Текст книги "От амфоры до тетрапака"
Автор книги: Юрий Ковалёв
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 13 страниц)
Достоинства разборных пластинчатых теплообменных аппаратов оказались настолько существенными, что они затем нашли самое широкое применение не только в молочном деле, но и в ряде других отраслей промышленности.
Рис. 30. Современный пластинчатый теплообменный аппарат: а – схема: 1 – передняя стойка; 2 – верхнее угловое отверстие; 3 – кольцевая резиновая прокладка, 4 – граничная пластина; 5 – штанга; 6 – нажимная плита, 7 – задняя стойка; 8 – винт; 9, 10, 14, 15 – штуцера; 11 – большая резиновая прокладка; 12 – нижнее угловое отверстие, 13 – теплообменная пластина; б – группа пластин в рабочем положении
Первые отечественные пластинчатые теплообменники для обработки молока были изготовлены еще в 1940 году. Разработка же основ теории, расчета и конструирования пластинчатых теплообменников для жидких пищевых продуктов связана в нашей стране с именем профессора Н. В. Барановского. Под его руководством были проведены широкие исследования по изучению закономерностей движения жидкостей между пластинами и процессов теплопередачи в этих аппаратах.
В пластинчатом теплообменном аппарате (рис. 30, а) пластины 13 нанизаны на горизонтальные штанги, концы которых заделаны в стойках 1 и 7. При помощи нажимной плиты 6 и винта 8 пластины в собранном состоянии плотно сжаты и образуют пакет (на схеме для более понятного изображения потоков жидкостей показаны только пять пластин в разомкнутом положении). Зазоры между пластинами зависят от толщины резиновых прокладок 11 (обычно 3—6 миллиметров). Система резиновых уплотнительных прокладок такова, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются два изолированных друг от друга канала – для потока молока (сплошная линия) и потока жидкостного теплоносителя (штриховая линия). Группа таких пластин в рабочем положении показана на рисунке 30, б.
Штампованные из тонких листов нержавеющей стали, они обеспечивают достаточно высокий теплообмен между соседними потоками жидкостей. Отметим, что выпускаемые серийно пластинчатые теплообменные аппараты обычно выполняются по более сложным компоновочным схемам.
Большое распространение получили двух– и многосекционные аппараты этого типа. Примером комбинированного теплообменника, осуществляющего комплексную тепловую обработку жидких пищевых продуктов, может служить пластинчатый аппарат для пастеризации и охлаждения молока, который входит в состав автоматизированной пластинчатой пастеризационной установки (рис. 31). Он состоит из четырех секций (пакетов) теплообменных пластин, установленных на общей раме. Каждая секция подобна по устройству рассмотренной ранее конструкции (см. рис. 30). Кроме теплообменных пластин, в комбинированном аппарате устанавливают промежуточные плиты, расположенные между секциями и имеющие патрубки для подвода и вывода молока и теплоносителя.
Рис. 31. Автоматизированная пластинчатая пастеризационно-охладительная установка (принципиальная схема):
1 – комбинированный пластинчатый теплообменный аппарат; 2 – насос горячей воды; 3 – бойлер; 4 – инжектор; 5 – шкаф управления, 6 – трубчатый выдерживатель молока; 7 – клапан автоматического возврата недопастеризованного молока; 8 – танк; 9, 11 – молочные насосы, 10 – уравнительный бак, 12 – стабилизатор потока; 13 – секция пастеризации, 14 – секция рекуперации, 15 – секция охлаждения водопроводной водой, 16 – секция охлаждения ледяной водой; 17 – сепараторы-молокоочистители; 1 – неочищенное молоко; 11 – очищенное молоко; III – пастеризованное молоко; IV – недопастеризованное молоко; V—горячая вода, VI – водопроводная вода; VII – ледяная вода.
Процесс тепловой обработки начинается с того, что сырое молоко с температурой около 35 градусов поступает во входной контур секции рекуперации, где подогревается до 60—70 градусов горячим пастеризированным продуктом, движущимся по другому контуру секции. Затем подогретое молоко проходит в секцию пастеризации, в которой, получая тепло от воды, нагретой в бойлере паром, приобретает температуру 85—90 градусов. Температуру контролируют по термометру, установленному на молокопроводе, соединяющем секции пастеризации и рекуперации. Если процесс не предусматривает фазы выдержки, то молоко из секции пастеризации идет во второй контур секции рекуперации. В зависимости от размеров этой секции пастеризованный продукт охлаждается в большей или меньшей степени потоком сырого молока, затем поступает в секцию водяного охлаждения (проточной водой) и, наконец, попадает в секцию рассольного охлаждения (или ледяной водой), откуда выходит с температурой 3—5 градусов.
Современные автоматизированные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки представляют собой сложные комплексы, включающие также сепараторы-очистители и нормализаторы молока и средства автоматизации для обеспечения контроля и регулирования работы всего оборудования в целом. Типичным примером здесь может служить установка ОП-2-У5 производительностью 5 тонн молока в час.
Таким образом, в комбинированных пластинчатых теплообменных аппаратах молоко после пастеризации подвергают охлаждению. Горячее молоко, идущее на охлаждение при температуре 71—92 градуса, содержит большое количество тепла, которое может быть утилизировано. С этой целью пастеризованный продукт направляют в специальную секцию аппарата для предварительного подогрева поступающего сырого молока. В результате пастеризованное молоко в значительной степени теряет температуру (обычно на 20– 30 градусов) и в дальнейшем требует уже меньшего окончательного доохлаждения.
Рекуперация позволяет существенно сократить затраты тепла, расходуемого на пастеризацию. По данным профессора Н. В. Барановского, в современных комбинированных пластинчатых аппаратах экономия достигает 90 процентов количества тепла, необходимого для нагревания массы продукта от начальной до конечной температуры. Благодаря рекуперации расход пара при тепловой обработке молока может быть снижен в десять раз.
Параллельная расстановка плоских теплообменных пластин с малыми промежутками между ними позволяет добиться хорошей компактности конструкции, значительно уменьшить габариты таких аппаратов в сравнении с жидкостными теплообменниками других типов. Так, они в 7—8 раз компактнее трубчатых и в десятки раз – оросительных и объемных аппаратов. Узкие промежутки между пластинами дают возможность обрабатывать молоко в тонком слое при быстром движении теплоносителя и при малых температурных напорах (до 1,5—2 градусов), что обусловливает «мягкий» обогрев, не сопровождающийся пригоранием или коагуляцией продукта.
Целый ряд технологических и технико-экономических достоинств пластинчатых теплообменных аппаратов обусловил их широкое распространение в ряде отраслей промышленности, а если говорить об оборудовании для тепловой обработки молока, то они здесь заняли главенствующее положение.
В настоящее время ведутся большие работы по совершенствованию установок и систем для тепловой обработки молока, имеющие целью улучшить все технико-экономические показатели пластинчатых теплообменных аппаратов, усовершенствовать их автоматизацию, более полно, комплексно использовать энергию в фермских и заводских поточных молочных технологических линиях, а также внедрить новые физические методы обработки молока. В частности, и у нас в стране, и за рубежом развернуты исследования по применению электронагрева для пастеризации молока, по созданию электропастеризационных установок. Так, среди экспонатов проходившей в Москве международной выставки «Молмаш-81» демонстрировались первые опытные образцы таких аппаратов.
Сейчас в нашей стране налажен серийный выпуск автоматизированной пластинчатой пастеризационноохладительной установки с электронагревом промежуточного теплоносителя (ОП2-Ф-1), разработанной под руководством Ю. В. Краснокутского и автора данной книги. Применение этой установки позволяет обходиться без специальных котлов-парообразователей и дает большой экономический эффект.
Для тех районов планеты, где отмечается стабильно высокий уровень солнечной радиации, несомненный интерес представляют опыты по разработке аппаратов, использующих энергию нашего светила.
Но, пожалуй, здесь сначала нужно сказать о непосредственном, так сказать, прямом воздействии солнечных лучей на молоко и молочные продукты. Каково оно? Оказалось, что солнечный свет, даже рассеянный, очень быстро разлагает содержащиеся в молоке витамины В и С. Значит, молоко надо беречь от действия солнечной радиации, и уже в этом аспекте предпочтительнее тара одноразового использования (различные пакеты из специальной бумаги, картона, непрозрачного полиэтилена и т. п.) по сравнению с обычными молочными бутылками.
