Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

Часть вторая

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Глава III. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измельчением называют процесс деления материала на ча­ сти, осуществляемый путем механического воздействия. Разли­ чают два вида измельчения: дробление, при котором измельчен­ ный материал не имеет формы, и резание, когда одновременно с уменьшением размера частицам придается определенная форма.

Процесс измельчения широко применяется в мукомольном, свеклосахарном, консервном, крахмально-паточном, спиртовом, пивоваренном, винодельческом и других производствах. Пере­ работка материалов в измельченном виде позволяет, например, значительно ускорить экстрагирование веществ и тепловую об­ работку материалов и провести эти процессы с незначительными потерями веществ и меньшим расходом тепла.

В зависимости от вида применяемых усилий измельчение мо­ жет производиться раскалыванием, ударом, раздавлением, раз­ рывом, истиранием и срезом. Выбор вида механического воздей­ ствия зависит от крупности и прочности измельчаемого материа­ ла. Часто в измельчающих машинах это достигается сочетанием нескольких усилий, например раздавливания и разрыва, удара и истирания и др.

Эффективность измельчения оценивается степенью измельче­ ния, удельным расходом энергии на проведение процесса и удель­ ной нагрузкой на рабочий орган измельчающей машины. В со­ временной технике степень измельчения i выражают отношением

сорта муки степень измельчения /=20-4-50.

Приближенно степень измельчения можно определить по от­ ношению средних размеров частиц до и после измельчения. Оп­ ределение поверхностей Fn и FM частиц производят с помощью ситового анализа. Для этого среднюю пробу продукта просеи­ вают на рассеве-анализаторе, состоящем из серии сит с отвер­ стиями разных размеров. В результате получают ряд фракций, различающихся крупностью частиц. Так как частицы каждой

24

фракции не имеют правильной формы, размер их принято опре­ делять полусуммой размеров отверстий двух смежных сит. По­ верхность F частиц каждой фракции определяют по ее массово­ му количеству G, среднему размеру d ее частиц и их плотно­ сти р.

Тогда количество частиц в одной фракции

Зная поверхность частиц каждой фракции, определяют сум­ марную поверхность частиц всей пробы.

В зависимости от степени измельчения условно различают: измельчение крупное (i = 3-i-5), среднее (t = 5-=-10), мелкое (/ = = 10-4-50), тонкое (t>100) и коллоидное (t>1000).

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Механические свойства тел проявляются при воздействии на них внешних сил, под влиянием которых образуются: упругое де­ формирование, пластическое течение и разрушение деформиро­ ванного тела, определяющее наиболее характерное механиче­ ское свойство тела — его прочность.

Например, установлено, что прочность зерна и семян зависит от структуры их клеточного скелета, влажности и температуры. При влажности зерен выше 18% величина прочности их при из­ мельчении возрастает. Это объясняется тем, что зерно с повы­ шенной влажностью ведет себя как пластическое тело и, как по­ лагают, доля пластических деформаций в общей сумме упругих и пластических деформаций, испытываемых зерном до разруше­ ния, возрастает, что затрудняет измельчение. Следовательно, понижение твердости тел не всегда приводит к облегчению их разрушения.

Установлено также, что чем ниже температура зерен, тем бо­ лее хрупкими и менее пластичными они становятся и наоборот с повышением температуры зерна становятся более пластичны­ ми и при измельчении дают меньше мелких частиц.

Эта зависимость величины и характера сопротивления зерен и семян действию внешних сил от их влажности и температуры дает возможность управлять процессом измельчения путем до­ ведения зерен и семян перед измельчением до определенных кон­ диций.

25

Процесс деформации и измельчения твердых тел сопровож­ дается затратой энергии, которая расходуется на образование упругих и пластических деформаций и преодоление сил молеку­ лярного сцепления, после чего тело разрушается с образованием частиц с большой суммарной поверхностью. Как при упругой, так и при пластической деформации происходит частичное пре­ образование механической энергии в тепловую, в результате чего повышается температура деформируемого тела и машины, а поэтому в некоторых измельчающих машинах предусматри­ вают охлаждение рабочих органов. Кроме того, энергия расхо­ дуется на преодоление сопротивлений в измельчающей машине, связанное с ее износом.

В связи с этим расход энергии на измельчение материала

сполучением продукта определенной дисперсности определяется

вкаждом конкретном случае опытным путем с учетом свойств измельчаемого материала, степени измельчения и конструкции

измельчающей машины.

В общем виде расход энергии на измельчение материала, по П. А. Ребиндеру, выражается следующим обобщенным законом:

Первая составляющая уравнения (35) представляет собой энергию, расходуемую на образование новых поверхностей тела, вторая — на упругие и пластические деформации разрушаемого тела и третья — на образование продуктов износа машины.

