Теоретический анализ гидродинамики процесса сбивания сливок в маслоизготовителе периодического действия с рабочим органом типа ленты Мёбиуса

Исследование посвящено изучению гидродинамических процессов, возникающих при сбивания сливок в аппарате с  рабочим органом в  форме двойной ленты Мёбиуса. Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффективности производства сливочного масла, особенно для малых фермерских хозяйств, где традиционные методы сбивания часто оказываются энергоёмкими и недостаточно продуктивными. Целью исследования является анализ характеристик потоков, формируемых рабочим органом, и их влияния на процесс сбивания сливок. Объектом исследования выступал маслоизготовитель с рабочим органом в виде двойной ленты Мёбиуса, расположенный в  Научно-исследовательском институте «Агромеханика» (Гянджа, Азербайджан). Методы включали математическое моделирование для анализа центробежных и  вихревых потоков, а также определение ключевых параметров, таких как частота вращения (n=700→900 об/мин) и  ширина лент (b=0,03→0,05 м). Использовались формулы для расчёта центробежной скорости, силы и турбулентных потоков. Результаты показали, что увеличение частоты вращения до n=900 об/мин и ширины ленты до b=0,05 м приводит к максимальным значениям центробежной скорости (v=12,5 м/с) и силы (F=1408,5 H), что значительно интенсифицирует процесс сбивания. Турбулентные потоки, создаваемые лентой Мёбиуса, способствуют равномерному перемешиванию и разрушению оболочек жировых шариков. Теоретические исследования показали, что наибольшая гидродинамическая активность формируется в периферийной зоне рабочей ёмкости, где, согласно расчётным данным, создаются наиболее благоприятные условия для коалесценции жировых шариков и формирования масляных зёрен. Полученные результаты позволяют прогнозировать, что реализация указанных гидродинамических режимов может способствовать сокращению продолжительности процесса сбивания и снижению удельных энергозатрат. Экспериментальная оценка данных эффектов требует проведения дополнительных исследований и является предметом дальнейшей работы.

1. Кулиев, З. В., Якубов, К. Г., Алиев, Э. М. (2024). Влияние параметров сбивания на некоторые свойства пахты и масла, получаемого из йогурта. Молочнохозяйственный вестник, 3(55), 156–171. https://doi.org/10.52231/2225-4269_2024_3_156

2. Арсеньева, Т. П. (2013). Технология сливочного масла. СПб.: НИУИТМО; ИХиБТ, 2013.

3. Гогаев, О. К., Караева, З. А., Кадиева, Т. А., Моргоева, Д. Г. (2024). Технология молока и молочных продуктов. СПб.: Лань, 2024.

4. Бирюкова, Е. А., Лазуткина, С. А. (7–8 февраля, 2017). Анализ существующих положений теорий сбивания сливок и образования масляного зерна. Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: материалы VIII Международной научно-практической конференции. Ульяновск: УГСХА им. П. А. Столыпина, 2017.

5. Твердохлеб, Г. В., Сажинов, Г. Ю., Раманаускас, Р. И. (2006). Технология молока и молочных продуктов. М.: ДеЛи принт, 2006.

6. Яшин, А. В., Полывяный, Ю. В. (2019). Результаты лабораторных исследований маслоизготовителя с гибким виброприводом. Нива Поволжья, (3(52)), 177–183.

7. Yashin, A., Polyvyannii, Y. (2020). Results of research on justification the device for producing ecologically pure butter. Scientific Papers. Series A. Agronomy, 63(1),632–636.

8. Aljaafreh, A., Al-Tahiri, R., Abadleh, A., Mansour, A. M., Alaqtash, M. (2019). Design and development of an automated and quality controlled system for traditional butter and ghee production. Wseas Transactions on Environment and Development, 15, 478–484.

