Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья

31.10.2014

Разработка физических моделей объекта исследований. Анализ основных направдений и тенденций развития способов и аппаратов измельчения пищевых продуктов, приведенных ранее, указывает на стабильность развития всех, имеющих промышленное применение, способов измельчения. Такая закономерность сохранится и в перспективе, поскольку обусловлена с одной стороны широким разнообразием структурно-механических свойств измельчаемых продуктов, а с другой — динамично расширяющимся ассортиментом готовой продукции. Аналогичная ситуация наблюдается и в развитии техники измельчения. Эволюция способов измельчения в технологиях мукомольного производства ограничилась применением двух способов: сжатие и сдвиг-вальцовые станки, удар и истирание — энтолейторы и деташеры. При этом первый способ сопровождается частично срезом, импульсным характером приложения разрушающих усилий — драные системы и истиранием — драные и размольные системы. Однако, несмотря на широкое распространение, этот способ, как показано в главах 2 и 3, нуждается в комплексной интенсификации. Поэтому разработку моделей следует выполнить в соответствии с приоритетными направлениями развития способов и методами комплексной интенсификации, определенными автором в главах 2 и 3, а именно:
— реализация основных способов измельчения;
— простота кинематической схемы и конструкции в целом;
— минимизация или отсутствие жестких кинематических связей;
— приложение разрушающих усилий в процессе трения качения основного или основных рабочих органов но измельчаемому продукту;
— многократное и периодическое приложение разрушающих усилий с частично импульсным характером;
— возможность работы в порционном и непрерывном режиме;
— возможность работы как в вентилируемом, так и невентилируемом режимах;
— возможность масштабирования и перехода к промышленному образцу и др.
Модели, имитирующие основные способы и отвечающие сформулированным требованиям, приведены ранее. Модели «а» и «б» относятся к гравитационным, а «в» и «г» — к инерционным. Их рабочие объемы определены цилиндрическим корпусом и измельчающими телами, имеющими пять-шесть степеней свободы, т. е. в них отсутствуют жесткие кинематические связи между основными рабочими органами. Все модели могут работать в вентилируемом режиме, который потенциально может обеспечить внутримельничное сортирование и более выровненный по крупности готовый продукт при его минимальном переизмельчении. В инерционных моделях разрушающие усилия регулируются в широком диапазоне за счет повышения оборотов дисбалансного вибратора. Каждая модель масштабируется и имеет натуральный аналог в промышленности, и полученные на ней результаты могут быть воспроизведены в промышленных условиях.
В модели «а» реализуется сжатие и сдвиг с элементами импульсного разрушения, в «б» — объемное сжатие и истирание с элементами импульсного разрушения, в «в» — объемное сжатие и сдвиг с истиранием, в «г» — сдвиг и сжатие с гармоническим ударным воздействием.
Кроме разработанных моделей исследования проводились на вальцовом станке A1-БЗН и лабораторной молотковой дробилке МД с разгрузкой через решетку. Способы измельчения в них являются классическими и не нуждаются в интерпретации.
Обоснование, выбор пищевой дисперсной системы как предмета исследований. В подразделе 1.1 в результате анализа характерных особенностей процесса измельчения в технологиях пищевых производств показано, что процесс измельчения зерна пшеницы относится к приоритетным объектам исследований. Однако приоритетность самого зерна, как предмета исследований, не обоснована.
Основными критериями обоснованности и выбора приняты следующие:
— объем перерабатываемого пищевого сырья;
— весомость в рационе питания человека;
— сопоставимый характер структурно-механических и реологических свойств.
Анализ потребления хлебобулочных изделий по странам и континентам мира, по данным ФАО показывает, что их долевое участие в рационе питания людей составляет от 20 до 60 %. В Украине этот предел более узок и составляет 40...60 %. При этом потребность в муке составляет 100...120 кг в год на человека. Для обеспечения этой потребности необходимо перерабатывать в год до 7 млн. т зерна пшеницы. При использовании его как техногенного сырья и в комбикормовой промышленности этот объем увеличивается минимум в 2 раза.
Основным видом измельчения в технологии муки является избирательное измельчение. Оно, как известно, применяется при сортовом помоле, на долю которого в настоящее время приходится не менее 94 % вырабатываемой муки. Ранее показано, что оценку технологической эффективности избирательного измельчения и процесса шелушения крупяных культур можно осуществлять одними и теми же критериями. Следовательно, физическая сущность явлений, происходящих при избирательном измельчении и шелушении, с позиции системного подхода идентична. К аналогичному заключению можно прийти и при рассмотрении структуры зернобобовых культур. У этих культур также наблюдается сопоставимость механических и реологических свойств. Так их предел прочности изменяется от 1,25*10в6 Па (овес влажностью 17,0 %) до 10,3*10в6 Па (горох влажностью 11,6 %); относительная деформация от 9,0 % (горох влажностью 11,6 %) до 24,0 % (овес влажностью 11,6 %); модуль упругости от 52,8*10в6 Па (Мильтурум 553 мучнистое влажностью 16,8 %) до 151,4*10в6 Па (кукуруза зубовидная влажностью 13,4 %); скорость релаксации от 6,6*10в3 Н/(м2*с) (Мильтурум 553 мучнистое влажностью 16,8 %) до 1,25*10в4 Н/(м2*с) (кукуруза гибрида ВИР 267 влажностью 19,1% при температуре 45°С) и т. д. Таким образом, для всех рассмотренных культур характерны прочность, хрупкость, упругость, вязкость, необратимый характер разрушения. Рассматриваемые пищевые продукты по реологической классификации П. А. Ребиндера и И. В. Михайлова следует отнести к твердообразным телам как обладающим статическими и динамическими предельными напряжениями сжатия и сдвига. Реограммы таких тел включают зоны упругих деформаций, начала течения с наибольшей эффективной и пластической вязкостью, начала лавинного разрушения структуры, лавинного разрушения структуры (течение с наименьшей пластической вязкостью), ньютоновского течения с постоянной вязкостью предельно разрушенной структуры. Таким образом, зерновые массы можно рассматривать в качестве типичных примеров систем, которые занимают большой удельный вес среди сырья пищевой промышленности и охватывают весь диапазон структурно-механических свойств различных пищевых продуктов и полуфабрикатов. Тогда определенные зависимости и установленные закономерности при исследованиях процесса измельчения одной культуры, в том или ином аспекте, можно распространять на весь класс зерновых культур,
В настоящей работе основной культурой для исследований по интенсификации процесса измельчения принимается зерно пшеницы.
Экспериментальные исследования и их результаты. Исследования проводились на вальцовых станках А1-БЗН в производственных условиях Кулиндоровского КХП, лабораторной молотковой дробилке МД в научно-исследовательской лаборатории кафедры технологии комбикормов Одесской национальной академии пищевых технологий и разработанных моделях.
В исследованиях использовалась пшеница IV типа Одесской области с показателями качества, проведенными в табл. 4.1.

Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья

Перед измельчением, как в промышленных, так и в лабораторных условиях, зерно подвергали холодному кондиционированию в соответствии с рекомендациями.
Исследования на моделях «а», «б», «в» и «г» проводились в порционном режиме при разном времени измельчения, что способствовало достижению различных режимов работы.
В результате исследований установлено: степень раскрытия крупок во всех измельчителях достаточно высокая и находится в пределах 75...93 %; степень раскрытия муки для всех измельчителей составляет 100 %; повышение дисперсности продукта сопровождается ростом средневзвешенной степени измельчения; между степенью раскрытия Iкл и степенью измельчения iкл существует корреляционная связь; наиболее плотная корреляция наблюдается у моделей «а» и «г» и у А1-БЗН на первой драной системе при измельчении соответственно высоко- и низкостекловидного зерна пшеницы.
Значения эмпирических коэффициентов к и К для выражения (2.96) приведены для наиболее характерных измельчителей в табл. 4.2. Они установлены по результатам экспериментальных исследований при наибольшем значении величины достоверности аппроксимации.
Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья

Графическое изображение зависимостей Iкл = f(iкл) для моделей табл. 4.2 приведены на рис. 4.1-4.6.
Сопоставление технологической эффективности избирательного измельчения в моделях МД и А1-БЗН проводилось согласно методике по комплексному критерию выражения (2.32). Результаты расчетов критерия приведены в табл. 4.3. Анализ численных значений критерия показывает следующее: наименьшая избирательность измельчения наблюдается в модели «б», значения критерия находится в пределах 0,4...4,4 %; наибольшими значениями критерия характеризуется измельчение в моделях «а» и «г»; эффективность избирательного измельчения в А1-БЗН сопоставима с эффективностью в модели «г» и уступает модели «а» особенно при измельчении мучнистого зерна; критерий оценки объективно характеризует процесс избирательного измельчения, т. к. в совокупности учитывает крупообразующую способность процесса, выход и качество муки.
Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья
Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья
Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья

Приведенный анализ технологической эффективности указывает на реальную возможность повышения избирательности измельчения посредством создания нового способа измельчения на основе механизма измельчения в модели «а».
Его отличие от известного в вальцовых станках и технологии муки состоит в следующем: отсутствие жесткой кинематической связи между основными рабочими органами; минимизация истирания оболочек вследствие генерирования разрушающих усилий в процессе трения качения, а не скольжения между измельчаемым продуктом и основным рабочим органом; разрушающая сила генерируется инерционной силой, что исключает ее превышение над силой разрушения зерна и соответственно его оболочек; минимизация измельчения оболочек от применения ровной геометрии рабочих органов.
Таким образом, полученные результаты являются экспериментальным подтверждением проведенных в главах 2 и 3 исследованиях и принимаются в качестве основополагающих при разработке интенсифицирующих процесс и технологию технических и конструктивных решений.
Моделирование основных способов измельчения пищевого сырья

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: