Кинетика процесса измельчения

30.10.2014

Правильный выбор кинематических параметров рабочих органов измельчающих машин определяет основные показатели всего процесса переработки зерна в муку — степень использования зерна, качество муки, производительность машин, расход энергии на единицу получаемой продукции, и в конечном итоге, себестоимость этой продукции.
Основными кинематическими параметрами валков являются:
vб иvм — окружные скорости быстровращающегося и медленновращающегося валков;
K=vб/vм — отношение окружной скорости быстровращающегося валка;
к окружной скорости медленновращающегося валка;
vp = vб—vм — разность окружных скоростей парноработающих валков.
Из приведенных значений получаем:

Изучением влияния скоростей валков на процесс измельчения занимался ряд советских ученых и практиков мукомольного производства.
Первые теоретические исследования в этой области были проведены проф. П. А. Казьминым, который показал значение для процесса измельчения отношения окружных скоростей валков К. Им же впервые было введено понятие о числе воздействий рифлей быстровращающегося валка на измельчаемый продукт за время его пребывания в зоне измельчения Rт.
Допуская, что зерно движется в зоне измельчения со скоростью медленновращающегося валка vм; П. А. Козьмин определил, что

где Rт — число воздействий рифлей быстровращающегося валка на продукт за время его пребывания в зоне измельчения;
Vp—разность окружных скоростей валков в см/сек;
т — время нахождения продукта в зоне измельчения в сек.

где L — длина пути обработки продукта в см;
vм — скорость медленноврешающегося валка в см/сек;
n — число рифлей на 1 см длины окружности быстровращающегося валка.
Заменяя в уравнении (4—4) разность скоростей Vр уравнением (4-3) и выражая т через L/vм получаем:

Выражение (4—5) показывает, что Rт зависит от трех переменных — длины пути обработки продукта, числа рифлей, приходящихся на 1 см длины быстровращающегося валка, и К — отношения окружных скоростей валков.
П. А. Козьмин обращал внимание читателей на кажущуюся легкость решения задачи. «Теоретически, — говорил он, — вопрос о числе воздействий решается очень просто, сводясь к определению дифференциала К элементарным аналитическим путем. Однако, мы не можем оставаться в пределах формальной логики, так как механический процесс дробления зерна очень сложен. В этом процессе мы можем выявить и учесть технологический эффект только всесторонним научным исследованием при помощи массовых экспериментов».
На основе теоретических положений П. А. Козьмина в России были проведены экспериментальные исследования.
1. В 30-х годах Е. П. Козьмина ставила опыты в лабораторных условиях на пяти драных системах. Измельчение производилось на валках с отношением окружных скоростей К = 1,5 и 2,5 при окружной скорости быстровращающихся валков соответственно 12 и 6 м/сек. Нагрузки на валки составляли: при vб=12 м/ceк (K=1,5) 1440 кг)см*сутки и при vб=6 м/сек (К = 2,5) 720 кг)см*сутки.
По утверждению Е. П. Козьминой, в процессе помола величина рабочего зазора между валками не была постоянной. Следовательно, выявить влияние отношения окружных скоростей валков К и разность скоростей валков vp не представилось возможным, так как с изменением зазора ак изменились длина пути обработки продукта L и число воздействий Rт.
Несмотря на то что исследователь допустил некоторые погрешности, проведенная работа представляет значительный интерес.
Для этого достаточно рассмотреть суммарные результаты измельчения на пяти драных системах (табл. 57).

Как следует из таблицы, несмотря на увеличение нагрузок на I драной системе с 720 до 1440 кг/см*сутки и окружной скорости быстровращающихся валков с 6 до 12 м/сек, выход и качество продуктов почти не изменились. Следовательно, опытами подтверждена возможность повышения эффективности процесса измельчения зерна путем увеличения окружных скоростей валков. Получение одинаковых показателей в обоих случаях было достигнуто вследствие установления одинаковой степени измельчения; это в свою очередь обусловлено различными величинами зазора, а следовательно, изменением длины пути обработки продукта.
2. Кандидат технических наук И.А. Наумов исследовал влияние отношения окружных скоростей валков в лабораторных условиях на валках диаметром 150 мм и длиной 120 мм при отношении окружных скоростей валков: 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5. Скорость быстровращающегося валка во всех опытах была равна 5,2 м/сек. В каждом опыте измельчалось 5 кг зерна пшеницы Цезиум 111 со стекловидностью 13,3%, зольностью 2,04% и влажностью 17,3%. Сводные данные, полученные И. А. Наумовым по всем драным системам, приведены в табл. 58.