Но если прямое воздействие солнечных лучей опасно для молока, то использование солнечной радиации как источника энергии в «гелиопастеризаторах» чрезвычайно перспективно. Принципиальная схема их проста. В специальных гелиокотлах лучи солнца нагревают промежуточный теплоноситель – воду, с помощью которой и осуществляется пастеризация молока. Вообще, проектов утилизации солнечной энергии очень много, и накопленные знания в этой области несомненно пригодятся для создания гелиопастеризационных аппаратов. Однако пока имеются лишь лабораторные и опытные установки, использующие энергию солнца для пастеризации молока. Еще не отработаны их конструкции (прежде всего устройство их гелиокотлов), здесь возникает немало трудностей, которые необходимо преодолеть. Но дело того стоит. Ведь солнечная энергия «вечная», экологически чистая и, что называется, даровая...
Среди конструктивных усовершенствований традиционных устройств следует отметить предложенный фирмой «Альфа-Лаваль» способ бесклеевого крепления резиновых прокладок теплообменных пластин для пластинчатых аппаратов охладительных и пастеризационно-охладительных установок. Такое крепление возможно благодаря увеличению глубины и ширины канавок в теплообменных пластинах, куда помещают резиновые прокладки несколько большего сечения. Ожидается широкое применение таких пластин с различной поверхностью теплообмена, имеющих неприклеенные резиновые прокладки.
Той же фирмой разработана и новая система по первичной обработке молока, получившая название «Ультра-терм». В этой системе, которая удачно «вписывается» в технологическую цепочку современных ферм и комплексов, свежевыдоенное молоко сначала поступает в ее первую ступень – специальный мембранный фильтр, где от продукта отделяется часть жидкой фракции, содержащей лактозу, некоторые растворимые соли и небелковый азот. (Кстати, фильтрат оказался отличным кормом для молодняка.) Затем профильтрованное молоко поступает во вторую ступень системы, где в течение 17 секунд пастеризуется при температуре 72 градуса. В результате двухступенчатой обработки в молоке практически полностью уничтожаются все виды микрофлоры, так что его можно до двух недель хранить на ферме в обычных молочных емкостях.
Все большее внимание ученых и практиков привлекают вопросы экономии энергии на фермах, причем не только, как говорится, «в большом», но и «в малом». Скажем, много ли тепла содержит свежевыдоенное молоко? Вроде бы такое незначительное количество, что и говорить о нем не стоит. А вот использование этого тепла для подогрева воды на поение, гигиенические операции ухода за животными, на отопление помещений позволило кооперативу Нойкирхен в округе Карлмарксштадт (ГДР) только за один год сэкономить 140 тонн бурого угля. В последнее время около 200 молочных ферм в ГДР использовали оборудование для утилизации тепла свежевыдоенного молока.
Научная мысль ведет поиск по широкому спектру вопросов. Так, уже на протяжении нескольких десятилетий внимание отечественных и зарубежных исследователей привлекает проблема создания установок для обработки молока, основанных на непосредственном воздействии на него излучения различной длины волны (например, ультрафиолетового и инфракрасного). Если же говорить в целом, то интенсивное совершенствование техники для тепловой обработки молока успешно продолжается и следует ожидать в этой области интересных открытий, новых оригинальных конструкторских решений.
VI. МОЛОКО В ГРАВИТАЦИОННОМ И ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЯХ
Гравитация – универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи.
Энциклопедический словарь
Эти скопления материи тотчас получили вращательное движение, и в результате... в туманности образовалось центральное ядро – главная ее звезда.
Жюль Верн. «Из пушки на луну»
Мать, бывало, крутит ручку сепаратора, а мы сидим вокруг, слушаем его ласковое урчание и нетерпеливо ждем...
Владимир Чивилихин. «По городам и весям»
Пожалуй, столь разнородные эпиграфы могут привести читателя в недоумение. Действительно, масштаб явлений явно несопоставим: от космогонической гипотезы образования Солнечной системы, таинственного, до сих пор не понятого учеными вездесущего всемирного тяготения до идиллической сценки в далеком сибирском поселке, где дети сидят у домашнего сепаратора и «нетерпеливо ждут...»
А кстати, чего они ждут? Продолжим цитату: «... когда получим в свое распоряжение металлические детали, покрытые пленкой восхитительного продукта – крапинками масла в остатках сливок и обрата».
Вот и объяснение, возвращающее нас к теме нашей книги. Все в мире взаимосвязано, все – от повальных космических до самых привычных и обыденных явлений – подчиняется общим физическим законам, которые, в частности, используются и в аппаратах для переработки молока.
