От амфоры до тетрапака

Ковалёв Юрий Николаевич

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).

В современных жидкостных сепараторах, особенно когда речь идет о крупных промышленных установках, упругость опоры вертикального вала достигается самыми различными способами. Поэтому необходимо учитывать, что единственной силой, предопределяющей свойство сепаратора самобалансироваться, является сила упругости.

На рубеже прошлого и нашего веков многие изобретатели из разных стран подавали заявки на те или иные усовершенствования конструкций сепараторов. Но из их большого числа следует особо выделить патент 1888 года, выданный немецкому изобретателю Бехтольсгейму на сепараторные тарельчатые вставки, которые представляли собой набор конусных тарелочек. Предложение Бехтольсгейма получило название «Альфа-патента», так как первые вставки изготовлялись из стали марки «Альфа». Пакет тарелок сепараторного барабана, который и теперь часто называют альфа-устройством, изобретатель продемонстрировал в 1889 году на выставке в Магдебурге.

Применение альфа-устройства, разделяющего молоко (или другую сложную жидкость) на тонкие слои, позволило вдвое увеличить производительность молочных сепараторов. Заметим, что из всех форм вставок, предусмотренных патентом, в современных конструкциях сепараторных барабанов почти исключительно используют конические тарелки. В 1891 году

Густав Лаваль купил патент на альфа-устройство, и с тех пор основанная им фирма и выпускаемые ею сепараторы получили наименование «Альфа-Лаваль».

В 1907 году тарельчатые вставки претерпели, казалось бы, простое, но весьма существенное усовершенствование: в них просверлили по 3—4 отверстия, которые при сборке в пакет образовывали канал. Теперь молоко поступало изнутри держателя тарелок в канал и растекалось по поверхности каждой из них. По сути, это было последним принципиальным изменением в конструкции тарелок, которая фактически сохранилась и до наших дней.

Благодаря тонкослойности и высоким рабочим скоростям вращения в сепараторе обычно удается выделить из молока при очень малой разности в плотностях частицы диаметром меньше одного микрона, для чего достаточно продержать жидкость в межтарелочном пространстве барабана всего лишь 1—3 секунды. За такое короткое время жировые шарики успевают совершить внутри потока необходимое для их выделения относительное перемещение, которое в подобных сепараторах равно межтарелочному зазору и обычно составляет примерно полмиллиметра.

Таким образом, в высокооборотных сепараторах с тонкослойными барабанными вставками центробежная сила была наиболее полно использована для разделения молока (или других сложных жидкостей), что позволило резко, буквально в несколько миллионов раз, интенсифицировать целый ряд процессов. Применение сепараторов активно способствовало переводу молочного дела на путь индустриализации, коренным образом преобразовало его. В. И. Ленин в своей работе «Развитие капитализма в России» в связи с этим писал: «До 1882 г. сепараторов почти не было в России. С 1886 г. они распространились так быстро, что вытеснили окончательно старый способ. В 1890-х годах появились даже сепараторы-маслоэкстракторы... Главное преобразование состояло в том, что «исконное» отстаивание сливок заменено отделением сливок посредством центробежных машин (сепараторов). Машина поставила производство вне зависимости от температуры воздуха, увеличила выходы масла из молока на 10 %, повысила качество продукта, удешевила выделку масла (при машине требуется меньше работы, меньше помещения, посуды, льда), вызвала концентрацию производства. Появились крупные крестьянские маслодельные заводы, «перерабатывающие до 500 пудов молока в день, что было физически невозможно при отстое». Как раз тогда, в 1886 году, стали выпускаться простые и надежные сепараторы с ручным приводом, не нуждающиеся, как прежние конструкции, в громоздком и дорогом двигателе.

В 1907 году в мире уже работало свыше 700 тысяч молочных сепараторов марки «Альфа-Лаваль». К этому времени фирма получила сотни высших наград различных международных выставок и имела свои представительства во многих странах мира. Испытания сепараторов новых типов в хозяйственных условиях проводились на ферме Хампа, которая, постепенно разрослась и превратилась в опытную станцию фирмы «Альфа-Лаваль». И ныне здесь проводится производственная проверка нового молочного и доильного оборудования, а также различных животноводческих машин и установок. Следует отметить, что в настоящее время фирма «Альфа-Лаваль» продолжает выпускать различные типы молочных сепараторов высокого класса, а также оборудование для оснащения предприятий молочной промышленности и комплексной механизации животноводческих ферм. Продукция фирмы известна и в нашей стране.

Дореволюционная Россия ввозила сепараторы из-за границы. Первые отечественные молочные сепараторы производительностью 50 литров в час появились в 1924 году, когда по заказу «Сельскосоюза» их стал выпускать механический завод имени Ф. Э. Дзержинского. Впоследствии производство сепараторов было организовано и на других промышленных предприятиях.

Конструирование и совершенствование сепараторов требовало изучения процессов сепарирования. Уже в 1886—1890 годах под руководством профессора А. А. Калантара в Едимоновской школе молочного хозяйства проводились испытания отдельных образцов сепараторов и исследования, в результате которых были выявлены основные физико-химические факторы, влияющие на качество обезжиривания молока. Довольно крупные испытания многих моделей сепараторов велись в 1909 году на Бутырском хуторе (территория нынешней Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева) под руководством творца земледельческой механики академика В. П. Горячкина.