицы от очищаемой поверхности:

F    =F   +F+F. (2.12)