Что же касается космических аналогий, то и они, оказывается, вполне уместны. Ведь, скажем, название Млечного пути – громадного звездного скопления, образующего на небосводе широкую, мягко светящуюся полосу, – связано с греческим мифом о струе молока, брызнувшей в небо из груди богини Геры. Да и сама Галактика обязана своим именем греческому слову galaktikos – млечный, молочный.
А в иных сказках, где, казалось бы, место лишь вымыслу и чудесам, с очевидностью прослеживается действие реальных физических законов. Ну, например, в такой. Две лягушки случайно свалились в погреб и попали в высокий глиняный горшок, наполовину заполненный молоком. Одна лягушка, не видя возможности выбраться, сложила лапки и утонула. А другая стала барахтаться, взбила из молока масляный сгусток и осталась жива. Вывод понятный: в любых обстоятельствах не следует «складывать лапки», а надо бороться до конца. Но для нас в этой сказке поучительно и другое: выходит; если молоко «барах-тать», взбивать, активно перемешивать или встряхивать, то в нем образуется масло.
Люди об этом догадались очень давно, еще в Книге Притчей Соломоновых говорится о том, что, сбивая молоко, можно получить масло. Правда, речь здесь идет, по-видимому, не о сливочном, а о топленом масле, которое хранили и в керамической посуде, и в мешках из шкур животных.
Однако еще очень долгое время этот продукт оставался почти совсем неизвестным. В письменных источниках лишь Диоскуорид и Плиний Старший в первом веке нашей эры сообщают, что у некоторых «варварских» народностей (к ним они относили скифов, кельтов, германцев) добывается и употребляется в пищу масло, которое, как вместе с тем отмечается, было отнюдь не распространенной пищей, а редкостным деликатесом.
В небольшом стихотворении поэта раннего средневековья Фортунатуса (530—609) говорится уже именно о сливочном масле и его употреблении в намазанном на хлеб виде. В земельных постановлениях Карла Великого (правил Францией в 768—814 годах) масло упоминается дважды и притом среди тех продуктов, для производства которых требуется особая чистоплотность. Имеются известия, что норвежские викинги уже в VIII веке брали с собой в дальние плавания бочонки с коровьим маслом.
Первые сведения о производстве молочных продуктов в Древней Руси содержатся в «Русской правде» – своде законов, установленных еще в XI веке при Ярославе Мудром. В торговых документах русских городов и княжеств того же периода встречаются сведения о стоимости «горшка масла». Поступаясь последовательностью изложения, отметим, что коровье масло как предмет экспорта значилось в списках «Торговой книги» для русского купечества в 1575 и 1610 годах. Внешняя торговля маслом в России к концу XVII века приняла такие размеры, что Петр I, искавший увеличения источников дохода для государства, обратил внимание и на этот промысел. Позже в России XVIII—XIX столетий было широко известно масло, названное чухонским, которое именовали так потому, что его делали проживающие в пригородах Петербурга финны, по-тогдашнему – чухонцы. В романе М. Ю. Лермонтова «Княгиня Литовская» есть упоминание о горничных «с головой, вымазанной чухонским маслом». В отличие от масла, именуемого русским (то есть топленое), чухонское было сливочным, вроде сегодняшнего крестьянского или любительского.
А в средние века масло по-прежнему оставалось пищей избранных, и мало что было известно о его питательности, составе, влиянии на организм человека. Здесь можно привести любопытный факт. Николай Коперник (1473—1543) – выдающийся астроном, математик, оригинальный философ, был еще и видным врачом своей эпохи. Так вот именно Коперник содействовал раскрытию ценных пищевых свойств сливочного масла, ратовал за его распространение в качестве вкусного и полезного продукта питания, рекомендовал употреблять и непосредственно в пищу, и как добавку к блюдам. Но и много позже у некоторых народов масло использовали только в лечебных целях. Так, декабрист Н. А. Бестужев, ставший в сибирской ссылке знатоком и организатором молочного дела, сообщал, что буряты лечатся от простуды сливочным маслом.
Рис. 32. Древнеиндийский (а) и древнекитайский (б) способы сбивания масла из молока и сливок.
