УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО СБИВАНИЯ СЛИВОК
DEVICE FOR CONTACTLESS CREAM CHURNING

Устройство для бесконтактного сбивания сливок относится к маслодельной промышленности и может быть использовано для производства масла из сливок в условиях как крупного, так и мелкого перерабатывающего производства.
Известно «Устройство для сбивания масла», содержащее емкость цилиндрической формы, по оси которой установлена на приводном валу мешалка. У стенок емкости неподвижно установлены била под острым углом к вертикальной плоскости, проходящей через ось приводного вала. Смежные лопасти мешалки установлены на приводном валу со смещением по высоте. Мешалка выполнена пропеллерной. При вращении мешалки сливки получают вращательное движение вокруг оси емкости и вдоль нее по вертикали. На валу электродвигателя установлено ведущее зубчатое колесо, которое через два ведомых зубчатых колеса передает вращение на соосный с ними двухроторный вакуумный насос, создающий постоянное разрежение в емкости во время сбивания масла, обеспечивая при этом улучшенные условия для протекания технологического процесса [1].
Недостаток устройства заключается в высокой сложности и больших энергозатратах на привод.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является «Устройство для получения сливочного масла» [2], содержащее цилиндрический резервуар для сбивания сливок и вибропривод, отличающееся тем, что вибропривод выполнен в виде электромагнитных возбудителей колебаний в количестве, кратном шести, и закрепленных на резервуаре в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, соединенных между собой попарно по схеме трехфазного моста со сдвигом импульсов на 60°, при этом цилиндрический резервуар закреплен на станине при помощи эластичных подвесок.
Недостаток устройства заключается в невозможности оказывать влияние на процесс сбивания сливок по мере их разделения на фракции, а также в высокой сложности конструкции.
Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции и создание условий по активному влиянию на процесс сбивания сливок.
Это достигается тем, что в устройстве для сбивания сливок, содержащем резервуар и вибропривод, согласно предлагаемому изобретению вибропривод выполнен в виде источника акустических волн, жестко закрепленного на дне резервуара и оказывающего вибрационное воздействие на сбиваемую массу за счет распространения в резервуаре волн заданных частот и амплитуд, изменяемых в процессе сбивания.
Выполнение вибропривода электромагнитных возбудителей колебаний в виде источника акустических волн обеспечивает:
- повышение качества выходного продукта за счет отсутствия непосредственного контакта с ним рабочего органа устройства;
- позволяет активно - по мере разделения на фракции - влиять на процесс сбивания путем изменения амплитуд и частот колебаний источника акустических волн;
- повысить надежность конструкции за счет снижения количества элементов конструкции и снизить энергопотребление.
На чертеже схематически изображен общий вид устройства для сбивания сливок бесконтактного действия.
Устройство содержит:
1 - резервуар;
2 - сливки;
3 - вибропривод (источник акустических волн);
4 - провода;
5 - генератор акустических волн (колебаний), где PA - ручка изменения амплитуды колебаний, РЧ - ручка изменения частоты колебаний;
6 - акустические волны, распространяющиеся в сбиваемых сливках.
При этом на дне резервуара 1, наполненного сливками 2, жестко закреплен вибропривод 3, который посредством проводов 4 подключен к генератору 5 акустических колебаний, имеющему функцию посредством ручки РА изменять амплитуду, а ручки РЧ - частоту возбуждаемых акустических волн 6, распространяющихся в сливках 2.
Схема воздействия акустических волн на жировой шарик в процессе сбивания описывается следующим уравнением:
где  - сила лобового сопротивления при движении жирового шарика под действием внешней возмущающей периодической силы;  - сила Архимеда;  - сила тяжести,  - внешняя возмущающая периодическая сила, вынуждающая жировой шарик совершать колебания в вертикальной плоскости.
При этом сила лобового сопротивления описывается известным уравнением:
ЛС
2
F=vSρ,
где v - скорость движения жирового шарика; S - площадь поперечного сечения жирового шарика в направлении, перпендикулярном скорости его движения; ρ - плотность шарика. Сила Архимеда:
,
0
где r - радиус жирового шарика; ρ - плотность масложировой смеси; g - ускорение свободного падения.
Сила тяжести:
Сила вынужденных колебаний (при синусоидальной зависимости перемещения жирового шарика в масложировой смеси от частоты колебаний x=Asinωt):
ВК
2
2
F=-mAω sinωt=-mω x,
где m - масса жирового шарика ; А - амплитуда вынужденных колебаний, ω - частота вынужденных колебаний.
Уравнение (1) в проекциях на вертикальную ось, принимая во внимание, что направление силы лобового сопротивления всегда противоположно направлению движения тела, будет выглядеть следующим образом:
Скорость перемещения жирового шарика в масложировой смеси v есть производная от перемещения по времени:
v=х′=Аωcosωt.
Тогда уравнение (2) в дифференциальной форме будет выглядеть следующим образом:
Обозначим коэффициенты уравнения как:
a=-Sρ;
Тогда уравнение (3) будет выглядеть следующим образом:
Разделим переменные:
Проинтегрируем уравнение (5):
Произведем замену переменных:
Тогда
.
Подставим эти выражения в уравнение (6):
Откуда найдем у и х:
2
Таким образом, смещение жирового шарика в момент времени t будет определяться выражением (принимая во внимание, что S=πr):
Подставляя в уравнение (7) выражение x=Asinωt, найдем амплитуду колебаний жирового шарика в любой момент времени t при заданной частоте колебаний ω:
Работает устройство для бесконтактного сбивания сливок следующим образом.
Резервуар 1 наполняется сливками 2, после чего на вибропривод 3 посредством проводов 4 с генератора 5 подается сигнал периодического действия, а ручками РА и РЧ генератора 5 выставляются его параметры - амплитуда и частота колебаний. При этом в сливках 2 распространяются акустические волны 6, воздействующие на жировые шарики, и, заставляя их совершать вынужденные колебания, перемешивают сливки 2.
По мере сбивания жировые шарики соединяются друг с другом, формируя отдельные жировые скопления с большей массой. Формируемым телам необходимо сообщить большее количество энергии для совершения ими периодического возвратно-поступательного движения с той же амплитудой. Из выражения (8) видно, что таким управляемым параметром, влияющим на процесс сбивания, является частота колебаний ω.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшить количество механически взаимодействующих частей устройства, а следовательно, повысить его надежность; снизить энергозатраты за счет устранения потерь на привод рабочего органа (рабочий орган устройства - акустические волны); устранить непосредственный контакт рабочего органа и сбиваемого продукта и тем самым повысить его качество (например, за счет отсутствия частиц механического износа в продукте); управлять процессом сбивания путем изменения амплитуд и частот колебаний.
Литература
3
1. Патент РФ 2128908, МКИ А01J 15/02. Устройство для сбивания масла / Шумарин В.П.; Скрипкин А.А. - №94025432/13; заявлено 06.07.1994; опубл. 20.04.1999; Бюл. №13.
3
2. Авторское свидетельство 424539, МКИ A01J 15/10. Устройство для получения сливочного масла / К.А.Дидебулидзе, Г.В.Берозашвили, Д.З.Кевлишвили. - №1817880/28-13; заявлено 02.08.1972; опубл. 25.04.1974; Бюл.№15.