Тема 1. Машины для измельчения пищевых продуктов

В различных отраслях пищевой промышленности необходимо обеспечить такой технологический процесс, когда продукт подвергается измельчению. Производство муки, дробление семян, получение сахарной пудры, резание овощей и фруктов, получение стружки и многие другие процессы связаны с измельчением различных по своим физико-механическим свойствам продуктов.

Для этих целей в промышленности применяют машины для измельчения, которые можно по функциональному признаку разделить в основном на две группы:

Измельчающие машины. В них происходит интенсивное измельчение жесткого продукта иногда до высокой степени дисперсности. Это осуществляется либо путем многократного разбивания продукта, либо его истиранием на шероховатых рабочих поверхностях, либо его раздавливанием и т.д.

Эти машины обычно называют мельницами.

Резательные машины. Основным рабочим органом этих машин является режущий инструмент. Его форма, траектория движения, а также способы подачи продукта могут быть самые различные в зависимости от назначения машины. Этот раздел достаточно полно изложен в основном учебнике по курсу [4] и поэтому в данной работе не излагается.

Рассмотрим подробно измельчающие машины, которые в зависимости от принципа работы можно разделить на три основные группы.

1) Валковые мельницы. Принцип действия их основан на измельчении (раздавливании и истирании) продукта в зазоре между двумя параллельными вращающимися валками. В случае, если одного зазора оказывается недостаточным для требуемого измельчения продукта, устанавливается несколько валков (до восьми), таким образом, продукт последовательно пропускают через соответствующие рабочие зазоры, доводя его до нужной дисперсности. Диаметры валков применяются от 200 до 500 мм, длина до одного метра, окружные скорости до 14 м/с.

2) Дисковые мельницы. В них продукт измельчается в зазоре между торцами двух дисков. При этом один диск имеет центральное отверстие, куда подается продукт. Так как обычно вращается один диск, а другой неподвижен (либо оба вращаются, но в противоположные стороны), то продукт, попадая в зазор между этих дисков, движется от центра к периферии, измельчаясь. Диаметры дисков до 1 метра, окружные скорости до 70 м/с.

3) Молотковые дробилки. Имеют в качестве основного рабочего органа ротор с закрепленными на нем в определенном порядке молотками. Ротор вращается в кожухе с большой скоростью. В результате чего, частицы продукта разрушаются вследствие удара о молотки и деку, а также дополнительно истираются о ситовую или колосниковую поверхность. Окружные скорости до 100 м/с.

 

 Валковые мельницы

Во многих отраслях пищевой промышленности применяются разные типы валковых мельниц и устройств. Условно по конструкции они обычно подразделяются на двухвалковые с горизонтальным и диагональным расположением валков и комбинированные.

Основными рабочими органами этих машин являются валки. По конструкции валки бывают монолитные и пустотелые с системой для их охлаждения; с гладкой и рифленой поверхностью.

Для работы валковой машины необходимо обеспечить захват продуктов поверхностями валков.

 

Условие захвата продукта

На рис. 1.1 изображена пара валков диаметром D, вращающихся навстречу друг другу вокруг центров О и О ₁. зазор между валками в соответствует крупноте помола. Между валками расположена частица продукта размером d, которая должна быть втянута в зазор поверхностями валков. Допустим, что частица продукта имеет форму шара диаметром d, а шероховатость поверхности обоих валков и их окружные скорости одинаковы.

Рассмотрим силы, действующие на эту частицу только со стороны поверхности одного валка, так как со стороны другого валка план сил будет симметричен.

Рис. 1.1. Схема захвата продукта            валками

Таким образом, в точке контакта А частицы с валком под действием силы тяжести частицы на нее со стороны валка в направлении нормали действует сила реакции Р. Поскольку имеется нормальная сила Р, поэтому при вращении валка в точке А возникает сила трения Т, направленная по касательной в сторону вращения. Проведя оси координат через точку А так, что ось Х горизонтальна, а ось У – вертикальна, можно разложить силы Р и Т на горизонтальные и вертикальные составляющие.

Для этого необходимо отметить угол a между межцентровой линией ОО₁ и радиусом – вектором ОА, проведенным в точку контакта. Разложив силы, можно заменить, что вертикальная составляющая силы трения Т_У стремится втянуть частицу в зазор; вертикальная составляющая реакции Р_У препятствует этому. Горизонтальные составляющие этих сил Р_Х и Т_Х, действующие на частицу со стороны поверхностей обоих валков навстречу друг другу, стремятся сжать и раздавить ее в зазоре.

Следовательно, условием захвата частицы является: сила Т_У должна быть больше силы Р_У, т.е.

Т_У > Р_У,                                             (1.1)

Определив величину этих составляющих, получим соотношение:

Т · cosα > Р · sinα.

Так как сила трения связана с силой нормального давления коэффициентом трения f,т.е. T = f · P, то можно записать:

f · P · cosα > P · sinα.

После сокращения неравенства на Р и разделив его обе части на cosα получим f > tgα.

Здесь f – коэффициент трения продукта о поверхность валка, который можно выразить через тангенс угла трения ρ. Тогда полученное неравенство можно записать так

                tgρ > tg α или α < ρ.                                   (1.2)

На основании полученного выражения можно сделать вывод, что условие захвата продукта зависит только от коэффициента трения продукта о материал поверхности валка и от величины угла α, который должен быть меньше угла трения ρ. Именно поэтому угол α называют углом захвата. В каждом конкретном случае, находя значение угла захвата и сравнивая его с табличными значениями угла трения ρ, можно определить: будет ли захват продукта валками или нет.

 

Определение диаметра валков

При проектировании валковой мельницы конструктор неизбежно сталкивается с вопросом, какой необходимо принять диаметр валков с тем, чтобы получить гарантированный захват продукта и втягивание его, а зазор определенного размера, соответствующего заданной технологическими условиями степени его измельчения?

Поэтому, чтобы ответить на этот вопрос необходимо определить такой минимальный диаметр валков, который в соответствии с рассмотренным выше условием захвата мог бы обеспечить захват заданного продукта, крупнота частиц которого не превышает заданные размеры.

Для этого выразим межцентровое расстояние ОО₁ (см. рис. 1.1) двумя следующими способами:

Первый                                                       (1.3)

Второй    ОО₁ = (ОВ + АС) · 2                                            (1.4)

Из треугольника ОАВ катет ОВ = ОА · cosα или

Таким же образом из треугольника АО₂С можно определить катет АС:

                                

Следовательно, во втором способе (1.4) расстояние ОО₁ равно:

          

Так как правые части полученных уравнений (1.3) и (1.4) (в первом и втором способе) выражают одну и ту же величину, т.е. расстояние ОО₁, то их можно приравнять. При этом получим:

                           D + в = D · cosα + d · cosα.                                    (1.5)

Можно решить полученное уравнение относительно диаметра валков D, тогда

                                                                                                 (1.6)

Так как граничным условием захвата является равенство α = ρ, то учитывая его, преобразуем последнее выражение и получим:

                                                                                             (1.7)

Следовательно, зная размер частиц продукта подлежащего размолу d, величину зазора в (т.е. размер частиц после размола), а так же значение угла трения ρ, найденное по табличному значению коэффициента трения f двух материалов (материала валка и продукта) как, ρ = arctgf, можно определить наименьший диаметр валка.

Для получения надежного и гарантированного захвата по найденному наименьшему диаметру выбирают конструктивный диаметр валков, увеличивая D _min примерно в два раза.