Человек во все времена стремился облегчить и интенсифицировать свой труд. Не было исключением и маслоделие. На протяжении тысячелетий можно насчитать несколько сот разновидностей маслобоек. Но как бы они ни были устроены, сам процесс заключался в том, что молоко – в кувшине ли, прикрепленном к палке, в продолговатом ли кожаном мешке, подвешенном к потолку жилища, – так или иначе приводили в колебательное движение, подвергали сотрясениям, вибрациям. Чтобы ускорить отделение жировых шариков от массы молока, в древности использовали и силы, действующие при вращательном движении (рис. 32). Забегая вперед, заметим, что на том же принципе основана работа и многих современных маслодельных установок.
Примитивные устройства для сбивания масла обнаружены при археологических раскопках древнего шумерского города Ур, существовавшего за 5—3 тысячи лет до нашей эры. Они многократно упоминаются и «В жалобах сердца» – шумерской песне-сказке, датируемой XIX—XVIII веками до нашей эры. Приведем лишь одну строчку: «Маслобойка цела, но молоко не льется...»
С развитием молочного производства последовательно совершенствуются технические средства и технологические приемы сбивания масла. Так, уже в XVIII веке вместо старых толкачных маслобоек в крупных молочных хозяйствах постепенно начинают применять более производительные вращающиеся, качающиеся и ударные устройства. Весьма примитивные, они тем не менее означали несомненный шаг вперед на пути к машинному производству.
В чем же физическая сущность превращения молока в масло? Рассмотрим это подробнее.
Достаточно молоку немного постоять, и на его поверхности образуется жировой слой – хорошо известная всем пенка, вернее, сливки, которые так названы потому, что, аккуратно наклонив посуду, их можно слить, отделить от остальной жидкости. Явление обычное, воспринимаемое нами безо всякого удивления, но тем не менее весьма интересное и для молочного производства очень важное. Дело в том, что и сами сливки – вкусная и питательная пища, а главное – они служат своеобразным сырьем для производства многих молочных продуктов, в первую очередь масла.
Отчего же возникает эта поверхностная пленка? Мы уже знаем, что молоко состоит из очень многих компонентов. Содержится в нем и жир в виде мелких шарообразных частиц. Как и все существующее на нашей планете, они находятся в гравитационном поле, то есть испытывают на себе действие силы земного притяжения.
Со времен Архимеда известно: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которая зависит от соотношения плотностей жидкости и материала тела. Если она больше силы земного тяготения, тело всплывает, если меньше – тонет, когда же они равны – тело находится во взвешенном состоянии. Для жира и молока это соотношение таково, что более легкие жировые частицы поднимаются, образуя на поверхности слой сливок. Вот и получается, что если в молоке всего 3—5 процентов жира, то в сливках его накапливается чуть не вдесятеро больше.
В глубокой древности люди, не имея ни малейшего представления о физике описанного процесса, вместе с тем прекрасно знали, что с отстоявшегося молока можно снять сливки. Собственно отстаивание – операция весьма продолжительная, трудоемкая, малопроизводительная, дающая к тому же продукт невысокого качества, – оставалось долгое время единственным методом получения сливок. Однако попытки повлиять на этот процесс, сделать его направленным, более эффективным, конечно же, предпринимались.
В различных странах и местностях практиковались разные способы отстаивания молока (например, голштинский, голландский, девонширский, швейцарский, Шварца, Гуссандера, Реймера и др.), предписывающие свои точные правила. И все равно дело было длительным и трудоемким: сначала отстаивали молоко, затем снимали сливки, оставляли их «созревать» на несколько часов, потом загружали в примитивные вибрирующие или вращающиеся устройства, наконец отжимали масляные зерна специальными валками.
Предпринимались усилия по совершенствованию маслоделия и в России. Так, в 1838 году была издана книга по технологии получения молочных продуктов, написанная агрономом В. П. Бурнашевым. Она называлась «Секрет делания превосходного сливочного масла на манер приготовляемого на ферме земледельческого училища» (находилось вблизи Санкт-Петербурга) и, в частности, содержала такие соображения: «В начале удоя молоко младшее бывает всегда жиже и не так хорошо для масла... Густое молоко дает всегда меньшее количество сливок, но лучшего достоинства... Разные коровы дают разного достоинства молоко».