По утверждению И. А. Наумова, при К~2 уменьшился выход продуктов, но зато качество их улучшилось. При отношениях окружных скоростей валков К— 3 и 3,5 достигался максимальный выход крупок, но качество их было наихудшим.
Максимального количества крупок и дунстов при их низкой зольности не удалось получить в результате применения одного какого-либо отношения окружных скоростей валков. Автор предупредил читателей, что его данные требуют проверки в производственных условиях.
Выводы И. А. Наумова в основном правильны; но его можно упрекнуть в недостаточно четком представлении о влиянии vp на степень измельчения продукта. При данном vp зерно или его части якобы в меньшей степени подвергаются разрушению. В действительности же влияние vp на разрушение частиц ничтожно.
3. Всесторонние экспериментальные исследования были проведены кандидатом технических наук Г. И. Креймерманом во ВНИИЗ.
Он провёл экспериментальную работу, позволяющую установить влияние основных кинематических параметров валков К и vб но все же не сумел объяснить явления, происходящие в зоне измельчения в связи с изменением этих параметров. Почему степень измельчения не пропорциональна К, автор умалчивает. He объяснено также, почему при К>3 извлечение крупок увеличивается незначительно.
В работе не вскрыто правильное значение vp, которое якобы «...влияет в основном на качество продукта».
4. О. С. Воронцов изучал влияние vp на процесс измельчения зерна.
Он провел ряд помолов на экспериментальной мельнице Московского института технологии зерна и муки (МИТЗИМ). Исследование проводилось при измельчении пшеницы на валках с Vб=1,5—16 м/сек и постоянном K=2,5. Схема помола предусматривала измельчение зерна на пяти драных системах. К сожалению, О. С. Воронцов не приводит всех данных, полученных при проведении экспериментальных помолов, а ограничивается лишь результатами отдельных опытов.
Анализируя приведенные им таблицы и графики, можно сделать вывод, что при постоянном К с увеличением Vб резких изменений в выходе и качестве продуктов не обнаружено.
5. А. В. Панченко на мельнице № 6 в Томске провел исследование процесса измельчения зерна в обойную муку. Измельчение проводилось на станке с валками диаметром 250 мм и длиной 800 мм. Окружная скорость быстровращающихся валков составляла: 3,5; 7,5; 13,5; 16 м/сек.
В результате проведенных исследований он установил возможность и целесообразность применения высоких окружных скоростей валков. Производительность мельницы при vб=12 м/сек увеличивается по сравнению с vб=6 м/сек в 2 раза, а при vб=16 м/сек — в 3—4 раза.
В работе А. В. Панченко не объяснены причины возрастания крупности муки при повышении vб, а также причины повышения зольности муки и снижения расхода энергии.
6. М.Я. Муриан сформулировал цель своей работы следующим образом: «Темой настоящего исследования является комплексная постановка и рассмотрение вопросов деформирования (разрушения) целых зерен на рифленых: валках, работающих с относительной скоростью».
По М. Я. Муриану время, в течение которого каждый валок поворачивается на угол α, равно:

На основе этого автор принимает:

При выводе этого выражения допущена неточность: длина пути обработки продукта каждым валком αR, принятая одинаковой, не соответствует действительной. Для быстровращающегося валка она равна L, а для медленновращающегося валка L/K.
У М. Я. Муриана получается, что обработка продукта медленновращающимся валком Тм длится дольше, чем обработка продукта быстровращающимся валком Tб, т. е. быстровращающийся валок заканчивает обработку продукта, а медленновращающийся продолжает его обрабатывать. В действительности же,

Формула vпр = 2vб/К+1 справедлива в единственном случае, когда vб = vм т. е. в случае, который М. Я. Муриан не рассматривает.
7. Изысканием оптимальных кинематических параметров валков занимался также О. Моог, считавший, что качественные показатели процесса измельчения якобы находят отражение в распределении мощности, требующейся для привода в движение валков.
Исследованиями оборота энергии в вальцевом станке занимались до Mooгa советские ученые, в частности научные работники Одесского технологического института им. И. В. Сталина.
Позднее были проведены под руководством кандидата технических наук А. В. Панченко всесторонние исследования технологического значения величин мощности, «циркулирующей» через межвалковую передачу.
Моог подошел к исследованию этого вопроса схоластически, в отрыве от действительности. Он, например, указывает, что при K=2,5 зерно разрезается один раз, игнорируя при этом величину рабочего зазора ак, расположение граней рифлей валков и т. п. Ударное действие быстровращающегося валка на зерно якобы продолжается от 1/50 до 1/100 сек., в то время как зерно находится в зоне измельчения при vб = 4—6 м/сек не более 0,005—0,003 сек.
Moor неучитывает величины рабочего зазора ак, физических свойств измельчаемого материала, вид помола. Если, например, отношение nм:nб=0,22 (1:4,5) можно применять при обойном помоле, то при сортовом, особенно на первых драных системах это привело бы к резкому ухудшению качества всех продуктов, к снижению выхода крупок и получению большого количества муки с драных систем.
8. Из других зарубежных авторов назовем П. О. Пенса. В проведенных им опытах при отношении окружных скоростей валков К = 1,5; 2,0; 2,5 величины извлечения на первых драных системах составляли 19,5; 20,5; и 20,0. Между тем с увеличением К от 1,5 до 2,5 общее извлечение должно резко увеличиваться. Таким образом, основные положения работы Пенса ошибочны.
Заканчивая рассмотрение работ, авторы которых в той или иной степени касались влияния кинематических параметров валков на процесс измельчения, следует отметить, что этот вопрос не без оснований привлекал внимание исследователей, поскольку он играет решающую роль в процессе измельчения. Однако исследователям (за исключением П. А. Козьмина) не удалось раскрыть природу явлений, происходящих в зоне измельчения в связи с изменением кинематических параметров валков. Кроме того, влияние этих параметров на технологический эффект изучалось лишь при первичном измельчении (на первых драных системах). Что касается тонкого измельчения и обработки конечных продуктов (вымольных систем), то эти сложные вопросы оставались вне поля зрения указанных исследователей. Теоретические положения изложенные в работе П. А. Козьмина, до последнего времени не были развиты.