9. Kalla, A. M., Sahu, C., Agrawal, A. K., Bisen, P., Chavhan, B. B., Sinha, G. (2016). Development and performance evaluation of frustum cone shaped churn for small scale production of butter. Journal of Food Science and Technology, 53(5), 2219–2226. https://doi.org/10.1007/s13197-015-2110‑y

10. Лазуткина, С. А., Миннибаев, М. Р. (20–21 июня, 2018). Маслоизготовитель периодического действия. Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: Материалы IX Международной научно-практической конференции, посвященной 75‑летию Ульяновского государственного аграрного университета имени П. А. Столыпина. Ульяновск: УлГАУ, 2018.

11. Ebrahimi, M., Khoshnam, F., Kamandar, M. R., Namjoo, M. (2024). Development and performance evaluation of machine-type reciprocating churner. Biomechanism and Bioenergy Research, 3(2), 108–116. https://doi.org/10.22103/BBR.2024.22972.1080

12. Wang, M., Lu, J., Li, Z., Gu, F., Chen, Z. (2023). Study on the unsteady characteristics and radial force of a single-channel centrifugal pump. ACS Omega, 8(2), 2291–2305. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06614

13. Cao, W., Mao, J., Li, W. (2020). Analysis of unsteady pressure fluctuation in a semi-open cutting pump. Energies, 13(14), Article 3657. https://doi.org/10.3390/en13143657

14. Kang, Y., Liu, S., Zou, W., Hu, X. (2019). Numerical investigation on pressure pulsation characteristics and radial force of a deep-sea electric lifting pump at off-design conditions. Shock and Vibration, 2019(1), Article 4707039. https://doi.org/10.1155/2019/4707039

15. Diehl, E. (2021). Non-rectangular coordinate systems: Polar coordinates. Chapter in a book: The Engineering Dynamics Course Companion, Part 1: Particles. Synthesis Lectures on Mechanical Engineering, Springer, Cham, 2021. https://doi.org/10.1007/978-3-031-79677-7_6

16. Lee, G., Kim, W. (2024). Image processing in L1‑norm-based discrete Cartesian and polar coordinates. Electronics, 13, Article 1088. http://doi.org/10.3390/electronics1301088

17. Zhu, J., Wang, Y., Gao, F., Zhang, Z. (2023). Optical differentiation in a polar coordinate system. Applied Physics Letters, 122(9), Article 091107. https://doi.org/10.1063/5.0140272

18. Walstra, P., Wouters, J. T. M., Geurts, T. J. (2005). Centrifugation. Chapter in a book: Dairy science and technology. CRC Press, 2005.

19. Panchal, B., Truong, T., Prakash, S., Bansal, N., Bhandari, B. (2021). Influence of emulsifiers and dairy ingredients on manufacturing, microstructure, and physical properties of butter. Foods, 10(5), Article 1140. https://doi.org/10.3390/foods10051140

20. Nozawa, E., Deguchi, T. (2025). Simulating phase inversion processes by coupled map lattice: Towards the theoretical design of food texture and quality in dairy processing from fresh cream to butter via whipped cream. Journal of Chemical Physics, 162, Article 064902. https://doi.org/10.1063/5.0251375

21. Nozawa, E. (2026). Theoretical relationship between the macro texture and micro structure in dairy processing revealed by the multi scale simulation of coupled map lattice. arXiv, 1, Article 15051. https://arxiv.org/abs/2601.15051

22. Lars, W., De Graef, V., Rasmussen, M., Dewettinck, K. (2009). Relations between crystallisation mechanism and microstructure of milk fat. International Dairy Journal, 19(8), 424–430. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2009.03.003

23. Buldo, P., Kirkensgaard, J. J. K., Wiking, L. (2013). Crystallization mechanisms in cream during ripening and initial butter churning. Journal of Dairy Science, 96(11), 6782–6791. https://doi.org/10.3168/jds.2012-6066

24. Бронштейн, И. Н., Семендяев, К. А. (1986). Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986.

25. Serway, R. A., Jewett, J. W. (2018). Physics for scientists and engineers with Modern Physics (10th ed.). Cengage Learning, 2018.

26. Hibbeler, R. C. (2016). Engineering mechanics: Dynamics (14th ed.). Pearson, 2015.

27. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. (1988). Теоретическая физика: Том 1. Механика. М.: Наука, 1988.