Вологодская помещица М. Ф. Кудрявая в начале 70-х годов XIX века на своей молочной ферме наладила производство сливочного масла высокого качества, получившего впоследствии название вологодского. Вот что писал по этому поводу известный московский репортер и писатель В. А. Гиляровский: «Вологда была полна тогда политическими ссыльными. Жена богатого помещика Кудрявого покровительствовала им открыто. По инициативе и при участии ссыльных она завела в своем пригородном имении большую молочную ферму, где ссыльные жили и работали. Выписаны были коровы – холмогорки, дело было поставлено широко и в продаже впервые в городе появилось сливочное масло с надписью на упаковке «Кудрявая». Подавать это масло на стол считалось особым шиком. Эта ферма была родоначальницей знаменитого ныне вологодского масляного производства».
Во второй половине прошлого века фундаментальные исследования поведения сложных жидкостных систем в гравитационном поле английского ученого Дж. Стокса, кстати, в свое время занимавшего кафедру в Кембриджском университете, которой некогда заведовал Исаак Ньютон, во многом прояснили физические основы процесса отстаивания. Из закона гидродинамики, выведенного Стоксом, следует, в частности, что отделение частиц жира из молока можно ускорить, если придать им большие размеры.
Так, десятикратное увеличение диаметра жирового шарика (с 1 до 10 микрон) позволяет ему всплывать в 100 раз быстрее. Однако достичь этого очень сложно, а кроме того, основательное обезжиривание молока неосуществимо, поскольку в нем все равно останутся мелкие частицы. Такие физические факторы, влияющие на отстой, как плотности жира и жидкой среды, изменить еще труднее. Что же касается повышения температуры, чтобы уменьшить вязкость среды и ускорить отстой, то эта мера ограничена сопутствующими нагреванию физико-химическими изменениями молока. Если к тому же учесть, что ускорение силы тяжести, обусловленное гравитацией, по понятным причинам изменить нельзя, то следует признать возможности процесса отстаивания исчерпанными.
Долгое время специалисты искали пути решения этой задачи, пока не родилась новая, перспективная идея. Действительно, ускорение силы тяжести остается неизменным природным фактором (g= 9,81 метр/секунда в квадрате), но ведь его можно заменить центростремительным ускорением, возникающим во время вращения тела. Действующая при этом центробежная сила, которая тем больше, чем выше частота вращения, позволяет существенно ускорить и усовершенствовать процесс разделения сложной жидкостной системы на составляющие фракции. Возник даже своеобразный техницизм – «центробежное поле». Кстати, следы первых попыток использования центробежной силы для обработки жидкостей известны с глубокой древности (см. рис. 32).
Рис. 33. Молочные центрифуги конструкций Прандтля (а) и Лефельдта (б).
А еще раньше сила вращения использовалась человеком на охоте и в военных сражениях. Ведь, согласно легенде, именно камнем, пущенным из раскрученной пращи, юноша Давид поразил великана Голиафа. Впрочем, о том, сколь действенно вращательное движение, можно судить и по сегодняшним примерам. Скажем, сопоставив спортивные результаты толкателей ядра и метателей молота. И тот и другой снаряд имеют одинаковую массу, но рекорд в первой дисциплине едва выходит за 23 метра, а вот метатели, раскрутив свой снаряд на 2-метровом тросе, посылают молот за отметку 86 метров.
Что же касается такой сугубо хозяйственной цели, как выделение сливок из молока, то здесь попытки приспособить могучую центробежную силу относятся лишь к середине XIX века. Начало теоретическим исследованиям в этой области положил голландский физик, механик и математик Христиан Гюйгенс, а первым, кто создал центробежное устройство, способное отделять сливки от молока, был профессор Фукс из немецкого города Карлсруэ. В 1859 году он предложил для этой цели центрифугу, представляющую собой вал с крестовиной, на которую подвешивались небольшие сосуды с молоком. Двумя годами позже его соотечественник Феск подал в Тельтовское сельскохозяйственное общество аналогичную заявку, не получившую, правда, практического воплощения. В 1864 году баварский пивовар Прандтль провел испытания своей центрифуги, в которой вокруг вертикальной металлической оси на крюках вращались два ведра с молоком (рис. 33, а).