Анализируя выражение (35), видим, что для уменьшения энергозатрат при конструировании и эксплуатации измельчаю­ щих машин необходимо:

1)измельчать материал до крупности, требуемой технологи­ ей производства, так как излишнее измельчение ведет к росту AF, а следовательно, к дополнительным затратам энергии;

2)уменьшать число циклов т деформации частиц;

3)уменьшать упругие деформации материала рабочего ор­

чаемого материала, что, например, для зерна достигается пред­ варительной гидротермической обработкой его. Сущность гидро­ термической обработки зерна заключается в том, что зерно до измельчения нагревается до 55—60° С и увлажняется до 14,5—

26

15,0%. Это способствует разрыхлению структуры ядра зерна, уменьшает расход энергии на измельчение, снижает зольность получаемой муки и улучшает ее хлебопекарные свойства.

3. ИЗМЕЛЬЧАЮЩИЕ МАШИНЫ

Крупное, среднее и мелкое измельчение производят на дро­ билках, а тонкое и коллоидное — на мельницах. Для достижения необходимой степени измельчения часто процесс проводят в не­ сколько стадий на последовательно соединенных дробильно-раз­ мольных машинах.

Резательные машины применяются для измельчения овощей, корнеплодов, мяса и т. п.; для измельчения картофеля в про­ изводстве крахмала применяют терки.

а) Дробилки

В а л ь ц о в ы е д р о б и л к и применяются для среднего и тонкого дробления зерна на мукомольных и крупяных произ­ водствах, плодов и овощей — на консервных заводах, масличных

Семя

Рис. 3. Вальцовые дробилки:

27

занные на рис. 3, б и 3, в, а для измельчения масличных семян —

5-валковая дробилка (рис. 3, г).

В зависимости от степени измельчения и свойств измельчае­ мого материала элементами рабочей поверхности валков могут

мельничных вальцов отличаются разработанные А. И. Зотьевым двухслойные валки, сердцевину которых отливают из обычного серого чугуна, а наружный поверхностный слой толщиной 20—25 мм — из хромоникелевого чугуна твердостью 450-4-530 НВ (твердость обычных валков 3704-450 НВ).

Обычно один из валков находится в подвижных подшипниках

спружинами, что позволяет регулировать зазор между валками

иотводить попавшие твердые предметы, предотвращая поломку валков.

Для очистки рабочей поверхности валков от приставшего про­ дукта располагают ножи у поверхности гладких валков и щет­ ки — у поверхности рифленых валков.

Захват материала в зону измельчения является основным ус­ ловием работы валков; он характеризуется углом захвата а, под которым понимают угол, образованный касательными в точках касания частицы с поверхностями валков (рис. 4).

Частица материала определенной массы, падающая на валки с определенной скоростью, оказывает на них в точках А и А, давления Р, направленные по нормали к поверхности валков. Со

28

стороны валков частица испытывает такие же силы Р, равно­ действующая R\ которых направлена вверх и стремится вытолк­ нуть частицу. В точках соприкосновения валков с частицей воз­ никают силы трения F = Pf (где / — коэффициент трения), на­ правленные по касательным в точках А и А х. Равнодействующая сил трения Яг направлена вниз и стремится втянуть частицу в зо­ ну измельчения. Для того чтобы частица втягивалась вращаю­ щимися валками и измельчалась, необходимо, чтобы сила /?2=

= 2Р/ cos-j- была больше выталкивающей силы R X= 2P sin

Тогда / > t g -j-. Так как коэффициент трения f — tg ф (где ф —

угол трения), то

tg ф > tg и а < tg ф. (36)

Последнее выражение означает, что для работы вальцов не­ обходимо, чтобы угол захвата был меньше двойного угла трения.

Величина угла захвата зависит от коэффициента трения из­ мельчаемого материала, размера его частиц и диаметра валков. Угол захвата уменьшается с увеличением диаметра валков и за­ зора между ними и с уменьшением размеров частиц. Хотя с ро­ стом влажности материала коэффициент трения увеличивается и улучшаются условия захвата, однако из-за прилипания влаж­ ного материала к валкам качество измельчения ухудшается. Обычно в валках а = 30—36°, а окружная скорость вращения валков находится в пределах 2,5—5,0 м/с.

Между диаметром D валков и размером d захватываемых ими частиц на практике приняты соотношения: для гладких вал­ ков D —(20-b-25W, для рифленых D= (10-M2)(/ и для зубчатых

£>=(2-н5)Д

Производительность вальцовой дробилки (в кг/ч) по массе измельченного материала, выходящего из зазора между валка­ ми в единицу времени, будет равна

* Вместо понятия «число оборотов» в системе СИ принято понятие «часто­ та вращения» с размерностью с-1. Допускается обозначение об/с или об/мин.

29