Спустя десятилетие на международной сельскохозяйственной выставке в Бремене демонстрировалась установка Вильгельма Лефельдта, напоминавшая устройства Фукса и Прандтля. Горизонтальный диск этой центрифуги с подвешенными на крючках молочными ведрами (рис. 33, б) вращался с частотой 800– 1000 оборотов в минуту, что обеспечивало обработку одной порции молока в среднем за четверть часа. Как видим, конструкция получилась весьма громоздкой. Но уже через три года Лефельдт предложил усовершенствованную центрифугу, в которой главным рабочим звеном стал вертикальный, вращающийся вокруг своей оси цилиндр (рис. 34, а), приводимый в действие паровой поршневой машиной. Несомненно, это был шаг вперед, однако только на раскрутку центрифуги, вмещающей около 100 литров молока, требовалось почти полчаса и столько же времени уходило на ее остановку.
Подлинный же переворот в этой области произвела установка (рис. 35), предложенная шведским инженером Густавом Лавалем в 1878 году, которую он назвал сепаратором (от латинского separator – отделитель). С этим изобретением связана такая история. Лаваль жил по соседству с молочником, и тот однажды посетовал, что на выделение сливок из молока приходится тратить много времени. Инженеру подобная задача показалась интересной, он стал размышлять о ее решении и пришел к выводу, что процесс можно значительно ускорить, использовав центробежное ускорение. Для проверки своих предложений Лаваль применил специальный полый барабан, который наполняли цельным молоком и приводили в стремительное (с частотой около 6—7 тысяч оборотов в минуту) круговое вращение. В результате опыта обнаружилось, что жировые шарики (сливки) собираются в центре барабана, а сыворотка оттесняется к его краям. Первая, периодически действующая конструкция не получила широкого распространения, но ее рабочий орган – вращающийся цилиндр явился основой для дальнейших усовершенствований.
Рис. 34. Барабанная центрифуга Лефельдта (а) и приводной механизм ручного сепаратора (б):
1 – рукоятка; 2 – верхний горизонтальный вал, 3 – большая шестерня; 4 – малая шестерня; 5 – нижний горизонтальный вал; 6 – стопорный болт; 7 – червячное колесо, 8 – вертикальный вал (веретено) ; 9 – подшипник; 10 – упорная втулка, 11 – подпятник; 12 – горловой подшипник с амортизатором.
Рис. 35. Внешний вид сепаратора Лаваля.
Спустя год Густав Лаваль изготовил непрерывно действующий сепаратор, который со временем и прославил его имя. В этот период были сделаны многие предложения центрифуг различных систем (Бурмейстер и Вайн, Петерсен, Ленч и др.), но они не могли соперничать с сепаратором Лаваля, который получил широкое распространение в молочных хозяйствах разных стран. Популярности установки содействовали и попутные конструктивные изобретения и усовершенствования, сделанные талантливым шведским инженером. В 1883 году в качестве приводного механизма сепаратора Лаваль применил паровую турбину, на вал которой и насаживался вращающийся барабан. Лишь в дальнейшем изобретатель понял исключительное самостоятельное значение нового вида парового двигателя. Таким образом, появление паровых турбин, совершивших позднее своего рода революцию в энергетике, оказалось тесно связанным с молочным делом.
Работая над усовершенствованием сепаратора и паровой турбины, Лаваль сталкивался с немалыми трудностями технического порядка. Так, при значительной частоте вращения необходимо очень точно уравновесить ротор, а этого как раз и не удавалось добиться. Изобретатель увеличивал диаметр вала, делал его все более жестким, но каждый раз на испытаниях машина начинала вибрировать, а в результате установка выходила из строя.
В конце концов, убедившись, что увеличивать жесткость вала далее не имеет смысла, Лаваль находит весьма остроумное решение и избирает прямо противоположный путь. Он ставит опыт и насаживает массивный деревянный диск на ... камышовый стебель. И вдруг оказалось, что податливый гибкий вал при вращении уравновешивается сам собой! Лаваль записывает: «Опыт с камышом удался...» Тот же принцип самобалансировки Лаваль применил в своем сепараторе, установив в его механизме упругий горловой подшипник, который и позволил избежать биений сепараторного барабана. Благодаря этому в предназначенной для длительной эксплуатации машине была достигнута совершенно необычная для того времени (конец XIX века) рабочая частота вращения – порядка 6 тысяч оборотов в минуту. В 1886 году Лаваль создал сепаратор малой производительности с ручным приводом, обеспечивающим вдвое большую частоту вращения барабана (рис. 34,6).
